切割蓝宝石的水刀装置的制作方法

本发明涉及加工技术领域，特别涉及一种切割蓝宝石的水刀装置。

背景技术：
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工业上使用的人工合成蓝宝石为α-Al₂O₃，除了具有天然蓝宝石的晶莹剔透的视觉美感，它还有许多优良的物理化学性能，如：高硬度(仅次于金刚石)、高熔点(2054℃)、绝缘性好(常温下的电阻率大于1011Ω·cm)、化学稳定性好(常温下不与强酸、碱反应，高温下缓慢反应)等，这些优异的性能加上人工合成蓝宝石成本的低廉，使得其越来越多的被应用到各个领域，包括：LED衬底材料、手机屏、腕表镜面、防弹玻璃、照相机镜头等。

由于蓝宝石极其坚硬，耐划伤，适合用于半导体和LED技术，但玻璃、陶瓷、和蓝宝石有个共同点就是很难加工。它们易碎而且都是非常坚硬的材料，挑战着铣、钻、磨等传统制造工艺的极限，加工这些材料时刀具磨损快，并且需要好几个加工环节才能得到足够好的加工质量。

成本低、效率高的放电(电火花)加工技术已成功用于金属制品加工，但由于蓝宝石绝缘的性质，这种对高硬度、高耐磨材料的加工技术无法应用在蓝宝石上。另外，由于蓝宝石的化学稳定性和耐高温，将常温下化学加工的途径也堵死，即便在高温下，加工效率也非常低。

近年来发展的将激光切割应用到蓝宝石切割上，效果显著，但还有些难以克服的问题，如：对于反光、透光材料，激光难以有效的烧蚀，热量的不均匀导致材料的裂缝等。

技术实现要素：
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鉴于此，有必要设计一种切割效果好的切割蓝宝石的水刀装置；还有必要提供一种使用水刀切割蓝宝石的方法。

一种切割蓝宝石的水刀装置，包括：水刀机床、计算机控制系统、磨料水射流系统和酸液喷淋系统、激光定位装置；其中，计算机控制系统用于控制水刀机床各部分之间的协调动作，计算机控制系统还用于控制磨料水射流系统的启闭和酸液喷淋系统的启闭及磨料水射流系统射流压力；磨料水射流系统用于喷射超高压磨料水射流对蓝宝石进行切削；酸液喷淋系统用于在切口处施加酸液，使酸液被超高压磨料水射流轰击后高速冲击蓝宝石进行协同的化学加工；激光定位装置用于在工件切削点投影光斑来协助酸液喷淋系统准确喷淋，因为酸液喷淋系统采用低压喷淋，喷淋精度低，需要激光定位以纠偏；

水刀机床包括：导轨、立柱、横梁、切割头、工件夹持系统；导轨水平设置，立柱设置在导轨上，立柱可通过其步进电机在导轨上移动，横梁端部与立柱固定，横梁与导轨垂直，切割头设置在横梁上，切割头可通过其步进电机在横梁上移动，固定在切割头底座上的磨料喷嘴与转动机构相连使磨料喷嘴可在与切割头底座平行的平面内进行±90℃范围的转动；工件夹持系统包括三爪卡盘、卡盘座和电机，三爪卡盘用于固定工件，三爪卡盘通过圆锥滚子轴承固定在卡盘座上，通过电机输出三爪卡盘可绕轴自转；考虑到蓝宝石晶锭经常需要切段，蓝宝石晶圆经常需要切片，故采用固定磨料喷嘴、旋转工件的方式最为方便、稳定；

磨料水射流系统包括：供水系统、超高压水泵站、高压水路、喷水嘴、磨料储罐、精密喂料机、磨料喷嘴；供水系统为超高压水泵站提供水，超高压水泵站通过高压水路与喷水嘴相连，喷水嘴插入到磨料喷嘴中，喷水嘴与磨料喷嘴腔室联通且喷水嘴喷出方向与磨料喷嘴的喷出方向重合，磨料储罐下部与精密喂料机相连，精密喂料机出料口通过管路与磨料喷嘴腔室联通，超高压水泵站、精密喂料机与计算机控制系统电性连接；

酸液喷淋系统包括：酸液储罐、隔膜泵、酸液喷头；酸液储罐、隔膜泵、酸液喷头通过管路依次相连，酸液喷头固定在切割头底座上，酸液喷头通过其转动机构可与磨料喷嘴在同平面内±100℃转动；

激光定位装置包括激光发射器和转动装置，激光发射器通过转动装置固定在酸液喷头外，转动装置使激光发射器可与酸液喷头在同平面内转动；

喷水嘴的出口压力大于330MPa。由于蓝宝石性质异常稳定，故可放心采用超高压射流冲击，同时，由于水压已经远超过阀值，纯水和磨料会引起蓝宝石表面的不稳定性，使常温常压下不与强酸反应的蓝宝石表面变得与酸易于反应，从而进行化学辅助加工。

优选的，切割蓝宝石的水刀装置还包括有废液收集槽。

优选的，切割蓝宝石的水刀装置还包括有指示灯，用以指示水刀机床、超高压水泵站的状态。

优选的，喷水嘴的出口压力大为380～420MPa。

优选的，酸液储罐内为10～20％的盐酸。

一种使用水刀切割蓝宝石的方法，包括以下步骤：

(1)将蓝宝石工件固定在旋转座上，并使其旋转；

(2)设定水刀切割位置，向该位置喷淋10～20％盐酸；

(3)启动水刀，对该位置进行加沙切割，喷水嘴的出口压力大为380～420MPa。由于蓝宝石性质异常稳定，故可放心采用超高压射流冲击，同时，由于水压已经远超过阀值，纯水和磨料会引起蓝宝石表面的不稳定性，使常温常压下不与强酸反应的蓝宝石表面变得与酸易于反应，从而进行化学辅助加工。

本发明通过创造性地将水刀切割引入蓝宝石加工领域，从而解决了蓝宝石难以切割、加工成本高昂的问题，同时结合蓝宝石特性和超高压射流所引起的加工材料的不稳定性，设计了化学辅助加工，将蓝宝石的加工技术又向前推动一大步。

附图说明：

附图1是一幅较佳实施方式的切割蓝宝石的水刀装置的立体结构示意图。

附图2是一幅较佳实施方式的磨料水射流系统的示意图。

图中：导轨11、立柱12、横梁13、切割头14、工件夹持系统15、供水系统21、超高压水泵站22、高压水路23、喷水嘴24、磨料储罐25、精密喂料机26、磨料喷嘴27、蓝宝石工件9、酸液喷头31、激光发射器41、废液收集槽16、指示灯17。

具体实施方式：

如附图1、2所示，一种切割蓝宝石的水刀装置，包括：水刀机床、计算机控制系统、磨料水射流系统和酸液喷淋系统、激光定位装置；其中，计算机控制系统用于控制水刀机床各部分之间的协调动作，计算机控制系统还用于控制磨料水射流系统的启闭和酸液喷淋系统的启闭及磨料水射流系统射流压力；磨料水射流系统用于喷射超高压磨料水射流对蓝宝石工件9进行切削；酸液喷淋系统用于在切口处施加酸液，使酸液被超高压磨料水射流轰击后高速冲击蓝宝石工件9进行协同的化学加工；激光定位装置用于在蓝宝石工件9切削点投影光斑来协助酸液喷淋系统准确喷淋，因为酸液喷淋系统采用低压喷淋，喷淋精度低，需要激光定位以纠偏；

水刀机床包括：导轨11、立柱12、横梁13、切割头14、工件夹持系统15；导轨11水平设置，立柱12设置在导轨11上，立柱12可通过其步进电机在导轨11上移动，横梁13端部与立柱12固定，横梁13与导轨11垂直，切割头14设置在横梁13上，切割头14可通过其步进电机在横梁13上移动，固定在切割头14底座上的磨料喷嘴27与转动机构相连使磨料喷嘴27可在与切割头14底座平行的平面内进行±90℃范围的转动，该转动机构只用于驱动磨料喷嘴的转动，为现有技术，不再累述；工件夹持系统15包括三爪卡盘、卡盘座和电机，三爪卡盘用于固定蓝宝石工件9，三爪卡盘通过圆锥滚子轴承固定在卡盘座上，通过电机输出三爪卡盘可绕轴自转；考虑到蓝宝石晶锭经常需要切段，蓝宝石晶圆经常需要切片，故采用固定磨料喷嘴、旋转工件的方式最为方便、稳定；

磨料水射流系统包括：供水系统21、超高压水泵站22、高压水路23、喷水嘴24、磨料储罐25、精密喂料机26、磨料喷嘴27；供水系统21为超高压水泵站22提供水，超高压水泵站22通过高压水路23与喷水嘴24相连，喷水嘴24插入到磨料喷嘴27中，喷水嘴24与磨料喷嘴27腔室联通且喷水嘴24喷出方向与磨料喷嘴27的喷出方向重合，磨料储罐25下部与精密喂料机26相连，精密喂料机26出料口通过管路与磨料喷嘴27腔室联通，超高压水泵站22、精密喂料机26与计算机控制系统电性连接；

酸液喷淋系统包括：酸液储罐、隔膜泵、酸液喷头31；酸液储罐、隔膜泵、酸液喷头31通过管路依次相连，酸液喷头31固定在切割头14底座上，酸液喷头31通过其转动机构可与磨料喷嘴27在同平面内±100℃转动，该转动机构只用于驱动酸液喷头的转动；

激光定位装置包括激光发射器41和转动装置，激光发射器41通过转动装置固定在酸液喷头31外，转动装置使激光发射器可与酸液喷头在同平面内转动，该转动机构只用于驱动激光发射器41的转动；

喷水嘴24的出口压力大于330MPa。由于蓝宝石性质异常稳定，故可放心采用超高压射流冲击，同时，由于水压已经远超过阀值，纯水和磨料会引起蓝宝石表面的不稳定性，使常温常压下不与强酸反应的蓝宝石表面变得与酸易于反应，从而进行化学辅助加工。

在本实施方式中，切割蓝宝石的水刀装置还包括有废液收集槽16。

在本实施方式中，切割蓝宝石的水刀装置还包括有指示灯17，用以指示水刀机床、超高压水泵站22的状态。

在本实施方式中，喷水嘴24的出口压力大为380～420MPa。

在本实施方式中，酸液储罐内为10～20％的盐酸。

一种使用水刀切割蓝宝石的方法，包括以下步骤：

(1)将蓝宝石工件固定在旋转座上，并使其旋转；

(2)设定水刀切割位置，向该位置喷淋10～20％盐酸；

(3)启动水刀，对该位置进行加沙切割，喷水嘴的出口压力大为380～420MPa。