一种新型超薄涂层游星轮夹具及其制作方法与流程

本发明涉及精密加工领域，具体是指一种新型超薄涂层游星轮夹具及其制作方法。

背景技术：

随着科学技术的发展，超薄工件在众多领域扮演着重要角色，如计算机磁盘、光学镜片和半导体衬底等。这类工件通常要求具有很高的表面平整度和表面质量。研磨和抛光都属于精密加工，是超薄工件常用的加工手段。超薄工件经过平面研磨能够获得微米级的表面平整度，经过抛光则能获得极低的表面粗糙度。双面行星研磨/抛光则是指在双面行星研磨/抛光设备上进行研磨/抛光加工，由于双面行星研磨/抛光时工件的上下两个表面同时进行材料去除，因此加工效率比传统的单面研磨/抛光更高，同时，因为双面行星研磨/抛光时磨粒运动轨迹更加复杂和均匀，所以工件表面质量也更好。以上优点使得双面行星研磨/抛光成为超薄工件的首选加工方法。

传统的双面行星研磨/抛光要求游星轮夹具的厚度必须小于工件厚度。以半导体衬底为例，出于对缩减材料成本的需求，衬底的厚度规格呈现越来越薄的趋势，相应的，游星轮夹具的厚度也要求越来越薄。这使得游星轮夹具的强度和刚度难以满足要求。传统的金属超薄游星轮夹具由于刚度不够，在使用过程中容易出现较大的翘曲、变形等现象，导致工件滑出破碎等问题，同时，由于金属材料表面的耐磨损性较差，使用过程中游星轮夹具的磨损进一步降低的游星轮的刚度和强度，这将严重影响游星轮夹具的使用寿命，增加了生产成本。

技术实现要素：

本发明的目的提供一种新型超薄涂层游星轮夹具及其制作方法，不仅提供了游星轮夹具的刚度和强度，还减小游星轮夹具的变形风险，提高游星轮夹具的使用寿命。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种新型超薄涂层游星轮夹具，所述游星轮夹具的上表面及下表面均设置有涂层，所述游星轮夹具沿周向设置有多个锯齿；所述游星轮夹具上开设有若干个装载孔，用于放置超薄工件；所述工件的厚度大于所述游星轮夹具的厚度。

在一较佳的实施例中，所述装载孔的形状与所述工件形状相同。

在一较佳的实施例中，所述游星轮夹具厚度范围为50μm至500μm。

在一较佳的实施例中，所述涂层的厚度范围为1μm至20μm。

在一较佳的实施例中，所述涂层具体由高硬度耐磨材料制成。

在一较佳的实施例中，所述游星轮夹具具体为金属游星轮夹具。

本发明还提供了一种新型超薄涂层游星轮夹具的制作方法，采用了上述的新型超薄涂层游星轮夹具；所述涂层具体为金刚石涂层；具体包括以下步骤：

(1)制备符合工件尺寸规格的游星轮；

(2)对游星轮表面进行研磨、抛光、清洗和吹干处理；

(3)将处理好的游星轮放入反应器中，并通入ch4和h2的混合气体，使其产生ch4-h2等离子体，进而反应生产固体碳元素，并使其沉积于游星轮表面，即在游星轮表面获得金刚石涂层。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供了一种新型超薄涂层游星轮夹具及其制作方法，通过采用高硬度耐磨材料，使得在加工超薄工件时，游星轮夹具的表面强度和耐磨性以及使用寿命提高。对于双面加工超薄工件，可在保持原有的生产效率的基础上，规避因夹具过薄带来的加工风险，且对于双面加工设备的发展和应用具有重要意义。

本发明采用的高硬度耐磨材料为金刚石涂层，其具有高硬度，高耐磨性和化学稳定性，因此，在传统金属游星轮夹具表面沉积一层金刚石涂层，不仅可以提供游星轮夹具的刚度和强度，减小夹具的变形，同时也可提供其表面的耐磨性，提高游星轮夹具的使用寿命。可广泛用于超薄零件的双面研磨和抛光加工中。

附图说明

图1为本发明优选实施例中游星轮夹具的整体结构示意图；

图2为本发明优选实施例中游星轮夹具的截面图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种新型超薄涂层游星轮夹具，参考图1至2，所述游星轮夹具1的上表面及下表面均设置有涂层，所述游星轮夹具1沿周向设置有多个锯齿13；所述游星轮夹具1上开设有若干个装载孔12，用于放置超薄工件；所述工件的厚度大于所述游星轮夹具1的厚度。所述装载孔12的形状与所述工件形状相同。所述游星轮夹具1上所开设的装载孔12的形状和尺寸，根据所工件的形状和尺寸定，如圆形、方形或其他形状。所述游星轮夹具1的锯齿13的齿形与齿数一句所使用的加工设备情况而定。

具体来说，所述游星轮夹具1厚度范围为50μm至500μm。所述涂层的厚度范围为1μm至20μm。

所述涂层具体由高硬度耐磨材料制成。在本实施例中，所述涂层具体为金刚石涂层11，除金刚石外，也可为其他材料如陶瓷、硬质合金等高硬度耐磨材料。所述游星轮夹具1具体为金属游星轮夹具1。

本发明根据化学气相沉淀法来制作上述新型超薄涂层游星轮夹具；还可以使用高温高压法或者其他镀层方法。

具体包括以下步骤：

(1)制备符合工件尺寸规格的游星轮；

(2)对游星轮表面进行研磨、抛光、清洗和吹干处理；

(3)将处理好的游星轮放入反应器中，并通入ch4和h2的混合气体，使其产生ch4-h2等离子体，进而反应生产固体碳元素，并使其沉积于游星轮表面，即在游星轮表面获得金刚石涂层11。制得的金刚石涂层11其表面形貌均匀、致密，能与金属游星轮结合紧密。

本发明提供了一种新型超薄涂层游星轮夹具及其制作方法，通过采用高硬度耐磨材料，使得在加工超薄工件时，游星轮夹具1的表面强度和耐磨性以及使用寿命提高。对于双面加工超薄工件，可在保持原有的生产效率的基础上，规避因夹具过薄带来的加工风险，且对于双面加工设备的发展和应用具有重要意义。

本发明采用的高硬度耐磨材料为金刚石涂层11，其具有高硬度，高耐磨性和化学稳定性，因此，在传统金属游星轮夹具1表面沉积一层金刚石涂层11，不仅可以提供游星轮夹具1的刚度和强度，减小夹具的变形，同时也可提供其表面的耐磨性，提高游星轮夹具1的使用寿命。可广泛用于超薄零件的双面研磨和抛光加工中。

以下举两个实例来具体说明

实例1

应用本实施例的新型超薄金刚石涂层11游星轮夹具1与传统游星轮夹具1的刚度进行有限元仿真。

1)无金刚石涂层11的游星轮夹具1刚度分析

在workbench里对无金刚石涂层11的游星轮夹具1进行建模，设置游星轮夹具1厚度为0.5mm；对该游星轮夹具1模型添加材料属性，设定游星轮夹具1为不锈钢材质，不锈钢材料参数为：弹性模量为2×10⁵mpa，泊松比为0.3；对无金刚石涂层11的游星轮夹具1进行六面体网格划分，划分后的网格数量为6425个；对该游星轮夹具1的侧面施加位移约束，限制其x,y,z方向位移，对游星轮夹具1的上表面施加50n压力；再对以上仿真过程进行求解，查看夹具的整体变形量大小。

2)有金刚石涂层11的游星轮夹具1刚度分析

在workbench里对有金刚石涂层11的游星轮夹具1进行建模，共建三个模型，其中设置中间金属游星轮厚度为0.5mm，中间金属游星轮上下表面金刚石涂层11厚度均为0.01mm，将上下表面金刚石涂层11与中间金属游星轮组合成一个整体；对该游星轮夹具1模型添加材料属性，设定游星轮夹具1为不锈钢材质，不锈钢材料参数：弹性模量为2×10⁵mpa，泊松比为0.3；设定金刚石材料参数：弹性模量为1.1×10⁶mpa，泊松比为0.07；对有金刚石涂层11的游星轮夹具1进行六面体网格划分，划分后的网格数量为20313个；对该游星轮夹具1的侧面施加位移约束，限制其x,y,z方向位移，对游星轮夹具1的上表面施加50n压力；再对以上仿真过程进行求解，查看夹具的整体变形量大小。

有限元仿真结果：对有无金刚石涂层11的游星轮夹具1仿真结果进行对比，在相同参数条件下，有金刚石涂层11的游星轮夹具1的刚度是无金刚石涂层11的游星轮夹具11.66倍，说明有金刚石涂层11的游星轮夹具1比传统游星轮夹具1刚度高。

实例2

应用本实施例的新型超薄金刚石涂层11游星轮夹具1与传统游星轮夹具1的表面硬度进行有限元仿真。

1)无金刚石涂层11的游星轮夹具1表面硬度分析

在workbench里对无金刚石涂层11的游星轮夹具1及压头进行建模，设置游星轮夹具1厚度为0.5mm，压头形状为圆柱形，其直径为φ5mm，高度为10mm；对该游星轮夹具1模型添加材料属性，设定游星轮夹具1为不锈钢材质，不锈钢材料参数为：弹性模量为2×10⁵mpa，泊松比为0.3；设定压头为金刚石材质，金刚石材料参数为：弹性模量为1.1×10⁶mpa，泊松比为0.07；再将压头设置为刚体；对无金刚石涂层11的游星轮夹具1进行六面体网格划分，划分后的网格数量为2261个；对该游星轮夹具1的上表面和压头下表面设置摩擦接触，摩擦系数为0.15，法向接触刚度为0.1；对该游星轮夹具1的下表面施加固定约束，对压头的上表面施加5n载荷；对以上仿真过程进行求解，查看夹具的应变大小。

2)有金刚石涂层11的游星轮夹具1表面硬度分析

在workbench里对金刚石涂层11的游星轮夹具1及压头进行建模，共建三个模型，其中设置中间金属游星轮厚度为0.5mm，中间金属游星轮上下表面金刚石涂层11厚度均为0.01mm，将上下表面金刚石涂层11与中间金属游星轮组合成一个整体；压头形状为圆柱形，其直径为φ5mm，高度为10mm；对该游星轮夹具1模型添加材料属性，设定游星轮夹具1为不锈钢材质，不锈钢材料参数为：弹性模量为2×10⁵mpa，泊松比为0.3；设定涂层与压头均为金刚石材质，金刚石材料参数为：弹性模量为1.1×10⁶mpa，泊松比为0.07；再将压头设置为刚体；对有金刚石涂层11的游星轮夹具1进行六面体网格划分，划分后的网格数量为18882个，对该游星轮夹具1涂层上表面和压头下表面设置摩擦接触，摩擦系数为0.15，法向接触刚度为0.1；对该游星轮夹具1的下表面施加固定约束，对压头的上表面施加5n载荷；以上仿真过程进行求解，查看夹具的应变大小。

有限元仿真结果：对有无金刚石涂层11的游星轮夹具1仿真结果进行对比，在相同参数条件下，有金刚石涂层11的游星轮夹具1整体变形量约为无金刚石涂层11的游星轮夹具10.35倍，说明有金刚石涂层11的游星轮夹具1比传统游星轮夹具1表面硬度更好，即耐磨性能好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。