станок для обработки пластин по контуру

Формула изобретения

1. Станок для обработки пластин по контуру, содержащий станину с закрепленной на ней стойкой, узел крепления пластин в виде вертикально расположенного стола и привода его вращения, соединенного со столом через горизонтально установленный в стойке вал, шпиндель инструмента с электродвигателем, отличающийся тем, что он снабжен узлом автоматического управления станком и узлом перемещения шпинделя инструмента, состоящим из устройств грубого и точного подвода и отвода шпинделя, юстировочного устройства и системы валов, один из которых закреплен на станине, а два других проходят через упомянутый вал перпендикулярно его оси с возможностью перемещения по нему, при этом узел крепления пластин выполнен с полым валом и с устройствами горизонтального и вертикального центрирования пластин, стол для крепления пластин - вакуумным, юстировочное устройство - в виде набора копиров, размещенных на полом валу узла для крепления пластин, и рамки с имеющим возможность перемещения по ней в горизонтальной и качания в вертикальной плоскостях рычагом с закрепленным на его конце копирным колесом, взаимодействующим с одним из копиров, причем электродвигатель шпинделя инструмента установлен на перпендикулярно расположенных валах системы валов, а рамка закреплена одним концом на станине, а другим - на закрепленном на станине валу системы валов и имеет возможность качания в вертикальной плоскости и взаимодействия с устройствами точного и грубого подвода и отвода шпинделя инструмента, установленными соответственно на одном и двух перпендикулярно расположенных валах системы валов.

2. Станок по п.1, отличающийся тем, что устройства горизонтального и вертикального центрирования пластин выполнены в виде перпендикулярно расположенных друг к другу ограничителей по вертикали и горизонтали, например, в виде пластинок, каждый из которых соединен через линейные направляющие с микрометрической головкой, помещенной в корпусе и приводимой в движение шаговым двигателем, соединенным с узлом автоматического управления станком.

3. Станок по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен устройством охлаждения, выполненным в виде составного кожуха, одна из частей которого стационарно укреплена на шпинделе инструмента и имеет форсунки для подачи под давлением охлаждающей жидкости, а другая часть установлена с возможностью съема и закрепления на стационарной части и выполнена с прорезями для подачи обрабатываемых пластин и охлаждающей жидкости к инструменту и с отверстием для слива охлаждающей жидкости с продуктами обработки, при этом съемная часть кожуха закреплена на стационарной части посредством, например, байонетного крепления.

4. Станок по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что устройство точного подвода и отвода шпинделя инструмента выполнено в виде упора, соединенного с рамкой и через линейные направляющие с микрометрической головкой, приводимой в движение шаговым двигателем, соединенным с узлом автоматического управления станком.

5. Станок по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что шпиндель инструмента и все устройства станка расположены на одном уровне станины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области станкостроения, в частности к круглошлифовальным станкам для обработки пластин, из всех типов полупроводниковых материалов, в том числе и сапфира, имеющих высокие требования по диаметру и по заданному контуру, и может использоваться в микроэлектронике.

Технической задачей данного изобретения является создание станка, позволяющего обрабатывать пластины по контуру из полупроводниковых материалов толщиной от 2 до 0,2 мм с высоким выходным коэффициентом после обработки и обеспечивающего упрощение обслуживания и наладки.

Известен шлифовальный станок, содержащий станину, узел крепления обрабатываемой заготовки в виде горизонтально расположенных на станине салазок с приводом продольного перемещения и размещенного на них стола с приводом его вращения, юстировочное копирное устройство, шпиндель, установленный перпендикулярно столу, и узел перемещения шпинделя, система управления (авт.св. SU №366669, В 24 В 7/00, 1983). Одним из недостатков данного станка является сложность обслуживания станка, т.к. стол расположен на перемещающейся каретке, а ручные работы с одновременным перемещением стола и каретки приводят к снижению производительности и точности обработки.

Известен плоскошлифовальный станок для обработки плоских и профильных поверхностей, содержащий станину, узел крепления в виде горизонтально расположенного стола с механизмом продольного перемещения, юстировочное устройство, шпиндель, установленный на стойке перпендикулярно столу, и узел перемещения шпинделя с механизмом перемещения и с юстировочным устройством в виде компенсатора с регулировочными винтами (патент RU №2055718, В 24 В 7/00, 1996).

Недостатком данной конструкции является сложная регулировка взаимного расположения стола и шпинделя.

Кроме того, в вышеприведенных станках механизмы перемещения стола расположены в подвижной части станка, что ведет к неудобству обслуживания процесса, потери производительности и точности обработки.

Известен шлифовальный станок для обработки профильных поверхностей, содержащий станину, узел крепления в виде горизонтально расположенного стола с механизмом вращения и продольного перемещения и элемент крепления с использованием вакуумной системы, шпиндель с узлом его перемещения и радиального регулирования (патент US №3452485, В 24 В 7/00, 1969). В данной конструкции отсутствует взаимная регулировка стола и шпинделя.

Наиболее близким по технической сущности является станок для обработки пластин по контуру, содержащий станину с закрепленной на ней стойкой, узел крепления пластин в виде вертикально расположенного стола и привода его вращения, соединенного со столом через горизонтально установленный в стойке вал, шпиндель инструмента с электродвигателем (патент SU №1276480, В 24 В 9/02, 1986). Одним из важнейших недостатков является невозможность обеспечить высокие требования по центровки пластины относительно обрабатывающего инструмента.

К недостаткам вышеуказанных станков следует отнести и сложность в процессе сборки, наладки и перестройки станка.

Все вышеперечисленные станки не могут быль использованы для обработки по контуру тонких и сверхтонких пластин.

Техническим результатом данного изобретения является возможность обработки по контуру тонких и сверхтонких пластин, сокращение времени на настройку станка, возможность обработки пластин с минимальным припуском и экономия материала, повышение надежности работы и выхода годного, упрощение сборки и наладки станка при изменении размеров пластин. Все вышеперечисленное характерно для обработки по контуру специальных пластин из материалов, имеющих очень высокую твердость, например, сапфира.

Технический результат достигается тем, что в станке для обработки пластин по контуру, содержащем станину с закрепленной на ней стойкой, узел крепления пластин в виде вертикально расположенного стола и привода его вращения, соединенного со столом через горизонтально установленный в стойке вал, шпиндель инструмента с электродвигателем, согласно изобретению станок снабжен узлом автоматического управления станком и узлом перемещения шпинделя инструмента, состоящим из устройств грубого и точного подвода и отвода шпинделя, юстировочного устройства и системы валов, один из которых закреплен на станине, а два других проходят через упомянутый вал перпендикулярно его оси с возможностью перемещения по нему, при этом узел крепления пластин выполнен полым и с устройствами горизонтального и вертикального центрирования пластин, стол для крепления пластин - вакуумным, юстировочное устройство - в виде набора копиров, размещенных на полом валу узла для крепления пластин, и рамки с имеющим возможность перемещения по ней в горизонтальной и качания в вертикальной плоскости рычагом с закрепленным на его конце копирным колесом, взаимодействующим с одним из копиров, причем электродвигатель шпинделя инструмента установлен на перпендикулярно расположенных валах системы валов, а рамка закреплена одним концом на станине, а другим на закрепленном на станине валу системы валов и имеет возможность качания в вертикальной плоскости и взаимодействия с устройствами точного и грубого подвода и отвода шпинделя инструмента, установленными соответственно на одном и двух перпендикулярно расположенных валах системы валов; устройства горизонтального и вертикального центрирования пластин выполнены в виде перпендикулярно расположенных друг к другу ограничителей по вертикали и горизонтали, например, в виде пластинок, каждый из которых соединен через линейные направляющие с микрометрической головкой, помещенной в корпусе и приводимой в движение шаговым двигателем, соединенным с узлом автоматического управления станком; станок снабжен устройством охлаждения, выполненным в виде составного кожуха, одна часть которого стационарно укреплена на шпинделе инструмента и имеет форсунки для подачи под давлением охлаждающей жидкости, а другая часть установлена с возможностью съема и закрепления на стационарной части и выполнена с прорезями для подачи обрабатываемых пластин и охлаждающей жидкости к инструменту и с отверстием для слива охлаждающей жидкости с продуктами обработки, при этом съемная часть кожуха закреплена на стационарной части посредством, например, байонетного крепления; устройство точного подвода и отвода шпинделя инструмента выполнено в виде упора, соединенного с рамкой и через линейные направляющие с микрометрической головкой, приводимой в движение шаговым двигателем, соединенным с узлом автоматического управления станком; шпиндель инструмента и все устройства станка расположены на одном уровне станины.

Сущность изобретения заключается в применении узлов автоматического управления станком и перемещения шпинделя с инструментом и оригинальном выполнении узлов крепления пластин, устройств горизонтального и вертикального центрирования пластин, узла перемещения шпинделя инструмента, юстировочного устройства и их взаиморасположении.

Новым в станке для обработки пластин по контуру является применение узлов автоматического управления станком и перемещения шпинделя с инструментом и выполнение устройств горизонтального и вертикального центрирования пластин, грубого и точного отвода и подвода шпинделя инструмента, охлаждения, юстировочного устройства и их взаиморасположение на одном уровне станины, что позволяет резко сократить время настройки станка и обрабатывать пластины с минимальным припуском. Малое время на настройку и переналадку повышает производительность станка. Для обслуживания станка при наладке не требуется высококвалифицированный персонал. Расположение всех узлов на одном уровне делает станок весьма удобным в обслуживании и ремонте. Кроме того, выполнение кожуха устройства охлаждения составным позволяет обеспечить свободный доступ к шпинделю, инструменту и пластине, что также существенно упрощает обслуживание и работу станка. Использование устройств горизонтального и вертикального центрования пластин, подвода и отвода шпинделя с инструментом позволяет сократить время на настройку станка, а также позволяет обрабатывать пластины с минимальным припуском на обработку, что экономит материал. Малое время на настройку и переналадку повышает производительность станка.

Выполнение горизонтально расположенного вала стола вакуумным позволяет избежать попадания продуктов отхода в каналы подачи вакуума, повышает надежность работы клапанов вакуумной системы и соединителя вала с вводом канала вакуума.

Горизонтальное расположение вала стола, осей стола и шпинделя, вертикальное расположение стола и выполнение его вакуумным позволяет избегать попадания продуктов обработки в каналы вакуума, повышая при этом надежность работы вакуумного клапана.

Соединение шпинделя с юстировочным устройством позволяет упростить процесс сборки и наладки станка для большого диапазона диаметров и конфигурации пластин за счет простого процесса регулировки взаимного положения стола и шпинделя. Подвижное положение устройства точного подвода и отвода позволяет менять коэффициент масштабирования.

Применение специальной форсунки для подачи охлаждающей жидкости позволяет снизить расход жидкости, повысив тем самым время его работы.

Станок имеет малые габариты и вес, что позволяет располагать его на обычном столе.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен станок (в плане); на фиг.2 - вид А фиг.1; на фиг.3 - вид Б фиг.1; на фиг.4 - конструкция устройства центрирования пластины; на фиг.5 - устройство охлаждения шпинделя (общий вид); на фиг.6 - разрез В-В фиг.5; на фиг.7 - устройство точного подвода и отвода шпинделя; на фиг.8 - фиг.6 с инструментом и пластиной.

Станок для обработки пластин по контуру содержит станину 1 с размещенными на ней основными узлами - узлом крепления пластин, шпинделем 2 с узлом его перемещения и автоматическим узлом управления станком.

Узел крепления пластины состоит из опоры 4 полого вала 5, который одним концом соединен с вакуумным вертикально расположенным столом 6 для крепления пластин, а другим присоединен к приводу вращения 7, устройств 8 и 9 вертикального и горизонтального центрования пластин. На станине 1 закреплена стойка 10, на ней горизонтально укреплен полый вал 5. Полый вал 5 позволяет соединить внутреннюю полость вакуумного стола 6 через клапан 11 с вакуумной линией во время его вращения. Оси стола и шпинделя расположены на одном уровне в горизонтальной плоскости.

Узел перемещения шпинделя 2 содержит электродвигатель 12 его перемещения, устройство 13 грубого подвода и отвода и устройство 14 точного подвода и отвода, юстировочное устройство и систему валов 15, 16 и 17. Вал 15 закреплен на станине 1 и через него проходят перпендикулярно его оси с возможностью перемещения по нему два других вала 16 и 17. На валах 16 и 17 установлены электродвигатель 12 и устройство 13 грубого подвода и отвода, на валу 16 также установлено устройство 14 точного подвода и отвода. Юстировочное устройство выполнено в виде набора копиров 18, размещенных на полом валу 5, и рамки 19 с имеющим возможность перемещения по ней в горизонтальной и качания в вертикальной плоскостях рычага 20, с закрепленным на его конце копирным колесом 21, взаимодействующим с выбранным копиром 18, при этом рамка 19 закреплена через подшипниковые опоры одним концом на станине 1 с возможностью качания в вертикальной плоскости, а вторым концом - на валу 15. Рамка 19 соединена с устройством 14 точного подвода и отвода шпинделя и имеет возможность взаимодействия с устройством 13 грубого подвода и отвода шпинделя, который подводит и отводит рамку 19.

Узел автоматического управления станком состоит из микропроцессорной системы 22 управления, блока 23 управления шпинделем, дающим возможность программного изменения, как частоты вращения, так и многих других параметров микропроцессорной системы 22. Последняя управляет приводом вращения 7, устройствами 8 и 9 горизонтального и вертикального центрирования, электродвигателями 12, устройством 13 грубого подвода и отвода и устройством 14 точного подвода и отвода, подачей воды в устройство 3 охлаждения инструмента, устанавливаемого на ось шпинделя 2 через клапан 24. Микропроцессорная система 22 управления имеет большое количество прецизионных датчиков, что позволяет автоматически по программе осуществлять управление работой станка с прецизионной точностью и через экранное меню (на чертежах не показано) управлять всеми параметрами технологических процессов, создавая неограниченное количество режимов обработки пластин по контуру.

Устройства 8 и 9 вертикального и горизонтального центрирования пластин состоят из перпендикулярно расположенных друг к другу ограничителей по вертикали и горизонтали, например, в виде пластинок 25 и 26, соединенных по отдельности через линейные направляющие 27 с микрометрической головкой 28. Каждая головка помещена в корпус 29 и состоит из продольно расположенного вращающегося винта 30, соединенного через муфту 31 с шаговым двигателем 32, который соединен с узлом автоматического управления, гайки 33, перемещающейся без вращения вдоль винта 30 и отсчетного барабана 34, закрепленного на винте 30 и вращающегося вместе с ним. К корпусу 29 прикреплена через линейку 35 каретка 36 с перемещающейся в ней параллельно винту 30 линейной направляющей 27, один конец которой жестко соединен с гайкой 33, а другой - с одной из пластинок 25 или 26.

Устройство 3 охлаждения шпинделя состоит из составного кожуха, одна из частей 37 которого укреплена на корпусе шпинделя 2 и имеет форсунку 38 для подачи под давлением охлаждающей жидкости, а другая часть 39 кожуха имеет прорези Г и Д для подачи обрабатываемых пластин и охлаждающей жидкости к инструменту и отверстие Е для слива охлаждающей жидкости и продуктов обработки. Часть 39 кожуха имеет возможность съема и байонетного крепления на другой стационарной части 37 кожуха.

Устройство 14 точного подвода и отвода шпинделя 2 состоит из корпуса 40, в котором расположена микрометрическая головка 41, выполненная в виде вращающегося винта 42, соединенного через муфту 43 с шаговым двигателем 44, который соединен с микропроцессорной системой 22 управления, гайки 45, перемещающейся без вращения вдоль винта 42, отсчетного барабана 46, закрепленного на винте 42. На гайке 45 закреплен упор 47 для взаимодействия с рамкой 19.

Устройство 13 грубого подвода и отвода шпинделя 2 взаимодействует с рамкой 19 посредством упора 48.

На станине 1 под столом 6 для сбора отходов обработки пластин размещена ванна 49 с отверстиями для слива продуктов обработки (не показано).

Все узлы станка и шпиндель 2 расположены на станине 1 на одном уровне в одной горизонтальной плоскости.

Станок работает следующим образом.

В исходном положении шпинделя 2 ограничители 25, 26 занимают положение, максимально удаленное от центра вакуумного стола 6. Клапаны 24 и 11 закрыты. Копирное колесо 21 находится на одном из копиров 18. Привод вращения 7, электродвигатель 12 и устройства 13, 14 грубого и точного подвода и отвода и шпиндель 2 выключены.

Перед началом работы в меню выбирают тип пластины по диаметру, по одному или двум размерам с базовыми срезами. Задают конечные размеры пластин, данные заносят в компьютер. После установки пластины на вакуумном столе 6 включают клапан 11. Ограничители 25, 26 при этом переводят в положение, которое позволит установить обрабатываемую пластину в центре стола 6. Включают шпиндель 2 Ограничители 25 и 26 переводят в исходное состояние. Включают устройство 13 грубого подвода и отвода шпинделя 2, при этом упор 48 отводится от рамки 19, а шпиндель 2 за счет противовеса подводится к пластине, которая попадает в прорезь Г, и инструмент не касается пластины. Открывается клапан 24 и в устройство 3 охлаждения через форсунку 38 и прорезь Г в кожух поступает охлаждающая жидкость. Устройством 14 точного подвода и отвода шпинделя 2 подводится инструмент на заданную величину за счет взаимодействия упора 47 с рамкой 19. Взаимодействие осуществляют следующим образом. Шаговый двигатель 44 через муфту 43 вращает микрометрическую головку 41, при этом гайка 45 с закрепленным на ней упором 47 перемещается перпендикулярно рамке 19 (инструмент врезается в пластину). Включается привод вращения 7, который вращает вакуумный стол 6 с пластиной относительно инструмента. В это время копирное колесо 21 следует по копиру 18 и повторяет форму копира 18. Через рычаг 20 положение колеса 21 передается на рамку 19, соединенную с устройством 14 точного подвода и отвода шпинделя 2, и через вал 16 со шпинделем 2, на валу которого находится инструмент. Последний повторяет движение копирного колеса 21 и на пластине формируется форма, аналогичная форме копира 18. Размер обрабатываемой пластины определяется заданным положением гайки 33 микрометрической головки 28. После того как стол 6 займет первоначальное положение, включают устройство 13 грубого подвода и отвода, который отводит шпиндель 2 от пластины. Устройство 14 точного подвода и отвода шпинделя 2 возвращают в исходное положение, выключают привод вращения 7 и клапан 24, устройства 8 и 9 возвращают в исходное положение, и выдается сообщение об окончании цикла обработки. Готовую пластину снимают со стола 6, выключив клапан 11.

Для перехода на другой типоразмер пластин рычаг 20 с копирным колесом 21 перемещают на соответствующий копир 18. Качание вертикальной плоскости рамки 19, рычага 20, копирного колеса 21, находящегося в постоянном контакте с копиром 18, обеспечивает за счет взаимодействия упора 47 с рамкой 19 и, как следствие, взаимодействие устройства 14 с валом 16 и через него со шпинделем 2 непрерывное движение по кромке пластины.

Как правило, при снятии допустимого припуска достаточно одного оборота стола 6. Если припуск на обработку большой, то будет увеличено количество оборотов стола 6. После каждого оборота стола 6 устройство 14 точного подвода и отвода шпинделя 2 будет подводить инструмент на нужную величину. Требуемое количество оборотов в зависимости от припуска и режима обработки определяет микропроцессорная система 22 узла управления.

Применение данного станка позволяет:

- резко сократить время настройки станка;

- обрабатывать пластины толщиной от 2 до 0,2 мм;

- обрабатывать пластины с минимальным припуском;

- повысить производительность путем уменьшения времени на настройку и переналадку станка;

- повысить качество обработки;

- упростить процесс сборки и наладки станка для большого диапазона диаметров пластин путем простого процесса регулировки взаимного расположения стола и электрошпинделя и расположения всех узлов на одном уровне станины;

- обеспечивает возможность обработки пластин с высокой твердостью, например пластины из сапфира.