劃片機空氣靜壓電主軸徑向軸承的設計

2012-07-04 03:26:50李戰偉劉婷婷

電子工業專用設備 2012年5期

關鍵詞：設計

李戰偉，劉婷婷

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

劃片機是集成電路封裝工藝線上的關鍵設備，是將晶圓沿切割道分割成獨立芯片的設備。空氣靜壓電主軸是劃片機強力磨削的執行部件，其軸線旋轉精度和運轉的平穩性直接影響劃片機的切割精度，是劃片機的核心部件[1]。

空氣靜壓電主軸采用空氣軸承支承，具有轉速高、精度高、摩擦損耗小、壽命長等優點；但由于其承載小、剛度低、容易出現氣錘振動或渦動等缺點導致了空氣靜壓電主軸抗干擾能力低，工作穩定性差[2]。本文采用表壓比法[3]對劃片機空氣靜壓電主軸徑向軸承進行設計計算，確定徑向軸承結構參數。

1 表壓比法設計方法

徑向軸承承載力和剛度是劃片機空氣靜壓電主軸關鍵性能指標，徑向軸承承載力和剛度主要取決于設計時選用的表壓比Kg。表壓比Kg是孔式節流下游壓力。

按無量綱表壓表示的形式，表壓比表達式為：

其中：pd為節流末端壓力，pa為環境壓力，ps為供氣壓力，見圖1 所示；

β 為節流壓力比，β=pd/ps；as=pa/ps，1/as為無量綱供氣壓力。

圖1 典型徑向軸承結構形式

當軸承供壓表壓ps-pa或as=pa/ps給定后，由式（1）得到的表壓比Kg就決定了節流末端壓力pd或pd-pa值，即確定了氣膜的初始壓力邊界值。給定軸承幾何條件，通過求解即可得到軸承間隙氣膜的壓力分布，以及軸承剛度和承載力。因此，表壓比Kg是設計的第一主參數。

2 表壓比Kg 確定

對于空氣軸承，節流壓力比β 存在臨界值βcr＝0.528，當β≤βcr時，節流進氣孔發生堵塞；即表壓比Kg也存在臨界值Kgcr：

當Kg≤Kgcr時，節流進氣孔發生堵塞。對于供氣壓力ps=0.55 MPa，排氣到大氣的空氣軸承（即pa=0.101 MPa），其臨界表壓比為：

徑向軸承剛度隨表壓比變化曲線，見圖2 所示。由圖2 可以看出，在表壓比小于0.8 的范圍內，軸承剛度隨著表壓比的變大而增大，當表壓比Kg≥0.8 時，軸承剛度不再增加，并且容易出現自激渦動現象，所以表壓比取值范圍在0.42～0.8。為避免出現節流進氣孔堵塞并得到較高的剛度值，選用表壓比Kg=0.6。

圖2 徑向軸承剛度隨表壓比變化曲線

3 確定徑向軸承關鍵尺寸

3.1 輪廓尺寸L 和D 的確定

徑向軸承輪廓尺寸主要是徑向軸承的長度L和軸承直徑D。對應不同D-L 值的載荷和流量曲線，見圖3 所示。

由圖2 可以得到，軸承直徑D=26 mm，長度L=40 mm，無量綱供氣壓力，偏心率ε=0.5

圖3 對應不同D-L 的載荷與流量曲線

軸承間隙2h0=30 μm 時，徑向軸承剛度為：

其承載能力和徑向軸承剛度可以滿足空氣靜壓電主軸徑向承載力和剛度的設計要求。

3.2 節流器類型及尺寸的確定

節流器是空氣靜壓電主軸軸承設計的關鍵部分，節流器是使壓力為ps的壓縮空氣進入軸承間隙前，產生節流效果，使出口壓力（即軸承氣膜入口壓力pd）相對穩定，從而形成具有一定承載力及剛度的穩定潤滑氣膜，支承轉軸實現高轉速下穩定工作的一種結構。

高速空氣靜壓電主軸常用的節流器類型主要有小孔節流器和環面節流器兩種，見圖4 所示。

對于給定軸承間隙和表壓比情況下，小孔節流器比環面節流器承載力和剛度大，并且在控制高速渦動上，小孔節流器優于環面節流器，因此徑向軸承選用小孔節流器。

小孔節流器直徑d 與對應軸承間隙h0的關系見圖5 所示。

圖4 常用節流器類型

圖5 小孔節流器d0-2h0 曲線

由圖5 可以看出，徑向軸承選用單排8 孔或者雙排1/4 位置雙排8 孔結構，并且0.6，2h0=25.4 μm 時小孔直徑d=0.125 mm。當無量綱供氣壓力，圓周方向節流孔數量N，節流孔長徑比L/D，小孔軸向位置l/L 變化時，小孔節流器直徑d0的修正曲線見圖6 所示，圖中為標準條件下的d0值。