關于一種砂輪式自動劃片機冷卻水罩的結構設計

王明威 吳 坤

（鄭州工商學院，河南 鄭州451400）

全自動砂輪式劃片機是以強力砂輪薄片磨削為劃切機理，利用高速運轉的空氣靜壓主軸帶動刀片，以3 萬轉/分鐘到6萬轉/分鐘（或更高）的轉速劃切晶圓,由精密滾珠絲杠和超精密直線導軌，通過伺服電機和光柵尺等下位機和工控機軟件系統上位機的控制，將砂輪薄片刀刃精確定位在被加工材料上，最終形成具有微米級精度的深度和寬度的切口將材料切開，這個過程被稱為劃片或劃切（Dicing Saw）。砂輪式劃切工藝質量和效率受切片機整機精度、主軸轉速、劃切進給速度、砂輪刀片質量、砂輪刀片厚度等因素影響。除了這些影響因素外還有一個重要因素是劃切中的冷卻效果。

1 劃切過程中冷卻水的重要作用

由于全自動砂輪劃片機在劃切工作中主軸高速旋轉，在切割硅集成電路、發光二極管、鈮酸鋰、壓電陶瓷、砷化鎵、藍寶石、氧化鋁等材料的劃切加工時，砂輪刀片與材料的接觸處會產生很高的溫度，帶有一定壓力的劃切冷卻水（凈化、過濾、去離子），在劃切過程中不僅能起到冷卻保護厚度為0.02～1.5mm的砂輪劃片刀的作用，還可以防止產生火花、電擊、電弧現象，同時可以沖掉劃切過程中產生的的碎粒、碎屑，減少劃切對象表面的碎屑污染，提高劃切質品的精度。如果冷卻水在劃切中不穩定，如壓力不足、水量突然減少、噴灑不到位等現象，就會出現劃切刀痕加深，砂輪刀片崩邊，嚴重時會劃傷切片機的工作臺、砂輪刀體打火、劃切部位燒糊、砂輪刀體卡在制品中、刀具損壞，以至于劃切制品報廢，影響主軸和劃片機整機精度。只有在劃切過程中提供流量和溫度穩定的冷卻水，才能保證劃切品質。冷卻水的調節包括噴嘴方向、大小、高低、流量大小、冷卻水噴射角度。只有保證良好的冷卻效果，才能保證良好的劃切品質。這就要求設計一種冷卻水罩，將冷卻水均勻準確地噴射到砂輪刀片端面兩側以及徑向劃切刀刃中，保證劃切制品的的質量和精度。

2 冷卻水罩的整體設計思路

本文砂輪式劃片機主軸采用的是一款國產空氣靜壓主軸，主軸內部有冷卻水系統和提供劃切冷卻水的通道，主軸前端有三個出水口。如圖1 所示，關鍵尺寸為三個出水孔分布在覬56 的圓上，圓心為主軸的軸線，三個出水口在覬56 的角度為出水口1與出水口2 角度111°，出水口2 與出水口3 的角度為69°。故設計基準為主軸的軸線。由于劃切刀的直徑有覬52、覬54、覬56、覬58、覬76、覬78、覬100、覬117 等不同規格，要求冷卻水高度能夠可調，砂輪刀片在主軸前端靠刀盤座和刀盤蓋定位和固定，砂輪刀片分軟刀和硬刀，刀盤也分軟刀盤和硬刀盤，實際操作中會根據劃切制品要求經常更換刀盤和砂輪劃切刀片，砂輪劃切軟刀片裝配圖如圖2 所示，裝配關系從前至后為主軸鎖母、刀盤鎖母、刀盤前蓋、砂輪軟刀、主軸。設計要求保證砂輪刀片砂輪刀片前后端面能夠得到冷卻，故冷卻水罩總體采用分體式，圖1所示的出水口1 和出水口2 用來給冷卻砂輪刀片的前后端面供水，把這部分冷卻裝置設計成左冷卻水罩，出水口3 用來給冷卻砂輪片的徑劃切刃供水，把這部分設計成右冷卻水罩。

3 左冷卻水罩設計

考慮刀盤和砂輪劃切刀片經常拆卸的特點，左冷卻水罩設計成前后分體兩部分左前冷卻水罩和左后冷卻水罩，左前冷卻水罩用來冷卻劃切刀片的前端面，左后冷卻水罩用來冷卻劃切刀片的后端面，左后冷卻水罩安裝在主軸出水口的端面上固定不動，左前冷卻水罩固定在左后冷卻水罩上能夠滿足經常拆卸的要求。

3.1 左后冷卻水罩的設計

左后冷卻水罩設計要求是能夠把主軸提供的出水口1 和出水口2 引出來噴射到砂輪劃切刀片的后端面，同時保證能夠把冷卻水引到左前冷卻水罩。設計基準為主軸軸線，安裝固定孔為主軸出水口端面上2xM4 的兩個螺紋孔（位置如圖1 所示）。設計考慮的尺寸因素還包括主軸的前止推軸承（位置如圖2 所示）徑向和軸向尺寸、刀盤后座尺寸、砂輪軟刀的尺寸等，還要保證密封出水口不漏水，左后冷卻水罩由左后冷卻水罩罩體和左后噴嘴組成，左后冷卻水罩采用耐磨材質黑色聚甲醛，左后噴嘴由兩個304 不銹鋼管組裝而成，左后冷卻水罩的結構如圖3 所示。

左后冷卻水罩的出水口1 和出水口2 與主軸端面上的出水口1 和出水口2 安裝配合，中間為了防止漏水增加橡膠圈進行密封，冷卻水通過水流道進入左后噴嘴，通過方向向前的三個寬度0.3mm 的方槽孔噴射到劃切刀片的后端面，覬8 盲孔出來的冷卻水供給左前冷卻水罩，左后噴嘴通過調節螺母調節噴嘴高低，滿足冷卻水高度可調，符合外徑不同的劃片刀的冷卻要求，覬8 盲孔與水流道相通用以給左前冷卻水罩提供冷卻水，圖3 中的2x覬4.5 與圖1 中的2xM4 的螺紋孔通過兩個M4 的內六角不銹鋼螺釘固定配合，把左后冷卻水罩固定在主軸出水口端面上，左后冷卻水罩罩體的倒角是為了避開刀盤后座的干涉，各水流道在左后冷卻罩體端面的孔用密封膠加不銹鋼螺釘封堵防止漏水。

3.2 左前冷卻水罩的設計

左前冷卻水罩設計要求是能夠把左后冷卻水罩φ8 盲孔提供的出水口引出來噴射到砂輪劃切刀片的前端面。設計基準為主軸軸線和左后冷卻水罩，安裝固定孔為左后冷卻水2xM4的兩個螺紋孔（位置如圖3 所示）。設計考慮的尺寸因素還包括刀盤前蓋（位置如圖2 所示）、砂輪軟刀外徑等，還要注意密封保證出水口不漏水，左前冷卻水罩由左前冷卻水罩罩體和左前噴嘴組成，左前冷卻水罩也采用耐磨材質黑色聚甲醛，左前噴嘴由也由兩個304 不銹鋼管組裝而成，左前冷卻水罩的結構如圖3 所示。

左前冷卻水罩罩體的覬8 盲孔與左后冷卻水罩罩體的覬8 通過接套連接，接套為中空結構，材質為304 不銹鋼，冷卻水可以通過接套到達左前水流道，為了防止漏水接套上增加密封圈進行密封，冷卻水通過水流道進入左前噴嘴，通過有三個寬度0.3mm 的方槽孔噴射到劃切刀片的前端面，左前噴嘴通過調節螺母調節噴嘴高低，滿足冷卻水高度可調，符合外徑不同的劃片刀的冷卻要求，圖3 中的2xM5 與圖4 中的2xM5 的螺紋孔通過兩個M5 的不銹鋼材質的不銹鋼螺釘固定配合，把左前冷卻水罩固定在左后冷卻水罩上，考慮左前冷卻水罩經常拆卸的特點，擰緊螺釘頭部外圓做了滾花設計，為了保證拆的過程中擰緊螺釘不被完全掉下來，擰緊螺釘做成中間部分為φ4 外圓，端部為M5 螺紋，左前冷卻罩罩體2xM5 螺紋孔處增加了兩個φ6 沉頭孔。左前冷卻水罩罩體和左后冷卻水罩罩體之間的安裝定位通過φ6 的銷釘和接套，滿足了一面兩銷的定位原理。

圖1

圖2

圖3

圖4

4 右冷卻水罩設計

右噴嘴設計要求是能夠把主軸提供的出水口3 引出來噴射到砂輪劃切刀片的徑向切削部位，是冷卻水罩設計的最核心的部分。設計基準為主軸軸線，安裝固定孔為出水口3 內部的M6螺紋孔（位置如圖1 所示）。設計考慮的尺寸因素包括主軸的前止推軸承（位置如圖2 所示）、左冷卻水罩徑向和軸向尺寸、刀盤后座尺寸、砂輪軟刀、刀盤前蓋等尺寸。右冷卻水罩由中空螺釘、密封圈、密封墊片、過渡板、噴嘴套、中心軸、右噴嘴組裝而成。

右冷卻水罩的冷卻水通過中空螺釘和主軸出水口端面的出水口3（如圖1）引出，冷卻水通過中空的過渡板到達中空的中心軸，再通過中間有環槽結構的噴嘴套到達右噴嘴，噴射到砂輪劃切刀片的徑向切削部位。為了防止漏水增加密封圈和密封墊片進行密封。除了密封圈和密封墊片采用橡膠材質，其它零件均采用不銹鋼材質。過渡板與中心軸、右噴嘴和噴嘴套之間選用過盈配合并加密封膠防漏水。過渡板可以圍繞中空螺釘旋轉，噴嘴套可以圍繞中心軸旋轉，目的是通過調節右噴嘴的角度滿足外徑不同外徑的劃片刀的冷卻要求。

5 結論

通過此設左冷卻水罩可以冷卻砂輪劃切刀片的前后端面，右冷卻水罩可以冷卻劃切刀片的徑向劃切部分，為其他主軸的劃片機冷卻水罩的設計提供了思路。