Безконтактний шпиндель верстата для різання монокристалів

Реферат: Безконтактний шпиндель верстата для різання монокристалів, який містить горизонтально розташований вал на підшипниковій опорі з фланцем, на якому закріплено барабан з різальним інструментом, вал виконано у формі широкого кільця - з осьовим отвором і скороченою довжиною, зовнішній діаметр вала дорівнює діаметру фланця, а внутрішній діаметр менший внутрішнього діаметра фланця. На внутрішній поверхні вала розміщено газостатичну підшипникову опору, нерухому частину якої відділено від вала повітряним зазором, а на зовнішній поверхні вала нерухомо закріплено кільцеву систему постійних магнітів для безпосереднього приведення вала з барабаном в обертальний рух за допомогою статора. При цьому барабан з різальним інструментом забезпечений додатковими постійними магнітами, розташованими по колу на відстані один від одного під кутом. UA 80453 U (54) БЕЗКОНТАКТНИЙ ШПИНДЕЛЬ ВЕРСТАТА ДЛЯ РІЗАННЯ МОНОКРИСТАЛІВ UA 80453 U UA 80453 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області машинобудування та верстатобудування для механічної обробки твердих матеріалів і може бути використана при створенні нових типів верстатів для різання напівпровідникових монокристалів сапфіру, кремнію, арсеніду галію на пластини. Відомо безконтактний шпиндель верстата для різання монокристалів, який містить горизонтально розташований вал на підшипниковій опорі з фланцем, на якому закріплено барабан з різальним інструментом, вал виконано у формі широкого кільця - з осьовим отвором і скороченою довжиною, зовнішній діаметр вала дорівнює діаметру фланця, а внутрішній діаметр менший внутрішнього діаметра фланця, на внутрішній поверхні вала розміщено газостатичну підшипникову опору, нерухому частину якої відділено від вала повітряним зазором, а на зовнішній поверхні вала нерухомо закріплено кільцеву систему постійних магнітів для безпосереднього приведення вала з барабаном в обертальний рух за допомогою статора [див. патент України № 99374, B28D 5/02, опубл. 10.08.2012, бюл. № 15]. Цей безконтактний шпиндель вибрано як найближчий аналог. Недоліками відомого шпинделя є обмежений технічний ресурс та низька надійність в момент пуску тому, що не здійснюється контроль управлінням обертів, зазору, коливань і переміщень барабана з різальним інструментом, які виникають при передачі на вал шпинделя крутного моменту (алмазним відрізним кругом або диском з внутрішньою різальною крайкою). Вібрації знижують якісні показники різання коштовних напівпровідникових монокристалів на пластини. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення шпинделя шляхом того, що барабан з різальним інструментом забезпечений додатковими постійними магнітами, розташованими по колу на відстані один від одного під кутом, що дорівнює 120° і застосовано ферозонди, розташовані проти додаткових постійних магнітів, що дозволить за рахунок підвищення стабілізації різального інструменту збільшити технічний ресурс та надійності шпинделя і верстата для різання монокристалів у цілому, знизити шуми і вібрації інструмента при різанні, плавність регулювання та здійснити контролю і керування обертами, зазорами, коливаннями і переміщеннями барабана з різальним інструментом. Поставлена задача вирішується тим, що у безконтактному шпинделі з барабаном верстата для різання монокристалів, який містить горизонтально розташований вал на підшипниковій опорі з фланцем, на якому закріплено барабан з різальним інструментом, вал виконано у формі широкого кільця - з осьовим отвором і скороченою довжиною, зовнішній діаметр вала дорівнює діаметру фланця, а внутрішній діаметр менший внутрішнього діаметра фланця, на внутрішній поверхні вала розміщено газостатичну підшипникову опору, нерухому частину якої відділено від вала повітряним зазором, а на зовнішній поверхні вала нерухомо закріплено кільцеву систему постійних магнітів для безпосереднього приведення вала з барабаном в обертальний рух за допомогою статора, згідно з корисною моделлю, барабан з різальним інструментом забезпечений додатковими постійними магнітами, розташованими по колу на відстані один від одного під кутом, що дорівнює 120° і застосовано ферозонди, розташовані проти додаткових постійних магнітів. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де зображено у перерізі безконтактний шпиндель верстата для різання монокристалів, що містить барабан 1 і встановлений у ньому різальний інструмент 2, круговою стрілкою показаний напрям обертання вала з барабаном 1, вертикальною і горизонтальною стрілками показані відповідно рух монокристала 3 при різанні та його горизонтальне переміщення для початку відрізання наступної пластини, також стрілкою показана подача повітря для газостатичної підшипникової опори. Безконтактний шпиндель верстата для різання монокристалів містить нерухому частину газостатичної підшипникової опори 4, вал з фланцем 5, на зовнішній поверхні якого нерухомо закріплена кільцева система постійних магнітів 6, статор 7 з електричними обмотками 8, на внутрішній поверхні барабана з різальним інструментом нерухомо закріплені по колу додаткові постійні магніти 9 з ферозондовими датчиками 10 на відстані один від одного під кутом 120°, для розрізання монокристала на пластини. Вал з фланцем 5 виконано у формі широкого кільця - з осьовим отвором і скороченою довжиною, його зовнішній діаметр дорівнює діаметру фланця, а внутрішній діаметр менший внутрішнього діаметра фланця, на внутрішній поверхні вала з фланцем 5 розміщено газостатичну підшипникову опору, нерухома частина газостатичної підшипникової опори 1 відділена від вала з фланцем 5 повітряним зазором 11. Безконтактний шпиндель верстата для різання монокристалів працює наступним чином. Після встановлення різального інструмента 2 у барабані 1 в нерухомому стані через впускний отвір подається повітря тиском 0,4-0,65 МПа. Повітря проходить по каналах у нерухомій частині газостатичної підшипникової опори 4 та попадає у повітряний зазор 11, що відділяє вал з 1 UA 80453 U 5 10 15 20 25 30 35 фланцем 5 від нерухомої частини газостатичної підшипникової опори 4. Тиск повітря виникає по всьому повітряному зазору 11 і вал з фланцем 5, завдяки різниці тисків та збільшенню тиску в області зменшення відстані між поверхнями, піднімається і займає середнє положення у повітряному зазорі 11 з деяким малим 0,005-0,010 мм ексцентриситетом. Безпосередній механічний контакт між нерухомою частиною газостатичної підшипникової опори 4 і валом з фланцем 5 припиняється, так звана "левітація" вала з фланцем 5 забезпечується безперервною подачею повітря. При цьому стабільність просторового положення вала з фланцем 5, на якому нерухомо закріплені кільцева система постійних магнітів 6 та барабан 1 з різальним інструментом 2, на внутрішній поверхні якого нерухомо закріплені по колу додаткові постійні магніти 9 з ферозондовими датчиками 10 на відстані один від одного під кутом 120°, визначається кутовою формою поверхонь повітряного зазору 11 та його малою величиною - від 0,015 мм до 0,030 мм. З боку "повітряної подушки" кут між симетричними поверхнями нерухомої частини газостатичної підшипникової опори 1 становить 120°, а також додатковими постійними магнітами 9 з ферозондовими датчиками 10 на відстані один від одного під кутом 120°, сигнали з яких подаються до блока управління. Після утворення "повітряної подушки", яка є змащенням опорно-упорного газостатичного підшипника і надійно розділяє вал з фланцем 5 та нерухому частину газостатичної підшипникової опори 4, подається напруга на електричні обмотки 8 статора 7. В зазорі між статором 7 та кільцевою системою постійних магнітів 6 виникає постійне за величиною і таке, що обертається з синхронною швидкістю магнітне поле, яке при взаємодії з магнітним полем кільцевої системи постійних магнітів 6 приводить до виникнення крутного моменту на кільцевій системі постійних магнітів 6. Остання нерухомо скріплена з валом з фланцем 5, барабаном 1 та різальним інструментом 2, тому всі вони приводяться в обертальний рух (кругова стрілка на кресленні). Частота обертального руху залежить від частоти струмів у електричних обмотках 8 та регулюється у діапазоні 1000-5000 об/хв. зміненням частоти струмів. По завершенні розгину до встановленої частоти обертання починається технологічний процес різання завдяки вертикальній подачі монокристала 3 на різання (вертикальна стрілка на кресленні). Після відрізання пластини монокристал 3 повертається у вихідне положення, виконується його подача на товщину наступної пластини (горизонтальна стрілка на кресленні), і цикл відрізання пластини від монокристала повторюється. Для гальмування або припинення обертального руху різального інструмента 2 зменшується частота струмів у електричних обмотках 8 статора 7. Після повного зупинення безконтактного шпинделя завершується подача повітря у повітряний зазор 11 газостатичної підшипникової опори. Пропонована корисна модель також забезпечить збільшення технічного ресурсу шпинделя та верстата для різання у цілому, плавне регулювання і керування швидкістю обертання та підвищення максимальної частоти обертання барабана з різальним інструментом, зниження вібрації вала, барабана з різальним інструментом при різанні монокристалів, що дозволить підвищити якість технологічного процесу, здійснити контроль і керування обертами, зазорами, коливаннями і переміщеннями барабана з різальним інструментом. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 1. Безконтактний шпиндель верстата для різання монокристалів, який містить горизонтально розташований вал на підшипниковій опорі з фланцем, на якому закріплено барабан з різальним інструментом, вал виконано у формі широкого кільця - з осьовим отвором і скороченою довжиною, зовнішній діаметр вала дорівнює діаметру фланця, а внутрішній діаметр менший внутрішнього діаметра фланця, на внутрішній поверхні вала розміщено газостатичну підшипникову опору, нерухому частину якої відділено від вала повітряним зазором, а на зовнішній поверхні вала нерухомо закріплено кільцеву систему постійних магнітів для безпосереднього приведення вала з барабаном в обертальний рух за допомогою статора, який відрізняється тим, що барабан з різальним інструментом забезпечений додатковими постійними магнітами, розташованими по колу на відстані один від одного під кутом, що дорівнює 120°. 2. Безконтактний шпиндель верстата для різання монокристалів за п. 1, який відрізняється тим, що застосовано ферозонди, розташовані проти додаткових постійних магнітів. 2 UA 80453 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3