魏明明，盧志偉，劉 波，張君安

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710032)

隨著集成電路由大規(guī)模向超大規(guī)模發(fā)展，集成度越來越高，劃片工藝的晶圓片成本也大幅增加。晶片直徑越來越大，目前已達(dá)到Φ300 mm；劃切槽越來越窄，一般在30～40 μm。這對于以金剛石砂輪作為刀具的強(qiáng)力磨削加工工藝來說，已進(jìn)入臨界尺寸；硅片直徑由Ф150 mm增大到Ф200 mm，面積只增加78%，但其中可供芯片利用的面積增加了90%，晶圓片的成本和價(jià)值大幅度增加，這些給劃片機(jī)的加工精度、可靠性、穩(wěn)定性提出越來越苛刻的要求，使劃片設(shè)備的設(shè)計(jì)技術(shù)更加復(fù)雜，加工制造更加困難[1]。

鑒于其技術(shù)的復(fù)雜性，大尺寸精密劃片機(jī)需要有效解決機(jī)械系統(tǒng)的高剛度、高穩(wěn)定性、低損耗等一系列技術(shù)問題[2]。劃片機(jī)的切割機(jī)理是強(qiáng)力磨削，其通過主軸帶動(dòng)金剛石外圓刀具高速旋轉(zhuǎn)(3 000～60 000 r/min)切割晶片。主軸是強(qiáng)力磨削的執(zhí)行部件，其軸線旋轉(zhuǎn)精度、剛度和運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性直接影響劃片機(jī)的精度，是劃片機(jī)的核心部件，因此，要求主軸旋轉(zhuǎn)精度小于2 μm。

目前，精密劃片機(jī)中的主軸系統(tǒng)一般采用高速電主軸，軸承的性能對電主軸的使用功能極為重要。目前電主軸采用的軸承主要有滾動(dòng)軸承、磁懸浮軸承和氣體軸承。滾動(dòng)軸承剛度高、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、價(jià)格適中，主要適用于速度和精度要求不是很高的情況；磁懸浮軸承高速性能好、精度高，容易實(shí)現(xiàn)診斷和在線監(jiān)控，但由于電磁測控系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，至今未能得到廣泛應(yīng)用[3]；氣體軸承具有轉(zhuǎn)速高、精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、摩擦功耗低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),特別適合做高速回轉(zhuǎn)副的支承元件[4]。但由于氣體本身所固有的物理特性的限制，仍不能克服氣體軸承承載能力和剛度較低這一主要缺點(diǎn)，而這正是限制其應(yīng)用范圍的一個(gè)主要因素。

目前國內(nèi)、外也出現(xiàn)了很多提高靜壓氣體軸承剛度、精度的方法，有傳統(tǒng)改進(jìn)型、被動(dòng)控制型、主動(dòng)控制型、復(fù)合控制型等[5-8]。在此提出一種帶有可變節(jié)流器與可變均壓槽相結(jié)合的動(dòng)靜壓氣體徑向軸承新結(jié)構(gòu)。

1 軸承結(jié)構(gòu)與原理

1.1 軸承結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的新型高剛度動(dòng)靜壓氣體徑向軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示。其由彈性薄板、過渡圈和基座組成。軸承基座上設(shè)有進(jìn)氣孔，過渡圈上對稱分布8個(gè)槽形氣腔，彈性薄板壁上開有16個(gè)節(jié)流孔(通孔)，對稱均勻分布于承載面上。彈性薄板的厚度為0.5 mm。進(jìn)氣孔、槽形氣腔、節(jié)流孔3者相通。為保證軸承節(jié)流器的氣密性，在軸承兩端設(shè)有密封槽。安裝時(shí)基座與過渡圈，過渡圈與彈性薄板均采用過盈配合，以保證軸承的氣密性。安裝完成后，在軸承過渡圈上分布有8個(gè)氣腔，于是就形成了8個(gè)矩形彈性薄板，在彈性薄板上分布有16個(gè)節(jié)流孔。

1—彈性薄板；2—過渡圈；3—基座；4—進(jìn)氣孔；5—槽形氣腔；6—密封槽；7—節(jié)流孔

1.2 工作原理與過程

當(dāng)承載壓力變化時(shí)，彈性薄板的內(nèi)、外表面形成壓力差，使彈性薄板變形，彈性薄板和過渡圈內(nèi)槽形氣腔聯(lián)合作用，形成相應(yīng)可變截面積的均壓槽，在均壓槽中心線上的環(huán)面節(jié)流器截流面積隨均壓槽的高度變化而變化。即當(dāng)外加載荷變化時(shí)，壓力使彈性薄板變形，在承載面上形成可變均壓槽，均壓槽的槽寬與軸承過渡圈的槽形氣腔寬度一致，槽深即為彈性薄板的凸凹深度，彈性薄板上節(jié)流孔的面積也隨之改變。該軸承結(jié)構(gòu)非常簡潔，不需外加反饋系統(tǒng)，可利用自身結(jié)構(gòu)來控制承載面上彈性均壓槽截面積和節(jié)流器截流面積的變化，從而提高軸承的剛度。

制造過程中，軸承內(nèi)的槽形氣腔中充滿壓力為P1的氣體，使承載面上形成的軸向彈性薄板外凸。平面加工完成后的自然狀態(tài)下，軸承的承載面上的彈性變形部分就出現(xiàn)了凹下去的初始軸向均壓槽，槽寬與軸承內(nèi)的槽形氣腔寬度一致，槽深與P1的大小及位置有關(guān)。軸承工作時(shí)，軸承內(nèi)的軸向槽形氣腔中供氣壓力為PS(PS>P1)。在載荷逐漸增大的過程中，軸向彈性薄板所承受的分布載荷使均壓槽進(jìn)一步內(nèi)凹，軸承的承載能力隨均壓槽的變化而提高；節(jié)流環(huán)面的高度增加，節(jié)流孔的節(jié)流面積增大，節(jié)流后的壓力P0進(jìn)一步增加，軸承的承載能力繼續(xù)提高；同時(shí)，軸承的未承載側(cè)隨著載荷減小，均壓槽幾乎消失，承載能力明顯下降；節(jié)流環(huán)面的高度減小，節(jié)流孔面積減小，節(jié)流后的壓力P0進(jìn)一步減小，承載能力進(jìn)一步減弱。這一正一反作用使軸承承載能力迅速提高。在載荷逐漸減小的過程中，彈性薄板所承受的分布載荷使均壓槽內(nèi)凹減小，軸承的承載能力隨均壓槽的變化減??；節(jié)流環(huán)面的高度減小，節(jié)流口面積減小，節(jié)流后的壓力P0進(jìn)一步減小，軸承的承載能力進(jìn)一步降低；同時(shí)，軸承未承載側(cè)隨著載荷增加，使均壓槽進(jìn)一步內(nèi)凹，承載能力明顯上升；節(jié)流環(huán)面的高度增加，節(jié)流孔面積增大，節(jié)流后的壓力P0進(jìn)一步增大，承載能力繼續(xù)增加。這一正一反作用使軸承承載能力迅速降低。最終的結(jié)果是載荷變化時(shí)軸心的位置變化很小，甚至不動(dòng)，即剛度可達(dá)到很高。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)裝置與原理

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)軸承的承載力和剛度特性，利用自行設(shè)計(jì)的動(dòng)靜壓氣體徑向軸承試驗(yàn)臺對所設(shè)計(jì)的軸承進(jìn)行測試。試驗(yàn)臺所用的加載裝置如圖2所示。三角架內(nèi)的三根互成120°的彈簧一端與加載軸承相連，另一端通過拉力傳感器與可調(diào)螺母相連。試驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)可調(diào)螺母，改變彈簧的拉力大小，從而改變?nèi)鶑椈珊狭Φ拇笮?，可以?shí)現(xiàn)加載軸承通過氣膜對主軸在三角架平面內(nèi)進(jìn)行任意角度的加載。在0.5，0.6，0.7和0.8 MPa供氣壓力下，對普通雙排八孔空氣動(dòng)靜壓徑向軸承和所設(shè)計(jì)的軸承進(jìn)行承載力特性測量。為了保證試驗(yàn)結(jié)果具有可比性，測試的兩種軸承都是與同一氣浮主軸進(jìn)行配合，氣浮主軸與軸承配合處的直徑為60 mm，保證單邊間隙為15μm，同時(shí)兩種軸承的節(jié)流孔布置形式相似，個(gè)數(shù)都為16個(gè)。在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，利用工控機(jī)采集拉力傳感器所得數(shù)據(jù)，以便對軸承承載力性能進(jìn)行分析[9]。

圖2 加載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

由試驗(yàn)可知，新型高剛度動(dòng)靜壓氣體徑向軸承在承載力和剛度上均高于普通雙排八孔動(dòng)靜壓空氣徑向軸承。這里僅對兩種軸承在0.7，0.8 MPa供氣壓力下的承載力和剛度進(jìn)行對比分析。其他供氣壓力下的對比分析不再贅述。在供氣壓力為0.8 MPa下，普通雙排八孔動(dòng)靜壓空氣徑向軸承測試的最大承載力為480 N，而新型高剛度動(dòng)靜壓氣體徑向軸承可達(dá)到568 N。在供氣壓力為0.7 MPa時(shí)，兩種軸承所得承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，承載力-位移曲線如圖3所示。由表1和圖3可以看出，在供氣壓力為0.7 MPa時(shí)，兩種軸承的承載力與位移都近似成線性增長，文中設(shè)計(jì)的新型軸承的最大承載力達(dá)到446 N，而普通軸承只有380 N，比普通軸承高出17.3%。新型軸承承載力為250～400 N時(shí)，剛度可以達(dá)到36.23 N/μm，而普通軸承承載力為150～350 N時(shí)，剛度僅為28.5 N/μm，比普通軸承高出27.1%。

圖3 承載力-位移曲線

表1 兩種軸承承載力測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的新型高剛度動(dòng)靜壓氣體徑向軸承，結(jié)構(gòu)簡潔，不需附加外加反饋系統(tǒng)，利用自身結(jié)構(gòu)來控制承載面上彈性均壓槽截面積和節(jié)流器截流面積的變化，從而提高了軸承的承載能力和剛度，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。同時(shí)，已經(jīng)設(shè)計(jì)并制造出整體結(jié)構(gòu)和原理類似，但槽形氣腔數(shù)和彈性薄板厚度有區(qū)別的系列軸承，以期將此類高剛度動(dòng)靜壓氣體徑向軸承應(yīng)用到精密劃片機(jī)中的電主軸系統(tǒng)中，提高其主軸系統(tǒng)的剛度、旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)行平穩(wěn)性。