羅亞南, 郭關(guān)柱, 李照存
(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 云南 昆明 650201; 2.昆明沃特爾機(jī)電設(shè)備有限公司, 云南 昆明 650204)
碲鋅鎘、鍺、砷化鎵等單晶材料是遠(yuǎn)紅外探測(cè)器或輻射探測(cè)器發(fā)展的重要材料, 單晶材料具有特定的光電性質(zhì),適合制作高性能室溫γ 或X 射線探測(cè)器,而碲鋅鎘更是紅外探測(cè)器材料碲鎘汞的理想襯底材料, 上述單晶材料制備時(shí),需要經(jīng)過(guò)提純、封裝、混合、生長(zhǎng)、檢測(cè)和切片等系列工藝,才能獲得真正可使用器件[1-3]。
制備過(guò)程中, 需要多次將原材料或是單晶成品用耐高溫高壓的石英管進(jìn)行真空封裝, 從而多次需要將石英空管或填充了晶體錠的石英管切開(kāi)[4]。 由于石英管壁面硬度較高且材料非常脆,切刀必須非常硬且高速旋轉(zhuǎn),才可能實(shí)施切割;而石英管壁面又較薄,任何過(guò)大或不均勻壓緊力,均容易導(dǎo)致石英管碎裂,切割時(shí)極容易導(dǎo)致石英管破碎斷裂。
傳統(tǒng)采取人工切割方法,切割效率低,且稍有不慎,極容易導(dǎo)致石英管破碎斷裂, 造成嚴(yán)重?fù)p失, 且容易傷人。 雖然,現(xiàn)在市場(chǎng)也出現(xiàn)了一些管件切割設(shè)備,但大多切刀固定,由工件轉(zhuǎn)動(dòng),由于石英管的特殊性,通過(guò)夾緊石英來(lái)高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割, 需要對(duì)石英管的加緊要求非常高, 故現(xiàn)實(shí)工作中難以通過(guò)夾緊石英來(lái)高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割; 同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的石英管在夾緊過(guò)程中旋轉(zhuǎn)與切刀接觸實(shí)施切割時(shí),石英管也非常容易出現(xiàn)破碎斷裂。
針對(duì)上述情況設(shè)計(jì)了一種石英管環(huán)切機(jī), 采取環(huán)切方法,切割前調(diào)整石英管夾緊位置,保證石英管與旋轉(zhuǎn)環(huán)切機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出軸在同一中心線上,兩者間不偏離。通過(guò)安裝高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)切砂輪,繞石英管外圓旋轉(zhuǎn),對(duì)石英管進(jìn)行環(huán)形切割, 通過(guò)伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)環(huán)形切割砂輪的進(jìn)給量實(shí)現(xiàn)單次環(huán)切的進(jìn)給深度, 從而實(shí)現(xiàn)石英管均勻環(huán)切,避免石英管切割時(shí)破碎斷裂。
石英管環(huán)切機(jī)用于切割石英管, 切割對(duì)象是高純度半導(dǎo)體用石英管,為最高化學(xué)純度、低氣泡率和低夾雜物含量的石英管材。
切割石英管的主要性能參數(shù):密度為2.203g·cm-3,摩氏硬度為5.5~6.5,微小硬度(Micro Hardness)為8600~9800 N·mm-2,彈性模量為7.25×104N·mm-2(20℃時(shí)),扭轉(zhuǎn)彈性模量為3.0×104N·mm-2,壓縮強(qiáng)度為1150N·mm-2,泊松系數(shù)為0.17,彎曲強(qiáng)度為67N·mm-2,扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度為30N·mm-2。
石英管環(huán)切過(guò)程不能出現(xiàn)碎裂, 是石英管環(huán)切機(jī)設(shè)計(jì)最重要的依據(jù)。 為了能正常環(huán)切石英管且獲得整齊的環(huán)切口,石英管環(huán)切機(jī)應(yīng)符合下述條件:
(1)環(huán)切片狀砂輪的刃口硬度應(yīng)高于石英管硬度。
(2)環(huán)切砂輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)并繞石英管旋轉(zhuǎn)時(shí),旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)平穩(wěn),進(jìn)給量應(yīng)可調(diào)節(jié)。切割外徑φ40mm 和壁厚3.0mm石英管,單個(gè)切口的切割時(shí)間應(yīng)不超過(guò)5min。
(3)環(huán)切機(jī)應(yīng)有石英管加緊、石英管對(duì)中和安全防護(hù)功能。
石英管環(huán)切時(shí),其最高切割效率ηC為:
式中:DC—環(huán)切砂輪外徑;nC—環(huán)切砂輪旋轉(zhuǎn)速度;δC—環(huán)切砂輪自身旋轉(zhuǎn)一圈的切削厚度。
石英管環(huán)切機(jī)切割石英管單個(gè)切口消耗的時(shí)間tC1為:
式中:ηFR—環(huán)切砂輪繞石英管旋轉(zhuǎn)切割時(shí),單圈旋轉(zhuǎn)進(jìn)給量。
上式(2)中,ηFR的最大值應(yīng)符合切割效率低于最高切割效率原則。
環(huán)切砂輪選擇金剛石切割片,外徑為150mm,厚度為0.8mm。 金剛石摩氏硬度為10,遠(yuǎn)高于石英管硬度,能夠切割石英管。 砂輪粒度為200, 其粒度對(duì)應(yīng)粒徑大小為0.074mm。 忽略砂輪粒度不規(guī)則性。
環(huán)切石英管時(shí), 考慮砂輪每分鐘繞石英管旋轉(zhuǎn)4 圈(即1 圈/15s),每圈進(jìn)給量ηFR取值0.2mm。相關(guān)參數(shù)代入式(2),則切割外徑φ40mm 和壁厚3.0mm 石英管單個(gè)切口消耗的時(shí)間tC1為3.75min。
環(huán)切砂輪自身旋轉(zhuǎn)一圈的切削厚度取10%砂輪粒度,由式(1),則15s 內(nèi)最大能切割外徑φ40mm 的厚度為10.4mm,該值大于石英管壁厚3.0mm,滿足切割效率要求。
石英管環(huán)切機(jī)機(jī)械總體設(shè)計(jì)方案主要包括支架、安裝底板、石英管夾緊裝置、環(huán)切砂輪、砂輪旋轉(zhuǎn)頭、砂輪旋轉(zhuǎn)電機(jī)、安裝座、環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)底板、配重塊、連接板、固定法蘭和伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)等,見(jiàn)圖1、圖2。
圖1 石英管環(huán)切機(jī)結(jié)構(gòu)主視圖
圖2 石英管環(huán)切機(jī)結(jié)構(gòu)俯視圖
圖1 中,支架的左側(cè)頂部安裝有安裝底板,安裝底板上安裝有石英管夾緊裝置, 支架的右側(cè)頂部安裝有環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)底板, 環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)底板上安裝有環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出端安裝有固定法蘭,連接板的中部安裝在固定法蘭上, 連接板的兩端分別安裝有配重塊與安裝座,安裝座上設(shè)置有一個(gè)滑槽,砂輪旋轉(zhuǎn)電機(jī)的安裝底座安裝在滑槽內(nèi), 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)固定安裝在安裝座上,伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)與砂輪旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接,砂輪旋轉(zhuǎn)電機(jī)的動(dòng)力輸出軸上安裝有砂輪旋轉(zhuǎn)頭, 環(huán)切砂輪固定安裝在砂輪旋轉(zhuǎn)頭上。
石英管夾緊裝置包括石英管固定套、石英管壓片、石英管夾緊手柄, 所述的石英管固定套固定安裝在安裝底板上, 石英管固定套的套壁上沿圓周方向均勻的設(shè)置有螺紋孔, 石英管夾緊手柄通過(guò)螺紋連接的方式安裝在螺紋孔內(nèi), 石英管夾緊手柄位于石英管固定套內(nèi)側(cè)一端安裝有弧形石英管壓片。
圖2 中,連接板上安裝有感應(yīng)片,支架上安裝有與感應(yīng)片匹配用于檢測(cè)環(huán)切砂輪環(huán)切石英管一周的行程開(kāi)關(guān),行程開(kāi)關(guān)與控制器連接,控制器與環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置連接,控制器還與伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)、砂輪旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接。
安裝座上安裝有用于防止環(huán)切砂輪切割飛出的砂輪罩。支架上安裝有保護(hù)罩,保護(hù)罩上開(kāi)設(shè)有便于石英管伸入到其內(nèi)的開(kāi)孔,環(huán)切砂輪、砂輪旋轉(zhuǎn)頭、砂輪旋轉(zhuǎn)電機(jī)、安裝座于保護(hù)罩內(nèi)。
石英管環(huán)切機(jī)的電氣控制方案主要包括電源、 步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)、配套開(kāi)關(guān)及電纜等,見(jiàn)圖3。
圖3 石英管環(huán)切機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方案
實(shí)驗(yàn)石英管環(huán)切機(jī)的切割性能時(shí), 完成該機(jī)器連接和調(diào)試,見(jiàn)圖4。
圖4 石英管環(huán)切機(jī)實(shí)物
切割外徑φ40mm 和壁厚3.0mm 石英管夾緊開(kāi)展切割實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:環(huán)切進(jìn)給量小且均勻可調(diào),單個(gè)切口需要切割時(shí)間約為3.5min,切口連接光滑,未發(fā)生碎裂現(xiàn)象。
針對(duì)人工切割石英管效率低, 且容易破碎斷裂的問(wèn)題,基于環(huán)形切割均勻方法,設(shè)計(jì)了一種石英管環(huán)切機(jī),切割前調(diào)整石英管夾緊位置, 保證石英管與旋轉(zhuǎn)環(huán)切機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出軸在同一中心線上, 通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)切砂輪,繞石英管外圓旋轉(zhuǎn),對(duì)石英管進(jìn)行環(huán)形切割,經(jīng)伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)環(huán)形切割砂輪的進(jìn)給量, 來(lái)控制單次環(huán)切的進(jìn)給深度,從而實(shí)現(xiàn)石英管均勻環(huán)切,避免石英管切割時(shí)破碎斷裂。
本文開(kāi)展了石英管環(huán)切機(jī)的設(shè)計(jì)要求分析和切割效率計(jì)算,確定了環(huán)切機(jī)設(shè)計(jì)方案,研制出環(huán)切機(jī)。 環(huán)切切割外徑φ40mm 和壁厚3.0mm 石英管時(shí),環(huán)切進(jìn)給量小且均勻可調(diào),單個(gè)切口需要切割時(shí)間約為3.5min,滿足設(shè)計(jì)要求。