划片机中的新型高刚度动静压气体径向轴承

魏明明，卢志伟，刘 波，张君安

(西安工业大学 机电工程学院，西安 710032)

随着集成电路由大规模向超大规模发展，集成度越来越高，划片工艺的晶圆片成本也大幅增加。晶片直径越来越大，目前已达到Φ300 mm；划切槽越来越窄，一般在30～40 μm。这对于以金刚石砂轮作为刀具的强力磨削加工工艺来说，已进入临界尺寸；硅片直径由Ф150 mm增大到Ф200 mm，面积只增加78%，但其中可供芯片利用的面积增加了90%，晶圆片的成本和价值大幅度增加，这些给划片机的加工精度、可靠性、稳定性提出越来越苛刻的要求，使划片设备的设计技术更加复杂，加工制造更加困难[1]。

鉴于其技术的复杂性，大尺寸精密划片机需要有效解决机械系统的高刚度、高稳定性、低损耗等一系列技术问题[2]。划片机的切割机理是强力磨削，其通过主轴带动金刚石外圆刀具高速旋转(3 000～60 000 r/min)切割晶片。主轴是强力磨削的执行部件，其轴线旋转精度、刚度和运转的平稳性直接影响划片机的精度，是划片机的核心部件，因此，要求主轴旋转精度小于2 μm。

目前，精密划片机中的主轴系统一般采用高速电主轴，轴承的性能对电主轴的使用功能极为重要。目前电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、磁悬浮轴承和气体轴承。滚动轴承刚度高、标准化程度高、结构简单紧凑、价格适中，主要适用于速度和精度要求不是很高的情况；磁悬浮轴承高速性能好、精度高，容易实现诊断和在线监控，但由于电磁测控系统复杂，价格昂贵，至今未能得到广泛应用[3]；气体轴承具有转速高、精度高、结构紧凑、摩擦功耗低、使用寿命长等优点,特别适合做高速回转副的支承元件[4]。但由于气体本身所固有的物理特性的限制，仍不能克服气体轴承承载能力和刚度较低这一主要缺点，而这正是限制其应用范围的一个主要因素。

目前国内、外也出现了很多提高静压气体轴承刚度、精度的方法，有传统改进型、被动控制型、主动控制型、复合控制型等[5-8]。在此提出一种带有可变节流器与可变均压槽相结合的动静压气体径向轴承新结构。

1 轴承结构与原理

1.1 轴承结构

所设计的新型高刚度动静压气体径向轴承结构如图1所示。其由弹性薄板、过渡圈和基座组成。轴承基座上设有进气孔，过渡圈上对称分布8个槽形气腔，弹性薄板壁上开有16个节流孔(通孔)，对称均匀分布于承载面上。弹性薄板的厚度为0.5 mm。进气孔、槽形气腔、节流孔3者相通。为保证轴承节流器的气密性，在轴承两端设有密封槽。安装时基座与过渡圈，过渡圈与弹性薄板均采用过盈配合，以保证轴承的气密性。安装完成后，在轴承过渡圈上分布有8个气腔，于是就形成了8个矩形弹性薄板，在弹性薄板上分布有16个节流孔。

1—弹性薄板；2—过渡圈；3—基座；4—进气孔；5—槽形气腔；6—密封槽；7—节流孔

1.2 工作原理与过程

当承载压力变化时，弹性薄板的内、外表面形成压力差，使弹性薄板变形，弹性薄板和过渡圈内槽形气腔联合作用，形成相应可变截面积的均压槽，在均压槽中心线上的环面节流器截流面积随均压槽的高度变化而变化。即当外加载荷变化时，压力使弹性薄板变形，在承载面上形成可变均压槽，均压槽的槽宽与轴承过渡圈的槽形气腔宽度一致，槽深即为弹性薄板的凸凹深度，弹性薄板上节流孔的面积也随之改变。该轴承结构非常简洁，不需外加反馈系统，可利用自身结构来控制承载面上弹性均压槽截面积和节流器截流面积的变化，从而提高轴承的刚度。

制造过程中，轴承内的槽形气腔中充满压力为P1的气体，使承载面上形成的轴向弹性薄板外凸。平面加工完成后的自然状态下，轴承的承载面上的弹性变形部分就出现了凹下去的初始轴向均压槽，槽宽与轴承内的槽形气腔宽度一致，槽深与P1的大小及位置有关。轴承工作时，轴承内的轴向槽形气腔中供气压力为PS(PS>P1)。在载荷逐渐增大的过程中，轴向弹性薄板所承受的分布载荷使均压槽进一步内凹，轴承的承载能力随均压槽的变化而提高；节流环面的高度增加，节流孔的节流面积增大，节流后的压力P0进一步增加，轴承的承载能力继续提高；同时，轴承的未承载侧随着载荷减小，均压槽几乎消失，承载能力明显下降；节流环面的高度减小，节流孔面积减小，节流后的压力P0进一步减小，承载能力进一步减弱。这一正一反作用使轴承承载能力迅速提高。在载荷逐渐减小的过程中，弹性薄板所承受的分布载荷使均压槽内凹减小，轴承的承载能力随均压槽的变化减小；节流环面的高度减小，节流口面积减小，节流后的压力P0进一步减小，轴承的承载能力进一步降低；同时，轴承未承载侧随着载荷增加，使均压槽进一步内凹，承载能力明显上升；节流环面的高度增加，节流孔面积增大，节流后的压力P0进一步增大，承载能力继续增加。这一正一反作用使轴承承载能力迅速降低。最终的结果是载荷变化时轴心的位置变化很小，甚至不动，即刚度可达到很高。

2 试验验证

2.1 试验装置与原理

为了验证所设计轴承的承载力和刚度特性，利用自行设计的动静压气体径向轴承试验台对所设计的轴承进行测试。试验台所用的加载装置如图2所示。三角架内的三根互成120°的弹簧一端与加载轴承相连，另一端通过拉力传感器与可调螺母相连。试验时，调节可调螺母，改变弹簧的拉力大小，从而改变三根弹簧合力的大小，可以实现加载轴承通过气膜对主轴在三角架平面内进行任意角度的加载。在0.5，0.6，0.7和0.8 MPa供气压力下，对普通双排八孔空气动静压径向轴承和所设计的轴承进行承载力特性测量。为了保证试验结果具有可比性，测试的两种轴承都是与同一气浮主轴进行配合，气浮主轴与轴承配合处的直径为60 mm，保证单边间隙为15μm，同时两种轴承的节流孔布置形式相似，个数都为16个。在系统正常工作状态下，利用工控机采集拉力传感器所得数据，以便对轴承承载力性能进行分析[9]。

图2 加载机构结构图

2.2 试验数据与分析

由试验可知，新型高刚度动静压气体径向轴承在承载力和刚度上均高于普通双排八孔动静压空气径向轴承。这里仅对两种轴承在0.7，0.8 MPa供气压力下的承载力和刚度进行对比分析。其他供气压力下的对比分析不再赘述。在供气压力为0.8 MPa下，普通双排八孔动静压空气径向轴承测试的最大承载力为480 N，而新型高刚度动静压气体径向轴承可达到568 N。在供气压力为0.7 MPa时，两种轴承所得承载力试验数据见表1，承载力-位移曲线如图3所示。由表1和图3可以看出，在供气压力为0.7 MPa时，两种轴承的承载力与位移都近似成线性增长，文中设计的新型轴承的最大承载力达到446 N，而普通轴承只有380 N，比普通轴承高出17.3%。新型轴承承载力为250～400 N时，刚度可以达到36.23 N/μm，而普通轴承承载力为150～350 N时，刚度仅为28.5 N/μm，比普通轴承高出27.1%。

图3 承载力-位移曲线

表1 两种轴承承载力测试数据

3 结束语

设计的新型高刚度动静压气体径向轴承，结构简洁，不需附加外加反馈系统，利用自身结构来控制承载面上弹性均压槽截面积和节流器截流面积的变化，从而提高了轴承的承载能力和刚度，并通过试验验证了其有效性。同时，已经设计并制造出整体结构和原理类似，但槽形气腔数和弹性薄板厚度有区别的系列轴承，以期将此类高刚度动静压气体径向轴承应用到精密划片机中的电主轴系统中，提高其主轴系统的刚度、旋转精度和运行平稳性。