藍寶石切割機設計
藍寶石切割機設計,藍寶石切割機設計,藍寶石,切割機,設計
畢業(yè)設計（論文）
開 題 報 告
1
浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 開題報告
1 選題的背景和意義
單晶藍寶石具有良好的物理、化學和光學特性，在微電子、工業(yè)、國防、科研以及 GaN 晶片 LED 襯底領域得到越來越廣泛的作用。隨著科學技術的不斷發(fā)展，對于藍寶石晶片的加工精度以及表面質量要求越來越高，因此藍寶石的高效低損加工工藝成為阻礙藍寶石工業(yè)發(fā)展的主要障礙。
現(xiàn)今隨著機電一體化的發(fā)展，機械手也被廣泛的利用各種機械當中，自動切割漸漸取代了手工切割，藍寶石切割機能自動將放入的工件切割成所要求的形狀，這樣可以大大提高切割效率，減輕人力負擔，藍寶石切割機的優(yōu)點是結構簡單，生產效率較手動切割機高。
本文簡要的概述了藍寶石切割機的設計發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢
1.1 選題的背景
藍寶石以其良好的物理、化學和光學特性，在微電子、工業(yè)、國防、科研以及 GaN 晶片 LED 襯底領域得到越來越廣泛的作用。隨著科學技術的不斷發(fā)展，對于藍寶石晶片的加工精度以及表面質量要求越來越高，因此藍寶石的高效低損加工工藝成為阻礙藍寶石工業(yè)發(fā)展的主要障礙。
1.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1國外研究現(xiàn)狀
80年代初期，國際商業(yè)機器公司(IBM)首先提出的化學機械拋光引入集成電路進行平坦化的制程工作。主要是通過適當?shù)闹瞥虆?shù)設計，利用一個拋光平臺，配合適當?shù)幕瘜W溶液，將晶片表面高低起伏不一的輪廓加以磨平。安永暢男使用不銹鋼環(huán)拋光藍寶石，發(fā)現(xiàn)藍寶石界面與不銹鋼形成了結構松軟的固相化學反應層，藍寶石表面具有鏡面光澤，而且沒有發(fā)現(xiàn)亞表面損傷的現(xiàn)象，并提出了機械化學拋光的概念。Namba和Tsuwa等人在進行藍寶石超拋光的實驗中，利用二氧化硅水溶液搭配上錫盤當研磨盤，首次觀察到藍寶石的殘余表面粗糙度為1nm，對于使用SiO2當磨粒而言，因為其硬度比藍寶石的要低，理論上并不具有去除藍寶石表面的能力，但是實驗結果卻說明SiO2拋光液具有去除藍寶石表面材料的能力，利用此套儀器設備對藍寶石進行拋光可獲得比較好的表面粗糙度并認為在超拋光中，拋光液中直徑7nm的膠羽狀SiO通過撞擊移除了藍寶石表面原子，并提出了一種新的拋光方法，浮法拋光法。Gutsehe和Moody等人在其研究成果上提出假設，他們認為是由于單純的化學反應SiO2才能移除藍寶石表面的原子，而來自拋光過程摩擦產生的熱是化學反應能夠進行的驅動力，并提出化學反應式為：
反應后生成物為高嶺土，并可利用拋光液的流動特性將高嶺土移除。
Prochnow和Edwards等人使用直接接觸法搭配上瀝青拋光盤對藍寶石進行超拋光，拋光結果均方根粗糙度值可達到0.2~0.3nm。 B.Hader和o.weis依據(jù)Prochnow和Edwards等人證實的直接接觸的想法的基礎上，提出了“熱液磨耗”的理論模型。最近幾年，國際上一些知名的半導體及光電子技術公司紛紛投入了大量的資金去研究藍寶石拋光，并取得了一定的成果，如美國、日本、德國以及俄羅斯等公司己經能產業(yè)化生產3英寸的單晶藍寶石，并且正在研發(fā)4英寸的技術。
1.2.2國內研究現(xiàn)狀
隨著第三代半導體材料的GaN的推出，藍寶石作為LED最重要的襯底材料之一，國內需求量處于日益增長。藍寶石切割技術作為襯底材料加工的重要工序之一，目前在國內存在很多不足。如切割精度不足，生產效率低下，切割表面損傷較大等等[2]
相比與國外，我國的起步比較晚，20世紀80年代才正式開始對藍寶石進行研究開發(fā)，北京市光電子技術實驗室李冰、郭霞等人研究了利用碳化硼作為磨料對藍寶石基片外延片減薄加工過程中，比較了在不同的氮化硼磨料粒度對藍寶石去除速率和表面粗糙度的影響，以及去除速率和表面粗糙度與研磨盤轉速和研磨壓力的關系，通過比較實驗最終表面粗糙度可達到Ra60.25nm。浙江工業(yè)大學袁巨龍等人，研究討論了藍寶石化學機械拋光過程中的必備條件，并提出了相應的拋光機理。文章認為藍寶石加工過程中，
即使藍寶石與磨料在高速接觸過的界面接觸點的時間非常短，也能發(fā)生固相化學反應，生成10數(shù)量級厚度的化學反應層，且反應生成物與材料自身的結合力很低，在拋光過程中極易用磨粒的機械作用移除。河北工業(yè)大學王娟等人對藍寶石晶片化學機械拋光液進行了研制并對藍寶石襯底片進行了化學機械拋光加工，確定了適宜藍寶石化學機械拋光加工的條件：T=30℃，pH值在9和13之間，并得出采用大粒徑、高濃度的SiO2拋光液并且在拋光液中應加入適量添加劑，可以獲得較高的材料去除率和較好的表面粗糙度。深圳奧普光電子有限公司發(fā)明了一種新的藍寶石加工方法，叫固相反應濕式CMP加工方法。該加工方法選取比藍寶石硬度低的氧化物微粉作為磨料；在拋光中，氧化物磨料與藍寶石接觸，在接觸點發(fā)生固相化學反應，生成結晶層；磨料通過機械接觸把結晶層去除。通過實驗結果表明用該拋光加工方法獲得的藍寶石表面基本沒有任何損傷，獲得了比較理想的加工表面，提高了拋光加工效率，降低了生產成本。
從上面國內外對藍寶石的幾種加工方法可以看出，對藍寶石晶體的加工條件都比較特殊，雖然加工后得到的晶體表面精度能夠達到使用的要求，但同時晶體表面也存在一定的缺陷，影響晶體的應用，因此開展對藍寶石 CMP 加工的研究，探索藍寶石晶體的加工方法對其未來的應用也很重要。 [1]
2 研究的基本內容
1） 對藍寶石切割機的執(zhí)行系統(tǒng)進行設計，對裝備圖進行設計；
2） 對切割機夾具快速定心進行設計；
3） 對切削液循環(huán)系統(tǒng)進行設計。
2.1 基本框架
藍寶石切割機總共分為4部分：夾緊機構，驅動機構，執(zhí)行機構，循環(huán)系統(tǒng)
將藍寶石工件放置在工作臺上，利用夾具將其夾緊，用帶鋸進行切割，通過控制系統(tǒng)來控制帶鋸的走到路徑，不停地用切削液對切割區(qū)域進行沖刷，將切割時產生的寶石粉末沖掉，從工作臺的孔中流入沉淀池，對含有寶石粉末的切削液進行沉淀，從而使切削液循環(huán)使用，也可以對寶石粉末進行回收利用
夾緊部分：利用夾具對工件進行緊固，使工件在切割時不會發(fā)生偏移。
驅動部分：用一臺三相異步電動機來為帶鋸提供動力，使鋸高速轉動。
執(zhí)行部分：用兩臺步進電機來分別控制金剛石帶鋸的橫縱走向，來實行根據(jù)不同要求來完成不同的走刀路線。
2.2 研究的重點和難點
1） 夾鋸現(xiàn)象的出現(xiàn)
2） 鋸切單晶硅表面缺陷
3） 切削液的循環(huán)與寶石粉末的回收
2.3 擬解決的關鍵問題
1) 所設計的藍寶石切割機使用帶鋸進行切割；
2) 保證帶鋸行進與路線切向一致；
3) 被切材料快速定心夾緊；
4) 切削液回收。
3 研究的方法及措施
3.1文獻歸納法
通過上網或在圖書館查閱各種相關文獻依據(jù)現(xiàn)有的科學理論和實踐的需要，提出設計，利用科學儀器和設備，在自然條件下，通過有目的有步驟地操縱，根據(jù)觀察、記錄、測定與此相伴隨的現(xiàn)象的變化來確定條件與現(xiàn)象之間的因果關系。
3.2 實證分析法
找到國內外各類藍寶石切割機，以實際案例為基礎，分析各類寶石切割機的優(yōu)缺點，歸納總結。
4 預期成果
1） 論文：10000字以上。
2） 藍寶石切割機的裝配圖。
5 研究工作進度計劃
（1）2013.11.04～2013.12.25 完成前期準備材料
（2）2013.12.26～2014.02.15 完成結構設計
（3）2014.02.16～2014.03.16 完成切削液循環(huán)
（4）2014.03.17～2014.05.21 完成總體設計
（5）2014.05.22～2014.06.01 完成設計說明書、準備答辯
參考文獻
[1] 吳健；藍寶石CMP加工機理與工藝技術的研究[D].浙江工業(yè)大學.浙江.2012
[2] 張彬；藍寶石精密切割裝置控制系統(tǒng)設計[D]. 黑龍江大學. 黑龍江 2012
[3] 蔡二輝,湯斌兵,周浪.??金剛石線鋸切割晶體硅模式研究[J]. 南昌大學學報(工科版). 2011(02)
[4] 黃波,高玉飛,葛培琪.??金剛石線鋸切割單晶硅表面缺陷與鋸絲磨損分析[J]. 金剛石與磨料磨具工程. 2011(01)
[5] 金成毅; 熊瑞平.一種基于PLC控制的石材切割機的液壓系統(tǒng)[J].液壓與氣動.2012.4
[6] 李艷麗;趙東杰.關于金剛石環(huán)形帶鋸在硅晶圓棒切割中的技術要求及應用問題的探討[J].2012
[7] 呂文利;王理正;劉嘉賓.藍寶石多線切割設備及切割技術[J].國電子科技集團公司第四十八研究所.2013.7
[8] 呂智;鄭超.固結金剛石線鋸技術[J].桂林礦產地質研究院.2012.6
[9] 鐘康民;竇云霞;李欣;王傳洋.基于熱致線膨脹與面積效應行程放大的鉸桿增力自鎖夾緊裝置[J].蘇州大學;機電工程學院2008.6
[10] 胡金成;陳霽恒;陳淳輝;孫從科.金屬切削液的環(huán)境行為分析與評價[J].軍蚌埠士官學校船體教研室.2008.12
[11] 郭瑞潔.熱能驅動夾具技術的研究與創(chuàng)新設計[D].蘇州大學.2010.5
[12] 湯睿.數(shù)控多線研磨切片系統(tǒng)控制機理研究及應用[D].湖南大學.2011.5
[13] 朱榮錢;朱永升;于艾華;王振利.脹緊機構在帶鋸切割中的應用[J].河北理工大學智能儀器廠.唐山.2009.8
[14] X.Z. Xie;Z.Y.Pan;X.Wei;F.M.Huang;W.Hu and M.H.Hong.Hybrid Micromachining of Transparent Sapphire Substrate by Pulsed Green Laser Irradiation .2011.3
[15] Makoto Inoue;Kenta Yasuda;Tadashi Ito;Tetsu Sasahara;Masaru Yokota;Atsushi Nakahira .Fabrication of Sintered Diamond/Metal Composites and Evaluation of Grinding Performance for Sapphire [J].2012.5
5
畢業(yè)設計（論文）
文 獻 綜 述
藍寶石切割機
1 前言
藍寶石，是剛玉寶石中除紅色的紅寶石之外，其它顏色剛玉寶石的通稱，主要成分是氧化鋁（Al2O3）。工業(yè)用藍寶石是軍用車輛用作透明裝甲的材料，除鉆石以外，藍寶石的硬度強于其他任何天然材料。它比“大猩猩玻璃”硬三倍，耐劃傷性也高三倍左右。由于它出色的性能，被廣泛應用到各個領域。隨著藍寶石的應用越來越頻繁，對其切割方法與設計的要求也越來越高。以方法分類，切割藍寶石的寶石切割機大致分為兩種：一種是用電弧切割，另一種是用金剛石帶鋸切割。電弧切割成本較高，帶鋸切割成本低但是精度較低。
藍寶石切割機的優(yōu)點是能快速獲得我們所需要的形狀的寶石工件。本文簡要的闡述了藍寶石切割機的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。
2 國內外研究現(xiàn)狀
2.1國外研究現(xiàn)狀
80年代初期，國際商業(yè)機器公司(IBM)首先提出的化學機械拋光引入集成電路進行平坦化的制程工作。主要是通過適當?shù)闹瞥虆?shù)設計，利用一個拋光平臺，配合適當?shù)幕瘜W溶液，將晶片表面高低起伏不一的輪廓加以磨平。安永暢男使用不銹鋼環(huán)拋光藍寶石，發(fā)現(xiàn)藍寶石界面與不銹鋼形成了結構松軟的固相化學反應層，藍寶石表面具有鏡面光澤，而且沒有發(fā)現(xiàn)亞表面損傷的現(xiàn)象，并提出了機械化學拋光的概念。Namba和Tsuwa等人在進行藍寶石超拋光的實驗中，利用二氧化硅水溶液搭配上錫盤當研磨盤，首次觀察到藍寶石的殘余表面粗糙度為1nm，對于使用SiO2當磨粒而言，因為其硬度比藍寶石的要低，理論上并不具有去除藍寶石表面的能力，但是實驗結果卻說明SiO2拋光液具有去除藍寶石表面材料的能力，利用此套儀器設備對藍寶石進行拋光可獲得比較好的表面粗糙度并認為在超拋光中，拋光液中直徑7nm的膠羽狀SiO通過撞擊移除了藍寶石表面原子，并提出了一種新的拋光方法，浮法拋光法。Gutsehe和Moody等人在其研究成果上提出假設，他們認為是由于單純的化學反應SiO2才能移除藍寶石表面的原子，而來自拋光過程摩擦產生的熱是化學反應能夠進行的驅動力，并提出化學反應式為：
反應后生成物為高嶺土，并可利用拋光液的流動特性將高嶺土移除。
Prochnow和Edwards等人使用直接接觸法搭配上瀝青拋光盤對藍寶石進行超拋光，拋光結果均方根粗糙度值可達到0.2~0.3nm。 B.Hader和o.weis依據(jù)Prochnow和Edwards等人證實的直接接觸的想法的基礎上，提出了“熱液磨耗”的理論模型。最近幾年，國際上一些知名的半導體及光電子技術公司紛紛投入了大量的資金去研究藍寶石拋光，并取得了一定的成果，如美國、日本、德國以及俄羅斯等公司己經能產業(yè)化生產3英寸的單晶藍寶石，并且正在研發(fā)4英寸的技術。
2.2國內研究現(xiàn)狀
隨著第三代半導體材料的GaN的推出，藍寶石作為LED最重要的襯底材料之一，國內需求量處于日益增長。藍寶石切割技術作為襯底材料加工的重要工序之一，目前在國內存在很多不足。如切割精度不足，生產效率低下，切割表面損傷較大等等[2]
相比與國外，我國的起步比較晚，20世紀80年代才正式開始對藍寶石進行研究開發(fā)，北京市光電子技術實驗室李冰、郭霞等人研究了利用碳化硼作為磨料對藍寶石基片外延片減薄加工過程中，比較了在不同的氮化硼磨料粒度對藍寶石去除速率和表面粗糙度的影響，以及去除速率和表面粗糙度與研磨盤轉速和研磨壓力的關系，通過比較實驗最終表面粗糙度可達到Ra60.25nm。浙江工業(yè)大學袁巨龍等人，研究討論了藍寶石化學機械拋光過程中的必備條件，并提出了相應的拋光機理。文章認為藍寶石加工過程中，
即使藍寶石與磨料在高速接觸過的界面接觸點的時間非常短，也能發(fā)生固相化學反應，生成10數(shù)量級厚度的化學反應層，且反應生成物與材料自身的結合力很低，在拋光過程中極易用磨粒的機械作用移除。河北工業(yè)大學王娟等人對藍寶石晶片化學機械拋光液進行了研制并對藍寶石襯底片進行了化學機械拋光加工，確定了適宜藍寶石化學機械拋光加工的條件：T=30℃，pH值在9和13之間，并得出采用大粒徑、高濃度的SiO2拋光液并且在拋光液中應加入適量添加劑，可以獲得較高的材料去除率和較好的表面粗糙度。深圳奧普光電子有限公司發(fā)明了一種新的藍寶石加工方法，叫固相反應濕式CMP加工方法。該加工方法選取比藍寶石硬度低的氧化物微粉作為磨料；在拋光中，氧化物磨料與藍寶石接觸，在接觸點發(fā)生固相化學反應，生成結晶層；磨料通過機械接觸把結晶層去除。通過實驗結果表明用該拋光加工方法獲得的藍寶石表面基本沒有任何損傷，獲得了比較理想的加工表面，提高了拋光加工效率，降低了生產成本。
從上面國內外對藍寶石的幾種加工方法可以看出，對藍寶石晶體的加工條件都比較特殊，雖然加工后得到的晶體表面精度能夠達到使用的要求，但同時晶體表面也存在一定的缺陷，影響晶體的應用，因此開展對藍寶石 CMP 加工的研究，探索藍寶石晶體的加工方法對其未來的應用也很重要。
單晶藍寶石具有良好的物理、化學和光學特性，在微電子、工業(yè)、國防、科研以及 GaN 晶片 LED 襯底領域得到越來越廣泛的作用。隨著科學技術的不斷發(fā)展，對于藍寶石晶片的加工精度以及表面質量要求越來越高，因此藍寶石的高效低損加工工藝成為阻礙藍寶石工業(yè)發(fā)展的主要障礙。[1]
3.發(fā)展趨勢
傳統(tǒng)上一般晶棒/ 錠切成片狀的方式是內圓切割，這種切割機的刀片刃口厚度在0.28～0.35 mm 之間，加工效率較低，材料損耗大，出片率低，晶片表面質量較低,難以加工硬度大、脆性高以及耐磨性好的材料。并且隨著晶圓直徑的增大和第三代半導體材料的出現(xiàn)，內圓切割加工受到其本身結構的限制使得切片切割過程逐漸困難，所以內圓鋸片切割的加工方式在第三代半導體材料和大直徑大批量晶片生產中逐漸被邊緣化。
20 世紀90 年代發(fā)展起來的線切割技術的成熟應用，成功地滿足了大片徑、低損耗和相對較高表面質量的晶片切割需要。線切割晶圓技術剛開始是運用游離磨粒的方式，也就是利用線帶動游離磨粒（如碳化硅等），傳統(tǒng)的金屬切割線如圖1所示，使在工件和線中間的磨粒對工件進行磨切割。但是游離磨粒的缺點在于，因為磨粒和工件實際接觸到的面積較小，造成材料移除率較小，所以需要較長的加工時間；而另外一個缺點在于，如須加工更硬、更難以切割的工件（如藍寶石、碳化硅），則游離磨粒的方式將難以對工件的表面達到預期的切割。為了改善上面的缺點，切割碳化硅、藍寶石等硬度大的材料，固定金剛石磨料線切割技術應運而生，這種加工技術通常是使用電鍍的方法將金剛石磨料固定在鋼絲表面（如圖2 所示）,加工過程中鋸絲上的金剛石直接獲得運動速度和一定的壓力對硅材料進行磨削加工, 相比游離磨料多線鋸的" 三體加工",它屬于" 二體加工"，其加工效率是游離磨料多線鋸的數(shù)倍以上。金剛石單線切割機以其獨特的優(yōu)勢成為第三代半導體硬脆材料和大直徑材料切割中不可或缺的一部分。[7]
4. 進展情況
針對藍寶石表面情況先用夾具準確夾住藍寶石工件，然后利用金剛石帶鋸進行切割，利用PLC控制三相異步電機或液壓系統(tǒng)完成走刀路徑，完成后利用切削液沖洗工件表面并對切削液進行回收，進入沉淀池使切削液中的寶石粉末沉淀進行回收利用并使切削液能重復沖洗寶石工件表面。
5.存在問題
5.1鋸切單晶硅表面缺陷
圖2是采用幾種不同工藝參數(shù)組合鋸切的單晶硅表面形貌的SEM照片。由圖2可以看出, 電鍍金剛石線鋸鋸切單晶硅的表面缺陷, 主要有較長較深的溝槽、較淺的斷續(xù)劃痕、材料脆性去除留下的表面破碎及個別較大較深的凹坑。
鋸切過程中鋸絲為往復式運轉, 當鋸絲要換向運轉時, 此時線速為零, 而工件依然在進給, 鋸絲彈性變形增大, 使此時的鋸切力變大, 因此鋸切表面容易產生較深溝槽 。鋸絲上磨粒凸出高度不均或黏附在鋸絲上的切屑隨鋸絲運動時, 在加工表面會產生溝槽和劃痕; 再就是鋸絲隨機的振動, 會導致金剛石磨粒在料表面任意地產生斷續(xù)劃痕。一些較淺的劃痕也可能是個別出露高度低磨粒進行塑性域切削的結果。工件表面殘留大量的破碎凹坑, 呈彈坑狀的表面形貌, 可說明材料主要是在脆性方式下去除, 切屑的形成是裂紋擴展交叉的結果, 材料最終以微觀與宏觀破碎的塊狀去除。顯然, 破碎凹坑對鋸切表面亞表面的損傷程度要大于表面劃痕。
硅片切割表面上存在個別較大較深的凹坑, 見圖2b, 可能是由于在切割過程中, 脫落的金剛石磨粒被擠壓嵌入加工表面所造成, 對材料表面和亞表面質量的損害更為嚴重。
圖2鋸切硅片表面缺陷特征
5.2夾鋸現(xiàn)象的出現(xiàn)
圖2中以01斷面加工為例，帶鋸沿進給方向從點A切人，當切到AC的中間位置點B時就有產生夾鋸的趨勢，此時從點A看，切口將逐漸變小，若想繼續(xù)切割可在外沿點A處塞進一個鐵楔(需用力敲打進去)，當切到點C處附近時，鐵楔所受夾緊力最大，取下相當困難，而鋸條往往在該位置被夾住，既無法前進，也難以后退，若遇到這種現(xiàn)象處理起來相當麻煩，既費時又費力，鋸條還可能斷裂。[13]
圖2帶鋸切割過程示意圖
參考文獻
[1] 吳?。凰{寶石CMP加工機理與工藝技術的研究[D].浙江工業(yè)大學.浙江。2012
[2] 張彬；藍寶石精密切割裝置控制系統(tǒng)設計[D]. 黑龍江大學. 黑龍江 2012
[3] 蔡二輝,湯斌兵,周浪.金剛石線鋸切割晶體硅模式研究[J].南昌大學學報(工科版).2011
[4] 黃波,高玉飛,葛培琪.金剛石線鋸切割單晶硅表面缺陷與鋸絲磨損分析[J]. 金剛石與磨料磨具工程. 2011(01)
[5] 金成毅; 熊瑞平.一種基于PLC控制的石材切割機的液壓系統(tǒng)[J].液壓與氣動.2012.4
[6] 李艷麗;趙東杰.關于金剛石環(huán)形帶鋸在硅晶圓棒切割中的技術要求及應用問題的探討[J].2012
[7] 呂文利;王理正;劉嘉賓.藍寶石多線切割設備及切割技術[J].國電子科技集團公司第四十八研究所.2013.7
[8] 呂智;鄭超.固結金剛石線鋸技術[J].桂林礦產地質研究院.2012.6
[9] 鐘康民;竇云霞;李欣;王傳洋.基于熱致線膨脹與面積效應行程放大的鉸桿增力自鎖夾緊裝置[J].蘇州大學;機電工程學院2008.6
[10] 胡金成;陳霽恒;陳淳輝;孫從科.金屬切削液的環(huán)境行為分析與評價[J].軍蚌埠士官學校船體教研室.2008.12
[11] 郭瑞潔.熱能驅動夾具技術的研究與創(chuàng)新設計[D].蘇州大學.2010.5
[12] 湯睿.數(shù)控多線研磨切片系統(tǒng)控制機理研究及應用[D].湖南大學.2011.5
[13] 朱榮錢;朱永升;于艾華;王振利.脹緊機構在帶鋸切割中的應用[J].河北理工大學智能儀器廠.唐山.2009.8
[14] X.Z. Xie;Z.Y.Pan;X.Wei;F.M.Huang;W.Hu and M.H.Hong.Hybrid Micromachining of Transparent Sapphire Substrate by Pulsed Green Laser Irradiation .2011.3
[15] Makoto Inoue;Kenta Yasuda;Tadashi Ito;Tetsu Sasahara;Masaru Yokota;Atsushi Nakahira .Fabrication of Sintered Diamond/Metal Composites and Evaluation of Grinding Performance for Sapphire [J].2012.5
浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文）任務書
學生姓名
學號
專業(yè)班級
題 目
藍寶石切割機設計
指導教師
職 稱
高級工程師
課題類型
□設計 □論文
課題來源
□教師科研課題 □教師生產實際課題 □學生自立課題
畢業(yè)設計（論文）起止時間
年 月 日至 年 月 日
一、畢業(yè)設計（論文）的主要內容及要求
1、開題報告和文獻閱讀
（1）文獻閱讀：查閱文獻應不少于15篇，其中外文文獻不少于2篇，近5年內的文獻數(shù)一般不少于文獻總數(shù)的1/3，并應有近2年內的文獻。
（2）文獻綜述：3000字以上，包括國內外現(xiàn)狀、研究方向、進展情況、存在問題、參考依據(jù)等。
（3）開題報告：2000字以上，包括選題的意義、可行性分析、研究的內容、研究方法、擬解決的關鍵問題、預期結果、研究進度計劃等。
（4）外文翻譯：3000字以上（翻譯成中文后的漢字字數(shù)）。
2、課題要解決的主要問題和具體要求
1) 所設計的藍寶石切割機使用帶鋸進行切割
2) 保證帶鋸行進與路線切向一致；
3) 被切材料快速定心夾緊；
4) 切削液回收。
3、論文：10000字以上，包括緒論、正文、結論、參考文獻等。
二、主要參考文獻
1) 吳?。凰{寶石CMP加工機理與工藝技術的研究[D].浙江工業(yè)大學。浙江。2012
2) 張彬；藍寶石精密切割裝置控制系統(tǒng)設計[D]. 黑龍江大學. 黑龍江 2012
3) 蔡二輝,湯斌兵,周浪.??金剛石線鋸切割晶體硅模式研究[J]. 南昌大學學報(工科版). 2011(02)
4) 黃波,高玉飛,葛培琪.??金剛石線鋸切割單晶硅表面缺陷與鋸絲磨損分析[J]. 金剛石與磨料磨具工程. 2011(01)
5) 5、金成毅; 熊瑞平.一種基于PLC控制的石材切割機的液壓系統(tǒng)[J].液壓與氣動.2012.4
指導教師簽名：
年 月 日
專業(yè)教研室意見：
□同意下達任務書 □不同意下達任務書
教研室主任簽章：
年 月 日
注：任務書由指導教師填寫，專業(yè)教研室主任審核，要求在畢業(yè)設計（論文）工作開始前下達。
畢業(yè)設計(論文)
題 目：
藍寶石切割機設計
學生姓名
學 號
專業(yè)班級
二級學院
機械工程學院
指導教師（職稱）
孫小權（高級工程師）
2014年 5 月
誠信承諾書
本人謹此承諾，本人所寫畢業(yè)設計（論文）均由本人獨立撰寫，無任何抄襲行為。凡涉及他人的觀點材料，均作了注釋。如出現(xiàn)抄襲或侵犯他人知識產權的情況，愿承擔由此引起的任何責任，并接受相應的處分。
學生簽名：
年 月 日
藍寶石切割機設計
【摘要】本次設計是對藍寶石切割機裝置的設計。在這里主要包括:設計傳動系統(tǒng)、設計裝夾部位系統(tǒng)、設計切割片主軸部位系統(tǒng)。這次畢業(yè)設計不僅鍛煉了對設計基本技能，也提高了分析和解決工程技術問題的能力，并為以后對一般機械的設計創(chuàng)造了一些條件。
整機結構主要由電動機產生動力通過聯(lián)軸器將需要的動力傳遞到絲桿上，絲桿帶動絲桿螺母，從而帶動整機運動，提高勞動生產率和生產自動化水平。更彰顯其優(yōu)越性，有廣大的發(fā)展前景。
本論文研究內容：
(1) 藍寶石切割機裝置總體結構設計。
(2) 藍寶石切割機裝置工作性能分析。
(3)電動機的選擇。
(4) 藍寶石切割機裝置的傳動系統(tǒng)、執(zhí)行部件及機架設計。
(5)對零件進行設計后計算分析校核。
(6)繪制整機裝配圖及重要部件裝配圖和設計零件的零件圖。
【關鍵詞】藍寶石切割機裝置， 聯(lián)軸器，滾珠絲杠
Sapphire cutter design
【Abstract】 This design is a sapphire cutter device design . Here include: design transmission, parts clamping system design , design cutting disc spindle parts of the system . The graduation exercise is not only the basic skills of design , but also improves the ability to analyze and solve engineering problems, and for the future of general mechanical design creates a number of conditions .
The whole structure is mainly the power generated by the electric motor power required to pass through the coupling to the screw, lead screw nut screw drive , which led to the whole exercise, improve labor productivity and production automation. But also highlight its advantages , there are broad prospects for development.
Contents of this thesis :
(1) The overall structural design of sapphire cutter device .
(2) Sapphire cutter device performance analysis .
(3) Select the motor Transmission
(4) transmission system, execution unit and frame design of automatic assembly device for cutting bar.
(5) After the analysis of the parts for checking design calculations .
(6) To draw the whole assembly and important component assembly drawing and design components parts diagram .
【Key Words】 automatic cutting assembly device, bar coupling, ball screw
目 錄
1 緒論 1
1.1藍寶石切割機的研究現(xiàn)狀 1
1.2藍寶石切割機發(fā)展趨勢 1
1.3本課題研究的內容及方法 2
1.3.1主要的研究內容 2
1.3.2設計要求 3
1.3.3關鍵的技術問題 3
2 藍寶石切割機裝置總體結構設計 4
2.1設計的要求與數(shù)據(jù) 4
2.2電機的選型 4
2.3 帶鋸選型 5
2.4 夾緊裝置設計 6
2.5 卡盤的選型 7
2.6 軸的設計 7
2.6.1求作用在帶鋸上的力 8
2.6.2 初步確定軸的最小直徑 8
2.6.3 軸的結構設計 9
2.6.4 求軸上的載荷 10
2.6.5按彎曲扭轉合成應力校核軸的強度 11
2.6.6精確校核軸的疲勞強度 12
2.7 鍵的選擇與校核 15
2.8滾動軸承的壽命校核 17
3 旋轉機構設計 18
3.1 同步帶計算選型 18
3.2 同步帶的主要參數(shù)（結構部分） 21
3.3 同步帶的設計 23
結論 25
參考文獻 26
致 謝 27
1 緒論
1.1藍寶石切割機的研究現(xiàn)狀
在現(xiàn)代化工業(yè)生產中，其中的自動化已成為重點對象。隨著自動化的水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，經常會有自動化生產設備，以用來提高生產效率，完成普通工人難以完成的危險的工作。當然，我們發(fā)現(xiàn)切割技術已經滲透到各個領域并且被廣泛使用。根據(jù)資料顯示，割技術加工。我國每年的切割設備需求量金額超過50億元。既然切割機能夠這么普遍地應用在各個領域，它肯定具備了很大的市場競爭力。
80年代初期，國際商業(yè)機器公司(IBM)首先提出了化學機械拋光引入集成電路進行平坦化的制程工作。其主要是通過適一定的制程參數(shù)設計，利用一個拋光平臺，搭配恰當?shù)幕瘜W溶液，來磨平晶片表面高低起伏不一的輪廓。安永暢男使用不銹鋼環(huán)拋光藍寶石，觀察其界面與不銹鋼形成了結構松軟的固相化學反應層，藍寶石表面具有鏡面光澤，并沒有發(fā)現(xiàn)亞表面有損傷的現(xiàn)象，而后提出了機械化學拋光這一概念。Namba和Tsuwa等人在藍寶石超拋光的實驗中，利用二氧化硅水溶液配合上錫盤當研磨盤，第一次觀察到藍寶石的殘余表面粗糙度為1nm，使用SiO2當磨粒是因為其硬度要低于藍寶石，在理論上是不具有清除藍寶石表面的能力，可是實驗結果卻表明SiO2拋光液是具有清除藍寶石表面材料能力的，用這套儀器設備對藍寶石進行拋光可獲得表面粗糙度比較好的的藍寶石并認為在超拋光中，拋光液中直徑為7nm的膠羽狀SiO2通過撞擊去除了藍寶石表面的原子，隨之提出了一種新型的拋光方法，浮法拋光法。
Prochnow和Edwards使用直接接觸法配合上瀝青拋光盤對藍寶石進行超拋光，其拋光結果粗糙度可達到0.2~0.3nm。 通過直接接觸與基于普羅克諾魏絲和愛德華茲等人的觀點得到證實，提出“熱液磨耗”。近幾年來，一些國際知名的半導體及光電子技術公司紛紛投入了大量的資金去研究藍寶石拋光，并取得了一些成果，像美國、日本、德國以及俄羅斯等公司己經能產業(yè)化生產3英寸的單晶藍寶石，且正在研發(fā)4英寸的技術。
1.2藍寶石切割機發(fā)展趨勢
我國從20世紀80年代開始進行大型機床等機械產品切割結構的研究，20 多年來已取得長足的進步。切削結構的設計和制造技術的結構是現(xiàn)代數(shù)控機床和其他大型機床用來焊接代鍛鑄焊快速發(fā)展。
20 世紀90 年代隨著線切割技術的漸漸成熟，廣泛滿足了大片徑、低損耗和相對較高表面質量的晶片切割需要。線切割晶片技術是游離磨料的方式開始的，即線驅動游離磨料的使用（如碳化硅），傳統(tǒng)的金屬切削線如圖1所示，磨料磨削工件的切割在工件中的線。但游離磨料的缺點是，由于更小的晶粒和工件接觸，導致材料去除率較小，因此加工時間長；另一個缺點是，工件加工，難，難減（如藍寶石，碳化硅），然后游離磨料的方式將很難在切割工件表面達到所需的。為了改善上述缺點，切割碳化硅，藍寶石，高硬度材料，技術應運而生的金剛石線鋸切割，這種處理方法通常是用金剛石磨具電鍍固定在鋼絲表面（圖2），金剛石線鋸直接的運動速度和壓力在材料加工硅研磨，與游離磨料多線相比，看到“三加工”，它屬于“雙主體”，加工效率是游離磨料多線上方看了好幾倍。因此金剛石單線切割機以其獨特的優(yōu)勢成為第三代半導體硬脆材料和大直徑材料切割中不可或缺的一部分。藍寶石切割機的結構設計大部分是跟據(jù)實際情況來設計專用切割機，稱為固定結構的傳統(tǒng)藍寶石切割機，其運動特性使特定藍寶石切割機只能適應固定的范圍，成本較大，不益于藍寶石切割機的發(fā)展。一些寶石切割機和焊縫跟蹤功能，其不足之處是在手工焊接，幫助藍寶石切割機來找到正確的位置和地點，通過人工寶石切割機體，調整到合適的狀態(tài)十字滑塊移動的藍寶石，這里切割機的設計是移動導軌切割藍寶石切割機，也就是說藍寶石切割機的自主性還跟不上工業(yè)發(fā)展的腳步。
未來的發(fā)展趨勢可分為以下三個方面：
1 選擇視覺傳感器的傳感器跟蹤：因為和相關的圖像處理技術的發(fā)展；
2 采用多傳感信息融合技術以面對更為復雜的切割任務；
3 控制技術由經典控制到向智能控制技術的發(fā)展：這也將是移動切割藍寶石切割機的控制所采用。
1.3本課題研究的內容及方法
1.3.1主要的研究內容
在查閱了國內外大量的有關切割藍寶石切割機設計理論及相關知識的資料和文獻基礎上，綜合考慮切割藍寶石切割機結構特點、具體作業(yè)任務特點以及切割藍寶石切割機的推廣應用，分析確定使用切割藍寶石切割機配合生產工序，實現(xiàn)自動化切割的目的。
為實現(xiàn)上述要求，本文擬進行如下研究內容:
1 根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境要求和藍寶石切割機本身的結構特點，確定藍寶石切割機整體設計方案。
2 確定藍寶石切割機的性能參數(shù)，對初步模型進行靜力學分析，根據(jù)實際情況選擇電機。
3 從所要功能的實現(xiàn)出發(fā)，完成藍寶石切割機各零部件的結構設計；
4 完成主要零部件強度與剛度校核。
1.3.2設計要求
1 根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，提出藍寶石切割機的整體設計方案；
2 完成藍寶石切割機結構的詳細設計；
3 通過相關設計計算，完成電機選型；
4 完成藍寶石切割機結構的設計；繪制藍寶石切割機結構總裝配圖、主要零件圖。
1.3.3關鍵的技術問題
1 方案選擇
2整體的支撐架設計
3機構設計
4 強度校核
28
2 藍寶石切割機裝置總體結構設計
2.1設計的要求與數(shù)據(jù)
要求：
1) 所設計的藍寶石切割機使用帶鋸進行切割
2) 保證帶鋸行進與路線切向一致；
3) 被切材料快速定心夾緊；
4) 切削液回收。
本文課題參數(shù)假定
切割棒料直徑為?250
電機功率為0.37 KW,本文選用減速電機作為帶鋸驅動裝置。查SEW減速電機的規(guī)格表，選用如下減速電機。
表3.2 選用的電機的詳細參數(shù)
電機額定功率Pm/kW
輸出轉速
na/[r/min]
輸出扭矩
Ma/N·m
減速機
速比i
輸出軸許用徑向載荷FRa/N
使用系數(shù)
SEW-fB
減速機
型號
電機
型號
重量/kg
0.37
56
47
22.5
2870
1.55
DT71D4
SF37
14
此型號的電機在一定程度上保證了驅動功率有一定的盈余，因數(shù)在電機起動時，若輸送機床上有工件，則此時的起動功率會比平時工作時的功率要大，且減速電機本身還有一定的使用系數(shù)。
2.2電機的選型
參考市場上同類產品，考慮到本機器體積小，功率消耗不大。只是旋轉運動。
初步選擇電動機為普通三相異步電動機Y90S-4型。用于一般場合和無特殊要求
90S-4型三相異步電機
功率：1.1KW
電壓：380V
電流：2.7A
絕緣：B
噪音：67 dB(A)
轉速 1440 r/min
廣泛適用于不含易燃、易爆或腐蝕性氣體的一般場合和無特殊要求的機械設備上，如金屬切削機床、泵、風機、運輸機械、攪拌機、農業(yè)機械和食品機械等。
Y90S-4型三相異步電動機廣泛適用于不含易燃、易爆或腐蝕性氣體的一般場合和無特殊要求的機械設備上，如金屬切削機床、泵、風機、運輸機械、攪拌機、 農業(yè)機械和食品機械等。 Y90S-4型三相異步電動機是全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動機，電動機基本系列，符合IEC標準的有關規(guī)定。 Y90S-4型三相異步電動機具有高效、節(jié)能、起動轉矩大、噪聲低、震動小、可靠性高、使用維護方便等特點。
2.3 帶鋸選型
由于帶鋸沒有國家標準，故從市場上使用的任意一種選擇帶鋸，鋸帶尺寸：依據(jù)機床規(guī)格指定，但鋸帶厚度不得超過1.4mm，帶鋸寬度取45MM.
2.4 夾緊裝置設計
夾緊機構不僅在根據(jù)收到的準確運動各站信號切割機械手，并在切割過程中鑄鐵夾動桿，使切削刃和鑄造桿同步。
2.5 卡盤的選型
根據(jù)切削要求和藍寶石最大直徑為250，則
2.6 軸的設計
主要進行的是帶鋸軸的設計與校核
2.6.1求作用在帶鋸上的力
因已知低速級帶鋸的直徑為
＝500
而 F＝＝＝8926.93 N
F＝F＝＝3356.64 N
F＝Ftan＝4348.16×＝2315.31 N
軸向力F，徑向力F及圓周力F的方向如圖5.1所示。
圖5.1 軸的載荷分布圖
2.6.2 初步確定軸的最小直徑
（1）先初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼,調質處理。根據(jù)課本，取，于是得
＝112×＝60.36
（2）聯(lián)軸器的選擇。輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處的直徑。為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適,故需同時選取聯(lián)軸器的型號。
查課本表14-1,考慮到轉矩變化很小，故取＝1.3，則：
＝1.3×1495.5×109＝1834.287
按照計算轉矩Tca應小于聯(lián)軸器公稱轉矩的條件，查《機械設計手冊》表17-4，選用LT10彈性套柱銷聯(lián)軸器（GB/T4323—2002），其公稱轉矩為2000。半聯(lián)軸器的孔徑d1＝65 mm，故?。?5 mm，半聯(lián)軸器的長度L＝142 mm，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度L1＝107 mm。
2.6.3 軸的結構設計
（1）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
① 為了滿足半聯(lián)軸器的要求的軸向定位要求,Ⅰ-Ⅱ軸段右端需要制出一軸肩,故?、?Ⅲ的直徑＝80 mm；左端用軸端擋圈定位,按軸端直徑取擋圈直徑D＝85 mm。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度L1＝107 mm，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸端上, 故Ⅰ-Ⅱ的長度應比L1略短一些,現(xiàn)?。?05 mm。
② 初步選擇滾動軸承。因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用,故選用單列圓錐滾子軸承。參照工作要求并根據(jù)＝80 mm，由軸承產品目錄中初步選取0基本游隙組、標準精度級的單列圓錐滾子軸承（GB/T 297—1994）30217型，其尺寸為d×D×T＝85 mm×150 mm×30.5 mm，故＝＝85 mm；右端圓錐滾子軸承采用套筒進行軸向定位，取套筒寬為14 mm，則＝44.5 mm。
③ 取安裝帶鋸處的軸段＝90 mm；帶鋸的左端與左軸承之間采用套筒定位。已知帶鋸的寬度為90 mm，為了使套筒端面可靠地壓緊帶鋸，此軸段應略短于輪轂寬度，故?。?6 mm。帶鋸的右端采用軸肩定位，軸肩高h＞0.07d，故取h＝7 mm，則＝104 mm。軸環(huán)寬度,取b＝12 mm。
表1 帶鋸軸結構設計參數(shù)
段名
參數(shù)
Ⅰ-Ⅱ
Ⅱ-Ⅲ
Ⅲ-Ⅳ
Ⅳ-Ⅴ
Ⅴ-Ⅵ
Ⅵ-Ⅶ
直徑/mm
65 H7/k6
80
85 m6
90 H7/n6
104
85 m6
長度/mm
105
67.5
46
86
12
44.5
鍵b×h×L/mm
20 ×12 ×90
25×14×70
C或R/mm
Ⅰ處
2×45o
Ⅱ處
R2
Ⅲ處R2.5
Ⅳ處R2.5
Ⅴ處R2.5
Ⅵ處R2.5
Ⅶ處
2.5×45o
（2） 軸上的零件的周向定位
帶鋸、半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。按＝90 mm由課本表6-1查得平鍵截面b×h＝25 mm×14 mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為70 mm，同時為了保證帶鋸與軸配合有良好的對中性，故選擇帶鋸轂與軸的配合為；同樣，半聯(lián)軸器與軸的連接，選用平鍵為20 mm×12 mm×90 mm，半聯(lián)軸器與軸的配合為。滾動軸承與軸的周向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。
（3） 確定軸上圓周和倒角尺寸
參考課本表15-2，取軸左端倒角為2×，右端倒角為2.5×。各軸肩處的圓角半徑為:Ⅱ處為R2，其余為R2.5。
2.6.4 求軸上的載荷
首先根據(jù)結構圖(圖7.2）作出軸的計算簡圖（圖5.1）。在確定軸承的支點位置時,應從手冊中查得a值。對于30217型圓錐滾子軸承，由手冊中查得a＝29.9 mm。因此，作為簡支梁的軸的支承跨距＝57.1+71.6＝128.7 mm。根據(jù)軸的計算簡圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖（圖7.1）。
從軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面Ｃ是軸的危險截面。計算步驟如下：
＝57.1+71.6＝128.7 mm
＝＝＝4 966.34 N
＝＝＝3 960.59 N
＝＝＝2 676.96 N
＝＝3 356.64-2 676.96＝679.68 N
＝＝4 966.34×57.1＝283 578.014
＝＝2 676.96×57.1＝152 854.416
＝＝679.68×71.6＝486 65.09
＝＝＝322 150.53
＝＝＝287 723.45
表2 低速軸設計受力參數(shù)
載 荷
水平面H
垂直面V
支反力
＝4 966.34 N，＝3 960.59 N
＝2 676.96 N，＝679.68 N
彎矩M
＝283 578.014
＝152 854.416
＝486 65.09
總彎矩
＝322 150.53 ,＝287 723.45
扭矩T
1 410 990
2.6.5按彎曲扭轉合成應力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）的強度。根據(jù)課本式(15-5)及表7.2中的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，?。?.6，軸的計算應力
＝＝ MPa＝12.4 MPa
前已選軸材料為45鋼，調質處理，查課本表15-1得[]＝60MP。因此〈 []，故此軸安全。
2.6.6精確校核軸的疲勞強度
（1）判斷危險截面
截面A,Ⅱ,Ⅲ,B只受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起的應力集中均將消弱軸的疲勞強度，但由于軸的最小直徑是按扭轉強度較為寬裕確定的，所以截面A,Ⅱ,Ⅲ,B均無需校核。
從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面Ⅳ和Ⅴ處過盈配合引起的應力集中最嚴重，從受載來看，截面C上的應力最大。截面Ⅴ的應力集中的影響和截面Ⅳ的相近，但是截面Ⅴ不受扭矩作用，同時軸徑也較大，故不必做強度校核。截面C上雖然應力最大，但是應力集中不大（過盈配合及鍵槽引起的應力集中均在兩端），而且這里軸的直徑最大,故截面C也不必校核，截面Ⅵ和Ⅶ顯然更不必要校核。由課本第3章的附錄可知，鍵槽的應力集中較系數(shù)比過盈配合的小，因而，該軸只需校核截面Ⅳ左右兩側即可。
（2）截面Ⅳ左側
抗彎截面系數(shù) W＝0.1＝0.1＝61 412.5
抗扭截面系數(shù) ＝0.2＝0.2＝122 825
截面Ⅶ的右側的彎矩M為
＝90 834.04
截面Ⅳ上的扭矩為 ＝1 410 990
截面上的彎曲應力
＝1.48 MPa
截面上的扭轉切應力
＝11.49 MPa
軸的材料為45鋼，調質處理。由課本表15-1查得
截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù)及按課本附表3-2查取。因
，
經插值后查得
＝1.9，＝1.29
又由課本附圖3-1可得軸的材料的敏性系數(shù)為
，＝0.88
故有效應力集中系數(shù)按式(課本附表3-4）為
＝1.756
由課本附圖3-2的尺寸系數(shù)；由課本附圖3-3的扭轉尺寸系數(shù)。
軸按磨削加工，由課本附圖3-4得表面質量系數(shù)為
軸為經表面強化處理，即，則按課本式（3-12）及式（3-12a）得綜合系數(shù)為
又由課本及3-2得碳鋼的特性系數(shù)
，取
，取
于是，計算安全系數(shù)值，按課本式（15-6）(15-8)則得
S＝＝＝65.66
S＝＝＝16.92
＝＝＝16.38≥S＝1.5
故可知其安全。
（3） 截面Ⅳ右側
抗彎截面系數(shù) W＝0.1＝0.1＝72 900
抗扭截面系數(shù) ＝0.2＝0.2＝145 800
截面Ⅶ的右側的彎矩M為
＝90 834.04
截面Ⅳ上的扭矩為 ＝1 410 990
截面上的彎曲應力
＝1.25 MPa
截面上的扭轉切應力
＝9.68 MPa
過盈配合處的，由課本附表3-8用插值法求出，并?。?.8，于是得
＝3.24 ＝0.8×3.24＝2.59
軸按磨削加工，由課本附圖3-4得表面質量系數(shù)為
軸為經表面強化處理，即，則按課本式（3-12）及式（3-12a）得綜合系數(shù)為
＝3.33
＝2.68
又由課本及3-2得碳鋼的特性系數(shù)
，取
，取
于是，計算安全系數(shù)值，按課本式（15-6）(15-8)則得
S＝＝＝66.07
S＝＝＝16.92
＝＝＝11.73≥S＝1.5
故該軸的截面Ⅳ右側的強度也是足夠的。本軸因無大的瞬時過載及嚴重的應力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強度校核。至此，低速軸的設計計算即告結束。
2.7 鍵的選擇與校核
1鍵的選擇
在本設計中，所選擇的鍵的類型均為A型圓頭普通平鍵，其材料為45鋼，在帶鋸1上鍵的尺寸如下表所示：
軸
鍵
鍵
槽
半徑
r
公
稱
直
徑
d
公稱
尺寸
bh
寬度b
深度
公稱
尺寸
b
極限偏差
軸t
轂
一般鍵聯(lián)結
軸N9
轂9
公稱
尺寸
極限
偏差
公稱尺寸
極限偏差
最小
最大
28
87
8
0
-0.036
0.018
4.0
+0.2
0
3.3
+0.2
0
0.25
0.40
表5-1 帶鋸1上鍵的尺寸
2 鍵的校核
1.鍵的剪切強度校核
鍵在傳遞動力的過程中，要受到剪切破壞，其受力如下圖所示：
圖5-6 鍵剪切受力圖
鍵的剪切受力圖如圖3-6所示，其中b=8 mm,L=25 mm.鍵的許用剪切應力為[τ]=30 ，由前面計算可得，軸上受到的轉矩T=55 Nm ，由鍵的剪切強度條件：
（其中D為帶鋸輪轂直徑） （5-1）
=10 M30 （結構合理）
2.鍵的擠壓強度校核
鍵在傳遞動力過程中，由于鍵的上下兩部分之間有力偶矩的作用，迫使鍵的上下部分產生滑移，從而使鍵的上下兩面交界處產生破壞，其受力情況如下圖所示：（初取鍵的許用擠壓應力=100 ）
圖5-7 鍵擠壓受力圖
由
（5-2）
=2000 N
又有
（5-3）
8 結構合理
2.8滾動軸承的壽命校核
1．求軸向力與徑向力的比值
根據(jù)【1】表13-5 ,滿足壽命要求。
3 旋轉機構設計
3.1 同步帶計算選型
電源設計是根據(jù)額定功率的確定，需要轉移的負荷特性，原動機類型和每個連續(xù)工作時間和其他因素，表達如下：
式中 ——需要傳遞的名義功率
——工作情況系數(shù)，按表2工作情況系數(shù)選取=1.7；
表2.工作情況系數(shù)
1） 確定帶的型號和節(jié)距
依據(jù)同步帶傳動的設計功率Pd'和小帶鋸轉速n1，從同步帶選型圖中來選擇所需采用的帶的節(jié)距和型號。
Pd=0.63kw，n1=56rpm。查表3-2-2
表3-2-2
選同步帶的型號為H：，節(jié)距為：Pb=8.00mm
1） 選擇小帶鋸齒數(shù)z1，z2
根據(jù)最小允許通過同步帶的齒的確定。表3-3-3。
查得小帶鋸最小齒數(shù)14。
實際齒數(shù)應該大于這個數(shù)據(jù)
初步取值z1=34故大帶鋸齒數(shù)為：z2=i×z1=1×z1=34。
故z1=34，z2=34。
① 確定帶鋸的節(jié)圓直徑d1，d2
小帶鋸節(jié)圓的直徑d1=Pbz1/π=8.00×34/3.14≈86.53mm
大帶鋸節(jié)圓的直徑d2=Pbz2/π=8.00×34/3.14≈86.53mm
② 驗證帶速v
由公式v=πd1n1/60000計算得，
s﹤vmax=40m/s,其中vmax=40m/s由表3-2-4查得。
a) 確定帶長和中心矩
根據(jù)《機械設計基礎》得
所以有：
現(xiàn)在選取軸間間距為取224mm
10、同步帶帶長及其齒數(shù)確定
=()
=
=719.7mm
11、帶鋸嚙合齒數(shù)計算
在本設計中的傳輸是1，所以半嚙合齒數(shù)，即 17。
12、基本額定功率的計算
查基準同步帶的許用工作壓力和單位長度的質量表4-3可得=2100.85N，m=0.448kg/m。
所以同步帶的基準額定功率為
==0.21KW
表4-3 基準寬度同步帶的許用工作壓力和單位長度的質量
13、計算作用在軸上力
==71.6N
3.2 同步帶的主要參數(shù)（結構部分）
1、同步帶的節(jié)線長度
同步帶在工作時，其承載繩中心線長度應保持不變，因此稱此中心線為同步帶的節(jié)線，并以節(jié)線周長作為帶的公稱長皮，稱為節(jié)線長度。同步帶傳動中，帶節(jié)線長度是一個重要參數(shù)。當傳動中心距一定時，帶的節(jié)線長度過大過小，都會影響到帶齒與輪齒的正常嚙合，所以在同步帶標準中，對梯形齒同步帶的各種哨線長度已規(guī)定公差值，要求所生產的同步帶節(jié)線長度應在規(guī)定的極限偏差范圍之內（見表4-4）。
表4-4 帶節(jié)線長度表
2、帶的節(jié)距Pb
如圖4-2所示，同步帶相鄰兩齒對應點沿節(jié)線量度所得約長度稱為同步帶的節(jié)距。帶節(jié)距大小決定著同步帶和帶鋸齒各部分尺寸的大小，節(jié)距越大，帶的各部分尺寸越大，承載能力也隨之越高。因此帶節(jié)距是同步帶最主要參數(shù)．在節(jié)距制同步帶系列中以不同節(jié)距來區(qū)分同步帶的型號。在制造時，帶節(jié)距通過鑄造模具來加以控制。梯形齒標準同步帶的齒形尺寸見表4-5。
3、帶的齒根寬度
齒面齒形和齒底形節(jié)點的距離，稱為根帶寬度，表示為s。齒形帶的寬度，剪切，彎曲能力的帶齒，相應的可以驅動大負載。
圖4-2 帶的標準尺寸
表4-5 標準同步帶的齒形尺寸
4、帶的齒根圓角
帶齒齒根回角半徑rr的大小與帶齒工作時齒根應力集中程度有關t齒根圓角半徑大，可減少齒的應力集中，帶的承載能力得到提高。但是齒根回角半徑也不宜過大，過大則使帶
齒與輪齒嚙合時的有效接觸面積城小，所以設計時應選適當?shù)臄?shù)值。
5、帶齒齒頂圓角半徑
帶齒齒項圓角半徑的大小將影響到帶齒與輪齒嚙合。由于同步帶，網帶齒與齒是一個裝有非共軛齒廓。因此在帶齒進入或退出嚙合時，與齒頂及齒前角必須超于重疊，和干擾，從而造成帶齒磨損。要讓帶齒能順利地嚙合或退出嚙合，降低帶齒頂部的磨損，應使用較大的齒頂圓角半徑。但隨著根部圓角半徑，尖端半徑不宜過大，否則會降低有效接觸面積。
6、齒形角
梯形帶齒形角，尺寸也在帶齒與帶輪的影響很大。如果齒形角過小，齒縱向截面形狀近似長方形，牙齒與傳輸不會順利嵌入槽，產生干擾。但是，齒形角太大，會使帶齒容易從齒槽齒齒輪滑動，造成的跳躍現(xiàn)象的頂部。
3.3 同步帶的設計
首先選用的是梯形帶。帶的圖形如圖4-3。帶的尺寸如表4-6。
表4-6 同步帶尺寸
型號
節(jié)距
齒形角
齒根厚
齒高
齒根圓角半徑
齒頂圓半徑
H
8
40。
6.12
4.3
1.02
1.02
圖4-3 同步帶
結論
本課題結合目前國藍寶石切割機裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種藍寶石切割機裝置開發(fā)過程。本文主要完成的工作如下：
1、藍寶石切割機裝置結構方案的確定。分析了藍寶石切割機裝置的特點，確定了藍寶石切割機裝置基本結構，并確定其基本尺寸。
2、確定了藍寶石切割機裝置技術指標及參數(shù)。對該藍寶石切割機裝置進行了計算。
3、零件的剛度和壽命計算與校核。對各個已設計零件進行剛度和壽命計算，確保滿足使用要求，使該藍寶石切割機裝置有足夠的可靠性。
通過本次畢業(yè)設計，不僅把大學所學到的理論知識很好的運用到畢業(yè)設計中，而且培養(yǎng)了自己認真思考的能力，在處理問題時有了新的認識和方法，并加強了和同學之間進行探討和解決問題的能力。
通過對專業(yè)知識的接觸和深入學習，以及對相關信息的獲取，我深切地認識到，就目前的發(fā)展而言，我國的工業(yè)還比較落后，與發(fā)達國家相比還存在很大的差距。盡管我們不斷地在努力，但想在很短的時間內改變這種現(xiàn)狀是很難的，尤其是對于我們這樣一個國情的大國。所以，我們應該擁有的是一種民族意識，不斷的追求創(chuàng)新。
本次畢業(yè)設計中，我做的是全自動自動物料分選裝置整體設計部分，通過本次畢業(yè)設計，不僅鍛煉了自己查閱資料的能力，而且能夠熟練運用國家標準、機械類手冊和圖冊等工具進行設計計算分析。這次畢業(yè)設計還讓我體會到團體的力量，提高自己的團隊意識，遇到問題時和小組成員進行討論和分析或是請教老師，直到得到滿意的結果。
展望:
希望能將這套設計應用到具體實踐當中,通過實踐來驗證理論的正確性。通過理論知識與具體實踐結合起來，才能真正把一門知識應用起來。
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致 謝
在我進行畢業(yè)設計的過程中，我的老師和同學們給了我很大的幫助，這里我向他們表示誠摯的敬意。
首先，我要感謝指導教師孫小權老師，通過這次畢業(yè)設計他教會了我如何去設計，怎么去設計，以及在最初構思時，應該注意的各種問題。他嚴謹治學的態(tài)度、不辭辛勞指導我做畢業(yè)設計，嚴于律己，寬以待人的為人都給我留下了深深的印象。他的熱情，他的執(zhí)著，更是讓我終身難忘。這一切將對我以后的學習和工作有很大的幫助。我還要感謝進行畢業(yè)設計中期檢查的各位領導和機械工程系的其他老師，他們及時的給我指出了畢業(yè)設計當中的不足，并且給予我很多完成設計的便利條件。
本論文是在導師孫小權的悉心指導下完成的，在這次畢業(yè)設計中，他給了我很大的幫助，不僅讓我在規(guī)定時間能完成了畢業(yè)設計，還使我學到了很多有用的經驗。在這里我衷心的感謝她。我還要感謝這四年能教授我知識的老師們，還有曾經幫過我的同學們。
經過幾個月的努力，畢業(yè)設計已經接近尾聲。由于實踐經驗的匱乏，本次設計難免有考慮不周的地方。如果沒有孫小權老師的悉心指導以及本組人員的支持，恐怕設計不會這么順利完成。自開題一來，孫小權老師一直認真指導設計的每個環(huán)節(jié)，從資料的查閱到具體方案的修改，任老師都提出了寶貴的建議，讓我受益匪淺。除此之外，何老師科學嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和淵博的專業(yè)知識更是我永遠學習的榜樣。再次對老師及本組的同學表示衷心的感謝！
畢業(yè)設計很快已經結束了，在這段時間里，不僅僅感覺到的是忙碌，還有忙碌后作完一件令自己心動的東西時的那種無聲的喜悅。
在寫致謝信的這個時候心里想有一些說出的東西，想想自己在做畢業(yè)設計時的種種困難，在老師同學的用心幫助下也一一解決了，說句實話，憑自己的能力要作完畢業(yè)設計是有些太困難了，但是在你的身邊總有一些人會給你帶來驚喜，自己的能力畢竟有限，在面對別人無私幫助的時候我的內心十分感激，帶自己畢業(yè)設計的王老師會有問必答，有難必解，雖然接觸不是很多，但有些東西使用心感覺的。還有好多老師在這次畢業(yè)設計中給于我一些幫助，我非常的感激。當然還有我身邊的那些同學，在我有疑惑的時候總是不厭其煩的給我解釋清楚。在我設計的時候，因為我以前從沒接觸過的東西，一開始很是迷茫，我的好幾位同學都在這時候一邊忙自己的事，一邊還要在我有疑惑的時候為我?guī)兔Ψ治?，共同解決。最終自己終于完成了主傳動系統(tǒng)設計這一部分的畢設要求?，F(xiàn)在想起來，有時候最能讓自己感動的事就發(fā)生在自己的身邊。
這次畢業(yè)設計不僅給我?guī)砹酥R上的收獲，在做人方面也教會了我許多許多，在對待事情方面，尤其是有選擇的時候自己該放棄什么，該抓住什么。什么是該自己作的，什么時候做，我明白了好多。
在此，我對給我?guī)椭睦蠋?，同學至以誠摯的謝意和由衷的感激。感謝您們對我的幫助，和教會我那些人生的道理。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意
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