空气轴承电主轴动力学特性分析

摘要

随着集成电路制造技术的飞速发展，为了提高集成电路芯片产量，降低制造成本，作为集成电路原始材料的硅片趋向大直径化。另一方面，为满足集成电路芯片封装的需要，则要求芯片厚度薄型化。目前国际上主流的硅片磨床加工直径为300mm，而国内尚未突破300mm大尺寸硅片的超精密磨削技术，其主要原因在于缺乏大尺寸硅片磨削专用电主轴的动态设计技术。针对这一问题，论文以φ300mm硅片超精密磨削技术为背景，围绕空气轴承电主轴静动态设计方法开展研究，主要工作如下:
　　(1)基于可压缩流体润滑理论，考虑主轴转子的平移运动和倾斜运动，采用线性摄动法推导了径向空气轴承和止推空气轴承气体润滑静动态雷诺方程;采用有限差分法和牛顿迭代法，推导了空气轴承静动态参数的计算方法，为后续分析主轴的静动态特性提供理论基础;
　　(2)基于刚体动力学理论，考虑主轴转子在x、y、z万向的平移运动以及绕x、y轴的倾斜运动，建立了主轴转子系统五自由度耦合动力学模型，推导了主轴不平衡响应、磨削力激励响应以及稳定性的计算方法，并分析了硅片磨削专用电主轴在设计工况下的动力学特性;
　　(3)采用弹簧加载法，研制了用于测量主轴轴向静刚度和径向静刚度的电主轴静态性能测试试验台;利用主轴误差分析仪，研制了主轴回转误差测试试验台;
　　(4)研究结果表明，用于安装砂轮的磨削电主轴其轴向静刚度和径向静刚度理论计算值分别为:520N/μm和122N/μm，与试验值500N/μm和100N/μm相吻合;用于夹持硅片的旋转工作台电主轴其轴向静刚度理论计算值为1000N/μm，也与试验结果950N/μm相吻合。
　　本文建立了空气轴承电主轴静动态特性理论分析模型，研制了电主轴静动态参数测试试验台，解决了硅片磨削专用电主轴设计的关键技术，为我国大尺寸硅片磨床关键功能部件的国产化奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 空气轴承电主轴结构设计

1．2．2 空气轴承润滑理论分析

1．2．3 空气轴承电主轴动力学分析

1．3 有待解决的问题

1．4 本文研究内容

第二章 空气轴承润滑理论

2．1 概述

2．2 径向空气轴承润滑理论

2．2．1 静动态雷诺方程推导

2．2．2 流量计算

2．2．3 静动态参数计算

2．3 轴向空气轴承润滑理论

2．3．1 静动态雷诺方程

2．3．2 流量计算

2．3．3 静动态参数计算

2．4 稳态雷诺方程求解

2．5 本章小结

第三章 磨削电主轴静态特性分析

3．1 概I述

3．2 磨削电主轴结构设计

3．3 空气轴承参数设计

3．3．1 止推轴承参数设计

3．3．2 径向轴承参数设计

3．5 本章小结

第四章 磨削电主轴动态特性分析

4．1 概述

4．2 电主轴动力学建模

4．3 空气轴承动态参数分析

4．3．1 径向轴承动态参数分析

4．3．2 止推轴承动态参数分析

4．4 电主轴动态特性分析

4．4．1 不平衡响应

4．4．2 磨削力激励响应

4．4．3 稳定性分析

4．5 本章小结

第五章 旋转工作台电主轴静动态特性分析

5．1 概述

5．2 旋转工作台结构设计

5．3 空气轴承静态特性分析

5．3．1 止推轴承参数设计

5．3．2 径向轴承参数设计

5．4 空气轴承动态特性分析

5．4．1 径向轴承动态特性分析

5．4．2 止推轴承动态特性分析

5．5 电主轴动态特性分析

5．5．1 不平衡响应

5．5．2 磨削力激励响应

5．6 本章小结

第六章 空气轴承电主轴试验研究

6．1 概述

6．2 磨削电主轴静动态性能试验研究

6．2．1 磨削电主轴静态性能试验

6．2．2 磨削电主轴动态性能试验

6．3 旋转工作台电主轴静动态性能试验研究

6．3．1 旋转工作台电主轴静态性能试验

6．3．2 旋转工作台电主轴动态性能试验

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 创新点

7．3 展望

致谢

参考文献

附录

作者简介