ВАКУУМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИКСАЦИИ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1999 года по МПК B23Q3/08 B41F15/20 F16J15/40 

Изобретение относится к фиксирующим устройствам, преимущественно применяемым для фиксации тонколистовых изделий, и может быть использовано в различных областях техники, например в радиоэлектронике для чистовой обработки методом шлифования поверхностей полупроводниковых пластин (с толщиной от 400 мкм и менее), используемых в производстве интегральных микросхем.

Известно вакуумное устройство (вакуумный стол) для фиксации изделий (преимущественно листовых), содержащее корпус, полость которого соединена со средством вакуумирования и ограничена герметично соединенным с корпусом газопроницаемым элементом, одна из поверхностей которого функционально является базовой опорной поверхностью для фиксируемого изделия. Газопроницаемый элемент выполнен в виде плиты с упорядоченно расположенными на ее базовой опорной поверхности отверстиями, выполненными, например, посредством механической обработки (SU, а.с. N 579178, кл. B 41 F 15/20, 1977 г.).

К недостаткам данного известного вакуумного стола следует отнести недостаточную надежность фиксации изделий (особенно тонколистовых) и, как следствие, узкие функционально-технологические возможности.

Объясняется это, во-первых, тем, что при попадании каких-либо (даже мелкодисперсных, подобных шлифовальной пыли) твердых частиц под опорную поверхность фиксируемого для технологической обработки изделия, в процессе фиксации происходит разгерметизация вакуумной полости корпуса, поскольку не предусмотрено какое-либо средство герметизации системы: корпус - газопроницаемый элемент - фиксируемое изделие.

Следовательно, в процессе технологической обработки фиксируемого изделия ослабевает его взаимосвязь с базовой опорной поверхностью вакуумного стола. В результате чего может произойти отрыв фиксируемого изделия от упомянутой базовой опорной поверхности вакуумного стола при приложении к изделию тангенциально направленного усилия со стороны, например, режущего инструмента (например, со стороны шлифовального круга, фрезы или резца).

Во-вторых, в данном известном вакуумном устройстве возможен локальный прогиб (в пределах упругих деформаций) на дискретных участках поверхности фиксируемого изделия, которые расположены в зоне отверстий газопроницаемого элемента. Связано это с тем, что диаметр упомянутых отверстий (выполненных преимущественно механическим способом) в определенных случаях может на порядок превышать толщину фиксируемого изделия.

Особенно ярко этот процесс (локальный прогиб) проявляется в зоне периферийных участков изделия. Прогиб же обрабатываемой поверхности фиксируемого изделия ведет к технологически недопустимому снижению точности обработки, например, при шлифовании поверхностей полупроводниковых пластин для изготовления интегральных микросхем, толщина которых составляет от 400 мкм и менее.

Известно вакуумное устройство (вакуумный стол машины для трафаретной печати) для фиксации изделий (преимущественно тонколистовых), содержащее корпус, полость которого соединена со средством вакуумирования и ограничена герметично соединенным с корпусом газопроницаемым элементом, одна из поверхностей которого функционально является базовой опорной поверхностью для фиксируемого изделия. Газопроницаемый элемент выполнен в виде плиты с упорядоченно расположенными на ее базовой опорной поверхности отверстиями, выполненными, например, посредством механической обработки. Оси части выполненных в газопроницаемом элементе отверстий расположены под углом 35-55^o по отношению к оси центрального отверстия. Такое расположение отверстий в газопроницаемом элементе в определенной степени способствует предотвращению деформирования фиксируемого на данном столе тонколистового изделия в процессе вакуумирования полости корпуса (SU, а.с. N 1735051, кл. B 41 F 15/20, 1992 г.) (прототип данного изобретения).

К недостаткам данного известного вакуумного стола, как и в предыдущем случае, следует отнести недостаточную надежность фиксации изделий (особенно тонколистовых) и, как следствие, узкие функционально-технологические возможности.

Объясняется это проявлением в процессе фиксации изделия эффектов, аналогичных ранее описанным в отношении вакуумного устройства (вакуумного стола) по а.с. N 579178.

Следует отметить лишь то, что (ввиду определенного расположения отверстий в газопроницаемом элементе) в вакуумном устройстве по а.с. N 1735051 ранее раскрытый негативный эффект локального прогиба (в пределах упругих деформаций) на дискретных участках поверхности фиксируемого изделия проявляется в меньшей степени, но не исключается полностью.

Поскольку в ранее описанных известных из уровня техники вакуумных устройствах (вакуумных столах) не раскрыты конкретные средства герметизации системы: корпус - газопроницаемый элемент, допустимо предположить, что в качестве средств герметизации упомянутой системы могут быть использованы любые известные из уровня техники средства герметизации. В том числе и широко известные средства герметизации в виде магнито- или электрореологических жидкостей, которые изменяют свою вязкость под действием электромагнитного поля (SU, а.с. N 1763776, кл. F 16 J 15/40, 1992 г.).

Следует также отметить широкую известность использования в технологических устройствах различного назначения элементов (проницаемых для технологической среды) из пористого материала (например, металлокерамики), что способствует обеспечению высокой степени равномерности воздействия технологической среды на всю площадь соответствующей поверхности изделия (вследствие микроскопически малых размеров пор таких материалов). А это, как следствие, практически полностью исключает выше описанный негативный эффект локального сосредоточенного воздействия (например, эффект локального прогиба для вакуумных устройств) технологической среды на дискретные участки соответствующей поверхности изделия, подлежащего технологической обработке (SU, а.с. N 318902, кл. B 41 C 1/14, 1971 г.).

В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого вакуумного устройства для фиксации изделий, преимущественно тонколистовых, которое обладало бы высокой надежностью и широкими функционально-технологическими возможностями в сфере применения, при относительной простоте конструкции и управления.

Поставленная задача достигается тем, что вакуумное устройство для фиксации изделий, содержащее корпус, полость которого соединена со средством вакуумирования и ограничена герметично соединенным с корпусом газопроницаемым элементом, одна из поверхностей которого функционально является базовой опорной поверхностью для фиксируемого изделия, согласно изобретению снабжено источником электромагнитного поля и средством герметизации системы "корпус - газопроницаемый элемент - фиксируемое изделие", газопроницаемый элемент выполнен из пористого материала, средство герметизации системы "корпус - газопроницаемый элемент - фиксируемое изделие" выполнено в виде реологической жидкости и расположено в контакте с по меньшей мере одним замкнутым по контуру участком поверхности корпуса и/или газопроницаемого элемента с возможностью контакта с по меньшей мере одним замкнутым по контуру участком поверхности фиксируемого изделия, при этом источник электромагнитного поля установлен с возможностью изменения структуры вязкости упомянутой реологической жидкости.

Средство герметизации системы: корпус газопроницаемый элемент - фиксируемое изделие, может быть выполнено в виде магнитореологической жидкости.

Средство герметизации системы: корпус газопроницаемый элемент - фиксируемое изделие, также может быть выполнено в виде электрореологической жидкости.

При использовании (в качестве средства герметизации системы: корпус - газопроницаемый элемент - фиксируемое изделие) магнитореологической жидкости оптимально источник электромагнитного поля выполнять в виде по меньшей мере одного постоянного магнита, который установлен в полости корпуса с возможностью перемещения, преимущественно поворота.

В упомянутом выше случае постоянный магнит целесообразно снабжать магнитопроводом и полюсными наконечниками в виде шаровых сегментов, при этом полюсные наконечники плоскими поверхностями необходимо жестко соединять с соответствующими участками упомянутого постоянного магнита, а сферическими поверхностями подвижно устанавливать в ответных гнездах магнитопровода.

Совершенно очевидно, что все отдельно взятые существенные признаки, изложенные в независимом пункте формулы изобретения, касающаяся конструктивного выполнения всех элементов патентуемого устройства и с присущими этим элементам свойствами, широко известны, например, из уровня техники, приведенного в материалах настоящей заявки.

Однако признаки формулы изобретения, касающиеся вполне определенных (и неизвестных из уровня техники) взаимосвязей известных элементов (конструктивных признаков) между собой, позволяют обеспечить в патентуемом вакуумном устройстве для фиксации изделий синергетический (сверхсуммарный) результат, указанный выше.

Изобретение поясняется фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 - показана общая схема вакуумного устройства (в разрезе), согласно которой источник электромагнитного поля установлен в положение, которое обеспечивает фиксацию изделия (т.е. магнитный поток, генерируемый источником магнитного поля, проходит через весь объем магнитореологической жидкости, следовательно, последняя изменяет свою исходную структуру (вязкость) или свое исходное агрегатное состояние, посредством перехода из жидкого состояния в твердое).

На фиг. 2 - показана общая схема вакуумного устройства (в разрезе), согласно которой источник электромагнитного поля установлен в положение, которое обеспечивает освобождение изделия от фиксации (магнитный поток, генерируемый источником магнитного поля, замыкается в области магнитопровода и не проходит через объем магнитореологической жидкости, следовательно, последняя восстанавливает свою исходную структуру (вязкость) или свое исходное агрегатное состояние посредством перехода из твердого состояния в жидкое).

Вакуумное устройство для фиксации изделий в общем случае содержит корпус 1, полость 2 которого соединена со средством вакуумирования (на фиг. 1 и 2 условно не показанным, ввиду широкой известности таких средств из уровня техники) посредством патрубка 3. Полость 2 корпуса 1 ограничена герметично соединенным с корпусом 1 газопроницаемым элементом 4 из пористого материала, например металлокерамики. Одна из поверхностей газопроницаемого элемента 4 функционально является базовой опорной поверхностью 5 для фиксируемого изделия 6. Кроме того, устройство снабжено источником 7 электромагнитного поля и средством 8 герметизации системы "корпус 1 - газопроницаемый элемент 4 - фиксируемое изделие 6", которое (т.е. средство 8 герметизации) выполнено в виде реологической (например, магнито- или электрореологической) жидкости и расположено в контакте с по меньшей мере одним замкнутым по контуру участком поверхности корпуса 1 и/или газопроницаемого элемента 4 с возможностью контакта с по меньшей мере одним замкнутым по контуру участком поверхности фиксируемого изделия 6. Источник 7 электромагнитного поля установлен (преимущественно в полости 2 корпуса 1) с возможностью изменения структуры (вязкости, агрегатного состояния) упомянутой реологической жидкости, например, посредством ее (реологической жидкости) перехода из жидкого состояния в твердое и в обратной последовательности.

В конкретном примере конструктивного выполнения вакуумного устройства по фиг. 1 и фиг.2 в качестве средства 8 герметизации системы: корпус 1 - газопроницаемый элемент 4 - фиксируемое изделие 6 используется магнитореологическая жидкость, а в качестве источника 7 электромагнитного поля используется один постоянный магнит 9. Магнит 9 может быть снабжен полюсными наконечниками 10, 11 (выполненными, например, в виде шаровых сегментов), жестко закрепленными своими плоскими поверхностями на противоположных полюсах магнита 9 и установленными своими сферическими участками в ответных гнездах сборного магнитопровода 12 с возможностью поворота в упомянутых гнездах совместно с постоянным магнитом 9. Поворотный механизм (узел) на фиг.1 и фиг.2 условно не показан, поскольку он не является предметом патентования и может быть практически реализован широко известными из уровня техники методами и средствами, в том числе упомянутый поворот может быть осуществлен и вручную. Магнитопровод 12 жестко закреплен в полости 2 корпуса 1 и преимущественно находится в контакте с обращенными к нему поверхностями корпуса 1 и газопроницаемого элемента 4. Газопроницаемый элемент 4 запрессован в корпус 1 посредством прецизионного кольца 13.

Пространственное распределение и направление магнитного потока (генерируемого источником 7 электромагнитного поля) на фиг. 1 и 2 условно обозначено силовыми линиями 14 магнитного поля.

В варианте исполнения вакуумного устройства для фиксации изделий по фиг. 1 и фиг. 2 магнитореологическая жидкость (выполняющая функцию средства 8 герметизации системы "корпус 1 - газопроницаемый элемент 4 - изделие 6") расположена в образованной кольцом 13 выемке и контактирует с одним замкнутым по контуру участком боковой поверхности корпуса 1 и с одним замкнутым по контуру участком боковой поверхности газопроницаемого элемента 4. При этом объем магнитореологической жидкости выбран из расчета обеспечения возможности контакта одного замкнутого по контуру участка нижней поверхности фиксируемого изделия 6 (после установки этого изделия 6 на опорную базовую поверхность 5) с упомянутой магнитореологической жидкостью.

Совершенно очевидно, что в качестве источника 7 электромагнитного поля может быть использована магнитная система, включающая в себя два и более постоянных магнита. Это целесообразно осуществлять при больших габаритных размерах фиксируемого изделия.

Если вакуумное устройство для фиксации изделий используется как стационарное технологическое приспособление, допустимо в качестве источника 7 электромагнитного поля использовать электромагниты, при условии, что это оправдано с экономической точки зрения.

При использовании в качестве средства 8 герметизации системы: корпус 1 - газопроницаемый элемент 4 - фиксируемое изделие 6 электрологической жидкости в качестве источника 7 электромагнитного поля должен быть использован любой известный из уровня техники источник электрического поля (источник электрического напряжения), в электрическую цепь которого определенным образом включают электрореологическую жидкость (см., например, а.с. N 1721348, кл. F 16 J 15/40, 1992 г.).

Работа вакуумного устройства для фиксации изделий расматривается на примере конкретного устройства по фиг.1 и фиг.2, в котором в качестве источника электромагнитного (в данном случае магнитного) поля используется один постоянный магнит, а в качестве средства герметизации системы "корпус 1 - газопроницаемый элемент 4 - фиксируемое изделие 6" используется магнитореологическая жидкость.

После установки фиксируемого изделия 6 на базовую опорную плоскость 5 газопроницаемого элемента 4 источник 7 магнитного поля ориентируют в пространстве таким образом (см. фиг. 1), чтобы магнитный поток, генерируемый этим источником 7 магнитного поля, пронизывал по меньшей мере часть замкнутого по контуру объема магнитореологической жидкости (используемой в качестве средства 8 герметизации).

В результате изменения магнитного потока в объеме магнитореологической жидкости от нулевого значения до заданной величины в упомянутом объеме выстраиваются упругие мостики из частиц дисперсной фазы, изменяя тем самым исходную структуру (вязкость) используемой магнитореологической жидкости или ее агрегатное состояние (в зависимости от напряженности магнитного поля в магнитореологической жидкости, создаваемого источником 7). В результате чего обеспечивается надежная герметизация системы "корпус 1 - газопроницаемый элемент 4 - фиксируемое изделие 6".

Непосредственная фиксация изделия 6 осуществляется за счет вакуумирования полости 2 корпуса 1. При этом изменение структуры (увеличение вязкости или изменение агрегатного состояния) магнитореологической жидкости посредством изменения в ее объеме магнитного поля, целесообразно осуществлять (с целью гарантированного исключения просачивания магнитореологической жидкости в поры газопроницаемого элемента 4) или одновременно с началом осуществления процесса непосредственной фиксации изделия 6, или (еще выгоднее) до начала осуществления этого процесса.

Процесс освобождения от фиксации изделия 6 с физической точки зрения осуществляется аналогичным образом.

А именно: путем изменения магнитного поля в объеме магнитореологической жидкости от заданной максимальной величины до нулевого значения. В результате чего в упомянутом объеме разрушаются связи в упругих мостиках из частиц дисперсной фазы, восстанавливая тем самым исходную структуру (вязкость или агрегатное состояние) используемой магнитореологической жидкости. Положение источника 7 магнитного поля, которое соответствует расфиксированному состоянию изделия 6, показано на фиг.2.

При освобождении изделия 6 от фиксации магнитное поле в объеме реологической жидкости целесообразно уменьшать не до нулевого значения. В том случае реологическая жидкость с попавшими в нее продуктами технологической обработки всегда остается в строго отведенной ей зоне, т.е. не растекается по базовой опорной поверхности 5 и не попадает на участок упомянутой поверхности 5, который предназначен для установки обрабатываемого изделия 6. Поэтому при следующем цикле фиксации изделия 6 упомянутый участок базовой опорной поверхности 5 остается свободным как от продуктов обработки, так и непосредственно от герметизирующей реологической жидкости, что невозможно обеспечить при использовании других типов жидкостных уплотнений.

Это объясняется тем, что в процессе намагничивания реологической жидкости магнитные частицы ее дисперсной фазы образуют пористый упругий каркас (вследствие образования упругих мостиков между отдельными частицами), в капиллярах (порах) которого прочно удерживается жидкая фаза, вследствие капиллярного эффекта. При этом сам упомянутый каркас из дисперсной фазы надежно сохраняет свое пространственное положение в строго отведенной зоне устройства.

Таким образом, заявленное вакуумное устройство для фиксации изделий (преимущественно тонколистовых) может быть использовано в различных отраслях промышленности в качестве унифицированного узла технологической оснастки, используемой для закрепления изделий (деталей, заготовок) в процессе их технологической обработки.

Преимущественная сфера применения - для фиксации тонколистовых изделий (деталей, заготовок) например, в радиоэлектронике для чистовой обработки методом шлифования и/или полирования поверхностей полупроводниковых пластин (с толщиной от 400 мкм и менее), используемых в производстве интегральных микросхем.

Изобретение может быть использовано в различных областях техники в качестве фиксирующего устройства при технологической обработке изделий. Вакуумное устройство для фиксации изделий содержит корпус (К) (1), полость (2) которого соединена со средством вакуумирования и ограничена герметично соединенным с К (1) газопроницаемым элементом (ГЭ) (4) из пористого материала, например металлокерамики. Одна из поверхностей ГЭ (4) функционально является базовой опорной поверхностью (5) для фиксируемого изделия (6). Средство (8) герметизации системы К (1) -ГЭ (4) - изделие (6) выполнено из реологической жидкости и расположено в контакте с по меньшей мере одним замкнутым по контуру участком поверхности К (1) и/или ГЭ (4) с возможностью контакта с по меньшей мере одним замкнутым по контуру участком поверхности фиксируемого изделия (6). Источник (7) электромагнитного поля установлен с возможностью изменения структуры (вязкости) упомянутой реологической жидкости. Фиксация изделия (6) осуществляется посредством вакуумирования полости К (1). Такая конструкция устройства позволяет осуществить фиксацию тонколистовых изделий с высокой степенью точности и надежности. 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Вакуумное устройство для фиксации изделий, содержащее корпус, полость которого соединена со средством вакуумирования и ограничена герметично соединенным с корпусом газопроницаемым элементом, одна из поверхностей которого функционально является базовой опорной поверхностью для фиксируемого изделия, отличающееся тем, что оно снабжено источником электромагнитного поля и средством герметизации системы корпус - газопроницаемый элемент - фиксируемое изделие, газопроницаемый элемент выполнен из пористого материала, средство герметизации системы корпус - газопроницаемый элемент - фиксируемое изделие - в виде реологической жидкости и расположено в контакте с по меньшей мере одним замкнутым по контуру участком поверхности корпуса и/или газопроницаемого элемента с возможностью контакта с по меньшей мере одним замкнутым по контуру участком поверхности фиксируемого изделия, при этом источник электромагнитного поля установлен с возможностью изменения структуры реологической жидкости. 2. Вакуумное устройство по п.1, отличающееся тем, что средство герметизации системы корпус - газопроницаемый элемент - фиксируемое изделие выполнено в виде магнитореологической жидкости. 3. Вакуумное устройство по п.1, отличающееся тем, что средство герметизации системы корпус - газопроницаемый элемент - фиксируемое изделие выполнено в виде электрореологической жидкости. 4. Вакуумное устройство по п.2, отличающееся тем, что источник электромагнитного поля выполнен в виде по меньшей мере одного постоянного магнита, который установлен в полости корпуса с возможностью перемещения. 5. Вакуумное устройство по п.4, отличающееся тем, что по меньшей мере один постоянный магнит установлен в полости корпуса с возможностью поворота. 6. Вакуумное устройство по п.5, отличающееся тем, что по меньшей мере один постоянный магнит снабжен магнитопроводом и полюсными наконечниками в виде шаровых сегментов, при этом полюсные наконечники жестко соединены с соответствующими участками упомянутого постоянного магнита и подвижно установлены в ответных гнездах магнитопровода.