Устройство для сверления отверс-Тий B ТВЕРдыХ диэлЕКТРичЕСКиХ и пО-лупРОВОдНиКОВыХ МАТЕРиАлАХ Советский патент 1981 года по МПК B28D5/02 B28D1/14 

t

Изобретение относится к устройстт-, вам точной обработки твердатх диэлектрических и полупроводниковых материалов, например драгоценных камней, керамических и ситалловых подложек интегральных схем, с помощью вращающегося инструмента и может найти применение в электронной и радиопроь&шшен- кости.

Известно устройство для обработки « (бурения) крепких пород, содержащее источник СВЧ колебаний, волновод с коаксиальными линиями и режущий инструмент ГП.

Наиболее близким техническим реше- ,5 нием к предлагаемому является устройство для сверления отверстий в твердых диэлектрических и полупроводниковых материалах, вгслючающее источникСВЧ колебаний, соединенный вол- зо новодом с элементом связи и режущий инструмент 2.

Недостатком известных устройств является необходимость подведения

большой мощности СВЧ колебаний в зону обработки, что обуславливает значителыгые энергозатраты процесса обработки, отсутствие возможности сверления отверстий малого диаметра, необходимость применения мощной защиты обс.пуясиваюп1;его персонала от СВЧ облучения.

Цель изобретения - повышение эффек тивности сверлени.я за счет повышения объемной концентрации энергии в зоне обработки.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для сверления отверстий в твердых диэлектрических и полупроводниковьпс материалах, вюпочакнцее источник СВЧ колебаний, соединенный волноводом с элементом, связи, и режу1дий инструмент , снабжено резонатором с полураспределенны - и параметрами, выполненньа в виде расположенных коаксиально внешнего и полого внутреннего проводников, торцовых стенок, од,на из которых выполнена с отверстием

38

и радиальными пазами по внешней поверхности, и штуцера для подачи сжатого газа, установленного на внешнем проводнике и выполненного в виде запредел ного волновода, причем режущий инструмент смонтирован в полости внутреннего проводника, конец которого раположен в отверстии торцовой стенки с зазором, кроме того длина внутреннего проводника резонатора выполнена кратной четверти длины волны СВЧ колебания.

На фиг,1 изображено устройство для сверления отверстий; на фиг. 2 - вид А на фиг.; на фиг. 3 и 4 - варианты выполне ия резонатора; на фиг. 5 -распределение поля электромагнитного колебания на открытом конце резонатора в зоне обработки; на фиг. 6 - вид Б на фиг.5; на фиг. 7 - устройство с кольцом 14 на торце резонатора; на фиг. 8 - вид В на фиг.7.

Устройство для сверления твердаш диэлектриков содержит режущий инструмент, например сверло 1, коаксиальный резонатор 2, состоящий из наружного проводника 3, внутреннего проводника 4, торцовой стенки 5, торцовой стенки 6, имеющей сквозное отверстие, кольцевой щели 7, элемент 8 связи с СВЧ-генератором, штуцер 9 для подачи сжатого газа, радиальные канавки 10, обрабатываемьш материал 11, элемент 12 связи с индикатором 13 колебаний

Внутренний проводник 4 короче длины резонатора и его длина кратна четверти длины волны СВЧ колебания. Прижатие обрабатываемого материала к торцу резонатора вызывает изменение его нагрузочной емкости, которая образована в кольцевой щели 7 у торца резонатора и приводит к изменению резонансной частоты резонатора. При больгаих- значениях диэлектрической

постоянной обрабатываемого материала (более 5) изменение резонансной частоты может быть значительным. Это требует подстройки частоты генератора СВЧ. Для ослабления влияния обрабаты Баемого материала на резбнансную частоту резонатора необходимо обеспечить небольшой воздушный зазор между материалом и торцом резонатора. Величина заэора достаточна в 0,2-0,3 мм.

Обеспечить такой зазор удобно с помощью кольца 14, выполненного на торце резонатора (фиг. 5), или жестI4

кой фиксацией резонатора по отношению к обрабатываемому материалу.

Радиальные щели 10 на торце резонатора служат для удаления продуктов обработки (крошки) с помощью сжатого газа, продуваемого через штуцер 9, который выполнен в виде запредельного волновода, например круглого сечения, для предотвращения паразитного излучения СВЧ энергии из резонатора во внешнюю среду.

Конец режущего инструмента (например сверла) представляет собой пространственный модулятор поля (фиг. 4). Из-за концентрации электрического поля при помощи режущих кромок в зоне резания при вращении режущего инструмента происходит периодическое воздействие поля на зону резания. Повышние Плотности энергии СВЧ поля в зон резания способствует эффективности резания.

Устройство работает следующим образом.

Через элемент связи 8, например петлю, от СВЧ генератора в коаксиальный резонатор 2 подается энергия с частотой, совпадакщей с резонансной частотой это-го резонатора 2. СВЧ энергия концентрируется в кольцевой щели 7, образованной отверстием в торцовой стенке 6 и внутренним проводником 4 резонатора 2, Сверло I приводится во вращение и приближается к обрабатываемому материалу 11. При этом СВЧ энергия вызьшает механическое размягчение обрабатываемого материала только в зоне обработки, т.е, в круге, ограниченном кольцевой щелью 7.

Конец режущего инструмента, например сверла, представляет собой пространственный модулятор поля. Как видно на фиг. 4, конец сверла 1 из-за наличия канавок на сверле создает аксиально неоднородное распределение электрических силовьтх линий поля в кольцевой щели 7. При вращении сверла 1 участки поля, сконцентрированные режущими кромками, тоже вращаются и происходит периодическое колебание плотности энергии в зоне резания. Величина плотности энергии СВЧ-поля кромками сверла больше среднего значения ее в случае равномерного распределения поля, что способствует эффективности резания.

58

Устройство особенно эффективно при сверлении отверстий малого диаметра (порядка 1 мм). Внутренний проводник резонатора служит в этом случае направляющей втулкой, предотвращающей поломку сверла. При сверлении отверстий диаметром порядка 4 мм, например, при частоте генератора СВЧ порядка 10 гГц, целесообразно использовать устройства (фиг« 2 и 3 ), где используется укороченный внутренний проводник резонатора, кратньш по длине четверти дпины волны СВЧ колебаний, или внутренним проводником является сам режущий инструмент. Целе- сообразность такого решения объясняется тем, что в выбранном диапазоне частот внутренний проводник резонатора должен быть по толщине такого порядка, что и сверло для обеспечения) максимальной добротности коаксиального резонатора.

Предлагаемое устройство для обработки твердых диэлектриков и полупроводникойЫх материалов позволяет снизить энергозатраты от десятков киловатт до сотен ватт при высоком качестве обработки и высокой производительности труда.

Формула изобретения

1i Устройство для сверления отверстий в твердых диэлектрических и полуII6

проводниковых материалах, включающее источник СВЧ колебаний, соединенный волноводом с элементом связи и режущий инструмент, отличающеес я тем, что, с целью повьшения эффективности сверления, оно снабжено резонатором с полураспределенньми параметрами, выполненным в виде расположенных коаксиально внешнего и полого внутреннего проводников торцовых стенок, одна из которых выполнена с отверстием и радиальными пазами по внешней поверхности, и штуцера дл подачи сжатого газа, установленного на внешнем проводнике и выполненного в виде запредельного волновода, при4ebj режущий инструмент смонтирован в полости внутреннего проводника, конец которого расположен в отверстии торцовой стенки с зазором,

2, Устройство по п,1, отличающееся тем, что длина внутреннего проводника резонатора выполнна кратной четверти длины волны СВЧ колебания,

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 435356, кл. Е 21 С 37/18, 1974,

2,Авторское -свидетепьство СССР № 530951, кл, Е 21 С 37/18, 1976,

(прототип.

гл

г ГТТГ-/.