Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Doppelseitenschleifmaschine, die geeignet
ist, beide Flächen eines Werkstücks gleichzeitig zu schleifen, oder eine
Doppelseitenpoliermaschine, die geeignet ist, beide Flächen eines Werkstücks gleichzeitig
zu polieren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein Beispiel einer solchen
Vorrichtung ist in der GB 890 635 A offenbart.
Allgemeiner Stand der Technik
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Werkstücke, die für Halbleiter-Siliciumscheiben, Optik, Kompaktbildplatten, Minidisketten und
dergleichen benutzt werden, müssen ganz flache und parallel zueinander liegende
Oberflächen aufweisen, und die Anforderung steigt in ihrer Striktheit von Jahr zu Jahr.
Üblicherweise ist eine Doppelseitenschleifmaschine als eine Vorrichtung bekannt, die in der
Lage ist, beide Flächen eines Werkstücks gleichzeitig mit hoher Effizienz zu schleifen und
endzubearbeiten, was die Flachheit und Parallelität beider Flächen erfordert. Die
Schwankung der Endgenauigkeit eines Werkstücks, das unter Verwendung dieser
Doppelseitenschleifmaschine bearbeitet wird, beträgt bei der Flachheit sowie der Parallelität
gewöhnlich wenige um.
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Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht eines Beispiels einer herkömmlichen horizontalen
Doppelseitenschleifmaschine, und Fig. 2 zeigt ihren Querschnitt. Die in Fig. 1 und 2
gezeigte Doppelseitenschleifmaschine (vgl. GB-A-890 635) ist so angeordnet, dass die
offenen Seiten zweier becherförmiger Schleifscheiben 1a und 1b, die jeweils eine flache
Schleiffläche am Ende aufweisen, einander zugewandt angeordnet sind und sich auf eine Art
und Weise bewegen, die einen gleichzeitigen Kontakt mit beiden Seiten eines Werkstücks 2
gestattet, um diese zu schleifen.
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In der in Fig. 1 und 2 gezeigten Doppelseitenschleifmaschine erhalten Hauptspindeln durch
Spindelmotoren eine relative Drehbewegung, und die becherförmigen Schleifscheiben 1a
und 1b sind abnehmbar an den Enden zweier gegenüberliegender Hauptspindeln 3a und 3b
mit derselben Schwenkachse angebracht, und die Schleifflächen der becherförmigen
Schleifscheiben 1a und 1b sind einander zugewandt. Jede der Hauptspindeln 3a und 3b ist
durch eine Gleit- oder Kugel- und Tonnenführung 4 gehalten und arretiert. Die Führung 4 ist
auf einem Bett 8 befestigt, und in einer horizontalen Doppelseitenschleifmaschine ist sie i. a.
unterhalb der Hauptspindeln 3a und 3b angeordnet, wobei zwei Führungen parallel zur
Schwenkachse der Hauptspindeln 3a und 3b angeordnet sind.
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Die Drehkraft der Hauptspindeln 3a und 3b wird durch über den Hauptspindeln 3a und 3b
angeordnete Spindelmotoren 5 über Treibriemen übertragen. Während Fig. 1 eine
horizontale Doppelseitenschleifmaschine zeigt, hat außerdem eine vertikale
Doppelseitenschleifmaschine eine ähnliche Struktur, nur dass sie in vertikaler Richtung
angeordnet ist.
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Die oben erwähnte herkömmliche Doppelseitenschleifmaschine weist Kugel- und
Tonnenlager auf, die zum rotierenden Antrieb der Hauptspindeln verwendet werden. Zur
Sicherstellung der Drehgenauigkeit solcher Spindeln sind Ringschrägkugellager einander
gegenüberliegend angeordnet, und es wird Druck vorgespannt, oder es werden Spitzenlager
zur Sicherstellung der Steifigkeit verwendet, aber diese Mittel weisen gewöhnlich Grenzen
auf, eine Toleranz von 1 um Genauigkeit und 20 kp/um Steifigkeit.
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Ferner werden in der oben erwähnten herkömmlichen Doppelseitenschleifmaschine in
Anbetracht der Dämpfung zumeist Gleitbettführungen für die Führungen verwendet, obwohl
solche Führungen schon im Falle einer winzigen Bewegung mit einer Einstelltoleranz von
1 um oder weniger Klebeverschiebungen unterliegen, die auf Ausschleiffehler in den
Schleifflächen zurückzuführen sind.
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Des Weiteren sind in der oben erwähnten herkömmlichen Doppelseitenschleifmaschine, wie
in Fig. 2 gezeigt, die Abstände zwischen einem Angriffspunkt 7 auf der Schleiffläche der
becherförmigen Schleifscheiben 1a und 1b und der Führungsbahn 4 sowie zwischen dem
Angriffspunkt 7 und einer Getriebeachse (Spindel) 6 voneinander getrennt, und je größer der
Durchmesser der Hauptspindeln 3a und 3b ist, desto breiter sind diese Abstände, so dass
diese Tendenz mit zunehmender Größe des Werkstücks immer deutlicher sichtbar wird. Je
breiter jedoch die Abstände zwischen dem Angriffspunkt 7 und der Führungsbahn 4 sowie
zwischen dem Angriffspunkt 7 und der Getriebeachse (Spindel) 6 werden, desto schwieriger
macht dies die Gewährleistung einer ausreichenden Steifigkeit, und es taucht das Problem
von Messungenauigkeiten auf, die durch den Abbeschen Fehler verursacht werden.
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Während die Endgenauigkeit der bearbeiteten Flächen von Jahr zu Jahr an Striktheit
zunimmt, wird andererseits die Schleifvorrichtung durch die gewachsene Werkstückgröße für
Siliciumscheiben und dergleichen, beispielsweise für Optikglasmaterial oder Halbleiter-
Siliciumscheiben, in letzter Zeit zwangsläufig größer. Um die Genauigkeit der Flachheit beim
fertigen Werkstückszustand durch Schleifen mit einer Doppelseitenvorrichtung auf
Submikronen und die der Oberflächenrauheit auf wenig über 10 nm zu gewährleisten, ist es
notwendig, ein ausreichendes Steifigkeitsniveau gegenüber der Rückstoßkraft zum Zeitpunkt
der Bearbeitung sowie eine Einstelltoleranz von 10 bis 100 nm zu erreichen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Doppelseitenschleifmaschine zur
Lösung oder Verringerung des vorgenannten Problems bereitzustellen und, noch genauer,
eine Doppelseitenschleifmaschine und eine Doppelseitenpoliermaschine bereitzustellen, die
in der Lage sind, die Genauigkeit zu vergrößern, die Steifigkeit gegenüber der Rückstoßkraft
zum Bearbeitungszeitpunkt zu gewährleisten sowie Ausschleiffehler zu reduzieren.
Offenbarung der Erfindung
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Zur Lösung der vorgenannten Probleme ist die Doppelseitenschleifmaschine oder die
Doppelseitenpoliermaschine gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum
gleichzeitigen Schleifen oder Polieren beider Seiten eines Werkstücks, wodurch
Arbeitsflächen von Schleifscheiben oder Poliertüchern, die am Ende zweier
gegenüberliegender Hauptspindeln angebracht sind, die jeweils in einem Spindelstock
rotierend angetrieben werden, mit beiden Seiten des Werkstücks in Kontakt gebracht
werden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Führungslagermechanismen zum
Lagern und Transportieren der Hauptspindeln um den Spindelstock verteilt sind und der
geometrische Mittelpunkt der Führungslagermechanismen eng oder vollkommen an die
Achse der Hauptspindeln angepasst ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung nähert sich die aus allen Führungsbahnen
zusammengesetzte Getriebeachse (Spindel), die eng oder vollkommen an die Achse der
Hauptspindeln angepasst ist, dem Angriffspunkt der Doppelseitenschleifmaschine oder der
Doppelseitenpoliermaschine an. Daher kann die Biegekomponente der Reaktionskraft auf
die Bearbeitung beim Schleifen eines Werkstücks durch die Hauptspindeln kleiner gemacht
und die Steifigkeit gegenüber der Reaktionskraft auf die Bearbeitung leichter sichergestellt
werden.
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Zur Anpassung an die Getriebeachse (Spindel) bestehend aus den Führungsbahnen mit der
Achse der Hauptspindeln ist es bei der Doppelseitenschleifmaschine oder der
Doppelseitenpoliermaschine gemäß der vorliegenden Erfindung notwendig, dass die Anzahl
der vorgenannten Führungsbahnen nicht weniger als drei beträgt, und um zu verhindern,
dass die. Führungselemente mit den Führungsbahnen das Ein- oder Ausbringen eines
Werkstücks behindern, sind drei Führungsbahnen am meisten vorzuziehen.
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Im Falle der Verwendung einer horizontalen Doppelseitenschleifmaschine oder einer
horizontalen Doppelseitenpoliermaschine und dreier Führungsbahnen sind die folgenden
Kombinationen für die Anordnung der Führungsbahnen und ihrer Lagermechanismen
vorzuziehen. Eine erste Kombination besteht aus zwei auf der horizontalen Fläche unter den
Hauptspindeln angeordneten Führungsbahnen und einer auf der Oberseite der
Hauptspindeln angeordneten Führungsbahn. Eine zweite Kombination besteht aus zwei auf
der horizontalen Fläche auf der Oberseite der Hauptspindeln angeordneten Führungsbahnen
und einer auf der Unterseite der Hauptspindeln angeordneten Führungsbahn. In jedem Fall
ist es vorzuziehen, dass die drei Führungsbahnen und ihre Lagermechanismen in einem
Dreieck oder insbesondere einem regelmäßigen Dreieck angeordnet sind und die
Hauptspindel am geometrischen Schwerpunkt davon angeordnet ist. Die aus einer
derartigen Anordnung bestehende Doppelseitenschleifmaschine oder
Doppelseitenpoliermaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf den horizontalen Typ
beschränkt, und die Anordnung mit Verwendung einer Vielzahl der Führungsbahnen ist auch
auf die vertikale Version anwendbar.
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Eine Vielzahl der Führungsbahnen in der Doppelseitenschleifmaschine oder der
Doppelseitenpoliermaschine gemäß der vorliegenden Erfindung kann aus wenigstens einem
einteilig zusammengesetzten Führungselement mit Bett, in Säulenbauart etc. gebildet sein.
Die Führungsbahnmechanismen einer Vielzahl der in der Doppelseitenschleifmaschine oder
der Doppelseitenpoliermaschine gemäß der vorliegenden Erfindung angeordneten
Führungsbahnen können unterschiedliche Arten von Führungsbahnmechanismen
einschließen. Insbesondere bei Anwendung auf eine horizontale
Doppelseitenschleifmaschine oder eine horizontale Doppelseitenpoliermaschine sollte der
Führungsbahnmechanismus der auf der Oberseite der Hauptspindeln angeordneten
Führungsbahnen wünschenswerterweise ein hydrostatischer Führungsbahnmechanismus
sein, oder die Typen der auf der Ober- und Unterseite der Hauptspindeln angeordneten
Führungsbahnen können eine Kombination des hydrostatischen Führungsbahnmechanismus
und eines Gleitbettführungsmechanismus sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht eines Beispiels einer herkömmlichen horizontalen
Doppelseitenschleifmaschine.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Beispiels der herkömmlichen horizontalen
Doppelseitenschleifmaschine.
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Fig. 3 zeigt eine Perspektivansicht einer Ausführungsform einer
Doppelseiten
schleifmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 4 zeigt einen Querschnitt der Ausführungsform der Doppelseitenschleifmaschine
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform einer Doppelseitenschleifmaschine gemäß der
vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Bezugszeichen
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1a, 1b: becherförmige Schleifscheiben;
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2: Werkstück;
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3a, 3b: Hauptspindeln;
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4: Führung;
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5a, 5b: Spindelmotor;
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6: Getriebeachse (Spindel);
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7: Angriffspunkt;
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8: Bett;
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11a, 11b: becherförmige Schleifscheiben;
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12: Werkstück;
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13: Hauptspindeln;
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14a, 14b, 14c, 14d: Führungsbahnen;
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15: Supportschlitten;
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16: Spindelstock;
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17: Bett;
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18: Führungsbahnelement.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Eine Ausführungsform einer Doppelseitenschleifmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in Fig. 3 in Perspektivansicht und in Fig. 4 im Querschnitt gezeigt. In der in
Fig. 3 und 4 gezeigten Doppelseitenschleifmaschine sind zwei Hauptspindeln 13 einander
gegenüberliegend angeordnet, so dass zwei der offenen Seiten von becherförmigen
Schleifscheiben 11a und 11b, die an einem Ende jeder Hauptspindel 13 eine flache
Schleiffläche aufweisen, einander zugewandt angeordnet sind und sich auf eine Art und
Weise bewegen, die einen gleichzeitigen Kontakt mit beiden Seiten eines Werkstücks 12
erlaubt, um diese zu schleifen. Die Hauptspindeln 13 sind durch einen Supportschlitten 15
einstückig befestigt und bilden so einen Spindelstock 16.
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An einem Bett 17 sind zwei verschiebbare Führungsbahnen 14a und 14b so befestigt, dass
sie auf derselben Horizontalebene angeordnet sind und der Unterseite des Spindelstocks 16
entsprechen, und jeder Führungsbahnmechanismus der Führungsbahnen 14a und 14b ist
ein V-förmiger Gleitbettführungsmechanismus. Die Oberseite des Spindelstocks 16 ist so
geformt, dass sie einer Führungsbahn 14c, der oberen Führungsbahn, entspricht, und Fig. 4
zeigt eine Führungsbahn 14c eines hydrostatischen Führungsbahnmechanismus. Diese zwei
verschiebbaren Führungsbahnen 14a und 14b und die Führungsbahn 14c sind in einem
Dreieck oder insbesondere einem regelmäßigen Dreieck angeordnet, und die Hauptspindel
ist am geometrischen Schwerpunkt davon angeordnet.
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Da die unteren Führungsbahnen 14a und 14b ein Gleitbettführungsmechanismus sind, kann
die Dämpfung gewährleistet werden. Da die obere Führungsbahn 14c außerdem ein
hydrostatischer Führungsbahnmechanismus ist, können die auf die unteren Führungsbahnen
14a und 14b zurückzuführenden Ausschleiffehler minimiert werden. Weil die Ausschleiffehler
auf eine solche Art und Weise reduziert werden können, ist die aus den gesamten
Führungsbahnen bestehende Getriebeachse (Spindel) so angeordnet, dass sie an der Achse
der Hauptspindel positioniert ist. Als Antriebsquelle in Richtung des Einschnitts in die
Hauptspindel 13 kann ein Zylinder- oder Linearmotor verwendet werden.
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Obwohl in der in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform drei Führungsbahnen vorgesehen
sind, von denen zwei unter dem Spindelstock angeordnet sind und eine in Kontakt mit der
Oberseite des Spindelstocks angeordnet ist, können auch zwei obere Führungsbahnen eines
hydrostatischen Führungsbahnmechanismus und eine untere Führungsbahn eines
Gleitbettführungsmechanismus vorgesehen sein.
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Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Wie in Fig. 5
gezeigt, kann ein Führungsbahnelement 18 mit einer Vielzahl von Führungsbahnen
verwendet werden, und zwei Führungsbahnen 14c und 14d eines hydrostatischen
Führungsbahnmechanismus können auf der Oberseite angeordnet sein.
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Obwohl die Anzahl der Führungsbahnen vorzugsweise drei sein sollte, um zu verhindern,
dass sie das Ein- oder Ausbringen eines Werkstücks behindern, kann die Gesamtzahl der
Führungsbahnelemente 18 vier oder mehr sein, wenn dieses Problem beseitigt wird.
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Für den Drehmechanismus der Hauptspindeln in der Doppelseitenschleifmaschine gemäß
der vorliegenden Erfindung kann ein hydrostatisches Lager verwendet werden. In diesem
Fall kann Öl oder Wasser als hydrostatisches Medium verwendet werden und die
Genauigkeit und Steifigkeit gewährleisten, die mit einem Kugel- und Tonnenlager nicht
erhalten werden kann. Zum Beispiel weist das Kugel- und Tonnenlager eine Toleranz von
ca. 1 um auf, aber das hydrostatische Lager kann die Toleranz auf 0,01 bis 0,1 um
einengen.
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Zwar beschreibt die oben angegebene Ausführungsart eine Doppelseitenschleifmaschine;
wenn das am Ende der Hauptspindel montierte Arbeitselement jedoch durch ein Element
zum Polieren ersetzt wird, kann sie ebenso als Doppelseitenpoliermaschine verwendet
werden.
Industrielle Anwendbarkeit
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Die aus einer Vielzahl von Führungsbahnen, vorzugsweise drei, zum Lagern und
Verschieben der Hauptspindeln in einer Doppelseitenschleifmaschine oder einer
Doppelseitenpoliermaschine bestehende Getriebeachse (Spindel) ist eng oder vollkommen
an die Achsenposition der Hauptspindel angepasst, so dass die Biegekomponente der
Reaktionskraft auf die Bearbeitung beim Schleifen eines Werkstücks durch die
Hauptspindeln kleiner gemacht und die Steifigkeit gegenüber der Reaktionskraft auf die
Bearbeitung leichter gewährleistet werden kann.
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Wo hydrostatische Lager für die Hauptspindeln verwendet werden, kann der
Schwankungsbereich von der. Größenordnung von Mikronen auf Submikronen eingeengt
werden und auch eine angemessene Steifigkeit gewährleistet werden.
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Wo eine Vielzahl von Führungsbahnen eines Gleitbettführungsmechanismus und
hydrostatischer Führungsbahnmechanismen in Kombination angeordnet und verwendet
werden, können die Ausschleiffehler reduziert werden.
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Wo die vorgenannten Anforderungen erfüllt sind, kann eine Doppelseitenschleifmaschine
oder eine Doppelseitenpoliermaschine gemäß der vorliegenden Erfindung eine ausreichende
Horizontalsteifigkeit gegenüber der Reaktionskraft auf die Bearbeitung gewährleisten sowie
eine Positionierungsgenauigkeitstoleranz in einem Bereich von 10 bis 100 nm erzielen.