超硬材料切割裝置制造方法
【專利摘要】一種超硬材料切割裝置，一種超硬材料切割裝置，其特征是它由至少兩片鋸片（1）、鋸片夾具（2）、和鋸片張緊支架（3）墊片（4）組成，鋸片夾具（2）裝夾在鋸片（1）的兩端以使各鋸片（1）之間平行并保持通過墊片（4）設(shè)定的距離，鋸片之間的間隙用以供切割液通過，鋸片張緊支架（3）與鋸片兩端的鋸片夾具（2）相連并向兩端的鋸片夾具（2）施加一個張力從而使鋸片（1）的兩端各受到一個向外的張力使鋸片保持張緊狀態(tài)以提高切割效果。本實用新型具有切割效率高，成本低的優(yōu)點。
【專利說明】超硬材料切割裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種超材料的高效批量切割裝置，尤其是一種能大幅度提高硅、碳化硅、藍寶石、日用陶瓷制品、金屬陶瓷復(fù)合材料或其他陶瓷材料片材切割效率和精度的超硬材料切割裝置，具體地說是一種超硬材料切割裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]目前在對高硬度材料如硅、碳化硅、藍寶石、日用陶瓷制品、金屬陶瓷復(fù)合材料或其他陶瓷材料進行單片式切割時常用的有水刀切割，等離子切割，激光切割，圓鋸片切割，帶鋸切割，電火花放電線切割等方式，對于硅片切割而言，目前最有效的方法是采用傳統(tǒng)多線切割技術(shù)，其原理見圖1。纏繞切割線的輥輪帶動鋼線運動，在被噴上含有切割磨料的切割液后，鋼線帶動切割磨料對硅片進行切割。目前藍寶石切割大多是采用擺動式多線切割原理，見圖2，纏繞切割線的三根輥輪固定在同一個圓盤上，在輥輪帶動金剛石切割線運動的同時，圓盤做一定角度的擺動運動。擺動切割技術(shù)徹底解決了傳統(tǒng)多線切割技術(shù)(上述的硅片切割技術(shù))應(yīng)用于藍寶石等超硬超耐磨材料切割時所存在的跳線、斷線等瓶頸，獲得了成功并迅速占據(jù)主導(dǎo)地位。
[0003]在擺動式切割技術(shù)成功應(yīng)用藍寶石切割后，相關(guān)研究人員于2008年開始并在持續(xù)推進該技術(shù)在硅片切割行業(yè)的使用。但直至今日仍然未獲成功。原因在于，硅相比于藍寶石更脆，擺動切割更容易造成缺角、崩邊、線痕等質(zhì)量缺陷。同時，出于成本考慮，硅片切割采用更細的金剛石線；更脆的硅會被切下更大顆粒的硅粉，把金剛石線夾在硅片之間造成斷線。這些問題至今未有很好地解決。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的是針對現(xiàn)有的硅、藍寶石等超硬材料所采用的線切割方法存在的效率低、能耗高、污染大、加工成本高的問題，設(shè)計一種能大幅度提高切割效率、降低能耗、降低成本、綠色環(huán)保的超硬材料切割裝置。
[0005]本實用新型的技術(shù)方案是:
[0006]一種超硬材料切割裝置，其特征是它由至少兩片鋸片1、鋸片夾具2、鋸片張緊支架3和墊片4組成，鋸片夾具2裝夾在鋸片I的兩端以使各鋸片I之間平行并保持通過墊片4設(shè)定的距離，鋸片之間的間隙用以供切割液通過，鋸片張緊支架3與鋸片兩端的鋸片夾具2相連并向兩端的鋸片夾具2施加一個張力從而使鋸片I的兩端各受到一個向外的張力使鋸片保持張緊狀態(tài)以提高切割效果。
[0007]所述的鋸片的形狀為矩形。
[0008]所述的鋸片的數(shù)量為2-20000片。
[0009]所述的鋸片為純金屬、合金或含有金屬成份的金屬陶瓷復(fù)合材料鋸片，當使用金屬陶瓷復(fù)合材料作為鋸片時，如果其中的陶瓷顆粒的硬度大于被切割材料，則在切割時無需向切割鋸片上噴射帶有切割磨料的切割液；所述的切割磨料為碳化硅粉末、氧化鋁粉末、金剛石粉末和氮化硼粉末中的一種或幾種的組合。
[0010]本實用新型的有益效果:
[0011]1、用低速運動的矩形鋸片代替高速運動的線鋸，可以有效減弱切割過程中目標材料振動導(dǎo)致的破碎；鋸片相較于線鋸可以承受更高的拉力而不會斷裂，進而降低切割鋸片抖動而造成的切割不良；被切割材料被保護于兩片切割鋸片之間，不易造成碎裂破損。
[0012]硅片多線切割技術(shù)碎片率:〈0.3%0 ；
[0013]本實用新型的切割技術(shù)碎片率:〈0.1%。。
[0014]2、以片鋸代替線鋸，減少切割磨料、化學切割液消耗
[0015]硅片多線切割技術(shù)鋼線消耗率約為:4.4g/片(按切割8英寸硅片計)；
[0016]本實用新型的切割鋸片消耗率:〈1.2g/片(按切割8英寸硅片計)。
[0017]多線切割技術(shù)必須使用化學試劑配成的切割液，而本實用新型的切割方法不使用高污染化學切割液，只用水或離子水進行潤滑、冷卻兼導(dǎo)電。
[0018]3、節(jié)能。
[0019]多線切割技術(shù)是依靠絲線高速(大于9米/秒)運動進行切割，不但需要大量的電力進行驅(qū)動，而且絲線與被切材料高速摩擦還產(chǎn)生大量熱量并需進行冷卻。而本實用新型采用的是慢速高效切割(鋸片最大運動速度小于I米/秒)，大幅降低電力消耗。
[0020]硅片多線切割技術(shù)電力消耗率為:>0.5度電/片(按切割8英寸硅片計)；本實用新型的切割鋸片消耗率:0.1?0.3度電/片(按切割8英寸硅片計)。
[0021]4、更低的切割總成本。
[0022]本實用新型的切割技術(shù)，其切割成本只相當于多線切割技術(shù)的30%?50%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是現(xiàn)有的多線切割原理圖；圖1中:11為送線輥，12為硅錠，13為收線輥，14為向下切割，15為帶麿料的切割液噴射裝置。
[0024]圖2是現(xiàn)有切割藍寶石所采用的擺動式多線切割原理圖；圖2中21為工作臺，22為主軸旋轉(zhuǎn)電機，23為藍寶石工件，24為主軸總成，25為主軸擺動電機，26為絲線，27為收線張力檢測，28為放綞張力檢測，29為收線張力調(diào)節(jié)，30為放線張力調(diào)節(jié)，31為收線輥，32為放線輥，33為絲線張力控制電機。
[0025]圖3是本實用新型的多片式鋸片的俯視圖。
[0026]圖4是本實用新型的多片式切割裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
[0028]如圖3-4所示。
[0029]一種超硬材料切割裝置，它由至少兩片鋸片1、鋸片夾具2、鋸片張緊支架3和墊片4組成，鋸片夾具2裝夾在鋸片I的兩端以使各鋸片I之間平行并保持設(shè)定的距離，鋸片之間的間隙用以供切割液通過，鋸片張緊支架3與鋸片兩端的鋸片夾具2相連并向兩端的鋸片夾具2施加一個張力從而使鋸片I的兩端各受到一個向外的張力使鋸片保持張緊狀態(tài)以提高切割效果；鋸片的形狀優(yōu)選為矩形，數(shù)量為2?20000片，鋸片與鋸片之間在兩端可通過厚度為0.04mm?1mm的墊片4隔開,結(jié)構(gòu)見圖3,鋸片形狀為矩形時,尺寸可為:長度10?10cm ;寬度0.5?50cm ;厚度0.05?0.3mm (最佳厚度為0.05?0.1_)。兩端放置了分隔墊片4的多片鋸片在兩端通過夾具夾緊，并通過鋸片張緊支架將各鋸片張緊。結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。本實施例中所適用的鋸片可以使用純金屬或合金鋸片，也可以使用金屬陶瓷復(fù)合材料鋸片。
[0030]由純金屬或合金制成的鋸片，不需要有鋼鋸條的鋸齒結(jié)構(gòu)，而只需要有平滑的刃口結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)切割。只需在切割過程中向切割鋸片上連續(xù)噴射帶有切割磨料的切割液或通過局部瞬時高能量激發(fā)而采用刃面自組裝技術(shù)進行切割。切割磨料可以是碳化硅粉末、氧化鋁粉末、金剛石粉末、氮化硼粉末中的一種或幾種。切割磨料在切割液的帶動下流向切割鋸片刃口部位。鋸片往復(fù)運動過程中，刃口部位所粘附的切割磨料將被切割材料摩擦撞擊而導(dǎo)致細小顆粒從被切割材料上逐漸脫落，進而實現(xiàn)切割目的。
[0031]由金屬陶瓷復(fù)合材料制造的鋸片，至少含有一種金屬成分；含有碳化硅粉末、氧化鋁粉末、金剛石粉末、氮化硼粉末中的一種或幾種。金屬陶瓷復(fù)合材料鋸片本身具有高硬度，可以實現(xiàn)對小于鋸片中所添加的陶瓷粉末硬度的材料進行切割。
[0032]本實施例的切割裝置所適用的被切割材料有:高硬度材料硅、碳化硅、藍寶石、日用陶瓷制品、金屬陶瓷復(fù)合材料或其他陶瓷材料。
[0033]本實施例的切割裝置與以下兩種方法相配套，切割效果更好，能一次將被切割材料切成數(shù)片片狀材料。
[0034]方法一:
[0035]一種超硬材料切割方法，將至少兩片(可為2-20000片)無鋸齒鋸片平行裝夾成一體，鋸片的形成以矩形為最佳，但也不排除其它適用的形狀，鋸片與鋸片之間在兩端通過厚度為0.04mm?1mm的墊片4隔開，如圖3所示，并通過鋸片夾具2和鋸片張緊支架3形成切割裝置，在機床運動機構(gòu)帶動下作往復(fù)運動，加工時使被鋸片張緊支架3張緊的鋸片組在被切割材料上同時作往復(fù)運動，可同時切割出與鋸片數(shù)量相等的片材(如太陽能硅片、藍寶石襯底等)，同時在切割過程中向切割鋸片上連續(xù)噴射帶有切割磨料的切割液，所述的切割磨料為碳化硅粉末、氧化鋁粉末、金剛石粉末和氮化硼粉末中的一種或幾種的組合，粒度應(yīng)小于20 μ m。切割磨料在切割液的帶動下流向切割鋸片刃口部位；鋸片往復(fù)運動過程中，刃口部位所粘附的切割磨料將被切割材料摩擦撞擊而導(dǎo)致細小顆粒從被切割材料上逐漸脫落，進而實現(xiàn)切割目的。鋸片可采用純金屬、合金或含有金屬成份的金屬陶瓷復(fù)合材料，當使用金屬陶瓷復(fù)合材料作為鋸片時，如果其中的陶瓷顆粒的硬度大于被切割材料，則在切割時無需向切割鋸片上噴射帶有切割磨料的切割液。使用圖3、4所示的切割裝置和本實施例的方法，不僅可實現(xiàn)對硅、藍寶石的片材切割，得到薄片，還可用于對碳化硅、日用陶瓷制品、金屬陶瓷復(fù)合材料或其他陶瓷材料進行切片加工，可一次將被切割材料切成數(shù)片片狀材料。
[0036]方法二:
[0037]—種超硬材料切割方法，采用刃面自組裝技術(shù)進行加工，刃面自組裝技術(shù)是指首先，在無鋸齒直刃鋸片刃口部分涂覆一層高于被切割材料硬度的初始磨料顆粒(可為碳化硅顆粒、氧化鋁顆粒、金剛石顆粒和氮化硼顆粒中的一種或幾種的組合，各顆粒的粒度應(yīng)小于20 μ m)，利用初始磨料顆粒將被切割材料研磨切割掉下小顆粒粉末；再采用局部瞬時高能量激發(fā)，將鋸片刃口局部區(qū)域熔化，使被切割材料切割掉下的小顆粒粉末粘結(jié)并全熔或產(chǎn)熔滲進鋸片刃口內(nèi)部，從而形成硬度等于或高于被切割材料硬度的金屬陶瓷刃口結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)連續(xù)切割，整個切割過程中，被切割材料和鋸片之間用離子水持續(xù)噴淋，起潤滑、冷卻和導(dǎo)電作用。所述的局部瞬時高能量激發(fā)可采用高頻脈沖電源，將電壓施加在鋸片與被切割材料之間，利用電火花放電技術(shù)實現(xiàn)切割鋸片刃面局部瞬時熔化；脈沖電源參數(shù)選擇:電壓:10?220V ;脈沖寬度:100μ S?1000 μ S ;占空比:10%?50% ;鋸片形狀優(yōu)選為矩形，尺寸為:長度10?10cm ;寬度0.5?50cm ;厚度0.05?0.3mm,最佳厚度為0.05?0.1mm。所述的鋸片的數(shù)量可為單片，但最好采用圖3、4所示的由多片并行排列組成以提高切割效率，鋸片可采用純金屬、金屬合金或者金屬陶瓷復(fù)合材料；用于硅材料切割的鋸片刀刃材料中至少含有碳元素，在局部瞬時高能量激發(fā)條件下，刃口局部瞬時熔化，鋸片內(nèi)的碳元素和被切下來的硅顆粒會形成硬度高于硅的碳化硅，粘結(jié)并全熔滲或半熔滲進鋸片刃口內(nèi)部；用于氧化鋁材料切割的鋸片，至少含有碳及金屬鎂和金屬鋁，在局部瞬時高能量激發(fā)條件下，刃口局部瞬時熔化，鋸片刃口內(nèi)液態(tài)金屬鎂提供的保護性氛圍下被切割下來的氧化鋁顆粒會與含碳鋁熔液相結(jié)合，全熔滲或半熔滲進入鋸片刃口內(nèi)部，形成韌性、硬度高于被切割材料的氧化鋁——碳——鋁金屬陶瓷復(fù)合材料刃口微觀結(jié)構(gòu)；鋸片側(cè)面涂覆有一層絕緣涂層，以防止在切割過程中鋸片側(cè)面和被切割材料之間發(fā)生放電現(xiàn)象。所述的離子水是向純水內(nèi)添加離子化合物構(gòu)成離子熔液；離子化合物為鹽酸、硫化氫、硫酸、硝酸、氯化鈉、硝酸鈉、硫酸鈉、氯化鎂、硫酸鎂、硝酸鎂、氯化鉀、硝酸鉀、硫酸鉀、磷酸鉀、磷酸鈉或磷酸銨中的一種或多種；離子化合物占純水的質(zhì)量百分比為:0.1?5%。
[0038]本實用新型的切割方法可用于單晶硅、多晶硅、非晶硅；氧化鋁陶瓷、人造藍寶石(人造三氧化二鋁單晶)或剛玉(天然氧化鋁單晶)的切割加工，既可加工出符合要求的薄片狀材料或在原材上加工出所需的切面。
[0039]本實用新型未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種超硬材料切割裝置，其特征是它由至少兩片鋸片(I)、鋸片夾具(2)、鋸片張緊支架(3)和墊片(4)組成，鋸片夾具(2)裝夾在鋸片(I)的兩端以使各鋸片(I)之間平行并保持通過墊片(4)設(shè)定的距離，鋸片之間的間隙用以供切割液通過，鋸片張緊支架(3)與鋸片兩端的鋸片夾具(2)相連并向兩端的鋸片夾具(2)施加一個張力從而使鋸片(I)的兩端各受到一個向外的張力使鋸片保持張緊狀態(tài)以提高切割效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超硬材料切割裝置，其特征是所述的鋸片的形狀為矩形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超硬材料切割裝置，其特征是所述的鋸片的數(shù)量為2-20000片。
【文檔編號】B28D5/00GK204160637SQ201420606416
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】高鵬 申請人:高鵬