成型鋸絲的制作方法
【專利摘要】一種用于切割硬質(zhì)材料的成型鋸絲包括鋼絲，該鋼絲具有在其間帶有區(qū)段的多個彎部；該鋼絲具有表面下拉伸殘余應(yīng)力以便在鋸切期間保持所述鋼絲的形狀；該鋼絲同時具有在軸向長度“L”上測量得到的長度“S”，（S-L）/L在百分之0.006至0.6之間。該鋸絲從切割開始直到鋼絲從鋸切過程中離開都保持其形狀，這展現(xiàn)出明顯更好的切割效率。
【專利說明】成型鋸絲
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及用于切割硬質(zhì)材料的鋼絲。具體地說，本實用新型涉及用于切割例如硅錠、硅圓晶、硬質(zhì)合金、磁性材料、石英棒、藍寶石和陶瓷等材料的鋼絲。
【背景技術(shù)】
[0002]在光電或半導(dǎo)體領(lǐng)域中對硬質(zhì)材料的多鋼絲鋸切如下進行:
[0003]1.以多圈將單根鋼絲在受驅(qū)動絞盤上引導(dǎo)；
[0004]2.絞盤設(shè)有溝槽以便使得鋼絲在各圈之間偏置；因此形成鋼絲網(wǎng)。
[0005]3.使用松散磨料漿作為切割劑，該切割劑在鋼絲網(wǎng)上供給，同時使得工件緩慢地進入到鋼絲網(wǎng)中；
[0006]4.使得鋼絲在兩個卷軸之間往復(fù)運動(來回運動)，或者可選的是鋼絲總是沿著相同的方向行進。
[0007]顯然鋼絲在鋸切過程中扮演重要的角色。鋼絲的作用在于摩擦工件，同時將磨料漿拉入到切口中。在磨料漿中的磨料研磨工件以及部分鋼絲。鋼絲必須能夠總是保持一定的張力，該張力轉(zhuǎn)變成用來將磨料顆粒推入到工件的常規(guī)力。
[0008]對于筆直鋼絲而言，多個專利披露了低內(nèi)應(yīng)力(中性的或壓縮的)或零殘余應(yīng)力梯度的好處，以便在鋸切期間保持鋼絲的筆直度。但是，隨著鋼絲在鋸切過程中的使用期間通過磨料漿而磨損并且因此直徑減小，在它在所施加的拉伸作用下斷裂之前必須更換。此外，由于筆直鋼絲容易在鋸切割期間圍繞著其縱向軸線轉(zhuǎn)動，所以最初捕獲在鋼絲和工件之間的磨料顆粒容易從鋼絲和工件之間被推出。因此，這些磨料的量從切割開始就消耗掉。如果在鋼絲和工件之間存在磨料較少，切割減少，并且在鋼絲和工件之間開始出現(xiàn)摩擦。雖然這種消耗在切割低于400_或更小的長度(參照硅錠的實例)的情況下不是一個特殊的問題，但是在需要切割更長的長度時這變得是個問題。因此，在鋸絲領(lǐng)域中一直想要找到將足夠的磨料夾帶到切口中的方式，從而直到切斷也保持切割作用。
[0009]W02012069314描述了具有包括多個彎部的螺旋形狀的鋸絲，彎部在連續(xù)的區(qū)段之間。這些彎部相對于螺旋形狀徑向向外。鋸絲的這種形狀構(gòu)成為與磨料顆粒具有良好的合作。這種成型鋸絲明顯改善了磨料顆粒夾帶和作用。
[0010]顯然，在鋸切期間用來將更多磨料漿夾帶到切口中的其中一種解決方案在于使得鋼絲自身帶有結(jié)構(gòu)，這意味著使得筆直鋼絲成為如上所述的具有形狀的鋼絲。
[0011]但是，在任何一種帶有結(jié)構(gòu)的鋸絲中，形狀在切割過程中由于鋼絲磨損和所施加的拉伸而會變差。還有由于鋼絲反復(fù)進入到切口中，所以存在鋼絲的拉直作用，就好像它在每次進入到錠料中拉伸穿過孔一樣(這可以是幾千次或更多次)。這導(dǎo)致形狀從切割開始直到切割結(jié)束都不能保持。從上面可以看出，磨料的拖拉能力以及鋼絲的切割效率在鋸切過程期間隨著時間逐漸降低。
實用新型內(nèi)容[0012]本實用新型的目的在于提供一種成型鋸絲，其消除了鋼絲的切割效率在切割過程期間隨著時間下降的技術(shù)缺陷。
[0013]本實用新型的目的還在于提供一種成型鋸絲，它從切割開始直到鋼絲從切割過程中出來都保持其形狀。
[0014]根據(jù)本實用新型的第一方面，描述了一種成型鋸絲，它尤其適用于鋸切硬脆材料例如硅、鍺、碳化硅、石英和玻璃、硬質(zhì)合金材料、藍寶石、稀土磁體、天然石頭例如大理石
坐寸ο
[0015]本實用新型的鋸絲在其最通常的形式為具有多個彎部的鋼絲，所述彎部在連續(xù)的區(qū)段之間。在彎部之間的區(qū)段基本上是筆直的。由此，這意味著這些區(qū)段能夠展現(xiàn)出一些彎曲，這在任何情況下都小于鋼絲在彎部處的彎曲。彎部具有內(nèi)側(cè)彎曲部和外側(cè)彎曲部?！皟?nèi)側(cè)彎曲部”意味著位于兩個相鄰區(qū)段之間的彎曲部分，而“外側(cè)彎曲部”為“內(nèi)側(cè)彎曲部”在圓周上相對的部分，并且遠離相鄰區(qū)段。本實用新型的鋸絲還具有表面下拉伸殘余應(yīng)力，用來在鋸切期間保持鋼絲的形狀。術(shù)語“表面下”其含義應(yīng)該這樣理解，即與鋼絲的外表面相距非常小的距離，例如外表面距離5至10 μ m的深度。對于本申請而言，成型鋸絲的表面下拉伸殘余應(yīng)力用來在鋸切期間保持鋼絲的形狀以避免形狀變形。本實用新型的鋸絲同時具有在軸向長度“L”上測量得到的長度“S”，滿足(S-L)/L在百分之0.006至0.6之間。鋼絲的中心線在軸向長度“L”上測量時具有長度“S”，并且(S-L) /L為百分之0.006至0.6。該(S-L)/L為“額外長度”，它是由于鋼絲的形狀而構(gòu)建到鋼絲中。如果該“額外”長度低于
0.006%，則鋼絲的變形不足以將顆粒夾帶到鋼絲的彎部中，從而導(dǎo)致磨料夾帶不夠。如果該“額外長度”高于0.6%，則鋼絲將在使用期間延伸太多，這會使得鋸絲在鋸切過程期間松弛。
[0016]優(yōu)選的是，如果(S-L)/L為百分之0.01至0.5，例如百分之0.1或者0.25，則鋸絲設(shè)有尺寸足夠大的凹部以接收和夾帶磨料，同時對于鋸絲保持必要的延伸特性。
[0017]在所述區(qū)段中的表面下殘余應(yīng)力優(yōu)選至少為1500MPa，例如大于1800MPa并且實際上是拉伸的。
[0018]優(yōu)選的是，成型鋸絲在彎部的內(nèi)側(cè)彎曲部中具有表面下拉伸殘余應(yīng)力。本實用新型的基本工作原理在于:隨著彎部的最凸出部分即彎部的外側(cè)彎曲部在鋸切過程期間逐步磨損，在彎部的徑向外側(cè)彎曲部中的表面下拉伸殘余應(yīng)力隨著材料磨掉而消失。由于在彎部的內(nèi)側(cè)彎曲部中的表面下拉伸殘余應(yīng)力，在至少保持著彎曲程度的彎部處出現(xiàn)彎曲力矩，這導(dǎo)致明顯的形狀變差。它能夠補償由于鋼絲磨損、切口進入拉直作用和所施加的拉伸而引起的成型鋸絲在切割過程中的形狀變差。因此，鋼絲在鋸切期間的形狀保持，從而切割作用持續(xù)直到切斷。
[0019]顯然具有表面下拉伸殘余應(yīng)力的鋸絲具有這樣的有利性能。通常，如在本申請的【背景技術(shù)】部分中所驗證的一樣，殘余壓縮應(yīng)力或者至少低水平的拉伸殘余應(yīng)力對于鋸絲而言是優(yōu)選的。本 申請人:的價值在于通過完全相反的方式推翻了這種通常所給出的教導(dǎo)。
[0020]更優(yōu)選的是，在成型鋸絲的彎部的內(nèi)側(cè)彎曲部處的表面下拉伸殘余應(yīng)力至少為2000MPa。如果壓力小于2000MPa，隨著在鋸切期間在彎部處的外側(cè)彎曲部材料消耗，在彎部的內(nèi)側(cè)彎曲部處的應(yīng)力不夠足夠大以保持彎曲程度，這意味著成型鋸絲的形狀在切割過程中變差。同時，人們可以觀察到鋸切的切割性能將降低。
[0021]根據(jù)優(yōu)選實施方案，成型鋸絲自身具有在一個或多個平面中的軸線和波浪形狀，所述一個或多個平面包括所述軸線。對于在平面中的波浪形狀指的是這樣的形狀，其中彎部在連續(xù)的區(qū)段之間改變方向。波浪形狀具有基本上為之字形形狀。例如可以通過賦予鋼絲重復(fù)的卷曲即通過使得鋼絲卷曲來獲得波浪形形狀。
[0022]優(yōu)選的是，根據(jù)本實用新型的成型鋸絲具有在第一平面和第二平面中的波浪形狀，第二平面與第一平面不同。如圖1a所示的這種鋸絲10具有改進的磨料夾帶特性。實際上，卷曲給鋸絲提供了多個凹部，磨料可以停留在其中。
[0023]可選的是，所述成型鋸絲被構(gòu)造成所述一個或多個平面相對于包括有所述軸線的固定平面的角度沿著所述成型鋸絲的軸向長度變化。好像其中形成波浪形狀的所述一個或多個平面在沿著所述鋼絲的長度前進時圍繞著所述成型鋸絲的軸線轉(zhuǎn)動一樣。
[0024]優(yōu)選的是，所述一個或多個平面相對于包括所述軸線的固定平面的角度沿著所述鋸絲的軸向長度增大或減小。這例如可以通過使得鋼絲在已經(jīng)給它賦予在一個或多個平面中的波浪形狀之后圍繞著其自身軸線扭絞來獲得。
[0025]在一個平面中具有單個卷曲的這種成型鋸絲的一個可能實施方案在于，所述一個平面相對于包括所述成型鋸絲的軸線的固定平面具有逐漸增大角度，如圖1b所示該實施方案在沿著鋼絲的軸向長度看時看起來像“花”。
[0026]可選的是，在所述一個或多個平面之間相對于固定平面的角度在第一長度上交替增大，并且隨著沿著第二長度減小。就好像所述一個或多個平面首先在第一長度上沿著第一方向轉(zhuǎn)動，之后在第二長度上反向旋轉(zhuǎn)。因此例如這些平面沿著順時針方向轉(zhuǎn)動第一距離之后沿著鋼絲的長度沿著逆時針方向轉(zhuǎn)動第二距離。
[0027]根據(jù)另一個優(yōu)選實施方案，成型鋸絲自身具有圍繞著所述成型鋸絲的軸線的螺旋形狀，并且所述鋼絲的彎部徑向向外布置(在平面中沒有波浪變形)，即遠離螺旋形狀的對稱軸線布置。螺旋形狀為空間曲線，它在隨著移動轉(zhuǎn)動一定角度的情況下保持不變。螺旋線為特殊的螺旋形狀，它在隨著平移在任意轉(zhuǎn)動角度下都保持不變。
[0028]鋼絲優(yōu)選直徑為50至500 μ m，更優(yōu)選為80至150 μ m，同時通常的直徑為80、90、100、110、120、130、140 和 150 Um0
[0029]優(yōu)選的是，在上述實施方案中所指的所有形狀中，沿著成型鋸絲的軸線在彎部之間的距離為所述鋸絲自身的直徑“d”的10至100倍，這對于改善夾帶磨料的性能而言是有利的。與鋼絲的軸向運動結(jié)合，這導(dǎo)致在空間上彼此分開的彎部。如果在所述成型鋸絲的彎部之間沿著軸線的距離為鋸絲自身的直徑“d”的100倍以上，則卷曲為鋸絲提供了間隔太遠的凹部，從而導(dǎo)致不能將足夠的磨料拉入到切口中。另外，如果在所述成型鋸絲的彎部之間沿著軸線的距離為鋸絲自身的直徑“d”的10倍以下，則彎曲程度太大，并且鋼絲在使用期間將拉伸太多。更優(yōu)選的是，在所述成型鋸絲的彎部之間沿著軸線的距離為鋸絲自身的直徑“d”的25至50倍，例如為所述鋸絲的直徑“d”的30倍。
[0030]優(yōu)選的是，所述成型鋸絲具有外接直徑“D”，并且比例D/d為1.04至1.40。更優(yōu)選的是，比例D/d在1.05至1.20之間，例如1.10。比例D/d為用作生產(chǎn)控制的方便量度。它是鋼絲的視覺直徑(對應(yīng)于外接圓柱體的直徑)與鋼絲直徑的比例。D/d值太大例如高于
2.0是不好的，因為這樣所述成型鋼絲在低負載下實現(xiàn)太大的延伸，這對于在切割中的鋸弓形成是有害的。鋸弓顯示出太大的拱高，從而工件的側(cè)部已經(jīng)切割，而中間仍然沒有被切透。[0031]用于松散研磨鋸切的磨料顆粒為微砂粒型。這些顆粒通過篩分、氣選或水選分成不同粒徑等級。對于每種級別的最小尺寸、中間和最大尺寸存在不同的標準(FEPA、JIS和ANSI)。通常，用于磨料的“鋼絲鋸切”范圍通常被認為是FEPA500 (12.8 μ m)至600(9.3μπι)，或者JIS800 (14μπι)至JIS2000 (6.7μπι)。在括號之間的數(shù)字指的是中間粒徑。中間粒徑是一半顆粒都大于那個尺寸并且其它部分小于那個尺寸的尺寸。對于大跨度切割而言，優(yōu)選采用更大的粒徑例如FEPA360 (22.8μπι)至FEPA230 (53.Ομπι)。最優(yōu)選的是中間粒徑為29.2 μ m的FEPA320。
[0032]如果鋼絲的表面比鋼絲芯部更軟，則它有助于拉入磨料顆粒，但是因此不排除在鋼絲表面處的裸鋼或者這更不優(yōu)選。通過對鋼絲的表面進行處理可以獲得更柔軟的表面。例如，可以給鋼絲涂覆比鋼絲芯部更軟的涂層。合適的涂層為鐵或低碳鋼涂層、銅、鋅、鎳、鈷或錫涂層或者包括上述金屬中的兩種或更多種的合金涂層例如黃銅(銅鋅)或青銅(銅錫)涂層。
[0033]優(yōu)選的是，所述涂層還可以包括選自金剛石、立方氮化硼、碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化鎢或其混合物的磨料顆粒。通過將磨料顆粒粘附在鋼絲上，它們能夠沿著切口的長度更好的保持在鋼絲上。這樣，這些顆粒更好地送入到切口中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]現(xiàn)在將參照附圖對本實用新型進行更詳細的描述，其中:
[0035]圖1a顯示出本實用新型結(jié)構(gòu)化鋸絲的第一實施方案；
[0036]圖1b顯示出本實用新型結(jié)構(gòu)化鋸絲的第二實施方案；
[0037]圖1c顯示出本實用新型結(jié)構(gòu)化鋸絲的第三實施方案；
[0038]圖2a_2c顯示出根據(jù)本實用新型的成型鋸絲的總體工作原理；
[0039]圖3顯示出參考鋼絲和本實用新型鋼絲的切割性能。
【具體實施方式】
[0040]從筆直鋼絲中來獲得根據(jù)本實用新型的成型鋸絲。
[0041]筆直鋼絲如下生產(chǎn)出。初始制品為鋼絲。該鋼絲具有以下的鋼組分:0.65%的最小碳含量；0.40%至0.70%的鎂含量；0.15%至0.30%的硅含量；0.03%的最大硫含量；0.30%的最大磷含量，所有百分比都為重量百分比。用于高拉伸鋼絲的典型鋼絲組分具有大約
0.80wt%例如0.78-0.82wt%的最小碳含量。
[0042]在多個連續(xù)工序中拉拔鋼絲直到獲得所需的最終直徑和所需的殘余應(yīng)力。這些拉拔工序之間可以加入一個或多個熱處理例如退火處理工序。鋼絲的殘余應(yīng)力狀況會受到拉拔模具方案的影響。與前面道次相比在最終道次中采用較低的減徑率通常會導(dǎo)致更大的拉伸殘余應(yīng)力狀況。還有通過改變模具角度可以進一步增大拉伸殘余應(yīng)力(模具角度越大，則拉伸殘余應(yīng)力越大)。
[0043]用來檢測鋼絲的殘余應(yīng)力的傳統(tǒng)方法包括以下步驟:
[0044]切下大約85mm長的鋼絲樣品。這個樣品可以顯示出應(yīng)該沒有拉直的一些彎曲部分；
[0045]在由用軟化水稀釋至I升的16克(NH4) 2S208和120mLNH40H制成的酸洗溶液將鋼絲樣品酸洗10分鐘；
[0046]水洗30秒并且空氣干燥I分鐘；
[0047]使得一個端部彎曲并形成大約為90°的角度，從而形成70± Imm的尾部。該彎部應(yīng)該制成為在鋼絲樣品的平面中從由鋼絲樣品獲得的彎曲部分徑向向內(nèi)；
[0048]用琺瑯指甲涂料涂覆短的彎曲部分(15mm)并且空氣干燥I分鐘；
[0049]用琺瑯指甲涂料涂覆鋼絲表面的內(nèi)側(cè)面并且空氣干燥I分鐘。該鋼絲在橫截面中的圓周的大約一半應(yīng)該涂覆琺瑯涂料；
[0050]將樣品的形狀復(fù)制在紙張上；
[0051]根據(jù)下面公式的一段時間期間在溫度為50±2°C的蝕刻溶液中對該樣品進行蝕刻:
[0052]時間(秒)=186.7 X 鋼絲直徑(mm) -12.9
[0053]其中蝕刻溶液由一份HNO3和一份軟化水制成。鋼絲中的大約10%鋼絲直徑“d”的一層被從未被涂覆的部分上蝕刻去除。
[0054]水洗5秒然后空氣干燥I分鐘；
[0055]將經(jīng)蝕刻的樣品的彎曲部分精確放置在紙張副本上的原始位置上。拍攝另一張樣品照片作為參考。第二個副本顯示出在蝕刻之前和之后的形狀；
[0056]通過在其中央與段彎曲部分成一直線的彎部處畫相切圓來確定樣品在蝕刻之前的曲率半徑“ P J和蝕刻之后的曲率半徑“ P廣。當在蝕刻之后鋼絲尾部沿著短彎曲部分的方向彎曲時，在鋼絲外層中的殘余應(yīng)力實質(zhì)上是張力的。當在蝕刻之后鋼絲尾部彎曲離開短彎曲部分時，在鋼絲的外層中的殘余應(yīng)力實質(zhì)上是壓縮的。
[0057]當在本實用新型的鋼絲中在所使用的鋼絲上進行試驗時，在蝕刻之后的鋼絲采取了環(huán)形形狀。對于本申請而言用于估計表面下殘余應(yīng)力“ σ廣的近似公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種成型鋸絲，所述成型鋸絲包括具有多個彎部的鋼絲，所述彎部在連續(xù)的區(qū)段之間，其特征在于，所述鋼絲具有表面下拉伸殘余應(yīng)力以在鋸切期間保持所述成型鋸絲的形狀；所述鋼絲同時具有在軸向長度“L”上測量得到的長度“S”，(S-L)/L在百分之0.006至0.6之間。
2.如權(quán)利要求1所述的成型鋸絲，其特征在于，在所述區(qū)段中的表面下殘余應(yīng)力至少為 1500MPa。
3.如權(quán)利要求1所述的成型鋸絲，其特征在于，所述成型鋸絲在所述彎部的內(nèi)側(cè)彎曲部分上具有表面下拉伸殘余應(yīng)力。
4.如權(quán)利要求3所述的成型鋸絲，其特征在于，所述彎部的內(nèi)側(cè)彎曲部分上的表面下拉伸殘余應(yīng)力至少為2000MPa。
5.如權(quán)利要求1所述的成型鋸絲，其特征在于，所述成型鋸絲具有軸線，并且其中所述鋼絲在一個或多個平面中具有波浪形狀，所述一個或多個平面包括所述軸線。
6.如權(quán)利要求5所述的成型鋸絲，其特征在于，所述鋼絲在第一平面和第二平面中具有波浪形狀，所述第二平面與所述第一平面不同。
7.如權(quán)利要求5所述的成型鋸絲，其特征在于，所述一個或多個平面相對于包括所述軸線的固定平面的角度沿著所述鋸絲的軸向長度變化。
8.如權(quán)利要求7所述的成型鋸絲，其特征在于，所述角度沿著所述鋸絲的軸向長度增大或減小。
9.如權(quán)利要求1所述的成型鋸絲，其特征在于，所述鋼絲具有圍繞著所述成型鋸絲的軸線的螺旋形狀，并且其中所述鋼絲的彎部設(shè)置成徑向向外。
10.如權(quán)利要求5至9中任一項所述的成型鋸絲，其特征在于，沿著所述軸線在所述彎部之間的距離為所述鋼絲的直徑“d”的10至100倍。
11.如權(quán)利要求10所述的成型鋸絲，其特征在于，所述成型鋸絲具有外接直徑“D”，并且其中比例D/d在1.04至1.40之間。
12.如權(quán)利要求1至9中任一項所述的成型鋸絲，其特征在于，所述鋼絲的表面為裸鋼。
13.如權(quán)利要求1至9中任一項所述的成型鋸絲，其特征在于，所述鋼絲的表面涂覆有選自銅、鋅、錫、鎳、鈷或其合金中的一個的涂層。
【文檔編號】B23D61/18GK203679432SQ201320549206
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月7日
【發(fā)明者】W·范弗倫, 王飛, 胡志昆, 黃文現(xiàn) 申請人:貝卡爾特公司