CN102137735A - 线切割系统 - Google Patents

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CN102137735A CN2009801338807A CN200980133880A CN102137735A CN 102137735 A CN102137735 A CN 102137735A CN 2009801338807 A CN2009801338807 A CN 2009801338807A CN 200980133880 A CN200980133880 A CN 200980133880A CN 102137735 A CN102137735 A CN 102137735A
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L·A·格林斯柯
D·格拉罕姆
E·L·拉姆波特
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Abstract

一种线切割系统以及用于使用它的方法包括以下特征中的一个或多个：与操纵线相关的安排和/或操作；与线的张紧相关的装置和方法；用于操控工件的设备和技术；设计为用于冷却和移除切屑(碎片)的安排和/或操作；可以与这些特征结合使用的控制和/或自动操作。

Description

线切割系统
相关申请
本申请根据35USC 119(e)要求于2008年7月11日提交的美国临时申请号61/079,928的权益，该申请通过引用全文结合在此。
发明背景
对于从硬脆晶体和陶瓷的块料或锭料上切割出高质量的超薄晶片的需求持续地挑战着切削机器和磨料制造商们。这些晶片传统上是使用松散金刚石磨料进行环形(圆形)锯切或多线切割(MWS)。
常规的从晶体块料上切割薄晶片的方法具有一些缺点。通过环形锯切(也称为“ID锯切”)，晶片从工件上单独地切下。尽管ID切割晶片的质量较好，但是这种一次一片的切割方法带来了较长的机器加工时间和较低的生产率。此外，能够用ID锯切来处理的工件的尺寸是有限制的。
由于这些原因和其他的原因，在电子工业中生产这些晶片时使用更多的方法是具有磨料浆料的裸线MWS。尽管MWS的切割宽度能够低至140-200微米，但是这种方法也提出了挑战。例如，松散的磨料很快会变钝并且减慢材料移除的速率，所以必须在整个加工期间小心地处理磨料浆料，以确保颗粒的锋利度和浓度一致性。使松散的磨料浆料均匀地进入较长或较深的切缝(超过400mm或16in.)中提出额外的问题。并且因为浆料经常被当作垃圾来处理，所以处置或回收增加了总的制造成本。最后，这种方法总体上实现了较慢的材料移除速率，尤其是在硬质材料的切割过程中，在该过程中松散的磨料易于磨损在硬质工件前部的相对较软的钢线。
正在越来越多地使用在单线或多线机器设置中的固着的磨料线切技术来生产晶片。虽然涂覆磨料的线材提供了超过传统方法的许多优点，但是对于切割安排和操作还是存在一种需要，这些切割安排和操作能够发挥固着磨料线技术优势的以便改进切削的质量并提供更宽范围的切削几何形状。此外对于切割机器或其部件同样继续存在一种需求，它们能够提供增大的多样性、降低的断线概率、改进的工件处理能力、增大的速度、增大的过程控制、等等。
发明概述
在许多实施方案中，本发明涉及采用了线切的切割操作。在优选实现方式中，使用固着磨料(例如，金刚石)线进行这些切割操作。在此说明的特征和技术可以被单独使用或以任何组合来使用。在本发明的某些实施方案中，作为举例，这些特征和/或技术中的一个或多个被结合在一种线切割系统或机器中。至少某些在此说明的特征和技术也可以与一种线切割系统或机器的多个实现方式之外的设备结合使用。
本发明的几个方面涉及低挠度及低扭曲应力的绕线以及线操纵。在一个实施方案中，用于固着磨料线切割操作的一个线操纵组件包括一个或多个线卷轴、线导向器以及线张紧器，其中由所述线卷轴、线导向器以及线张紧器所限定的一条走线路径是实质上平面的。在另一个实施方案中，用于固着磨料线切割操作的一个线操纵组件包括一个或多个接触元件，这些接触元件中的至少一个具有大于100毫米(mm)的线接触直径。在另一个实施方案中，一个固着磨料的线切割系统包括一个实质上平面的走线路径。在又一个实施方案中，一个固着磨料的线切割系统包括一个大直径的走线路径。
本发明的其他方面涉及多种双鼓式安排，例如单层双鼓式绕线和其他双鼓式安排。在一个实施方案中，一个固着磨料线系统包括一个单层的双鼓式绕线组件，该绕线组件具有一个第一辊以及一个第二辊。这些辊被操作性地彼此连接，其中这些辊之一连接到一台电动机上。在另一个实施方案中，一个固着线磨料系统包括一个双鼓式组件，该组件用于控制在两个鼓上的线间距。该组件具有一个第一辊以及一个第二辊，这些辊被操作性地彼此连接；该第一辊与第二辊中的至少一个被连接到一台电动机上。另一个实施方案包括一个鼓式绕线安排，其中一个双鼓系统中的每一个鼓都连接到一台伺服电动机上。在又一个实施方案中，一种用于在一个固着磨料的线切割操作中把线提供给一个切削区域的方法包括在两个鼓之间来回移动该固着磨料线，其中间距是在两个鼓中进行控制的。在另一个实施方案中，一种用于在固着磨料的线切割操作中把线提供给一个切削区域的方法包括转动一个第一辊，其中该第一辊被操作性地连接到一个第二辊上，以便在所述辊上绕线。
本发明的另外的方面涉及一个恒力线弯曲传感器。在一个实施方案中，一种用于在线切割操作的过程中监测或控制线弯曲角的方法包括：对于由一条切割线与一个工件之间的接触所引起的一个弯曲角选择一个设定值；并且在线切割操作的过程中检测一个实际的弯曲角，以便确定该实际的弯曲角是否达到所述的设定值。在另一个实施方案中，用于监测或控制与一个工件接触的一个切割线的一个弯曲角的系统包括一个探测器，该探测器用于感测在该切割区域处一个跟踪线的弯曲角的装置的移动。
本发明的另外方面涉及多种薄形状和/或复杂几何轮廓的曲线切割。在一个实施方案中，用于在一个工件上产生一个曲线切口的过程包括在线切割操作的过程中控制一个第一轴线和一个第二轴线，同时在线穿过该工件进给时对该第一轴线进行插值。在另一个实施方案中，一个固着磨料的线切割系统包括用于对应地控制一个第一轴线和一个第二轴线的多个线性台架，以及一个台面，该台面用于在切割操作的过程中转动一个工件。
本发明的另外的其他方面涉及线切割的工件摇摆和转动系统。在一个实施方案中，用于切削一个工件的过程包括在该工件正被进给到一条固着磨料线之中时使该工件摇摆。在另一个实施方案中，用于一个固着磨料的线切割系统的一个组件包括一个第一线性台架以及安装在一个第二线性台架上的一个转动台架，其中该第一线性台架不同于该第二线性台架。
本发明的优选方面涉及一种固着磨料的线切割系统，该系统包括以下各项中的一个或多个：a)一个实质上平面的走线路径，该走线路径用于将一个固着磨料线传送到一个切削区域；b)一个接触元件，该接触元件具有大于100mm的线接触直径；c)一个单层的双鼓式绕线组件，该绕线组件包括多个机械连接的辊，所述辊之一被连接到一个电动机上；d)一个用于监测与一个工件相接触的切割线的一个弯曲角的系统，其中该用于监测该弯曲角的系统包括探测器，该探测器用于感测在该切割区域处一个跟踪线的弯曲的装置的移动；以及e)一个组件，该组件包括一个第一线性台架以及安装在一个第二线性台架上的一个转动台架，其中该第二线性台架不同于该第一线性台架。
在此说明的切割系统、子系统以及操作特别适用于切片或切料操作，并且可以用来切削陶瓷，特别是硬且脆的陶瓷、金属、有机物以及其他工件。与现有切片机器相比，本发明的具体实现方式可以提供快速的切削速率以及高质量的切削。例如，根据本发明的优选实施方案的一种固着金刚石磨料的线切片机器可以达到15m/s的走线速度和高达50N的张力范围。
有利地，本发明的多个实现方式提供了对工件的独特操纵，这种操纵允许切割过程的多样性。一块锭料在切割过程中可以上下移动、前后移动、旋转或摇摆。通过实施本发明的多个方面，可以沿着曲线切口或以复杂的几何形状切割晶片。与本发明的某些实现方式有关的其他益处包括在整个切削过程中使线接触长度恒定、使每个砂砾的受力最大化以及增加线相对于工件的接触速度。
着手解决线操纵以及与鼓的安排、线导向器和张紧器有关的特征的本发明的多个实施方案可以减小由线磨损引起的线损坏或使其最小化和/或可以防止断线和生产中断或使其最小化。切割中的优势还通过利用一个恒力线弯曲传感器系统来获得。本发明的多个实现方式也可以得益于集束射流冷却技术，并且本发明的两个或多个实施方案同时的实现方式与现有平台相比具有显著的优点。
附图简要说明
在附图中，贯穿不同视图的相同的参考符号指代相同的部分。这些图不一定是按比例绘制的；重点是说明本发明的原则。在附图中：
图1A和1B是根据本发明的一个实施方案配置的线导向器和线张紧器的一种固定平面安排的视图。
图2A和2B是根据本发明的一个实施方案的多个大接触直径的线导向器的视图。
图3是根据本发明的一个实现方式的大直径的线导向器的视图。
图4是根据本发明的一个实施方案的大接触直径的绕线装置的视图。
图5是根据本发明的一个实施方案的一个单层的双鼓式绕线组件的视图。
图6A、6B和6C是根据本发明的一个实施方案的用于将这些辊固定在一个单层的双鼓式绕线组件上的定时带和装置的近距离视图。
图7是根据本发明的一个实施方案的一个单层双鼓式绕线组件的视图。
图8是图7所示的单层双鼓式绕线组件的一部分的视图。
图9A是根据本发明的一个实施方案安装在一个线性台架上的一个单层双鼓式绕线组件的视图。
图9B是不同的线性台架和主轴的图示，这些线性台架和主轴用于根据本发明的一个实施方案的一个单层双鼓式绕线组件和工件的安排。
图10和11是根据本发明的一个实施方案的可以用在线恒力传感器系统中的一个球轴承辊的视图。
图12是一个恒力传感器系统的实施方案的分解视图，该系统包括如图10和11所示的一个球轴承辊。
图13是根据本发明的一台线切割机器上的一个三轴定位系统的视图。
图14是展示了根据本发明的一个实施方案的曲线切割的图示。
图15是展示了根据本发明的一个实施方案的复杂几何轮廓的图示。
图16是根据本发明的一个实施方案的一个锭料整体移动和进给组件的三维图像。
图17是可以用在本发明的一个实施方案中的具有伸出式工件保持工具的一个旋转台的视图。
图18是可以在一个转动台架(例如图17所示的旋转台)上摇摆的一个安装工件的视图。
图19是(1)线性进给切削；(2)旋转和进给切削；以及(3)摇摆和进给切削的图示。
图20是根据本发明的多个实施方案的、组装在一个3D虚拟空间中的几个部件的三维图像。
图21和22是根据本发明的多个实施方案的一个磨料线切割系统的视图。
优选实施方案的详细说明
包括多个部件的构造及组合细节的本发明的以上和其他特征，以及其他优点，将会参照附图更加具体地进行说明，并且在权利要求书中指出。应理解的是体现了本发明的具体方法和装置通过说明的方式示出，而不作为对本发明的限制。本发明的原理和特征可在不脱离本发明的范围的前提下用于不同的和众多的实施方案中。
本发明总体上涉及可以在线锯切(也被称作线切割操作)过程中使用的设备和过程。
线切割总体上是用来切削或成形一个工件，并且包括用至少一条线来接触该工件。在许多实现方式中，该线是一条固着磨料线，其中磨料颗粒或砂砾被粘合在一个芯上，该芯的材质例如是不锈钢、其他合适的金属、等等。在许多实现方式中，这些磨料颗粒是超硬磨料，包括(例如)天然的或合成的金刚石或立方氮化硼(CBN)。粘合可以通过钎焊、电镀或其他合适的过程来实现，这些过程用来将磨料材料固定到芯上。在本发明的许多实施方案中，特别优选的是圣戈班磨料磨具公司的Winter金刚石线。典型地，这些金刚石线的可用直径的范围是从大约150μm的芯上的180微米(μm)至300μm的芯上的430μm。可以采用其他的磨料涂覆的线，也可以采用其他合适的直径。本发明的多个方面也可以利用裸线，例如与磨料浆料结合在一起的裸线，或者其他类型的线。
在许多情况下，线是卷绕在一个卷轴或卷盘上。许多类型的线卷轴是可商购的，并且线也可以按定制的安排来提供。
在多个具体实施方案中，本发明涉及一种线切割或线锯切系统，在此也称作一台线切割或线锯切机器。线切割机器可以设计为着力解决从简单操作(如切削不常用的工件)到工业规模制造过程或复杂机器加工的多种需要。在此特别有益的是适合于加工硬脆晶体和陶瓷的切割系统，例如用来加工用于微电子、光电子、光电及其他行业的晶片的系统。可加工的具体材料包括(例如)石榴石((SiO4)3)、蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)、钇金属石榴石(YAG)、氮化镓(GaNi)、氮化铝镓(AlGaN)、砷化镓(GaAs)、砷化铟镓(InGaAs)、氮化铟镓(InGaN)、锗等等。
在此披露的线切割系统可以用来加工多种工件，这些工件是具有圆形或正方形截面的锭料，以及具有球形、多边形(例如正方形)、不规则形状或其他形状的工件。该系统可以适配用于单线和多线操作二者，其中工件(例如锭料)是被一条单线切割。
该系统还可以用在多线安排中，其中工件被一个线网锯切，以便在一个步骤中(并且优选同时地)生产多个切片，例如晶片。在此使用时，“多(multi)”和“多个(plurality)”是指多于一个元件。切割锭料以生产晶片也称为“切晶片(wafering)”。在许多类型的多线锯切的操作过程中，一条全新的单线从一个供应卷轴引导到多个导向辊上，这些导向辊开有恒定间距的槽，并且可以使用两个或更多(例如四个)辊的安排来创建一个线网。一个输出或卷带轴收集使用过的线。线是以一种来回往复的方式缠绕在两个辊之间。
在不同的实现方式中，在此披露的线切割系统着手解决以下问题中的一个或多个：涉及将切割工具(例如金刚石线)引导到切削位置或区域并从该位置或区域引回的安排和/或操作；涉及线张紧的装置和方法；用于处理工件的设备和技术；设计为用于冷却和移除切屑(碎片)的安排和/或操作；可以实施的控制和/或自动化操作；等等。这些问题将依次讨论。
本发明的几个方面涉及用来操纵线，优选为操纵固着磨料线的多种组件和技术。
现有的固着磨料线切割机使用复杂的卷轴、线导向器和线张紧器，这些装置典型地在一个三维路径上移动这条线，这通常会带来线的弯曲和扭曲应力，这种应力可能因为线的折断而打断生产和降低线的使用寿命。
与现有设计相关的这些扭曲应力和其他的问题通过在此说明的平面安排和/或低弯曲半径线导向器和卷轴来解决。
在一个实施方案中，这种安排提供了一条共面的或基本共面的动态走线路径。在此使用的术语“走线路径”或“走线通路”是指线在两个绕线鼓与切削区域之间经过的线路。典型地，线经过的路径包含多个线接触元件，这些元件是诸如线卷轴、线导向器或线张紧器等等的装置，这些装置引导线沿其路径运动。图1A和1B所示的(例如)是组件10，该组件提供用来切割锭料14的磨料线长度12。为了将全新的线给入切割区域，并且为了移除使用过的线，组件10包括了装置16、18、20和22，装置16和22用作线张力轮或线张紧器，装置18、19和20用作线导向器。线是从一个绕线装置提供的，绕线装置例如单层双鼓式绕线组件24(下文将进一步说明)，该组件包括辊26和28。还可以使用常规的绕线装置。如图1A和1B所示，由辊26，线导向器18、19、20，线张紧器16、22以及辊28所形成的走线路径是一个平面或基本上是一个平面。在此说明的线和绕线部件的安排减小了或最小化了扭曲和弯曲应力。
在其他实施方案中，通过提供一个(优选为多个)具有相对较大接触直径的线接触元件来着力解决潜在的扭曲应力的问题，此类线接触元件例如线导向器、卷轴、线张紧器等等。这些线接触元件的接触直径至少是100毫米(mm)，例如大于约100mm，优选为大于约200mm，更优选为大于约300mm。不包含直径小于约100mm线接触元件的走线路径或通路在此称为“大直径”路径或通路。
在多个具体实例中，线导向器或线张紧器的接触直径范围从约100mm至约400mm；绕线装置的接触直径范围从约150mm至约400mm。例如，在固着磨料线切割机器中使用的线导向器、张紧器以及绕线鼓的直径对应地可以是125和150毫米(mm)。
相比之下，典型地用于现有固着磨料线切割机器中的线导向器和绕线鼓对应地具有50mm和50mm的接触直径。
在图2A和2B中示出了一个大接触直径线导向器和线沿着该线导向器行进的视图。图3是线导向装置30的视图，包括与凸缘34一起安装在杆36上的线导向器32。线导向装置30可以具有用于将该装置固定在一个支撑件(例如机器壁)上的装置38。图4是单层双鼓式绕线组件24的视图。
在多个优选安排中，一个平面走线路径组件(例如图1A和1B所示)使用相对较大接触直径的线导向器和绕线装置，例如在图2A、2B、3和/或4中所示的装置。
在(例如上述的固定平面安排的)一种安排中以及在许多常规安排中的线操纵典型地包括线的缠绕。然而，线-线磨损是现有固着磨料线切割机器中绕线装置的一个共同问题，该问题引起了持续的损坏并且可能减小磨料线的使用寿命。
为了着力解决线-线磨损以及其他问题，一个单层双鼓式绕线组件包括了多于一个的连接在一起的辊。在多个优选实现方式中，两个辊通过一个定时带彼此机械地连接，该定时带确保这两个辊在固定旋转时一起旋转。图5显示了一个说明性的单层双鼓式绕线组件，而图6A、6B、6C给出了用于将这些辊固定在一个框架上的定时带和装置的近距离视图。
图7和8所示的是单层双鼓式绕线组件24，该组件包括通过定时带40连接在一起的鼓26和28。鼓24和26可以由铝或其他合适的材料制成，并且优选地具有一个中空的芯。为了改进牵引并且减小或最小化表面磨损，一个或两个鼓可以涂覆氨基甲酸乙酯或其他合适的涂层或膜。线可以通过简单的双套结以及少数几圈旋转摩擦，或者通过其他合适的技术固定到绕线鼓上。
鼓24和26对应地安装在轴42和44上，这些轴优选地通过(例如)带座球轴承48和50固定到支架46上。
在多个具体实例中，轴42和44配备有定时带所用的定时链轮，其中一个轴(例如轴44)通过一个伺服弹性连接器或其他合适的装置连接到安装在轴44上的伺服电动机52上。
在多个具体实现方式中(例如图9A所示)，单层双鼓式绕线组件24安装在线性台架60上，线性台架例如是允许鼓26和28沿箭头所示向前和向后移动的一个高精度线性台架。反过来，线性台架60优选地安装到线切割机器的底座上，其安装位置在(例如)图1A和1B中可见的线导向器之上。在图9B中更详细地示出了这些轴线以及与工件(例如工件180)的关系。
优选地，该线性台架也用伺服电动机来驱动，该伺服电动机电子地传动到该绕线鼓驱动伺服。电子传动比可以由软件修改，以便照顾到不同的线厚度。
在运行过程中，当一个辊被电动机驱动时，另一个辊由于定时带的作用而以相同的方向和速度移动，单层双鼓式绕线组件把线以一个单层卷绕到卷轴上。这种操作是这样来实现的，即在绕线过程中移动鼓的方式为使该组件对于鼓的每一转行进一个线宽度。在多个优选实现方式中，鼓仅移动一次，以便用一单层线绕满整个长度。在其他实施方案中，卷轴在它们的长度上承载了多于一层的线。这种承载可以认为是与一种钓鱼竿卷盘有些类似，该卷盘在线加载时来回快速摇摆，以确保该卷盘上有均匀的一层线。另外的实施方案包括一种鼓的安排，其中在两个鼓上都控制间距。
另外的实施方案利用一种双伺服电动机安排，每个电动机独立地连接到一个绕线鼓上。除了驱动线之外，这种安排可以保持在从动鼓上的张力，由此在一个气动系统中提供了改善的张力控制。
在线切割操作的过程中，其中一个工件(如锭料)沿(例如)向上的方向给入线切区域内，该工件压在线上，并且在线上张力不足时把线向前移动。为了对抗这种移动，这条线在该工件上施加一个相等且相反的力，从而实现切割。
当锭料或其他工件通过(例如)电动机械系统(例如，包括计算机控制的线性台架)向上进给时，一个反馈系统可以确保该工件是以适当的速度进给。否则，如果锭料进给得太快，切削速率可能变得小于进给速率，线可能断裂，这限制了该线的有用性并致使制造过程中断。
以下说明的实施方案通过限制线的弯曲角以便实现恒力状态来着力解决这些潜在的线断裂以及其他问题，由此控制切割操作，并且借此减少或消除以上说明的断线现象。
在一个实现方式中，一个恒力线弯曲传感器设计为围绕一个线跟踪装置，该线跟踪装置可以是一个球轴承辊，优选为相对较小尺寸的球轴承辊。在多个具体实例中，该辊位于切口之上，这样，如果线或线区域与该工件一起向上推，那么该辊随之沿相同的方向移动。
多种感测和/或探测技术可以用来监测该球轴承辊的移动。在一个优选实现方式中，该辊可以固定到一个枢轴臂上，该枢轴臂围绕一个支点转动。该臂的相反端延伸并终止为一个小机械标识，该机械标识与枢轴臂一起上下移动。该标识可以用来打断一个光电光栅传感器的光束。在多个具体实例中，传感器的位置被控制为使得光束打断点可以改变，这允许了设置不同的能够触发传感器的线最大弯曲角，这种设置还意味着在线上设定不同的恒力。这种方法可以用来指示线上的最大力。在另外多个实现方式中，该传感器通过系统的可编程序逻辑控制器(PLC)连接到一个反馈回路上，并且用来在切削速率小于工件进给速率时停止工件的进给。在多个优选实现方式中，这产生了一个平衡点，在该平衡点上该工件仅进给到使最大角度传感器不致中断的一个点。
图10和11中示出了一个线恒力传感器系统(如上述系统)的视图，图12中提供了一个分解视图。该系统包括辊80，如以上讨论的一个小的球轴承辊，该辊直接座于线82的顶部，如(例如)图10中的图像所见。如图12中所见，枢轴臂84的支点86可以使用(例如)六角螺母90和合适的垫片、隔离件以及其他现有技术中已知的固定装置附接到支撑件88上。支撑件88还容纳传感器92，该传感器可以具有元件96和98，用于探测枢轴臂86的突出部94。可以通过旋钮100(例如支撑板102上的一个翼型螺钉)来调整传感器92的位置。进而，板102可以通过螺钉或其他合适的装置安装在支撑件88上。
在此说明的恒力感测技术也可以用在工件向下移动的安排中。对于向下进给的切割，该恒力传感器被修改为容纳线弯曲跟踪辊，该辊在线下移动，以考虑负弯曲。
利用固着金刚石的线(例如以上所述)来进行的线锯切可以用来生产除了典型切片过程中获得的扁平切片以外的形状。在某些方面，本发明涉及薄壳形状和/或复杂几何轮廓的曲线切割。
在一个实现方式中，切割操作利用线锯上的多轴移动来加工一个曲线切割轮廓并产生弧形晶片。在另一个实现方式中，工件在上述曲线切割过程中转动，以便在线内磨工件内材料时获得一个复杂的形状，例如一个圆拱。
在使用(例如)固着金刚石磨料线切割装置的复杂曲线切割过程中，通过在切削操作过程中控制X轴和Z轴两者，线锯上的多轴移动可以产生弧形的晶片。在穿过该工件送入这条线时，X轴可以同时进行插值，以便在该部件内产生一个弯曲部分。如果在曲线移动过程中工件也被转动，那么可以实现一个复杂的形状。
作为举例，在图13中示出了在一个线切割组件上的X轴和Z轴的位置以及工件的转动。工件可以使用一种合适的介质(例如热蜡)或一种合适的粘附材料安装在杆120上。杆120固定或作为转动台122的一部分。如图13中可见，转动台122可以通过机构130和132对应地在x方向和z方向上移动。线性台架或其他安排可以用来提供沿着X和/或Z和/或转动轴线的移动。
图14中所示的是一个切削路径，在切割一个工件的过程中通过在此过程中的X轴和Z轴进行插值的控制可以跟随这个切削路径。该切削路径可以具有由机器插值能力所允许的任何曲线形状。
同样在图14中示出的是一个示例性的弧形晶片，该晶片可以使用在此说明的插值技术来生产。
通过同样使工件转动可以形成一个复杂的形状，例如根据图15中所示的示例性圆拱形状所做的说明。说明性的转动速度可以在大约每分钟1转(RPM)至大约200RPM的范围之内。
尽管在此说明的薄壳和复杂几何轮廓的曲线切割在磨料线锯切操作中特别具有吸引力，这些技术还可以用在军事应用中，如雷达天线罩或观察系统。曲线的观察玻璃可以具有广泛的应用，如，进入刺眼环境中的弧形观察窗。弧形的蓝宝石晶片以其优雅的抗刮伤晶体而可以用在高端手表应用中。
在常规的线锯切机器中，摇摆是通过摇摆线导向器组件来产生的。相比之下，本发明的另外的实施方案涉及在线切割操作的过程中摇摆和转动工件(例如锭料)。所用组件可以容易地做成与上述的曲线切割和复杂几何轮廓成形中使用的组件相同或类似。在多个优选实现方式中，该组件使用一个电动机械转动台架。
在图16中示出的是整套锭料移动和进给组件160的三维图像，包括两个线性台架162、164以及一个转动台架(例如转动台122)，该转动台架安装在垂直台架162上。使用电动机械转动台架允许工件安装杆(例如杆120)摇摆和转动。对于全周转动，杆120可以被能够将工件保持在悬臂安排的其他工具(如中心型固定装置)代替。
图17中所示的是转动台122的图像，该转动台具有突出杆120，该突出杆可以用来使用(例如)热蜡、粘附剂或另外的合适的介质来固定一个工件。在操作过程中，整个突出工具杆给入线中，在此说明的实施方案允许工件在被给入时摇摆或者转动360度，这减小了切割接触长度并且由此增加每个砂砾上的力。
图18中示出的是一个已安装的工件(例如锭料180)，该工件正在转动台架(例如以上说明的转动台120)上被摇摆。
在多个具体实现方式中，该转动台架由一台步进电动机驱动，一个步进电动机控制器优选为允许灵活多样的复杂转动路径编程，包括加速度和转动速度编程。具有足够扭矩以顾及切割过程中出现的力的一台步进电动机是优选的。
图19示出的是用于比较(1)线性进给切削，(2)转动和进给切削以及(3)摇摆和进给切削的图示。参见图示3(摇摆和进给切削)，变角度摇摆可以通过编制这样一个程序来实现，即转动轴线从300度开始转动，随着锭料穿过该部分而减小摇摆角度，在切削结束时摇摆角度变为0度。
对于高达100转每分钟(RPM)的速度和/或对于具有相同转动速度的全周360度转动，在此说明的方法允许任何摇摆角度。
在此说明的加工能力的优点包括在整个切削加工期间使线的接触长度相等，以及使每个砂砾上的力最大化。摇摆过程可以认为与锯木料时手持锯前后摇摆以加速切削的过程类似。如果转动速度充分增加，工件的转动也可以增加每个砂砾上的力，并增加线相对于工件的接触速度。
在多个另外的实施方案中，本发明用于一种磨料线切割系统或机器，该系统或机器包括以上说明的一个或多个特征和/或技术。在多个具体实现方式中，该系统包括以下的方面的至少一个并且优选地多于一个：低弯曲的绕线；单层双鼓式绕线组件单层绕线；恒力线弯曲传感器；薄壳曲线切割和/或复杂几何成形的能力；工件摇摆和转动以及高张力和高线速度。多个优选实现方式同时结合了所有这些特征。
图20、21和22示出了该线切割系统的多个具体实例。例如，图20示出的是组装在一个3D虚拟空间中的几个设计部件的三维图像。图21和22是一个系统的视图，该系统包括当(例如)门盖打开时可见的多个线导向器、多个绕线辊、多个线张紧器。
在此披露的系统优选地利用如以上说明的金刚石线，并且在半导体工业中(例如在切晶片过程中)切割硬质陶瓷时是特别有用的。在某些实现方式中，在此披露的系统具有可以在单线与多线切割之间互换的工具。也可以提供具有不同间距和槽数量的工具。
该系统优选地利用一个绕线系统，该绕线系统被修改为考虑更大的单层绕线长度。同样，以上说明的定时带的绕线鼓驱动安排可以修改为使用双伺服系统，其中一个伺服系统作为驱动电动机而另一个停止，由此去掉分开的张紧系统，并且允许卷轴上的绕线OD的变化。当线的方向被反转时，例如在向前切割和向后切割之间反转时，伺服系统在驱动与停止之间转换。
在许多情况下，工件向上移动进入这个或这些线中。该系统也可以设计为工件向下进给入这个或这些线中，从而允许有效的切屑移除。对于向下进给的切割，该恒力传感器被修改为容纳跟踪线弯曲的跟踪辊，该辊在线下移动，以便考虑负弯曲的情况。
不管工件的进给方向如何，本发明的多个优选实现方式允许工件在切割过程中上下移动、前后移动、转动和/或摇摆。提供了一个恒力系统用于更好地控制切削过程。
该系统可以设计为对于使用恒力以及恒定进给程序的切割具有多种功能。恒定进给程序可编程为可变的进给速率，这种可变的进给速率可以随着切削深度或度过时间而变化。
可以加入一个或多个计算机程序以渐增地推进线的前进，从而随着时间的过去而暴露新的线，以便确保恒定的切口和一致的线锋利度。这种能力可以用在一个程序内，在该程序中线的使用被逐步地向前推进以便在切削过程中暴露新的线。如果线的长度是非常的长并且一个连续的切割模式是必需的(如在一个生产环境中)，这可以是特别有利的。
该系统优选地整合了切割区域的冷却。在多个优选实例中，冷却流体是通过集束射流喷嘴技术输送的，例如在2003年12月30日提交的美国专利号6,669,118 B2与2006年8月8日提交的美国专利号7,086,930 B2中所说明的，这两个专利都是颁给Webster的，都具有Coherent Jet Nozzles for Grinding Applications的标题，这两个专利的传授内容均通过引用以其全文结合在此。
例如，可以通过一个喷嘴组件输送冷却流体，该喷嘴组件包括：一个增压室；一个可移除地固定在所述增压室的一个下游侧面上的模块式前板；安排为传送流体经过所述模块式前板的至少一个集束射流喷嘴；该集束射流喷嘴具有一个最接近的端部分，该最接近的端部分具有一个下游轴线以及一个横向尺寸D；一个远端部分；该远端部分在下游方向上减小横向尺寸；该远端部分在一个出口处终止，该出口具有一个横向尺寸d；其中比值D∶d至少是大约2∶1；以及安排在所述增压室内的一个调节器。在其他安排中，该喷嘴组件包括：一个增压室；可移除地固定在所述增压室的一个下游侧面上的一个模块卡；安排在所述卡内的用于经过其从所述增压室传送流体的至少一个集束射流喷嘴；该至少一个集束射流喷嘴被构造为产生一个喷射，该喷射在距离该喷嘴的大约30.5cm的距离上横向尺寸增加不多于约4倍；以及安排在所述增压室内的一个调节器。在另外的安排中，该喷嘴组件包括：用于提供一个增压室的装置；用于产生一个喷射的喷嘴装置，该喷射在大约30.5cm的距离上横向尺寸增加不多于约4倍；用于可移除地将该喷嘴装置偶连在所述增压室装置的一个下游侧面上的装置；以及安排在所述增压室内用于调节流体的装置。
在多个优选实施方案中，冷却是通过用于输送一个集束射流的研磨冷却剂的方法提供的，该方法包括：a)确定用于研磨操作的冷却剂的希望流速；b)确定产生一个冷却剂喷射速度所要求的冷却剂压力，例如，在该冷却剂流速下大致等于圆周线速度；c)确定能够实现该冷却剂喷射速度的一个喷嘴的排出面积；并且d)提供一个喷嘴组件用于以该冷却剂喷射速度输送一个集束射流的研磨冷却剂，其中该喷嘴组件包括一个增压装置以及至少一个喷嘴，该喷嘴包括一个轴线、具有一个最大直径D的一个最接近的端、以及具有直径d的纵向截面的包含喷嘴的排出面积的一个最远端部分；该远端具有以相对于该轴线至少30度角安排的一个表面；并且该喷嘴的特征为至少约2∶1的D∶d之比。
可以采用其他合适的冷却安排。
该系统还可以具有允许进一步的过程控制的软件性能。这包括通过连续地监测来自驱动伺服器以及来自用来控制线的张力的数字控制比例阀的功率来检测早期的断线。通过监测线的张力和伸长，可以检测潜在的断线情况，并且可以指示机器停止切削并且从切口中退出。
一个数字反馈系统可以用作这种恒力传感器。如以上所述的，一个机器配备有一个传感器，该传感器检测切削过程中的最大力的情况并且指示进给机构暂停，直到切割速率使线松弛，这样该传感器失效。执行在切割过程中将线的弯曲转换成一个最大切削力的原理的这种方法可以进一步完善或修改，以便连续地监测弯曲角，而不仅仅是最大值。这种修改将允许复杂的过程控制以及切割穿过锭料的可变的力。在以一个变化的线接触长度穿过切削轮廓来切割物体时，一个可变力程序可能是有利的。圆形的锭料把这种情况表现为接触长度从0变化至穿过切口的部分的OD。
有利地，在此披露的系统可以结合工件的独特操纵，这种操纵允许切割过程中的多样性。一个锭料可以在切割过程中被上下移动、前后移动以及旋转或摇摆。如以上说明的，一种独特线的操纵和绕线的方法使线的弯曲量最小化并且消除了与断线有关联的线的重叠。
在此说明的系统的多个实例可以达到15m/s的线速度并且可以具有高达50N的张力范围。当与现有的磨料线切割机器相比时，该系统的具体实现方式可以提供更快速的切削速率以及改进质量的切削。
在以下表1中给出了一个展示性的固着磨料的线切割机器的详细说明。
表1
Figure BPA00001325013100151
虽然已参考本发明的优选实施方案具体示出并描述了本发明，但本领域的普通技术人员将会理解，在不脱离所附权利要求涵盖的本发明的范围的前提下可以在其中进行形式和细节的不同的修改。

Claims (50)

1.一种固着磨料的线切割系统，该系统包括以下各项中的一个或多个：
a)一个实质上平面的走线路径，该走线路径用于将一个固着磨料的线提供给一个切削区域；
b)一个接触元件，该接触元件具有大于100mm的接触直径；
c)一个单层双鼓式绕线组件，该绕线组件包括多个操作性地连接的辊，所述辊之一被连接到一个电动机上；
d)用于监测与一个工件接触的一个切割线的一个弯曲角的一个系统，其中该用于监测该弯曲角的系统包括一个探测器，该探测器用于感测在该切割区域处一个跟踪线的弯曲的装置的移动；以及
e)一个组件，该组件包括一个第一线性台架以及安装在一个第二线性台架上的一个转动台架，其中该第二线性台架不同于该第一线性台架。
2.如权利要求1所述的固着磨料的线切割系统，进一步包括一个冷却系统。
3.如权利要求2所述的固着磨料的线切割系统，其中该冷却系统包括至少一个集束射流喷嘴。
4.用于一个固着磨料的线切割操作的一种线操纵组件，该组件包括一个或多个线卷轴、线导向器以及线张紧器，其中由所述线卷轴、线导向器以及线张紧器所限定的一个走线路径是实质上平面的。
5.如权利要求4所述的线操纵组件，其中所述线卷轴、线导向器以及线张紧器中的一个或多个具有大于约100mm的接触直径。
6.如权利要求5所述的线操纵组件，其中所述线卷轴、线导向器以及线张紧器中的一个或多个具有大于约200mm的接触直径。
7.如权利要求6所述的线操纵组件，其中所述线卷轴、线导向器以及线张紧器中的一个或多个具有大于约300mm的接触直径。
8.如权利要求4所述的线操纵组件，其中在该走线路径中的多个接触元件具有大于约100mm的接触直径。
9.如权利要求8所述的线操纵组件，其中在该走线路径中的多个接触元件具有大于约200mm的接触直径。
10.如权利要求9所述的线操纵组件，其中在该走线路径中的多个接触元件具有大于约300mm的接触直径。
11.用于一个固着磨料的线切割操作的一种线操纵组件，该组件包括一个或多个线接触元件，这些线接触元件中的至少一个具有大于100mm的接触直径。
12.如权利要求11所述的线操纵组件，其中这些线接触元件中的至少一个具有大于约200mm的接触直径。
13.如权利要求12所述的线操纵组件，其中这些线接触元件中的至少一个具有大于约300mm的接触直径。
14.如权利要求11所述的线操纵组件，其中由一个或多个线卷轴、线导向器或线张紧器所限定的一个走线路径是实质上平面的。
15.一种固着磨料的线切割系统包括实质上平面的一个走线路径。
16.如权利要求15所述的固着磨料的切割线系统，其中该走线路径包括选自下组的至少一个接触元件，该组的组成为卷轴、线导向器以及线张紧器。
17.如权利要求15所述的固着磨料的线切割系统，其中该至少一个接触元件具有大于约100mm的线接触直径。
18.如权利要求16所述的固着磨料的线切割系统，其中该至少一个接触元件具有大于约200mm的线接触直径。
19.如权利要求17所述的固着磨料的线切割系统，其中该至少一个线接触元件具有大于约300mm的线接触直径。
20.一种固着磨料的线切割系统包括一个更大直径的走线路径。
21.一种固着磨料的线系统包括一个双鼓式绕线组件，该绕线组件包括一个第一辊以及一个第二辊，所述辊被操作性地彼此连接，其中该第一辊与该第二辊之一被连接到一个电动机上。
22.如权利要求21所述的固着的线磨料系统，其中该第一辊和该第二辊支撑一个单层的固着磨料的线。
23.如权利要求21所述的固着的线磨料系统，其中该第一辊和该第二辊支撑多于一层的固着磨料的线。
24.如权利要求21所述的固着的线磨料系统，其中该单层双鼓式绕线组件安装在一个线性台架上。
25.如权利要求24所述的固着的线磨料系统，其中该线性台架是被一个第二电动机驱动，该第二电动机连接到连接在该第一辊和该第二辊之一上的电动机上。
26.一种方法，用于在一个固着磨料的线切割操作中将线提供给一个切削区域，该方法包括转动一个第一辊，其中该第一辊被操作性地连接到一个第二辊上，以卷绕所述辊上的线。
27.如权利要求26所述的方法，其中这些辊安装在一个线性台架上并且对这些辊的每一转都经过一个线宽度。
28.一种固着的线磨料系统，包括一个双鼓式组件，该组件用于控制在两个鼓上的一个线间距，所述组件包括一个第一辊以及一个第二辊，所述辊被操作性地彼此连接，其中该第一辊与该第二辊中的至少一个被连接到一个电动机上。
29.如权利要求28所述的固着的线磨料系统，其中该第一辊和该第二辊中的一个或两个支撑一个单层的固着磨料线。
30.如权利要求28所述的固着的线磨料系统，其中该第一辊和该第二辊中的一个或两个支撑多于一个单层的固着磨料线。
31.如权利要求28所述的固着的线磨料系统，其中在该第一辊上的线间距是独立于在该第二辊上的线间距进行控制的。
32.一种用于在一个固着磨料的线切割操作中将线提供给一个切削区域的方法，该方法包括在两个鼓之间来回地移动该固着磨料的线，其中间距是在两个鼓中进行控制的。
33.一种鼓式绕线安排，其中一个双鼓系统的每一个连接到一个伺服电动机上。
34.一种用于监测或控制在一个线切割操作的过程中的一个线弯曲角度的方法，该方法包括：
a)对于由一条线与一个工件之间的接触所引起的一个弯曲角选择一个设定值；并且
b)监测在该线切割操作的过程中的一个实际的弯曲角以便确定该实际弯曲角是否达到所述设定值。
35.如权利要求34所述的方法，进一步包括如果该实际弯曲角达到所述最大值即停止该线切割操作。
36.用于监测或控制与一个工件接触的一个切割线的一个弯曲角一种系统，该系统包括一个探测器，该探测器用于感测在该切割区域处一个跟踪线的弯曲的装置的移动。
37.如权利要求36所述的系统，其中该装置是一个球轴承辊，该球轴承辊安装在围绕一个支点可转动的一个枢轴臂上，并且该探测器能够感测安装在该枢轴臂的一个相反端处的一个探针。
38.如权利要求36所述的系统，进一步包括如果由该探测器所感测的该弯曲角达到一个设定的弯曲角值时用于停止把工件进给入该切割线中的装置。
39.一个用于在一个工件中生产一个曲线切口的过程，该过程包括在一个线切割操作的过程中控制一个第一轴线和一个第二轴线，同时在穿过该工件进给一条线时对该第一轴线进行插值。
40.一个用于生产一个工件的一个复杂几何轮廓的过程，该过程包括在权利要求39所述的过程期间转动该工件。
41.如权利要求39或40所述的过程，其中该工件安装在多个线性台架上，这些线性台架能够对应地沿着该第一轴线和沿着该第二轴线移动。
42.一个工件，该工件是由如权利要求39至41中任一项所述的过程生产的。
43.一种固着磨料的线切割系统，包括用于对应地控制一个第一轴线和一个第二轴线的多个线性台架，以及一个台面，该台面用于在一个切割操作的过程中转动一个工件。
44.一个用于切削一个工件的过程，该过程包括在该工件正被进给到一条固着磨料线之中时使该工件摇摆。
45.如权利要求44所述的过程，其中摇摆是以一个可变的角度来进行的。
46.一种用于一个固着磨料的线切割系统的组件，该组件包括一个第一线性台架以及安装在一个第二线性台架上的一个转动台架，其中该第一线性台架不同于该第二线性台架。
47.如权利要求46所述的组件，其中该第二线性台架是垂直的。
48.如权利要求46或47中任一项所述的组件，其中该转动台架是被一个步进电动机驱动。
49.如权利要求46至48中任一项所述的组件，进一步包括用于在一个切割操作的过程中控制该工件的一个摇摆角度的装置。
50.一种固着磨料的线切割系统，该系统包括如权利要求46至49中任一项所述的组件。
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