CN103963181A - 一种复合变形的高强度切割钢丝及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种复合变形的高强度切割钢丝及其制造方法，该切割钢丝结构为在单一平面内折边变形加在三维空间内的弯曲变形结构，在单一平面内，切割钢丝弯曲特征为波形结构，复合变形的钢丝其空间范围的波峰高度一致。本发明解决传统多线切割中存在的问题，该钢丝具有周期性变形特征，每个周期内变形钢丝形成多个内在空间结构，在使用过程能带入更多的砂浆；同时其折边与弯曲变形形成的副刃能起到排屑作用，尤其善于切割硬而脆的硬质材料，如太阳能硅片，石英，硅碇，陶瓷，蓝宝石，砷化镓，石材等。

Description

一种复合变形的高强度切割钢丝及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种复合变形的高强度切割钢丝及其制造方法，用于切割硅片、硅碇、石英、砷化镓、碳化硅等材料。

背景技术

进入二十一世纪以来，电子工业，通信，清洁能源发展迅速，特别是清洁能源领域中太阳能电池片的高速发展与应用，带来硬质材料领域切割的井喷式发展。特别是单晶硅和多晶硅碇(片)的切割。切割钢丝的需求的总量已超过10万吨。其切割方式采用多线切割。其切割过程与特征如下：

主要切割装置为放线轮，过线轮，张力稳定系统，导轮槽，线网，收线轮组成；辅助系统主要是砂浆控制与回收系统；硅料装载与进给系统。

多线切割目前主要是采用光面线切割，光面切割钢丝通过放线系统，在导轮上围绕导轮槽绕行而形成线网，钢丝在导轮的驱动下高速单向或者双向往复式运转。砂浆系统将游离磨料组成的砂浆喷射到钢丝上，钢丝将磨料带入工件内，并给与其中的磨粒以动能，驱使磨粒撞击，研磨和切割硅料，最终将硅料切开成片。因此切割钢丝所具有的携带砂浆能力和给与磨粒动能的大小以及排屑能力成为切割能力的关键因素。

光面钢丝只能通过钢丝的光滑表面在高速运行时通过与砂浆形成的力场机械地带入砂浆，砂浆的带入量严重影响切割速度甚至是切割质量。进而影响机器效率。从而影响成本。提高砂浆带入量成为一种工艺革新。已有许多专利通过对钢丝实施变形从而达到提高带砂量的目标

中国专利公开号CN200580034812.7公开了一种线锯的制作方法，用两对卷曲轮实行在两个平面上的复合变形，两个平面互相垂直。第一对卷曲轮形成外包络直径，第二对卷曲轮形成小包络直径。利用在两次变形的中间形成的凹坑来提高带砂量。这种变形确实提高了带砂量，其缺点是由于丝线直径太大，其直径为0.15～0.50mm，再加上外包络直径导致在实际切割中锯缝太大，只适用于硅碇开方，在硅片切割中光面线目前广泛使用0.13mm以下直径的背景下实际使用不大。而且由于其用千分尺检查外包直径的方法在实际控制中用处不大。

中国专利公开号CN102205563A公开了一种螺旋线的制作方法，用一对变形齿轮将直钢丝变形为波形线，然后通过加捻使钢丝旋转的方式得到螺旋线，利用螺旋线的推进效应与中间的凹坑来提高带砂量。这种制作方法较为繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合变形的高强度切割钢丝及其制造方法，解决传统多线切割中存在的问题，该钢丝具有周期性变形特征，每个周期内变形钢丝形成多个内在空间结构，在使用过程能带入更多的砂浆；同时其折边与弯曲变形形成的副刃能起到排屑作用，尤其善于切割硬而脆的硬质材料，如太阳能硅片，石英，硅碇，陶瓷，蓝宝石，砷化镓，石材等。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种复合变形的高强度切割钢丝，该切割钢丝结构为在单一平面内折边变形加在三维空间内的弯曲变形结构，在单一平面内，切割钢丝弯曲特征为波形结构，复合变形的钢丝其空间范围的波峰高度一致。

进一步，所述的钢丝直径为0.06～0.7mm，钢丝波长为1.2～25mm；所形成的钢丝移动轮廓直径为钢丝直径的1.02到2倍。

又，所述的钢丝直径在0.20mm以上，其钢丝强度大于2400MPa，或，所述的钢丝直径小于0.20mm，其钢丝强度大于3200MPa。

另外，本发明所述的钢丝表面镀层，镀层为铜或锌，或者是铜锌合金和锡铜合金。

本发明的高强度切割钢丝的制造方法，包括以下步骤：

a)在拉丝机上用成串的拉丝模拉出所需直径的直线性光面钢丝；

b)通过过线轮将光面钢丝引入多边折线变形器，使钢丝产生折线变形，其折线特征是在三维空间重复循环螺旋式折线变形形成的多边形，每一个多边形为等边或/和不等边，从空间来看，为对称或/和不对称的多边形；单边长度从1mm～30mm；

c)通过过线轮引入，或不通过过线轮，但与折边变形平面形成一个角度导入嵌入式齿轮变形器，使钢丝弯曲变形，形成空间结构的波型线；

d)可按步骤c)所述再导入下一对变形齿轮，作两次以上变形。

进一步，所述的多边折线变形器为等边或/和不等边，变形器边数为3～12个。

又，所述的齿轮变形器为硬质合金或陶瓷烧结而成，其齿数为12～48齿。

再有，齿轮变形采用不同的波长，波长范围为1.2到25mm；波高是通过调节齿轮的压入量来调节，波高为钢丝的外包络直径，即钢丝直径的1.02到2倍。

本发明首先通过折边变形器将直线型光面丝变成折边结构，避免直线导入齿轮变形器中形成平面变形。折边变形后的钢丝由于不在一个平面，因此在齿轮变形器中形成以某一个平面为振动中心的空间变形结构。这种结构有些时候，如果客户在实际切割中，线网不能形成足够的旋转动能的话，其凹坑数量不足，也是容易掉砂的，是不能满足切割需要的，因此针对这种客户，钢丝变换一个角度，可以被引入下一个变形单元(如下一对齿轮变形器)再次变形，而此次变形的主要目的是在空间上形成更多更密集的周期分布的窝坑，均匀的夹带更多的砂浆。

本发明的切割钢丝是周期性变形，在单一平面来看，具有简单的波形特征，因此拥有波峰和波谷。

复合变形的钢丝其空间范围的波峰高度是一致的，误差为制造时的工艺误差。目的是为降低切割时突出部与被切割物摩擦造成线痕。

所述的钢丝直径在0.06～0.7mm之间，钢丝波长在1.2～25mm。在高速运行时所形成的钢丝外包络直径为钢丝直径的1.02到2倍。

所述钢丝为高强度钢丝，其强度在于高碳钢和硬化方法，对于直径在0.20mm以上的钢丝强度大于2400MPa；对于直径小于0.20mm强度大于3200MPa。同时为方便拉拨防腐，在制造过程中为其表面进行了电镀处理，镀层为铜；锌；或者是铜锌合金。

本发明的工作原理是，首先通过折边变形器将直线型光面丝变成折边结构，避免直线导入齿轮变形器中形成平面变形。折边变形后的钢丝由于不在一个平面，因此在齿轮变形器中形成以某一个平面为振动中心的空间变形结构。这种结构有些时候，如果客户在实际切割中，线网不能形成足够的旋转动能的话，其凹坑数量不足，也是容易掉砂的，是不能满足切割需要的，因此针对这种客户，钢丝变换一个角度，可以被引入下一个变形单元(如下一对齿轮变形器)再次变形，而此次变形的主要目的是在空间上形成更多更密集的周期分布的窝坑，均匀的夹带更多的砂浆。

不同轮次的齿轮变形采用不同的波长，避免互相形成干扰，其波长范围在1.2到25mm之间调节；波高是通过调节齿轮的压入量来调节，使变形产品的外包络直径为钢丝直径的1.02到2倍，这个参数是产品的关键性能参数，需要在生产和研发过程中精确控制，因此精选一种可放大到50X的轮廓投影仪配电脑图形输出来检查波高。按最终产品性能的需要此变形可在360度范围内均匀的来N次，以形成均匀窝坑并减少切割后被切割物表面的线痕或者说粗糙度。

提高切割能力的原理主要是：钢丝在多线切割线网中产生两个运动，一个是运行时的直线运动，一个是由于线网的反复绕线而产生的旋转运动。波型钢丝的旋转运动并伴随的直线运动产生向前的推力，将携带于波形中窝坑部位的砂浆向前推进。但由于砂浆中的砂粒储存在窝坑中，参与切割少，切割效应差，本发明中设计的折边产生的斜面效应则解决了这个问题，运行中砂粒碰撞到折边正斜面，将产生向外溅射运动，与波型线产生的螺旋推力相结合，形成圆周方向上的翻滚运动，重而提高切割力，加快了切割。

本发明的有益效果：

本发明公开了一种复合变形的高强度切割钢线及其制造方法，所述切割钢丝经过N次变形，第一次变形采用多边折线变形器使钢丝产生折边变形，第二次到N次变形均采用一对嵌入齿轮，使钢丝产生弯曲变形，变形具有弯曲的空间结构，在使用时，高速运行的弯曲空间结构能携带更多的砂浆，且能增加磨粒的切割动能；同时折边与弯曲空间之间形成的副刃则起到良好的排屑作用，大大改善了切割条件，增大了切割速度。

附图说明

图1为本发明钢丝折边变形图形。

图2为本发明钢丝经折边变形后，形成环形的多边形空间结构；其边长L1与L2依结构不同，可以是等边，也可是不等边。

图3是放大后的大波示意图，即钢丝在切割中形成外包络直径的旋转实体。

图4为本发明钢丝放大后的小波示意图，它由第二次变形轮到第N次变形轮控制，其变形在该平面上发生偏移，并与大波之间形成窝坑以增加带砂量。

图5为本发明实施例中的装置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

本发明的复合变形的高强度切割钢丝，该切割钢丝结构为在单一平面内折边变形加在三维空间内的弯曲变形结构，在单一平面内，切割钢丝弯曲特征为波形结构，复合变形的钢丝其空间范围的波峰高度一致，其波谷可以是一致也可不一致，由二次变形形成。

进一步，所述的钢丝1直径为0.06～0.7mm，钢丝1波长为1.2～25mm。在高速运行时所形成的钢丝移动轮廓直径为钢丝直径的1.02到2倍。

又，所述的钢丝直径在0.20mm以上，其钢丝强度大于2400MPa，或，所述的钢丝直径小于0.20mm，其钢丝强度大于3200MPa。

另外，本发明所述的钢丝表面镀层，镀层为铜或锌，或者是铜锌合金和锡铜合金。

参见图1～图5，本发明的高强度切割钢丝的制造方法，包括以下步骤：

a)在拉丝机上用成串的拉丝模拉出所需直径的直线性光面钢丝；

b)通过过线轮将光面钢丝引入单柱多边折线变形器，使钢丝产生折线变形，其折线特征是在三维空间重复循环螺旋式折线变形形成的多边形，每一个多边形为等边或/和不等边，从空间来看，为对称或/和不对称；单边长度从1mm～30mm；

c)通过过线轮引入，或不通过过线轮，但与折边变形平面形成一个角度导入嵌入齿轮式变形器，使钢丝弯曲变形，形成空间结构的波型线；

d)可按步骤c)所述再导入下一对变形齿轮，作两次以上变形。

进一步，所述的多边折线变形器为等边或/和不等边，呈对称折线或/和不对称折线，变形器边数为3～12个。

所述的齿轮变形器为硬质合金或陶瓷烧结而成，其齿数为12～48齿。

实施例1

选择碳含量在0.80～0.96％之间，硅含量在0.12～0.40％之间，锰含量在0.30～0.65％之间的纯净钢直径为5.5mm的盘元。经大拉、中间热处理、中拉制作成直径为0.86mm的中拉钢丝。

中拉钢丝经热处理-碱冼酸冼去氧化皮清洁表面-镀铜镀锌-热扩散成黄铜-表面清洁处理-皂化处理成半成品黄丝。黄丝按如下标准控制：

	直径(μm)	强度(mPa)	镀层重量(g/kg)	表面铜含量％	铜含量％
						范围	-25-+25	1230～1330	5.5～9	58～64	62～72

1)在拉丝机上经23个道次拉拨成0.115mm的直面钢丝；

2)直面钢丝经一系列过线轮导入一个Ф28mm单柱六角形不等边折边变形器T，使钢丝产生折边变形；折边变形后钢丝形貌见图1和图2；

3)将经折边变形的钢丝变换15度角导入一对嵌入式齿轮变形器C1，以形成最终产品的波峰，其波峰在150～230μm之间；该波的波高H1是最大的，亦称为大波变形，见图3；

4)转换90度角将钢丝导入下一对嵌入式齿轮变形器C2，此齿轮齿数多于上一对变形齿轮。以形成最终产品的波形和与折边形成副刃退屑。其波峰H2在125～160um之间，然后钢丝收在收线轮R上；该波的波形小于第一次变形，亦称为小波变形，即其波长W2小于第一次变形的波长W1，其变形形貌见图4；

5)经上述步骤最终得到了强度大于3400MPa，在三个平面内变形的复合变形的带砂量高的切割钢丝，该产品经实际使用，切割速度大于同规格光面线25％的情况下仍能保有相同的切割质量。

实施例2

1)选择碳含量在0.80～0.96％之间，硅含量在0.12～0.40％之间，锰含量在0.30～0.65％的纯净钢直径为5.5mm的盘元。经大拉、中间热处理、中拉制作成直径为0.90mm的中拉钢丝。

2)中拉钢丝经热处理-碱冼酸冼去氧化皮清洁表面-镀铜镀锌-热扩散成黄铜-表面清洁处理-皂化处理成半成品黄丝。黄丝按如下标准控制：

	直径(μm)	强度(mpa)	镀层重量(g/kg)	表面铜含量％	铜含量％
						范围	-25-+25	1230～1330	5.5～9	58～64	62～72

3)在拉丝机上经23个道次拉拨成0.120mm的直面钢丝；

4)直面钢丝经一系列过线轮导入一个Ф12单柱六边形等边折边变形器，使钢丝产生折边变形。

5)将经折边变形的钢丝变换逆向导入一对嵌入式齿轮变形器，以形成最终产品的波峰，其波峰在150～230μm之间。

6)经上述步骤最终得到了强度大于3400MPa，在二个平面内变形的复合变形的带砂量高的切割钢丝，该产品在实际使用中，切割钢丝经高速运行，形成三角形的带砂凹槽进而提高了带砂量。该产品经实际使用，切割速度大于同规格光面线20％的情况下仍能保有相同的切割质量。

Claims (8)

1.一种复合变形的高强度切割钢丝，其特征在于，该切割钢丝结构为在单一平面内折边变形加在三维空间内的弯曲变形结构，在单一平面内，切割钢丝弯曲特征为波形结构，复合变形的钢丝其空间范围的波峰高度一致。

2.如权利要求1所述的复合变形的增加带砂量的高强度切割钢丝，其特征在于，所述的钢丝直径为0.06～0.7mm，钢丝波长为1.2～25mm，所形成的钢丝外包络直径为钢丝直径的1.02到2倍。

3.如权利要求1所述的复合变形的高强度切割钢丝，其特征在于，所述的钢丝直径在0.20mm以上，其钢丝强度大于2400MPa，或，所述的钢丝直径小于0.20mm，其钢丝强度大于3200MPa。

4.如权利要求1所述的复合变形的高强度切割钢丝，其特征在于，所述的钢丝表面镀层，镀层为铜或锌，或者是铜锌合金和锡铜合金。

5.如权利要求1所述的高强度切割钢丝的制造方法，包括以下步骤：

a)在拉丝机上用成串的拉丝模拉出所需直径的直线性光面钢丝；

b)通过过线轮将光面钢丝引入多边折线变形器，使钢丝产生折线变形，其折线特征是在三维空间重复循环螺旋式折线变形形成的多边形，每一个多边形为等边或/和不等边多边形，单边长度从1mm～30mm；

c)通过过线轮引入，或不通过过线轮，但与折边变形平面形成一个角度导入嵌入式齿轮变形器，使钢丝弯曲变形，形成空间结构的波型线；

d)可按步骤c)所述再导入下一对变形齿轮，作两次以上变形。

6.如权利要求5所述的高强度切割钢丝的制造方法，其特征是，所述的多边折线变形器为等边或/和不等边，变形器边数为3～12个。

7.如权利要求5所述的高强度切割钢丝的制造方法，其特征是，所述的齿轮变形器为硬质合金或陶瓷烧结而成，其齿数为12～48齿。

8.如权利要求5所述的高强度切割钢丝的制造方法，其特征是，齿轮变形采用不同的波长，波长范围为1.2到25mm；波高是通过调节齿轮的压入量来调节，波高为钢丝的外包络直径，即钢丝直径的1.02到2倍。