CN104085051A - 一种用于多线切割的金属丝及其制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多线切割的金属丝，外径不均匀分布，所有外径最大点均与一圆形或近似圆形的虚拟管道内表面接触，且该虚拟管道的内径前后一致或均匀变化；金属丝的表面硬度同样呈不均匀分布，且均在上述金属丝外径最大点附近达到局部最大值。还涉及金属丝的制造装置。本发明的金属丝用于游离磨料切割时，由于金属丝的外径不均匀分布带来磨料携带能力增强，有利于提高切割效率与切割良率，同时由于表面硬度不均匀分布，且凸起的顶点或者其附近因硬度最高而耐磨能力最强，上述外径不均匀分布不会因为金属线随切割进程磨损而消失，从而有利于保持从切割起始端到切割尾端的良率一致性。本发明的金属丝还可用作制造优质固结磨料切割线的母线。

Description

一种用于多线切割的金属丝及其制造装置

技术领域

本发明涉及一种用于多线切割的金属丝，尤其是涉及用于多线切割晶体硅、碳化硅、蓝宝石、水晶等硬质材料的金属丝，以及其制造装置。

背景技术

多线切割是以金属丝作为载体，由金属丝在高速运动中携带超硬磨料，通过磨料对高硬材料（如晶体硅，碳化硅，蓝宝石，水晶等）进行滚挖研磨以实现切割。该方式以切割效率高、切割锯缝小、材料损失少、切割精度高、表面质量好等优点成为当前的主要生产方式。其中，金属丝作为携带磨料的载体，在切割过程中的稳定性以及携带磨料的能力，对于切割效率及产品质量均起到极其重要的作用。

目前广泛使用的金属丝是表面光滑的圆形结构（直线式金属丝），其突出优点在于金属丝能够在环绕其切割进给的方向均匀携带磨料，从而带来稳定的切割表面质量。通常情况下，可以通过增加金属丝的直径增加金属丝的表面积，从而增强金属丝携带磨料的能力以提高切割效率，代价是由此会引起锯缝的宽度增加，从而带来切割过程中材料损失的增加。切割效率的提升亦可通过加大磨料的平均粒径以及棱角尖锐度等方式实现。

几乎在多线切割诞生的同时，追求提高金属丝（“锯线”）的磨料携带能力的努力即已开始并且一直持续至今，典型地可分为三类：

第一类是试图制造粗糙金属丝，通过增加金属丝表面的粗糙度增加金属丝的磨料携带能力。例如JP2007196312提出了通过向金属丝表面喷射电解液的方式，造成金属丝表面产生凹凸；WO9/12670则提出了微凹腔金属丝，软表面金属丝，以及横截面沿长度方向变化的金属丝等概念；KR2001002689则描述了一种圆锯线，通过压刻的方式在该圆锯线上形成凹腔。此类尝试迄今尚未在多线切割领域获得成功的工业化实施与应用，核心原因在于磨料本身具备强大的磨损能力，经过上述处理的金属丝表面，在进入切割进程中不久即会被磨光，使得经过表面处理的金属丝与常规圆形表面光滑金属丝不再有任何区别。

第二类尝试是以对金属丝进行螺旋处理为基础。例如，JP2007044841提出了一种基本为圆形的锯线，具有围绕锯线的长度方向成螺旋形延伸的扁平面，CN102380915A基本为上述概念的自然延展；US2860862则提出对预先做成扁平形状的锯线施加两次螺旋形变形：首先用短的捻距绕扁平锯线的自身轴线加捻，然后用更长的捻距以螺旋型对锯线加捻。FR750081也描述了采用圆形或多边形横截面的螺旋形锯线。CN102205563A以及CN102765141A基本上均为前述思路的自然延展。JP4057666则描述了一种金属锯线，同样是采用加捻的方式将直钢丝先行变成螺旋型，之后再通过拉模进行拉伸。迄今为止，上述努力在多线切割领域同样未见成功的工业化实施与应用，核心原因在于，金属丝的螺旋化无可避免地需要对金属丝进行加捻，从而给金属丝带来很高的扭转内应力，且金属丝越长，扭转內应力越高，从而导致成品金属丝产生强烈的自我打卷倾向，无法实际应用于多线切割，突出表现在很难完成均匀的长距离卷绕收线，在切割线网上无法或很难布线，即使勉强用于短距离切割，也会因为金属丝自身携带的高扭转内应力造成线网无规律抖动，导致无法接受的切割效果（突出体现为表面线痕与TTV不良）。

第三类尝试，是通过对金属丝在一个或多个平面内进行弯曲的方式，制造所谓的“结构金属丝”。例如JP2004276207在描述了一种具有螺旋形的变形单线或绞线之外，还描述了上述单线或绞线被引导通过一对嵌齿轮，从而在单一平面内形成‘Z’字形的双皱褶。在Z字形皱褶中，锯线先在第一方向上弯曲，然后在第二方向上进行第二次弯曲且与第一方向相反（反向弯曲），然后再通过绞线并捻将较短长度的Z字形皱褶被叠加到长波螺旋形上。该种尝试的明显缺陷，在于绞线结构会导致锯线的实用包络外径显著加大，带来难以接受的锯缝加宽和相应额外材料损失。

第三类尝试中取得了一定应用成功的，是安塞尔米塔尔公司通过中国专利CN100475398C公开的一种单丝型金属锯线，其在两个或两个以上的平面内对金属丝进行了弯曲，从而在一定程度增强了金属丝携带磨料的能力在一些特定应用环境下能够取得良好效果。其缺陷在于，该锯线的弯曲以一个平面为主导，其他平面的弯曲在切割过程中会被逐渐转向到该主导平面，最终形成基本上仅在一个平面内变形的锯线，从而导致切割良率波动，同时由于该锯线的结构保持能力有限，在切割路径较长的情况下，切割线到达切割尾端时弯曲结构已经基本或大部消失，导致切割尾端的良率较切割起始端的良率大幅下降。为尝试解决上述缺陷，贝卡尔特公司通过CN102528940A提出了一种相当于第二类（“螺旋金属丝”）与第三类（“结构金属丝”）思路混合的产品概念，基本做法是在单一平面上利用嵌咬的齿轮（或其他变形装置）对金属丝制成弯曲，通过对金属丝进行加捻（环绕金属丝的轴线旋转变形装置所在平面，或保持变形装置所在平面不动但同步旋转收、放线轴），形成螺旋形金属丝，之后再对金属丝进行退捻（与加捻方向反向旋转变形装置所在平面，或保持变形装置所在平面不动但反向同步旋转收、放线轴）以部分或全部释放掉由于加捻带给金属丝的扭转内应力。实施中发现，因为必须的退捻，导致制成的金属丝无论在环绕轴线的各向均匀性上，还是在结构保持能力方面，均未较CN100475398C提供的方法产生提高。CN102962901A及CN102310489A则均为在CN100475398C与CN102528940A概念上的自然延展，未见独立技术贡献。

除了因为主变形平面的存在导致切割良率波动，以及结构保持能力有限导致切割尾部良率较切割起始部大幅下降外，上述结构金属丝的另一显著弱点，是金属丝的外包络直径大于金属丝母线，从而导致锯缝加宽，带来切割过程中材料损失的增加。

尤其尴尬的是，以锯缝加宽为代价使用结构金属丝，经常不能带来想象中的切割速度提高——因为多线切割的速度短板，在于在切割尾部的切割速度：

a)切割起始时金属丝尚未磨损，线径最大，携带磨料的能力本身就强，此时结构金属丝带来的表面立体结构更多属于锦上添花；

b)到达切割尾端时，金属丝经过磨损，线径变小（当前行业晶硅线切水平下，金属丝到达切割尾部时的磨损量一般接近10%），导致磨料携带能力同比下降，偏偏在这急迫需要结构金属丝表面立体结构为磨料携带雪中送炭的阶段，结构金属丝的表面结构却常已基本消失(尤其在长切割路径的情况下)。

随着行业上持续不断的降本增效努力，多线切割正越来越采用更长的工件（硅棒等），更细的切割金属丝（0.08mm-0.115mm），导致切割路径不断加长，进一步局限了上述传统结构线的适用范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：化解传统直线式金属丝和传统结构金属丝共有的普遍性缺陷——越临近切割尾端，金属丝携带磨料的能力越差，切割良率下降越严重的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于多线切割的金属丝，

a)外表面有规律分布有若干凸起，所述凸起的顶点为金属丝外表面的最高点；

b)所述凸起的顶点与一圆形或近似圆形的虚拟管道内表面接触，且该虚拟管道的内径前后一致或均匀变化；

c)所述虚拟管道的内径小于金属丝母线直径的1.05倍，所述金属丝母线是指制备所述用于多线切割的金属丝的原材料；

d)金属丝的表面硬度呈有规律变化分布，且均在金属丝凸起的顶点或者靠近凸起的顶点的部位达到局部最大值。

由于金属丝的外径不均匀分布带来磨料携带能力增强，有利于提高切割效率与切割良率，同时由于表面硬度不均匀分布，且凸起的顶点或者其附近因硬度最高而耐磨能力最强，上述外径不均匀分布不会因为金属线随切割进程磨损而消失，从而有利于保持从切割起始端到切割尾端的良率一致性。

所述虚拟管道的内径小于金属丝母线直径。

本发明所述金属丝的应用场合，是多线精密切割，一般所述用于多线切割的金属丝的直径在0.08-0.60mm之间。

本发明所述金属丝，尤其适用于对锯缝损失较敏感的多线精密切割，此种情况下，金属丝的直径一般会优选在0.09-0.40mm之间，以尽可能降低锯缝损失。

为了确保磨料携带能力得到合理增强，相邻的金属丝凸起的顶点之间的轴向距离不大于虚拟管道内径的500倍。

为提高金属丝的耐磨性，所述的金属丝的表面涂覆有以树脂材料为主体的涂层。由于金属丝的异构特性，涂层与金属丝的结合牢度较直金属丝有长足提高。

为进一步提高金属丝的耐磨性，所述的涂层的树脂材料中加入无机填料，所述的无机填料包括金刚石、碳化硅、氮化硼、氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化钨、石墨中的一种或几种。同样由于金属丝的异构特性，无机填料的脱落风险较直金属丝情况显著降低。

本发明涉及的用于多线切割的金属丝，可以作为固定磨料切割线的优化母线。此种情况下，所述的金属丝的表面复合有固定切割磨料，固定切割磨料包括金刚石、碳化硅、氮化硼、氧化铝、氧化锆、氮化硅或碳化钨中的一种或几种硬质材料。固定切割磨料的平均颗粒直径在5μm-100μm之间。

一种上述的用于多线切割的金属丝的制造装置，该装置至少包括过线轮、对金属丝母线实施塑性变形的预变形机构、对预变形后金属丝实施形变强化的形变强化机构、为拉动金属丝通过异构成型机构提供足够拉拔张力的拉拔驱动轮、收线恒张力系统和收线装置；所述的形变强化机构为筒状形变拉拔模具，所述的筒状形变拉拔模具至少包括形变锥形入口和筒状的形变定径带，形变锥形入口的内径由外至内逐渐缩小，形变定径带的内径与形变锥形入口的最小内径一致，形变定径带内径小于金属丝母线直径的1.05倍。

所述预变形机构包括对金属丝母线在一个平面或多个平面内实施变形的初始预变形机构。

所述预变形机构还包括在金属丝的前进方向和环绕前进的方向同步对经过初始预变形机构后的金属丝实施塑性变形的异构成型机构。

一种所述的金属丝制造装置的制造方法，包括以下步骤：

a）预变形：将直金属丝母线经过过线轮，再进入预变形机构进行至少一次金属丝的预变形加工，加工出包含塑性变形的预变形金属丝；

b）形变强化：拉拔驱动轮拉动预变形后的金属丝通过形变强化机构，通过形变定径带后形成具备本发明的金属丝；

c）收线：将金属丝依次通过收线恒张力系统、收线装置进行缠绕收线。

本发明的有益效果是，由于金属丝的外径不均匀分布带来磨料携带能力增强，有利于提高切割效率与切割良率，同时由于表面硬度不均匀分布，且凸起的顶点或者其附近因硬度最高而耐磨能力最强，上述外径不均匀分布不会因为金属线随切割进程磨损而消失，从而有利于保持从切割起始端到切割尾端的良率一致性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是预变形前的金属丝母线的结构示意图。

图1a是图1中金属丝轴线X轴向视图。

图1b是图1中金属丝轴线Y轴向视图。

图1c是图1中金属丝轴线Z轴向视图,图中黑圆点表示金属丝自身轴线。

图2是本发明的实施例1中经过预变形后的金属丝的立体结构示意图。

图2a是图2中金属丝轴线X轴向视图。

图2b是图2中金属丝轴线Y轴向视图。

图2c是图2中金属丝轴线Z轴向视图，图中中间的直线为金属丝自身轴线投影形成的。

图3是本发明的实施例2中经过预变形后的金属丝的立体结构示意图。

图3a是图3中金属丝轴线X轴向视图。

图3b是图3中金属丝轴线Y轴向视图。

图3c是图3中金属丝轴线Z轴向视图，图中中心类似麻花的线型为金属丝自身轴线投影形成的。

图4是图3的金属丝带有轴向投影面和法向面的结构示意图。

图5是本发明的实施例1中金属丝制造装置的结构示意图。

图6是本发明的实施例2中金属丝制造装置的结构示意图。

图7是本发明的实施例3中金属丝制造装置的结构示意图。

图8是本发明金属丝的制造装置中筒状成型拉拔模具的结构示意图。

图9是本发明金属丝的制造装置中筒状形变拉拔模具的结构示意图。

图10是本发明最终制备得到的金属丝的其中一种结构示意图。

图中：1a、预变形后的金属丝，1b、最终制备得到的金属丝，100、凸起，11、塑性变形部，2、过线轮，3、预变形机构，31、初始预变形机构，32、异构成型机构，321、成型锥形入口，322、成型定径带，4、形变强化机构，41、形变锥形入口，42、形变定径带，5、收线恒张力系统，6、收线装置，72、拉拔驱动轮，Ⅰ、轴向投影面，Ⅱ、法向面，d、形变强化前金属丝的直径。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明的一种用于多线切割的金属丝，如图10所示：

a)外表面有规律分布有若干凸起100，所述凸起100的顶点为金属丝外表面的最高点；

b)所述凸起100的顶点与一圆形或近似圆形的虚拟管道内表面接触，且该虚拟管道的内径前后一致或均匀变化；

c)所述虚拟管道的内径小于金属丝母线直径的1.05倍，所述金属丝母线是指制备所述用于多线切割的金属丝1b的原材料；

d)金属丝的表面硬度呈有规律变化分布，且均在金属丝凸起100的顶点或者靠近凸起100的顶点的部位达到局部最大值。

相邻的金属丝凸起100的顶点之间的轴向距离不大于虚拟管道内径的500倍。

本发明涉及的用于多线切割的金属丝，可以作为固定磨料切割线的优化母线。此种情况下，所述的金属丝的表面复合有固定切割磨料，固定切割磨料包括金刚石、碳化硅、氮化硼、氧化铝、氧化锆、氮化硅或碳化钨中的一种或几种硬质材料。固定切割磨料的平均颗粒直径在5μm-100μm之间。

本发明的用于多线切割的金属丝的制造装置，至少包括过线轮2、对金属丝母线实施塑性变形的预变形机构3、对预变形后金属丝实施形变强化的形变强化机构4、为拉动金属丝通过异构成型机构提供足够拉拔张力的拉拔驱动轮72、收线恒张力系统5和收线装置6；所述的形变强化机构4为筒状形变拉拔模具，所述的筒状形变拉拔模具至少包括形变锥形入口41和筒状的形变定径带42，形变锥形入口41的内径由外至内逐渐缩小，形变定径带42的内径与形变锥形入口41的最小内径一致，形变定径带42内径小于金属丝母线直径的1.05倍。

本发明的用于多线切割的金属丝的制造方法，包括以下步骤：

a）预变形：将直金属丝母线经过过线轮2，再进入预变形机构3进行至少一次金属丝的预变形加工，加工出包含塑性变形的预变形金属丝；

b）形变强化：拉拔驱动轮72拉动预变形后的金属丝通过形变强化机构4，通过形变定径带42后形成具备本发明的金属丝；

c）收线：将金属丝依次通过收线恒张力系统5、收线装置6进行缠绕收线。

实施例1

如图5是本实施例的金属丝的制造装置，包括依次设置的过线轮2、对在金属丝母线的一个平面内实施塑性凹凸变形的预变形机构3、对预变形后金属丝1a实施形变强化的形变强化机构4、为拉动金属丝通过形变强化机构提供足够拉拔张力的拉拔驱动轮72、收线恒张力系统5和收线装置6；所述的形变强化机构4为筒状形变拉拔模具，如图9所示，所述的筒状形变拉拔模具包括形变锥形入口41和筒状的形变定径带42，形变锥形入口41的内径由外至内逐渐缩小，形变定径带42的内径与形变锥形入口41的最小内径一致，形变定径带42内径为金属丝母线直径的0.9倍，本实施例中，形变定径带内径为0.081mm。

本实施例的金属丝的制造装置的制造方法，包括以下步骤：

a)预变形：将0.09mm直金属丝母线经过过线轮2，再进入预变形机构3进行一次金属丝的预变形加工，加工出在一个平面的预变形金属丝1a；金属丝母线的结构如图1、图1a、图1b和图1c中所示；

b)形变强化：拉拔驱动轮72拉动预变形后的金属丝1a通过形变强化机构4，通过形变定径带后形成虚拟管道内径为0.081mm的金属丝，该金属丝的结构如图10所示；

c)收线：将金属丝再依次通过收线恒张力系统5、收线装置6进行缠绕收线。

如图2、2a、2b和2c所示是本实施例中直金属丝母线经过预变形机构3后的结构示意图，本实施例的预变形机构3的变形方法如下：

直金属丝依次经过过线轮2，再进入预变形机构3进行一次金属丝的预变形加工，加工出在一个平面内变形的金属丝1a，即预变形机构3仅包括初始预变形机构31。经过初始预变形机构31形成的金属丝1a带有塑性变形部11，如图2所示，塑性变形部11呈对称均匀的波浪形，金属丝1a的外包络直径大于形变定径带42内径，本实施例中为0.13mm。

本发明的金属丝结构包含沿金属丝轴线和/或环绕轴线形成凸起的各种情况，并且所述凸起可以是均匀分布，也可以是非均匀分布的。

实施例2

如图6是本实施例的金属丝的制造装置，与实施例1不同的是，预变形机构3包括对金属丝母线在一个平面或多个平面内实施变形的初始预变形机构31，还包括在金属丝的前进方向和环绕前进的方向同步对经过初始预变形机构31后的金属丝实施塑性变形的异构成型机构32。

如图8所示，异构成型机构32为筒状成型拉拔模具，筒状成型拉拔模具至少包括成型锥形入口321和筒状的成型定径带322，成型锥形入口321的内径由外至内逐渐缩小，成型定径带322的内径与成型锥形入口321的最小内径一致。

本实施例的制造方法与实施例1不同的是，经过一次初始预变形机构31实施变形后还经过异构成型机构32，拉拔驱动轮72拉动金属丝通过异构成型机构32，由于在预变形前金属丝经过若干个转动轴线之间存在夹角，且不断转换金属丝前进方向的过线轮2而积累的扭曲内应力，凹凸变形后的金属丝在前进方向和环绕前进的方向同步遭遇塑性变形，使得凹凸变形后的金属丝的波浪形塑性变形部发生扭曲，形成带有如图3所示的塑性变形部11的金属丝1a。

实施例3

如图7是本实施例的金属丝的制造装置，与实施例1不同的是，预变形机构3仅包括初始预变形机构31，对金属丝母线的两个平面实施凹凸变形的机构，所述两个平面相互垂直。相应地，本实施例的制造方法与实施例1不同的是预变形的过程。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种用于多线切割的金属丝，其特征在于：

a)外表面有规律分布有若干凸起（100），所述凸起（100）的顶点为金属丝外表面的最高点；

b)所述凸起（100）的顶点与一圆形或近似圆形的虚拟管道内表面接触，且该虚拟管道的内径前后一致或均匀变化；

c)所述虚拟管道的内径小于金属丝母线直径的1.05倍，所述金属丝母线是指制备所述用于多线切割的金属丝（1b）的原材料；

d)金属丝的表面硬度呈有规律变化分布，且均在金属丝凸起（100）的顶点或者靠近凸起（100）的顶点的部位达到局部最大值。

2.如权利要求1所述的用于多线切割的金属丝，其特征在于：所述虚拟管道的内径小于金属丝母线直径。

3.如权利要求2所述的用于多线切割的金属丝，其特征在于：所述用于多线切割的金属丝（1b）的直径在0.08-0.60mm之间。

4.如权利要求3所述的用于多线切割的金属丝，其特征在于：所述用于多线切割的金属丝（1b）的直径在0.09-0.40mm之间。

5.如权利要求1-4中任一项所述的用于多线切割的金属丝，其特征在于：相邻的金属丝凸起（100）的顶点之间的轴向距离不大于虚拟管道内径的500倍。

6.如权利要求1所述的用于多线切割的金属丝，其特征在于：所述的金属丝的表面复合有固定切割磨料，固定切割磨料包括金刚石、碳化硅、氮化硼、氧化铝、氧化锆、氮化硅或碳化钨中的一种或几种硬质材料，固定切割磨料的平均颗粒直径在5μm-100μm之间。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的用于多线切割的金属丝的制造装置，特征在于：至少包括过线轮（2）、对金属丝母线实施塑性变形的预变形机构（3）、对预变形后金属丝实施形变强化的形变强化机构（4）、为拉动金属丝通过异构成型机构提供足够拉拔张力的拉拔驱动轮（72）、收线恒张力系统（5）和收线装置（6）；所述的形变强化机构（4）为筒状形变拉拔模具，所述的筒状形变拉拔模具至少包括形变锥形入口（41）和筒状的形变定径带（42），形变锥形入口（41）的内径由外至内逐渐缩小，形变定径带（42）的内径与形变锥形入口（41）的最小内径一致，形变定径带（42）内径小于金属丝母线直径的1.05倍。

8.如权利要求7所述的用于多线切割的金属丝的制造装置，特征在于：所述预变形机构（3）包括对金属丝母线在一个平面或多个平面内实施变形的初始预变形机构（31）。

9.如权利要求8所述的用于多线切割的金属丝的制造装置，特征在于：所述预变形机构（3）还包括在金属丝的前进方向和环绕前进的方向同步对经过初始预变形机构（31）后的金属丝实施塑性变形的异构成型机构（32）。