CN1102876C - 用线锯将硬质材料块切割成片材的方法以及实现该方法的线锯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将硬质材料块切割成片材的方法，该切割过程是通过以散态添加的磨料以及一条连续的循环固态载体(7)的共同作用实现的。该载体被引导着沿共轴滚轮(2、3)上的周缘槽运行，并由此形成一个链形，而要被切割的材料块就压紧在这个载体链上。该载体运行于一个滚轮系统中的各滚轮上的周缘槽中，该滚轮系统包含至少一对偏移滚轮(2)和至少一对导向滚轮(3)，该载体被引导着沿相反的方向压紧切入材料块的两个相邻切口中。

Description

用线锯将硬质材料块切割成片材的方法以及实现该方法的线锯
技术领域
本发明涉及一种用于将硬质材料块，特别是由半导体、玻璃或者陶瓷构成的材料块切割成片材的方法，以及实现这种方法的一种锯。
现有技术
为了切割硬质材料块，例如由半导体、陶瓷或者玻璃构成的材料块，通常采取的方法是用散态添加的磨料以及一个移动固态载体——通常为一条连续的线材，共同作在将被切割的材料块上而实现。这种方法的特点是，分布在一种液体，如油中的磨料是被一条切割线携带着通过一套开槽滚轮系统的作用而到达切割点，被切割材料被一条链状切割线压着逐渐切割。切割出的片材的厚度是由滚轮上的各槽之间的距离、切割线的厚度或磨料的颗粒度所确定的，而切割质量是由磨料材料、材料块材料以及附加技术参数所确定的。
现在已有一系列这类方法与设备，例如，根据美国专利US4494523、US4574769、US4640259、US4903682、US5201305、US5269285和英国专利GB2216441，提出了基于现有原理的各种设备以及这些设备的最佳实施例。传统解决方法的共同特征在于，一套开槽滚轮系统中引导的某条切割线在切割过程中的任何时刻均以相同的方向切割块状材料。这种方法的结果是，产生的各片材沿切割方向的厚度不恒定，即，由于切割线切割通块材料块时，随着在切割线上的磨料会逐渐减少，因而沿切割线运动方向片材呈楔形。这种楔形现象可以通过切割线的双向运动而校正，即沿一个方向移运切割线一段切割时间后，再通过转向开关而将切割线反向移动切割材料块。然而，这种方法的一个缺点是，由于切割过程中切割线的停止与起动会引起大量能量损失，而设备的周期性的变向且张紧的节点干扰出现的可能性也会增加，因此切割过程会明显减慢且不连续。
本发明的概述
根据本发明的方法能克服上述缺点。该方法的实质在于所采用的一套滚轮系统上包含至少一对偏移滚轮和一对导向滚轮，而在该滚轮系统中的滚轮周缘槽中运转的连续固态载体则压紧切入材料块中，材料块上相邻二切口内的载体切割方向相反。在滚轮系统中，连续固态载体被引导着反复地在各周缘槽中移动，其移动顺序为：先通过第一个偏移滚轮的上侧，再通过与第二个偏移滚轮相邻的那个导向滚轮的上侧，再从第二个偏移滚轮下侧开始绕过该滚轮，再沿相反的方向经过另一个导向滚轮的上侧，最后从第一个滚轮的下侧移向该滚轮的上侧。
根据这种方法的线锯包含一套滚轮系统，该系统中的各滚轮上均开有周缘槽，而该滚轮系统固定在一个基架上；线锯还包含一个带固定件的台面、一个切割线导向系统以及一个磨料输送与恒温系统。该线锯的特征在于，滚轮系统中包含至少一对导向滚轮以及至少一对偏移滚轮，各偏移滚轮与各导向滚轮相配合安置，二相邻安置的偏移滚轮与导向滚轮的转动方向相反，而两个偏移滚轮的转向以及两个导向滚轮的转向也分别彼此相反。
在一个最佳实施例中，各偏移滚轮与各导向滚轮的安置方式为：各偏移滚轮的上表面线位要高于各导向滚轮的上表面线位而各导向滚轮在一个固定的基架上可沿轴向调节。固态载体在滚轮系统中缠绕多次，从而形成一个链形，而固态载体则分别在一对导向滚轮上的两个相邻槽中沿相反的方向由顶部向斜下方或由底部向斜上方运行，从而被引导着通过一对导向滚轮之间的工作区域。
本发明中提出的切割方法可以获得较高的效率，这是因为可以保持所需的速度以及连续的切割过程，即不需要固态载体耗能的运动方向转换；而且切割出的片材均匀、表面相互平行，没有前面所述的楔形。
附图简述
下面将通过参考附图对根据本发明的切割方法与线锯结构进行解释。附图包括：
图1中显示了一个四滚轮系统的结构，其中包括两个偏移滚轮和两个小一些的导向滚轮，各滚轮轴线平行且共面，
图2中显示的滚轮系统与图1中所示相同，但两对滚轮的轴线不共面，
图3中显示的是另一种结构的滚轮系统，其中的偏移滚轮直径较小而导向滚轮直径较大，
图4中所示为四滚轮系统的一个最佳实施例，各滚轮直径相等且共面安装，
图5中所示为另一种滚轮系统，在偏移滚轮与导向滚轮之间加入了附加滚轮，
图6中所示为一个线锯的基本功能部件的总体简图。
最佳实施例的解释
用于将硬质材料块1切割成片材的线锯包含四个基本结构与技术系统，即滚轮系统、带固定件的台面、切割线存储器以及磨料的输送与恒温系统。滚轮系统作为线锯的核心部分，包含至少一对偏移滚轮2和一对导向滚轮3，这些滚轮安装在一个固定基架4上。而基架4则固定在台面5上的固定件上，从而确保滚轮系统所需的机构稳定性与刚度。固定基架4上安装的导向滚轮3的位置可在轴向调节，而偏移滚轮2相对于导向滚轮3的安装位置使得偏移滚轮2的上表面线位高于导向滚轮3的上表面线位。各滚轮2、3的表面线位高于导向滚轮3的上表面线位。各滚轮2、3的表面均经过精磨，且带有周缘槽6用于引导连续的、循环运行的固态载体7。固态载体7的优选结构为一条链形切割线，用于在切割过程中压紧通过材料块1。滚轮系统中的一个滚轮2或3作为驱动轮而与一个驱动电机(未画出)相联，电机可无级变速，从而可以在0至15M/S范围内设置连续载体7的双向速度。
线锯的台面5上划分出一定的区域用于给将被切割的材料块，如含有半导体晶体的材料块定位，还可调整材料块相对于切割平面的方位。为了将材料块控制着按下并压紧在缠绕在滚轮系统上的链状连续的循环固态载体7，台面5上带有一些滑杆51和一个驱动系统52，驱动系统52可以是一个计算机控制的电机，这样，台面5可以在0至1000μm/s的速度范围内向上或向下双向调节。将要切割的材料块1可以通过玻璃板或石墨板8机械式固定在台面5上，而材料块1的切割尺寸，即有关其切割后所得片材的厚度的信息可以通过一个步进线位移传感器9检测。移动台面5的最终位置通过限位开关10确定，而且为了减小各个主要功能区内的极端负载，台面5上装有一个平衡配重11，用于平衡台面5的机械装置以及将被切割的材料块1的重量。
一个切割线导向系统用于使连续固态载体7以预定的速度及受控的张紧力缠入或离开卷筒12，该缠入与离开的路径彼此分开但保持同步。通过张紧杆13可以弥补缠绕中的不均匀性；而固态载体7的输送系统包括滚轮14、张紧轮15和限制棒16；固态载体7的实际张紧力通过压力传感器17测量，通过调节驱动牵引盘18以及驱动滚轮系统内的滚轮2、3的电机间的电压差值，可以调节张紧力。固态载体7的缠绕力由弹簧19施加到张紧杆13上的作用力来确定，任何可能出现的干扰可以由位于张紧杆13末端的信号发生器20监测出，而张紧杆13则联接着线锯的控制系统(未画出)。通常的方法是，未缠绕的固态载体7的速度与长度也用类似的步进转动传感器(未画出)联接到一个牵引盘18上而监测。在滚轮系统中，固态载体7以如下方式缠到一对偏移滚轮2和一对导向滚轮3的周缘槽6上：该载体7由第一个偏移滚轮2的上侧进入滚轮系统，再被引导着从对面的导向滚轮3的上方绕过，再由相邻的第二个偏移滚轮2的下方绕过并将其缠绕。之后，固态载体7被引导着从第二个偏移滚轮2的上侧通到对面的导向滚轮3的上侧，最后回到第一个偏移滚轮2的下侧并将其缠绕。通过上述的基本方式将固态载体重叠缠绕在各外缘槽中，从而使形成的固态载体链被引导着在二导向滚轮间以相对的运动方向切入将被切割的材料块1中的两个相邻切割面中，如图1至5所示。
用于切割的磨料溶液是通过分配器21传送到连续固态载体7上的，分配器21面对着固态载体7进入材料块1的切口时的入口。在固态载体7从滚轮系统中运行出来后，有一个高效空气过滤器22用于除去固态载体7上剩余的磨料。分配器21通过供应管路23和泵24而与容器25联接起来。容器25上带有一个搅拌装置26。该容器25反过来又通过一个排泄管路27而与收集槽28相联接。收集槽28位于滚轮系统的下方，磨料溶液可在收集槽中收集并排泄。磨料溶液的温度可通过一个冷却回路而保持在预定范围之内。冷却回路包含一个冷却组件29，冷却组件29上装有冷却管路30，从而可以使冷却液在容器25、排泄管路27和收集槽28上的双层壁之间运行。冷却液的实际温度可由一个温度传感器31检测。而有关磨料的流量、粘度的信息则由一个安装在容器25上的探测器/传感器32检测；所有这些测量值均传输到线锯的控制系统(未画出)，并在控制系统中进行判断。
在线锯开始工作之前，固态载体7在其整个长度内被缠绕，线锯的各主要功能区的性能参数也被设置好，材料块1则通过板8而横跨在台面5上，再相对于切割面定位并锁紧。一旦固态载体7开始以选定的运动方向运动，则材料块1会被压紧着以选定的进给速度通过由导向滚轮3以及偏移滚轮2构成的滚轮系统中的链状固态载体，而磨料则通过分配器而添加到固态载体7进入切口的地方。而一旦固体材料块1被切割成单片的形状，则台面5会回到其原始位置而且可以再重复下一个完整的切割过程并重新选择固态载体7的运动方向以及其他切割参数，例如台面5的切割进给速度，固态载体7的运行速度和张紧力、磨料的用量、温度以及粘度等。
上面解释的线锯并不是根据本发明的唯一可行结构。保持滚轮系统内各对导向滚轮3和偏移滚轮2的基本布置方式，可以在不脱离本发明的基本原理的前提下以其他的方式实现滚轮系统中以及材料块1的切口中的固态载体7的缠绕与运动方式、切割线输送系统的布置与结构、台面5的结构以及其固定方式、磨料传输与冷却系统的单个元件设置等。如图1至图4所示，只要保证固态载体7切入材料块1时的入口点高于其离开时的出口点，则可以对导向滚轮3和偏移滚轮2的外形比以及相对布置方式作出选择。因此，可以如图5中所示那样，在导向滚轮3以及偏移滚轮2间加入一对中介滚轮33。
工业应用性
这种用于将硬质材料块切割成片材的方法以及用于实现这种方法的线锯可以应用于不同的工业分支中，可以将硬质材料，如半导体、陶瓷或玻璃等切割成精确的片材，从而使片材相对的两个表面平整且相互平行。

Claims (7)

1.一种用于将硬质材料块切割成片材的方法，该切割过程是通过以散态添加的磨料以及一条连续的循环固态载体的共同作用而完成的，该固态载体被引导着传输于一个滚轮系统中同轴滚轮上的周缘槽中并形成一个链形，而将被切割的材料块即压紧在该固态载体链上；
其特征在于，该载体运行于一个滚轮系统的各滚轮的周缘槽中，该滚轮系统包含至少一对导向滚轮和至少一对偏移滚轮，该载体压紧切入要被切割的材料块中并被引导着沿相对的运行方向分别运行于材料块上的两个相邻切口中。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，滚轮系统中的链状载体反复通过各周缘槽，所通过的路径为：由第一个偏移滚轮上侧出发，经过位于对面的第二个导向滚轮的上侧，到达相邻的第二个偏移滚轮的下侧并绕过该偏移滚轮，之后再被引导着返回对面的第一个导向滚轮的上侧并经过第一个偏移滚轮的下侧回到该偏移滚轮的上侧。
3.根据权利要求1或2所述方法切割材料块的线锯，该线锯上带有一个滚轮系统，滚轮系统中的各滚轮上开有周缘槽，滚轮系统安装在一个基架上；线锯上还包含一个带固定件的台面、一个切割线输送系统以及一个用于磨料输送与恒温的装置，
其特征在于，该滚轮系统包含至少一对导向滚轮(3)和一对偏移滚轮(2)，各偏移滚轮(2)相对于各导向滚轮(3)的安置方式为：每个偏移滚轮(2)与导向滚轮(3)相邻且转动方向相反，而两个导向滚轮(3)的转动方向以及两个偏移滚轮(2)的转动方向也分别相反。
4.根据权利要求3的线锯，其特征在于，各偏移滚轮(2)与各导向滚轮(3)的布置使得各偏移滚轮(2)的上表面线位要高于各导向滚轮(3)的上表面线位。
5.根据权利要求3或4的线锯，其特征在于，各导向滚轮(3)在基架(4)上的轴向位置可调。
6.根据权利要求3或4的线锯，其特征在于，该固态载体(7)在滚轮系统的各偏移滚轮(2)和导向滚轮(3)上缠绕数次，从而形成一个链状，该固态载体链分别在两个相邻周缘槽中沿相反的方向由顶部向斜下方或由底部向斜上方运行，从而被引导着进入位于一对导向滚轮(3)之间的工作区域内。
7.根据权利要求5的线锯，其特征在于，该固态载体(7)在滚轮系统的各偏移滚轮(2)和导向滚轮(3)上缠绕数次，从而形成一个链状，该固态载体链分别在两个相邻周缘槽中沿相反的方向由顶部向斜下方或由底部向斜上方运行，从而被引导着进入位于一对导向滚轮(3)之间的工作区域内。
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