CN117794670A - 锯线以及用于制造锯线的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造结构化锯线的方法，线材沿着线材的纵向轴线卷曲，使得线材主要发生塑性变形并带有凸起，从而形成具有至少二维结构的金属线，其中在卷曲过程中，整个线材横截面的最多20％，特别地10％处于弹性变形区域内，而在剩下的线材横截面上发生塑性变形。
Description
技术领域
本发明涉及一种锯线以及用于制造锯线的方法。
背景技术
下文描述了锯线，其用于切割金属和矿物材料，特别是用于制造电子元件的晶片。
众所周知，例如为此目的从硅棒上切下薄片，其中此处的切片这样进行，即一根带导辊的金属线被引导到周围，其中在切割区域内已准备好一个待切割的棒，以被切割线研磨切割。
确切地说，待切割的棒的材料不是由金属线本身切割，而是由浆料中的磨料构成成分切割，该成分由线材传送到切割间隙中。因此人们也说到了一种线锯切片工艺，其中线材在其纵向方向上从放线轴移动到收线轴上，当中有线材仅在一个方向上移动的设计，也有线材移动方向不断反转的设计。也就是说，线材必须能够将磨料构成成分送到切割间隙中以及在那里确保，磨料能够对要切割的材料有磨蚀作用。浆料在此处是一种诸如由较高粘性的甘油和碳化硅颗粒制成的混和物。坚硬的小碳化硅颗粒在此处从待加工材料的基体中分解出小颗粒。当然，其它的油类或液态承载介质和其它的硬质材料也是可能的。
然而为了能完全携带此类浆料(泥浆)，锯线需要一种允许携带高粘度泥浆的表面设计。专用的圆柱形线材仅通过粘结剂相互作用来携带浆料，但是切割过程会导致浆料迅速剥离以及失去切割作用。
为了提高线材的浆料输送能力，锯线具有一个通过卷曲而实现的结构。卷曲在此处是一种有序的弯曲过程，其中结构被压到锯线中，例如通过两个90°偏置的齿轮，这些齿轮从中心的中间位置以机械方式使线材发生塑性偏移或弯曲。其中，结构的产生过程包括线材围绕一个圆形尖端弯曲，例如齿轮上的一个形状适配的齿。
此类线材很自然地也会在切割过程中遭受磨损，这是因为所携带的磨料颗粒不仅影响到要切割的材料，而且也可能会对线材产生磨蚀作用，要被切割的材料也可能会对线材产生磨蚀作用。特别是线材在卷曲的外侧会受到磨损，过度磨损会导致卷曲丢失，这是因为线材会被拉长以及不再能携带足够的泥浆。
WO2018/149631A1公开了一种线锯、线引导辊和一种用于从棒上同时切割多个切片的方法。此处要说明的是，由光滑圆钢丝制成的结构化线材对于上述工艺特别重要，该结构化线材在不改变其横截面的形状和尺寸的情况下沿着其整个长度周期性地移位，并且在垂直于线材纵向方向上具有相同的数量推移的横截面。要说明的是，这些位移通常被称为卷曲部，其中位移的大小称为卷曲的幅度以及位移之间的纵向长度被称为波长。该文献还指出，卷曲部之间的空间充当凹槽或存储器，与直径相当的光滑线材相比，线材在沿锯线纵向方向移动时可在这些凹槽或存储器中携带更多的浆料，并且浆料不会被剥离。结构化线材的外包络被定义为直径最小的直圆柱体，它完全包含整个结构化线材。该直圆柱体的基面被定义为有效截面，圆柱体基面的直径被定义为结构化线材的有效直径，并且圆柱体外包络的纵向轴被定义为结构化线材的纵向轴。芯线直径应该是130μm至175μm，其中结构化线材外包络的直径应当是芯线直径的1.02倍至1.25倍。由于磨损，各向异性磨损在卷曲部的暴露尖端区域内很明显，其中线材在该区域内变成椭圆形。
从WO2015/119344Al已知一种结构化锯线，该锯线应当即使在张力下也能保持其卷曲的特性。在该文献中还提及以下必要性，即在锯切条件下保持线材的结构，以便携带切割材料。这种锯线应具有之字形方式的连续卷曲，其中实际卷曲部的弯曲半径应当是线材本身直径的5倍至20倍。锯切时，锯线受到纵向方向上的张力，该张力的目的是打开卷曲部的弯曲部分。这会降低卷曲幅度并且使线材被拉伸。需要指出的是，如果弯曲半径仅是线材直径的5倍或更小，可能会出现过度弯曲，这可能导致生产中线材的断裂。另一方面，弯曲半径大于线材直径的20倍会导致，在施加切割应力时，切割线很容易被拉伸，从而很大程度地增大线材的磨损程度，使切割效率降低。此外，除了进行二维卷曲，还提供通过以下方式进行三维卷曲，即卷曲围绕纵向轴线旋转，使得卷曲部交替位于XZ平面和YZ平面上，从而形成螺旋。由此改进浆料携带能力，进而提高切割能力。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种制造锯线的方法，通过该方法制造锯线，该锯线具有较之现有技术得到改进的几何形状稳定性，因此更加耐磨。
该目的通过一种具有权利要求1所述的特征的方法得以实现。
在相关的从属权利要求中确定了有利的进一步发展。
另一个目的是提供一种锯线，该锯线具有几何形状稳定性，该几何形状稳定性具有更好的抗磨损能力，因而不受形状变化的影响并因此保持携带磨料的能力。
该目的通过一种具有权利要求12所述的特征的锯线得以实现。
在相关的从属权利要求中确定了有利的进一步发展。
附图说明
图1为本发明一个示例的相应数据。
具体实施方式
增加线材的拉伸残余应力，以保证形状稳定性，该方法在现有技术中是已知的。然而发明人已经发现，较高的拉伸残余应力的影响可以忽略不计，因为该应力处于线材的外相，并且它们在1μm至3μm的深度下的影响随着塑性变形而被解除。
根据本发明，将锯线结构化。结构化代表了阿波罗问题的解决方案，即，线材试图在三个齿轮尖部之间找到一个用于变形(两尖相对，一尖凸起)的位置。锯线在卷曲处形成一个塑性铰链，其中齿轮尖应当具有合适的半径。合适的半径包括例如处于线材直径的1倍至3倍的数量级。因此，外层纤维的实际膨胀率可以在10％至30％之间，特别是大约17％至23％之间。相应地，在整个线材横截面中，最多有20％，特别地最多有10％处于弹性变形区域，而线材的剩余横截面则呈塑性变形。高塑性变形使线材的抗拉强度总体仅降低2％至6％，相当于塑性铰链的承载量。
相应地，在已卷曲线材的卷曲位置上，在外侧产生压应力，在应力通过线材中必要的扭矩平衡变为拉伸残余应力之前，根据直径，该压应力在表面以下达到20μm至40μm。高塑性变形使得线材进一步对外部条件的波动变得不敏感，这是因为0.3μm至0.8μm的磨损仅代表1％至2％的机械条件的变化。
根据本发明，如果在卷曲过程中向线材施加拉力，则可增大可能的线材形式的范围。特别地，事实证明有利的是，将此拉力的大小定为抗拉强度Rm和线材横截面A的乘积的至少8％，特别地至少12％以及最大35％，特别地最大24％。拉应力导致塑性变形区域的再一次扩大，从而可以进一步减少外部磨损条件对线材几何形状的影响，并且对线材几何形状的可能形状施加的限制要少得多。
由于卷曲过程中的拉力所引发的拉应力由于系统原因在卷曲之后不再存在，因此成品线材的外层纤维上将仅出现压应力。
根据本发明，影响因素是齿轮头的几何形状，特别是齿轮的齿半径，结构化过程中的拉伸力和偏移限制比Re/Rm。
本发明特别地涉及一种用于制造结构化锯线的方法，其中线材沿着线材的纵向轴线卷曲，使得线材与凸起塑性变形，从而形成具有至少二维结构的金属线，其中在卷曲过程中施加占线材抗拉强度10％至20％的拉应力。
进一步的，线材在多个相互成角度的平面内卷曲，以形成三维结构。
进一步的，线材在卷曲过程中形成塑性铰链，其中弯曲半径为线材直径的1倍至2倍，使得实际膨胀率约为17％至23％，特别是20％左右。
进一步的，屈服点在1.5％至1.7％开始，其中整个线材横截面的最多5％至20％处于弹性变形区域，而剩下的80％至95％的线材则发生塑性变形，使得塑性变形总体上对应塑性铰链的承载量仅降低2％至6％的线材抗拉强度。
进一步的，在已卷曲线材的外侧，在卷曲部位置上设置压应力，在该处的应力变为拉伸残余应力之前，该压应力在表面以下达到20μm至40μm。
进一步的，线材围绕圆形尖弯曲，特别地通过适当形成的齿轮齿或定期冲击的成型销来实现。
进一步的，变形(从两侧到达线材)的间距约为线材直径的10倍至15倍，波长因此约为直径的20倍至30倍。
进一步的，该结构是在偏移80°至90°的方向上独立施加的，其中要注意的是，所产生的波长具有尽可能大的最小公倍数。
进一步的，设置幅度以使得线材的表观直径(纵向方向上的包络圆直径)在线锯的线材场(Drahtfeld)的工作张力下约为8μm至12μm以及特别地为10μm，和/或在未施加夹紧力的情况下比实际线材直径大8％至24％，特别地大10％至20％。
进一步的，线材的偏移限制比Re/Rm被设置为85％至95％，特别地被设置为90％。
本发明的另一方面涉及一种锯线，特别地采用之前描述的方法来制造，其中线材在一个或多个相互成角度的平面内卷曲。
进一步的，卷曲点上的弯曲半径是线材直径的1倍至2倍以及从两侧到达线材的变形的距离为线材直径的5倍至15倍，特别是10倍，以及波长为线材直径的10倍至30倍，特别是20倍。
进一步的，在已卷曲线材的外侧，在卷曲位置上设置压应力，在该处的应力变为拉伸残余应力之前，该压应力在表面以下达到20μm至40μm。
进一步的，被拉伸线材的抗拉强度Rm在3000MPa至4200MPa之间，特别地在3200MPa至4000MPa之间，进一步优选地在3400MPa至3800MPa之间，并且被拉伸线材的屈服强度在2500MPa至4000MPa之间，特别地在2900MPa至3800MPa之间以及优选地在3000MPa至3450MPa之间。
进一步的，线材具有0.12mm至0.17mm的直径以及具有三维的卷曲结构，其中弯曲半径为0.24mm至0.34mm，其中幅度为0.14mm至0.2mm并且波长在2mm至4mm之间。
将参照一个示例阐释本发明，其中根据图1的表列举了相应数据。
为具有直径0.15mm的线材设置三维的卷曲结构，其中弯曲半径为直径的两倍，即0.3mm。所形成的幅度为0.17mm，而波长为3.1mm。在外层纤维上的必要伸长率为20％，其中取决于原材料的屈服点为1.7％。与此对应，塑性伸长分量为18.3％。由此得出的从中心线到屈服点的距离为5.61μm，而从边缘至零应力线的距离为35.36μm。弯曲过程结束后，外侧纤维中最终的残余伸长率在卸载后为负1.6％(压缩)。
偏移限制比Re/Rm为90％，其中被拉伸线材的抗拉强度Rm为3600MPa。被拉伸线材的屈服强度为3240MPa。
在前述条件下，在外层纤维上产生了453MPa的残余应力，这也是由于在结构化过程中施加了8牛顿的拉伸应力所造成的。人们发现，在被拉伸线材的抗拉强度Rm为3600MPa的情况下，在结构化过程中施加了约12.6％的纵向应力，导致0.2％的预伸长率。
被拉伸线材的外层纤维中的残余应力可以达到接近线材的屈服强度，但在最后的拉伸步骤中有意识地通过最终的较小变型而减小了一些。以1500MPa的拉伸残余应力为例，但在3μm左右的深度处，拉伸残余应力降至0。最大预伸长率为0.8％的残余应力导致更快地达到屈服点，并且因此从塑性变形开始就立刻失去了对最终线材性能的影响。
Claims (16)
1.一种用于制造结构化锯线的方法，其中沿着线材的纵向轴线卷曲所述线材，使得所述线材主要发生塑性变形并带有凸起，从而形成具有至少二维结构的金属线，其特征在于，在卷曲过程中，整个线材横截面的最多20％，特别地10％处于弹性变形区域内，而剩下的线材横截面则发生塑性变形。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述线材在多个相互成角度的平面内卷曲，以形成三维结构。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述线材在卷曲过程中形成塑性铰链，其中弯曲半径处于所述线材直径的1倍至3倍的数量级，使得外层纤维的实际膨胀率为10％至30％，特别是约为17％至23％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在卷曲过程中，通过对所述线材施加拉力来增加发生塑性变形的区域。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述拉应力的大小为抗拉强度Rm和线材横截面面积A的乘积的至少8％，特别地至少12％，以及最大35％，特别地最大24％。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在已卷曲线材外侧的卷曲位置上产生压应力，在所述位置处的应力变为拉伸残余应力之前，所述压应力在表面以下达到20μm至40μm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述线材是围绕圆形尖部进行弯曲，特别地通过合适形状的齿轮齿或定期冲击的成型销来实现。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述变形(从两侧到达所述线材)的间距约为所述线材直径的10倍，波长因此约为所述直径的20倍。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述结构是在偏移80°至90°的方向上独立施加的，其中要注意的是，所产生的波长具有尽可能大的最小公倍数。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，设置幅度以使得所述线材的表观直径(纵向方向上的包络圆)在线锯的线材场的工作张力下约为8μm至12μm以及特别地为10μm，和/或在未施加夹紧力的情况下比实际的线材直径大8％至24％，特别地大10％至20％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述线材的偏移限制比Re/Rm设置为85％至95％，特别地设置为90％。
12.一种锯线，所述锯线特别是采用根据前述权利要求中任一项所述的方法制造而成，其特征在于，所述线材在一个或多个相互成角度的平面中卷曲，其中所述线材的偏移限制比Re/Rm为85％至95％，特别地为90％。
13.根据权利要求12所述的锯线，其中，弯曲半径是所述线材直径的1倍至2倍，从两侧到达线材的变形的距离为所述线材直径的5倍至15倍，特别是10倍，并且波长为所述线材直径的10倍至30倍，特别地是20倍。
14.根据权利要求12所述的锯线，其中，在已卷曲线材的外侧，在卷曲部位置上存在压应力，在所述位置处的应力变为拉伸残余应力之前，所述压应力在表面以下达到20μm至40μm。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的锯线，其中，被拉伸线材的抗拉强度Rm在3000MPa至4200MPa之间，特别地在3200MPa至4000MPa之间，进一步优选地在3400MPa至3800MPa之间，并且被拉伸线材的屈服强度在2500MPa至4000MPa之间，特别地在2900MPa至3800MPa之间以及优选地在3000MPa至3450MPa之间。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的锯线，其中，所述线材具有0.12mm至0.17mm的直径并且具有三维的卷曲结构，其中弯曲半径为0.24mm至0.34mm，其中幅度为0.14mm至0.2mm并且波长为2mm至4mm之间。
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