CN203496143U - 一种定制槽型的多线切割用导轮 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种定制槽型的多线切割用导轮，其上用于排列锯线的导轮槽具平坦底部、锯线定位侧壁和锯线导向侧壁，底部宽度为锯线直径的40%-80%，侧壁的坡度与高度依据底部宽度、锯线直径、槽距要求、导轮直径以及相互匹配的导轮轴之间的距离定制。本实用新型的一种定制槽型的多线切割用导轮，所述导轮与采用传统V形或U形横截面槽型的导轮相比，在不损失锯线定位能力的前提下，不仅寿命显著延长，且锯线跳线与抖动风险大幅降低，有利于降低切割不良如线痕、TTV等。

Description

一种定制槽型的多线切割用导轮

技术领域

本实用新型涉及一种定制槽型的多线切割用导轮，适用于使用游离磨料和/或固结磨料多线切割加工晶硅、碳化硅、水晶、蓝宝石等硬质材料。 

背景技术

在使用多线切割机来加工晶体硅、蓝宝石以及其它高硬度固体薄片时，主要有两种工艺路线。一种是使用光滑的锯线与分散在液体里的游离磨料；另外一种是使用将磨料颗粒固定在锯线上的固结锯线。不管哪一种工艺路线，都要求把锯线缠绕在一对平行的导轮上。导轮上开有许多环形，且彼此平行的导轮槽。锯线首先被引入一对导轮中其中一个A表面上的导轮槽A1中，然后被导入另外一边导轮B上和A1在同平面上的导轮槽B1；在导轮槽B1中环绕导轮半周后，在和工件相对的另外一侧进入导轮A上和A1相邻的导轮槽A2，依此类推，完成整个布线工作。 

在多线切割的加工过程中，导轮所起的作用是驱动和引导锯线，使其以指定的速度和张力状态通过加工区域，而导轮结构中，与锯线发生直接作用的就是导轮槽。因此，导轮槽的材质与形貌，对多线切割的产品质量和成本控制有非常重大的影响。 

目前工业所用的多线切割机导轮槽截面形状主要有两种，V形截面和U形截面。两种截面的主要区别在于底部形状，V形截面槽形的底部为楔形，U形截面槽形的底部为一定弧度的圆角。V形槽的加工最容易，也是目前应用的最广泛的的槽形。但是V形槽的使用寿命波动范围很大，且槽的底部比较容易受到应力破坏。 

导轮槽失效的原因主要是磨料颗粒对导轮槽的磨损和锯线跳线。对于达到正常使用寿命的导轮，磨损一般主要发生在导轮槽的底部。而一旦发生锯线跳线，即锯线因某些原因，进入了错误的导线槽，往往导轮槽的结构会受到永久性的损坏，必须立即更换。以用碳化硅游离磨料加工多晶硅片为例，目前一般的导轮寿命在20-150次切割之间大幅度波动，使用寿命严重依赖于导轮槽材质、导轮槽形状、机台稳定性和多线切割的工艺条件设定。在一个导轮槽的工作周期中，前10次左右切割为磨合期，一般伴随着一定程度的良率波动。导轮槽一旦因跳线等原因造成损坏，就必须立即更换备用导轮。虽然导轮槽的加工和使用成本占多线切割生产成本的较小部分，但是其性能严重影响到良率和机台的有效工作时间。对导轮槽的检查、清洗和可用性评估目前是多线切割生产中非常重要的操作环节，一般要占用30%以上的操作间隔时间。 

当带有预加张力的锯线被放置在导轮槽中时，锯线即对导轮槽的施加一个压力。根据材料力学，只要导轮槽与锯线的接触面呈现凹形的曲率，那么在锯线的正下方作用点处，导轮槽的材料就会受到拉应力(tensih1e stress)，应力的大小取决于锯线所施加的张力和底部的局部曲率角。张力越大，或者曲率角越小，拉应力的数值就越高。如果导轮槽为V形截面，或者在使用中磨料颗粒的嵌入造成了类似V形的尖端，那么在顶点处，就会存在相当大的应力集中。这种应力集中达到一定程度，或者有后续的磨料颗粒进一步嵌入，就会造成槽底中央的材料发生破坏。U形截面的导轮槽的应力集中程度比V形槽低，但因为其凹面的曲率，仍然会在槽底部产生较大的拉应力。 

另外，锯线在向相邻的导轮槽运动中，不可避免地会与导轮槽壁发生摩擦。当前使用的导轮槽壁均为采用一个固定的倾角，这样锯线就会在相当长的距离上与导轮槽壁摩擦（一般在6-10mm）。这样的接触会造成线网的振动和导轮槽 的磨损，提高跳线事故发生的概率。所以，应该尽可能减小在定位需要以外的锯线与导轮槽的接触。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：为了克服现有技术中导轮槽侧壁易磨损、锯线易跳线的问题，提供一种定制槽型的多线切割用导轮。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种定制槽型的多线切割用导轮，所述导轮表面具有耐磨涂层，所述导轮表面耐磨涂层上开有彼此平行的用于排列锯线的导轮槽；所述导轮槽与通过导轮轴线的平面的交线形成导轮槽轮廓，所述导轮槽轮廓包括底边和侧壁，所述导轮槽轮廓的侧壁包括与底边相连的锯线定位侧壁和位于定位侧壁之上的锯线导向侧壁，所述定位侧壁为直线或向导轮槽轮廓中心弯曲的凸曲线，所述导向侧壁为直线或向导轮槽轮廓中心弯曲的凸曲线，所述导轮槽轮廓所在平面上任一与导轮轴线垂直相交的直线为轮廓法线，所述导向侧壁两端点的连线与轮廓法线的夹角大于定位侧壁两端点的连线与轮廓法线的夹角。 

多线切割用导轮表面的耐磨涂层肖氏D硬度在80-99之间、厚度大于0.3mm，肖氏D硬度在80-99之间可以满足导轮在使用时的强度，厚度大于0.3mm可以使导轮的重复利用率高，在一定范围内，耐磨涂层越厚，可重复利用的次数越多。 

多线切割用导轮的底边可以为直线或曲率半径大于锯线直径D的1.6倍的曲线，将底边设计成曲线，可以最大程度地降低锯线正下方的应力集中，导轮槽的侧壁斜边提供锯线的定位力，导轮槽材质的弹性模量需均匀，保证锯线定位于导轮槽的中心。 

进一步地，所述底边宽度为W，所述底边宽度W为锯线直径D的40%-80%，可以使加工的角度和高度更加容易处理。 

为了消除底边与侧壁相连接部分的内应力集中点，所述底边与侧壁相接的部分存在平滑过渡的底边倒角区。 

多线切割用导轮的定位侧壁两端点的连线与轮廓法线的夹角为α，α的取值范围为： 

其中 

为在不损失导轮槽提供的锯线定位能力的前提下，定位侧壁可允许的最大夹角，也即临界定位夹角，主要为了最小化定位侧壁被锯线磨损，并减小因磨擦带来的良率波动和跳线风险。 

在导轮槽底部宽度和锯线的直径确定的情况下，临界定位情况下导轮槽壁与锯线之间的关系如图3所示；其侧壁与水平线之间的角度β与锯线直径D与导轮槽底宽度W的几何关系为：

因此临界夹角α=90°-β。 

为了保证定位侧壁能够提供定位支持，所述定位侧壁在导轮槽法线上的投影长度为h1，h1的取值范围为： 

$\left(\frac{D}{2}(1-\sin \mathrm{\α})\right)\≤h1\≤\left(\frac{D}{2}(1-\sin \mathrm{\α})\right)\×1.25.$

多线切割用导轮含耐磨涂层在内的半径为r，所述槽壁高度为h，所述导向侧壁与锯线间的接触距离为x，导向侧壁两端点的连线与轮廓法线的夹角为γ，  $x<r\&CenterDot;\mathrm{tg}\left(\arccos \left(\frac{r}{r+h}\right)\right),$

其中

导轮的转动带动锯线的运动，在锯线完成对工件的加工动作后，行进到对应导轮的对应导轮槽的底部后，继续行进的方向就会变为，向另外一个导轮上相邻的下一个导轮槽平面，并且在到达另外一个导轮后，进入相邻的导轮槽。锯线在导轮背面（即加工工件的另外一侧）的运动轨迹如图4所示。 

在导轮背面锯线的行进角度由两个导轮轴的距离和相邻导轮槽的水平距离决定，图4中的θ角即为锯线与导轮槽平面的夹角。在此情况下，锯线仍旧在两个导轮下端面所构成的平面上运动，但是运动方向与导线槽的法线平面的夹角为θ。图中x为锯线从与导轮槽底部的切点开始运动的距离。因为导轮槽的深度一般大于锯线直径的数倍，所以锯线需要运动一段距离才会脱离导轮槽的外沿。 

然后在另外一边的导轮处，锯线也会在对称的位置上进入导轮槽。在有工件的一侧，因为导轮槽彼此对准，并且锯线正直通过，所以正常情况下不会发生锯线与导轮槽侧壁的接触磨擦。但是在没有工件的一侧，因为锯线要以θ角前进入和离开导轮槽，所以会在一定距离上发生锯线和导轮槽壁之间的接触磨擦。因为锯线在工作状态下具有很高的速度和切削能力，这种与导轮槽侧壁的磨擦会破坏导轮槽结构，增加跳线概率，并有一定概率引起线网的谐振，使切割机工作状态恶化。 

多线切割用导轮的导向侧壁在导轮槽法线上的投影长度为锯线直径D的100%-250%，可以进一步的降低跳线风险。 

为了消除定位侧壁与导向侧壁相连接部分的内应力集中点，所述定位侧壁与导向侧壁相连部分存在平滑过渡的侧壁倒角区。 

实际加工中，并不需要保证底部、定位侧壁、导向侧壁的轮廓为直线，但一般会保证定位侧壁、导向侧壁的轮廓为向导轮轮廓中心弯曲的凸曲线，以便 于加工。 

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种定制槽型的多线切割用导轮，导轮与采用传统V形或U形横截面槽型的导轮相比，在不损失锯线定位能力的前提下，不仅寿命显著延长，且锯线跳线与抖动风险大幅降低，有利于降低切割不良如线痕、TTV等。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 

图1是本实用新型的一种定制槽型的多线切割用导轮的立体图； 

图2是图1中“A”位置的局部放大图； 

图3是底部为平面的锯线导轮槽； 

图4是锯线在导轮背面的行进示意图； 

图5是实施例1的导轮轮廓图； 

图6是实施例2的导轮轮廓图； 

图7是实施例3的导轮轮廓图； 

图8是实施例4的导轮轮廓图； 

图9是实施例5的导轮轮廓图。 

图中：1.导轮，2.锯线，3.导轮槽，4.导轮槽轮廓，11.耐磨涂层，41.底边，42.侧壁，43.定位侧壁，44.导向侧壁，5.轮廓法线。 

具体实施方式

为了使本实用新型的设计思路、创作特征、达成功效易于明白了解，下面针对多种不同型号的多线切割机导轮参数，以及锯线类型，进行设计，进一步阐述本实用新型。 

实施例1 

如图5所示，梅耶博格(Meyer Burger)的DS271机型，其导轮轴距为660mm在使用110μm切割钢线，JIS#1500碳化硅砂，肖氏D硬度为95，耐磨涂层厚度为0.8mm，槽距343μm。以底部直线部分长度W=70μm(W=63.6%*D)计算，定位侧壁夹角α=25.1度，其法线方向上的高度为31.7μm。以摩擦控制距离x=0.2mm的条件，计算得出此时的导向侧壁夹角γ=42.8度，其垂直高度设计为160μm。 

实施例2 

如图6所示，NTC的442型多线切割机，其导轮轴距为600mm，使用110μm切割钢线，JIS#2000碳化硅砂，肖氏D硬度为99，耐磨涂层为0.9mm，槽距343μm，底部W长度为40%线径，即44μm，底部曲率半径为2倍线径，即220μm。计算结果为定位侧壁夹角α为46.4度，高度为31.7μm。以摩擦控制距离x=0.1mm的条件，计算得出此时的导向侧壁夹角γ=49.7度，高度为180μm。在加工开槽刀具时，先加工出两个斜边，然后底部以曲率半径220μm进行倒角。 

实施例3 

如图7所示，应用材料(Applied Materials)的HCT B5型多线切割机，其导轮轴距为660mm，使用120μm切割钢线，肖氏D硬度为80，耐磨涂层厚度为1.1mm，JIS#1500碳化硅砂，槽距350μm，底部W长度为80%线径，即96μm。 计算结果为定位侧壁夹角α为12.7度，高度为43.0μm，修正10%后为47.3μm。以摩擦控制距离x=0.2mm的条件，导向侧壁夹角γ=40.6度，高度为160μm。在底边与定位侧壁之间，以曲率半径为0.2倍锯线直径，即24μm进行直角倒角。即在加工开槽刀具时，先加工出底边及两段变角度斜边，然后底边角以曲率半径24μm进行直角边倒角。在定位侧壁与导向侧壁之间，以曲率半径为360μm进行倒角后，再最后完成定位侧壁与导向侧壁。 

实施例4 

如图8所示，NTC的PV800型多线切割机，其导轮轴距为560mm，使用125μm金刚石锯线，肖氏D硬度为99，耐磨涂层厚度为0.9mm，槽距350μm，底部W长度为62.4%线径，即78μm。计算结果为定位侧壁夹角α为24.0度，高度为32.7μm，进行5%的补偿后高度为34.3μm。以摩擦控制距离x=0.2mm的条件，导向侧壁角γ=45.4度，高度为125μm。在底边与定位侧壁之间，以曲率半径为0.1倍锯线直径，即11μm进行直角倒角。即在加工开槽刀具时，先加工出底边及两段变角度斜边，然后底边角以曲率半径11μm进行直角边倒角。 

实施例5 

如图9所示，梅耶博格(Meyer Burger)的DS264机型，其导轮轴距为660mm，在使用110μm切割钢线，肖氏D硬度为88，耐磨涂层厚度为1.5mm，JIS#1500碳化硅砂，槽距343μm，底部W长度为80%线径，即88μm，底部曲率半径为4倍线径，即440μm。计算结果为定位侧壁夹角α为18度，修正为75%为13.5度。高度为38μm，修正增加25%为47.5。以摩擦控制距离x=0.1mm的条件，计算得出此时的导向侧壁夹角γ=28.6度，修正增加25%为35.8度。高度为250%线径，为275μm。在加工开槽刀具时，先加工出两个斜边，然后底部 以曲率半径440μm进行倒角。 

以上述依据本实用新型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实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型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 (10)

1.一种定制槽型的多线切割用导轮，其特征在于：所述导轮（1）表面具有耐磨涂层（11），所述导轮（1）表面耐磨涂层（11）上开有彼此平行的用于排列锯线（2）的导轮槽（3）；所述导轮槽（3）与通过导轮（1）轴线的平面的交线形成导轮槽轮廓（4），所述导轮槽轮廓（4）包括底边（41）和侧壁（42），所述导轮槽轮廓（4）的侧壁（42）包括与底边相连的锯线定位侧壁（43）和位于定位侧壁（43）之上的锯线导向侧壁（44），所述定位侧壁（43）为直线或向导轮槽轮廓中心弯曲的凸曲线，所述导向侧壁（44）为直线或向导轮槽轮廓中心弯曲的凸曲线，所述导轮槽轮廓（4）所在平面上任一与导轮轴线垂直相交的直线为轮廓法线（5），所述定位侧壁（43）两端点的连线与轮廓法线（5）的夹角为α，所述导向侧壁（44）两端点的连线与轮廓法线（5）的夹角为γ，所述α<γ。 

2.如权利要求1所述的一种定制槽型的多线切割用导轮，其特征在于：所述耐磨涂层（11）肖氏D硬度在80-99之间、厚度大于0.3mm。 

3.如权利要求2所述的一种定制槽型的多线切割用导轮，其特征在于：所述底边（41）为直线或曲率半径大于锯线直径D的1.6倍的曲线。 

4.如权利要求1-3任一项所述的一种定制槽型的多线切割用导轮，其特征在于：所述底边（41）宽度为W，所述底边（41）宽度W为锯线（2）直径D的40%-80%。 

5.如权利要求4所述的一种定制槽型的多线切割用导轮，其特征在于：所述底边与侧壁相接的部分存在平滑过渡的底边倒角区。 

6.如权利要求2所述的一种定制槽型的多线切割用导轮，其特征在于：所述定位侧壁（43）两端点的连线与轮廓法线（5）的夹角α的取值范围为： 

7.如权利要求6所述的一种定制槽型的多线切割用导轮，其特征在于：所述定位侧壁（43）在导轮槽法线上的投影长度为h1，h1的取值范围为： 

8.如权利要求2所述的一种定制槽型的多线切割用导轮，其特征在于：所述导轮（1）含耐磨涂层（11）在内的半径为r，所述槽壁高度为h，所述导向侧壁（44）与锯线（2）间的接触距离为x，

其中

9.如权利要求8所述的一种定制槽型的多线切割用导轮，其特征在于：所述导向侧壁（44）在导轮槽法线上的投影长度为锯线（2）直径D的100%-250%。 

10.如权利要求6-9任一项所述的一种定制槽型的多线切割用导轮，其特征在于：所述定位侧壁（43）与导向侧壁（44）相连部分存在平滑过渡的侧壁倒角区。 

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