DE102004013038B4

DE102004013038B4 - Sägevorrichtung zum Sägen eines Werkstücks aus hartem sprödem Material

Info

Publication number: DE102004013038B4
Application number: DE200410013038
Authority: DE
Inventors: Mahmoud Ajineh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: DE102004013038A1

Abstract

Sägevorrichtung (1) zum Sägen eines Werkstücks (14) aus hartem sprödem Material, insbesondere zum Sägen von Kristallen, mit einer Sägenanordnung (16), umfassend eine Mehrzahl von parallel nebeneinander verlaufenden Sägewerkzeugen (4) zum gleichzeitigen Abtrennen einer Mehrzahl von Scheiben (46) von dem Werkstück (14) und eine Mehrzahl von parallel nebeneinander verlaufenden Schleifwerkzeugen (6) zum Nachbearbeiten der Schnittflächen (46a, 46b), wobei die Sägewerkzeuge (4) und die Schleifwerkzeuge (6) paarweise hintereinander angeordnet sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Sägevorrichtung zum Sägen eines Werkstücks aus hartem sprödem Material im Allgemeinen und eine Vielfachsägevorrichtung, um gleichzeitig eine Mehrzahl von Scheiben von dem Werkstück abzutrennen im Besonderen.
Hintergrund der Erfindung
Dünne Kristallscheiben werden für verschiedene technische Anwendungen benötigt. Zu ihrer Herstellung werden typischerweise zunächst im Wesentlichen zylindrische Kristalle gezüchtet und diese anschließend in eine Mehrzahl von Scheiben zersägt.

Hierfür wurden bislang die folgenden Sägen verwendet. Beispielsweise werden sogenannte Innenlochsägen eingesetzt, bei welchen das Werkstück in eine zentrale Öffnung der Säge eingeführt wird. Die Innenkante der Öffnung ist dabei mit Diamantstaub beschichtet, so dass durch einen transversalen Vorschub der Säge einzelne Scheiben von dem Werkstück abgesägt werden können. Nachteilig bei dieser Säge ist es, dass Scheibe für Scheibeeinzeln abgesägt wird und aufgrund der Dicke der Säge ein relativ großer Verschnitt entsteht.

Ferner ist die Größe des Werkstücks durch die Größe des Innenloches in der Säge begrenzt. Außerdem sind Innenlochsägen aufwändig und daher teuer.

Weiter sind sogenannte Vielfachdrahtsägen bekannt, bei welchen eine Mehrzahl von parallelen Sägedrähten auf einem System aus zumindest drei Spannwalzen zum Sägen verwendet wird. Als abrasives Material dient typischerweise eine Schleifstaubemulsion, welche in der Fachwelt auch als „slurry" bezeichnet wird.

Mit dieser Säge können zwar gleichzeitig eine Vielzahl von Schnitten durchgeführt werden, dennoch ist der Zeitaufwand für den Sägevorgang aufgrund eines geringen Materialabtrages sehr groß. Typische Sägezeiten für einen Vielfachschnitt betragen immerhin etwa einen Tag.

Ferner hat sich gezeigt, dass die mittels dieser Säge erzeugten Kristallscheiben eine sich verjüngende Form erhalten, das heißt, dass die Parallelität der Schnitte zu wünschen übrig lässt. Im übrigen sind diese Drahtsägen sehr komplex und teuer.

Es sind auch Vielfachdrahtsägen bekannt, bei welchen nicht mit einer Schleifemulsion gearbeitet wird, sondern die Drähte mit Diamantstaub beschichtet sind. Mit diesen wird zwar eine etwas höhere Schnittgeschwindigkeit von etwa drei bis fünf Stunden für einen Vielfachschnitt erreicht, jedoch sind diese Sägen ebenfalls sehr kostenintensiv.

Ferner besteht bei dieser Drahtsäge das Problem, dass sich der Draht während des Sägens dreht, so dass eine vollständige Rundumbeschichtung notwendig ist, was wiederum zu erhöhten Kosten führt.

Generell hat sich bei den Drahtsäen noch als nachteilig erwiesen, dass die von den Drähten erzeugten Schnittflächen wellenförmige Unebenheiten aufweisen, so dass diese für

Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Planarität der Schnittflächen höchstens bedingt geeignet sind.

Aus der DE 33 05 695 A1 ist eine Vorrichtung zum Zerteilen von Halbleitermaterial bekannt, welche eine aus einem Metallband bestehende Säge aufweist. Die Vorrichtung soll für Gatter- oder Bandsägen Verwendung finden. Zum Sägen wird entweder ein Läpppulver mit einer Stärke von etwa 5 bis 10 μm verwendet, oder die Metallbänder sind mit Diamantpulver versehen, das aufgerollt, aufgeklebt oder galvanisch aufgebracht ist.

Ferner ist aus der DE 28 05 745 C2 eine Schneidklinge mit Schneidpartikeln auf einem Bereich der Schneidklinge bekannt. Die Klinge umfasst ein Blatt aus gehärtetem Stahl, welches typischerweise 4,76 mm oder 12,7 mm hoch und 0,05 mm bis 0,38 mm breit ist und aus Stahl 1095 besteht, welcher bis etwa 55 R_C gehärtet ist. Ferner sind Schneidpartikel in ein nach unten gerichtetes Segment der Klinge eingebettet, jedoch nicht in die Seiten des Blatts, so dass die Gesamtbreite der Klinge nicht vergrößert wird.

Jedenfalls sind die Qualität der Schnittflächen und die Sägegeschwindigkeit bei diesen Sägen ebenfalls verbesserungswürdig.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sägevorrichtung zum Sägen eines Werkstücks aus hartem sprödem Material bereitzustellen, welche gleichzeitig eine Mehrzahl von Scheiben von dem Werkstück abzutrennen vermag und diese Scheiben hohen Qualitätsanforderungen an die Planarität und/oder Parallelität der Schnittflächen genügen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Sägevorrichtung bereitzustellen, welche eine hohe Sägegeschwindigkeit erlaubt.

Noch eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Sägevorrichtung bereitzustellen, welche kostengünstig herzustellen ist und welche effizient arbeitet.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Sägevorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Sägevorrichtungen meidet oder zumindest mindert.

Die Aufgaben der Erfindung werden in überraschend einfacher Weise bereits durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Erfindungsgemäß wird eine Sägevorrichtung zum Sägen eines Werkstücks aus hartem sprödem Material vorgeschlagen, wobei die Sägevorrichtung eine Sägenanordnung, z.B. in Form eines Rahmens mit eingespannten Sägewerkzeugen umfasst. Die Sägevorrichtung ist insbesondere zum Zersägen von Kristallen, genauer Kristallstangen in eine Vielzahl von Scheiben hergerichtet. Die Sägenanordnung weist eine Mehrzahl von parallel nebeneinander verlaufenden Sägewerkzeugen auf, so dass gleichzeitig eine Mehrzahl von Scheiben von dem Werkstück abgetrennt werden können, wenn die Sägenanordnung unter Kraftbeaufschlagung gegen das Werkstück oder umgekehrt, insbesondere im Pendelbetrieb das Werkstück sägt.

Es wurde nun im Rahmen der Erfindung herausgefunden, dass das Sägeergebnis erheblich verbessert werden kann, wenn die Sägevorrichtung, genauer die Sägenanordnung eine Mehrzahl von parallel nebeneinander verlaufenden Schleifwerkzeugen umfasst, wobei die Sägewerkzeuge und die Schleifwerkzeuge paarweise und in Bezug auf das Werkstück hintereinander und parallel zueinander angeordnet sind. Somit werden die von den Sägewerkzeugen zuvor erzeugten Schnittflächen der Scheiben in demselben Arbeitsschritt mit den Schleifwerkzeugen nachbearbeitet.

Zunächst ergibt sich daraus der Vorteil, dass mit ein und derselben Vorrichtung in effizienter Weise eine Vielzahl von Werkstückscheiben erzeugt werden können, welche bereits eine relativ hohe Oberflächengüte der Schnittflächen oder Planflächen aufweisen, so dass ein separater weiterer Schleifvorgang gegebenenfalls entfallen kann. Vorzugsweise werden die Schnittflächen nach dem Sägen und Schleifen lediglich noch in einem separaten Arbeitsschritt poliert.

Im Rahmen der Erfindung wurde außerdem noch herausgefunden, dass die erfindungsgemäß hergestellten Scheiben eine im Vergleich zu bekannten Sägeverfahren verbesserte Parallelität der beiden Schnittflächen aufweisen. Dieses Ergebnis ist gleichermaßen überraschend, wie vorteilhaft, da die Parallelität der Schnittflächen oder Trennflächen für die Qualität der Scheiben bedeutsam ist.

Es wurde nämlich herausgefunden, dass ein Grund für die mangelhafte Flachheit und Parallelität bei bekannten Verfahren darin begründet sein kann, dass sich aufgrund des Anpressdruckes des Werkstückes gegen die Sägewerkzeuge, bzw. umgekehrt, eine Verdrehung der Sägewerkzeuge stattfinden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Sägevorrichtung wird eine solche Verdrehung an den Schleifwerkzeugen weitgehend vermieden, da diese einem Anpressdruck im Wesentlichen nicht ausgesetzt sind. Somit wird eine große Flachheit und Parallelität der Schnittflächen durch die Nachbearbeitung mittels der Schleifwerkzeuge erzielt, so dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine hohe Präzision in der Bearbeitung der Schnittflächen des Werkstücks erreicht wird.

Es hat sich ferner herausgestellt, dass die Flachheit und Parallelität der Schnittflächen von besonderer Güte ist, wenn die Sägewerkzeuge und/oder die Schleifwerkzeuge durch längliche und im Querschnitt flache Sägeblätter bzw. Schleifblätter gebildet werden. Diese Form der Werkzeuge scheint diesbezüglich, insbesondere gegenüber runden Schleifdrähten von Vorteil zu sein.

Zwar ist auch die Verwendung einer Schleifstaubemulsion (slurry) denkbar, jedoch haben die Erfinder festgestellt, dass die Parallelität der Schnittflächen mit Säge- und Schleifblättern, auf welche ein Schleifmittel fest aufgebracht ist, demgegenüber verbessert ist. Es hat sich bewährt, die Säge- und/oder Schleifwerkzeuge zumindest abschnittsweise mit Schleifpartikeln, z.B. Diamantstaub oder Diamantsplittern fest zu beschichten, so dass jeweils Werkzeuge gebildet sind, die jeweils selbst eine zumindest abschnittsweise abrasive Oberfläche besitzen und somit auf eine Schleifstaubemulsion verzichtet werden kann.

Ferner hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass mit beschichteten Sägeblättern eine außerordentlich hohe Schnittgeschwindigkeit erreicht werden kann, welche insbesondere erheblich höher als bei Sägen mit Schleifstaubemulsion ist. Beispielsweise wurde ein 5 cm dicker Kristallstab in etwa 75 Minuten zerteilt. Dass dies ein immenser Vorteil gegenüber den langsamen bekannten Verfahren ist, liegt auf der Hand.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Sägewerkzeuge parallel zu einer ersten Achse und sind in einer ersten Ebene an einem Rahmen befestigt, so dass die Sägewerkzeuge eine lineare Gitterstruktur, etwa wie bei einem Eierschneider bilden. Eine derartige Vielfachsägevorrichtung wird auch als Gattersäge bezeichnet. Diese Gattersäge ist erheblich preisgünstiger als eine Drahtsäge.

Der Sägevorgang wird in einfacher Weise durch eine im Wesentlichen lineare Pendelbewegung des Rahmens parallel zu den Sägeblättern, also entlang der ersten Achse bewerkstelligt, so dass unter Kraftbeaufschlagung des Werkstücks gegen die Sägeblätter beziehungsweise umgekehrt, gleichzeitig mehrere Scheiben von dem Werkstück abgesägt werden.

Die Schleifblätter erstrecken sich dabei parallel zu den Sägeblättern und bilden ebenfalls eine lineare Gitterstruktur in einer zweiten Ebene, welche in Bezug auf das Werkstück hinter der ersten Ebene liegt, so dass zunächst mit den Sägeblättern gesägt und anschließend mit den Schleifblättern nachgeschliffen wird. Es sind folglich zwei Gatter hintereinander vorgesehen.

Vorzugsweise sind die Schleifblätter und die Sägeblätter an demselben Rahmen befestigt, was eine besonders einfache Lösung darstellt.

Die Sägewerkzeuge und die Schleifwerkzeuge sind mit anderen Worten derart angeordnet, dass in Bezug auf das Werkstück hinter jedem Sägewerkzeug genau ein zugehöriges Schleifwerkzeug, welches vorzugsweise im Wesentlichen dieselbe Stärke wie das Sägewerkzeug aufweist, in dem Rahmen angeordnet ist, so dass jeweils eines der Sägewerkzeuge und das dahinter liegende zugehörige Schleifwerkzeug jeweils ein Sägeblatt-Schleifblatt-Paar bilden.

Dadurch wird erreicht, dass im Betrieb in einem Arbeitsschritt die Sägewerkzeuge gleichzeitig eine Mehrzahl von Schlitzen in das Werkstück schneiden, um eine Mehrzahl von Scheiben von dem Werkstück abzutrennen und unmittelbar nachfolgend die Schleifwerkzeuge in die jeweils zugehörigen Schlitze eingeführt werden, um in demselben Arbeitsschritt die Schnittflächen der Scheiben nachzuschleifen.

Ferner ist es vorteilhaft die Schleifblätter relativ dicht hinter den Sägeblättern anzuordnen, so dass der Schleifvergang bereits beginnt, bevor der Sägevorgang abgeschlossen ist. Dies ist von Vorteil, weil erstens die Dauer des gesamten Säge- und Schleifvorganges dadurch verkürzt wird und gleichzeitig die teilweise angesägten Scheiben noch im Verbund vorhanden sind.

Die Sägeblätter und/oder die Schleifblätter sind bevorzugt länglich ausgebildet und weisen einen im Wesentlichen flachen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Blätter bezüglich des flachen rechteckigen Querschnitts hochkant paarweise hintereinander und nebeneinander in dem Rahmen eingespannt sind. Dadurch wird der Verschnitt gering gehalten.

Die Sägewerkzeuge besitzen somit eine sägeaktive schmale Vorderseite, welche dem Werkstück zugewandt ist, eine schmale Rückseite, welche der Vorderseite gegenüberliegt sowie eine linke und rechte Seitenfläche, welche die Vorderseite und die Rückseite miteinander verbinden. Die Schleifpartikel sind vorzugsweise an der Vorderseite und lediglich an schmalen Abschnitten der linken und rechten Seitenfläche, welche an die Vorderseite angrenzen, aufgebracht, so dass eine im Wesentlichen U-Profilförmige Schleifmittelschicht auf den Sägeblättern gebildet ist.

Diese lediglich Teilbeschichtung der Seitenflächen der Sägeblätter hat den Vorteil der Sägeblättern im hinteren Bereich kein Material abtragen, so dass wiederum eine hohe Parallelität der Schnittflächen gewährleistet ist.

Die Schleifwerkzeuge sind von gleicher Form, wobei deren Vorderseite jeweils der Rückseite des zugehörigen Sägeblatts zugewandt ist. Vorzugsweise sind die Schleifblätter mit einem zweiten Schleifmittel an der Vorderseite und vollständig an der linken und rechten Seitenfläche fest beschichtet, wobei ebenfalls eine im Wesentlichen U-Profilförmige Schleifmittelschicht gebildet ist. Allerdings ist die Ausdehnung der Schleifmittelschicht an den Seitenflächen der Schleifwerkzeuge in Vorschubrichtung erheblich größer, als die Ausdehnung der Schleifmittelschicht an den Sägewerkzeugen.

Dadurch wird ein besonders gründliches und gleichmäßiges Schleifergebnis erzielt.

Als Schleifmittel werden vorzugsweise Partikel mit einer Härte nach Mohs von zumindest 9, z. B. Saphir (9 Mohs), Korund (9,5 bis 9,6 Mohs) oder Diamant (10 Mohs) verwendet.

Es ist besonders vorteilhaft, das zweite Schleifmittel feiner als das erste auszuwählen. Dadurch kann eine hohe Vorschubgeschwindigkeit korrespondierend mit einer kurzen Sägezeit, bei gleichzeitiger feiner Nachbearbeitung der Schnittflächen erzielt werden.

In intensiven Experimenten wurde als bevorzugter Bereich für das erste Schleifmittel eine Körnung zwischen 20 μm und 100 μm, besonders bevorzugt zwischen 46 μm und 75 μm und/oder für das zweite Schleifmittel eine Körnung zwischen 10 μm und 50 μm, besonders bevorzugt zwischen 10 μm und 30 μm ermittelt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfassen die Sägewerkzeuge und/oder die Schleifwerkzeuge einen Träger, welcher aus einem ersten Material, z.B. Edelstahl besteht. Dieser ist weiter vorzugsweise unter den Schleifpartikeln mit einem zweiten vom ersten Material unterschiedlichen Material, z.B. einem Metall, insbesondere Nickel beschichtet.

Dadurch kann die Haftung der Schleifpartikel auf den Werkzeugen erhöht werden.

Vorzugsweise sind die Sägewerkzeuge und/oder die Schleifwerkzeuge in dem Rahmen mit einer Zugspannung von zumindest 10, 12 oder sogar 15 kg/cm² eingespannt.

Die hohe Spannung, welche mit einer Drahtsäge kaum erreichbar ist, sorgt in vorteilhafter Weise für besonders planare Schnittflächen.

Weiter bevorzugt ist es, die Sägewerkzeuge und/oder die Schleifwerkzeuge in dem Rahmen mit austauschbaren Abstandshaltern zwischen benachbarten Sägewerkzeugen bzw. Schleifwerkzeugen einzuspannen.

Dadurch können die Werkzeuge leicht ausgetauscht werden oder der Abstand zwischen ihnen variiert werden.

Die Sägevorrichtung umfasst ferner vorzugsweise eine Halterung für das Werkstück, wobei die Halterung und Sägenanordnung gegeneinander beweglich sind und im Betrieb die Halterung, insbesondere mittels Gewichten gegen die Sägenanordnung kraftbeaufschlagt ist, um einen Vorschub des Werkstückes im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse zu erzielen. Die Kraft wird bevorzugt während des Säge- und Schleifvorganges erhöht.

Dies ist vorteilhaft, da die Reibung aufgrund der wachsenden Kontaktfläche während des Sägens und Schleifens zunimmt.

Angetrieben wird die Sägevorrichtung in einfacher Weise von einem Kurbelantrieb, welcher die im Wesentlichen lineare Pendelbewegung der Sägenanordnung bzw. des Rahmens entlang der Längsachse der Werkzeuge erzeugt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 eine schematische dreidimensionale Darstellung der erfindungsgemäßen Sägevorrichtung,
2 eine schematische Darstellung der Säge- und Schleifblätter mit dazwischen liegenden Abstandshaltern,
3 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines etwa bis zur Hälfte zersägten Werkstücks,
4 einen schematischen Querschnitt durch die Säge- und Schleifwerkzeuge gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung während des Sägevorgangs,
5 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß hergestellte Kristallscheibe,
6 einen schematischen Querschnitt durch eine mit einem bekannten Verfahren hergestellte Kristallscheibe,
7 einen Querschnitt durch ein Werkstück mit dem Sägeblatt in verschiedenen Sägetiefen,
8 eine Blockdarstellung der Steuerung eines Schrittmotorsystems,
9 eine Seitenansicht einer schrittmotorgetriebenen Zuführeinrichtung,
10 eine Frontansicht der schrittmotorgetriebenen Zuführeinrichtung aus 9 und
11 eine Draufsicht der schrittmotorgetriebenen Zuführeinrichtung aus 9.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sägevorrichtung, welche als Ganzes mit 1 bezeichnet ist. Die Sägevorrichtung 1 umfasst einen Rahmen oder Spannrahmen 2, in welchem jeweils eine Vielzahl von etwa 10 bis 100 Sägeblättern 4 und Schleifblättern 6 eingespannt sind (besser zu sehen in den 2 bis 4). Die Säge- und Schleifblätter 4, 6 werden mittels einer Spannvorrichtung mit etwa 10 bis 15 kg/cm² vorgespannt in den Rahmen 2 eingesetzt und unter Beibehaltung der Vorspannung mit Bolzen 8 in dem Rahmen 2 fixiert.
Die Sägevorrichtung 1 umfasst ferner eine Andruck- oder Zuführeinrichtung 10 mit einer vertikal beweglichen Aufnahme 12, in welche das Werkstück 14 aufgenommen beziehungsweise eingespannt ist.
Die Zuführeinrichtung 10 bewirkt einen Vorschub in Richtung des Rahmens 2, bzw. der aus dem Rahmen 2 und den Säge- und Schleifblättern 4, 6 gebildeten Sägenanordnung 16 entlang der Vorschubrichtung 18.
Der Vorschub wird über eine Umlenkeinrichtung 20, welche Umlenkrollen 22 umfasst, bewerkstelligt. Hierzu ist ein Gewicht 24 vorgesehen, so dass der Vorschub 18 mittels Gravitationskraft erzeugt wird.
Ferner vorgesehen sind Mittel zur Erhöhung der Andruck- oder Vorschubkraft durch entsprechende Gewichtserhöhung oder einen entsprechenden Umlenkmechanismus, wobei die Andruckkrafterhöhung der Übersichtlichkeit halber in der 1 nicht dargestellt ist. Die technische Realisierung einer Andruckkrafterhöhung ist dem Fachmann jedoch bekannt.
Die Sägevorrichtung 1 umfasst ferner eine Antriebseinrichtung 30 mit einem Motor 32, welcher über einen Riemen 34 eine Kurbelscheibe 36 antreibt. Die Kurbelscheibe 36 ist mit einem exzentrisch gelagerten Antriebsstab 38 mit der Sägenanordnung 16, genauer mittig mit dem Rahmen 2 verbunden, so dass eine im Wesentlichen lineare Hin- und Herbewegung oder Pendelbewegung entlang der Achse 40 erzeugt wird. Die Achse 40 ist im Wesentlichen senkrecht zur Vorschubrichtung 18 angeordnet.
Bezug nehmend auf 2 sind in einer Querschnittsdarstellung drei der Sägeblätter 4 und drei der Schleifblätter 6 dargestellt. Die Sägeblätter 4 und die Schleifblätter 6 sind jeweils hochkant nebeneinander angeordnet. Ferner bildet jeweils ein Sägeblatt 4 und ein Schleifblatt 6 ein schmalseitig benachbartes Paar. Quer zur Vorschubrichtung sind zwischen den Paaren jeweils austauschbare Abstandshalter 42 vorgesehen, mittels deren Dicke die Dicke der herzustellenden Kristallscheiben definiert wird. Somit können durch Einsatz verschieden dicker Abstandshalter 42 verschieden dicke Kristallscheiben von dem Werkstück abgesägt werden.
Die Zwischenräume zwischen den Säge- bzw. Schleifblättern und den Abstandshaltern 42 sind lediglich der Übersichtlichkeit halber dargestellt, es handelt sich folglich bei 2 um eine Art Explosionsdarstellung.
Bezug nehmend auf 3 ist das Werkstück 14 in Form eines zylindrischen Kristalls dargestellt, welcher bereits etwa zur Hälfte eingeschnitten ist. Es ist zu sehen, wie gleichzeitig eine Vielzahl von Scheiben 46 von dem Werkstück 14 mittels der Säge- und Schleifblätter 4, 6 abgetrennt werden können.
Ferner ist dargestellt, dass der eigentliche Schnitt zunächst von den Sägeblättern 4, welche sich in der Darstellung unterhalb der Schleifblätter 6 befinden, erzeugt wird. Unmittelbar nach den Sägeblättern 4 werden jeweils zugehörige Schleifblätter eines Paares in den von den entsprechenden Sägeblättern erzeugten Schlitz eingeführt. Die Schleifblätter 6 bewerkstelligen im selben Arbeitsschritt, lediglich aufgrund ihrer bezüglich der Vorschubrichtung zurückgesetzten Position zeitlich etwas verzögert, eine Nachbearbeitung der Schnittflächen.
Bezug nehmend auf 4 ist ein Querschnitt durch das Werkstück 14 und die in Schlitzen 48 befindlichen Säge- und Schleifblätter 4, 6 gezeigt.
Die Säge- und Schleifblätter 4, 6 umfassen jeweils einen Grundkörper aus einem länglichen im Querschnitt im Wesentlichen rechteckigen Edelstahlblech 54 bzw. 56. Das Sägeblatt 4 weist eine Vorderseite 4a, eine Rückseite 4b und zwei Seitenflächen 4c und 4d auf, welche gemeinsam den Umfang des Querschnitts definieren. Das Schleifblatt 6 weist entsprechende Seiten 6a bis 6d auf.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schleifblatt 6 an deren Vorderseite und den beiden Seitenflächen 6a, 6c, 6d mit Diamantstaub oder Diamantsplittern beschichtet. Folglich besitzen die Schleifblätter 6 jeweils eine im Wesentlichen U-förmige Diamantbeschichtung bzw. 66.
Bei dieser Ausführungsform ist das Schleifblatt 6 also auf seiner Vorderseite und den beiden Seitenflächen 6a, 6c, 6d vollständig mit Diamantstaub beschichtet. Das Sägeblatt 4 hingegen ist lediglich auf seiner Vorderseite 4a und jeweils einem Abschnitt 74c und 74d der Seitenflächen 4c und 4d, auch U-förmig, mit Diamantstaub 64 beschichtet. Die Höhe der beschichteten Abschnitte 74c und 74d der Seitenflächen ist mit etwa 1 mm bis 2 mm erheblich kleiner als die Gesamthöhe des Sägeblatts 4, da die aktive Schneidfläche durch die Vorderkante 4a gebildet wird und der Diamantstaub auf den Seitenflächen im Wesentlichen dazu dient, dass sich das Sägeblatt nicht verklemmt.
Unter den Diamantstaub-beschichteten Seiten beziehungsweise Abschnitten sind die Säge- und Schleifblätter mit Nickel beschichtet, um eine bessere Haftung des Schleifmaterials zu erzielen.
Ferner vorteilhaft beträgt die Körnung des Schleifmaterials bzw. Diamantstaubs auf dem Sägeblatt 4 46 μm (D46) und die Körnung auf dem Schleifblatt 6 20 μm (D20). Folglich ist die Körnung auf dem Schleifblatt 6 feiner als auf dem Sägeblatt 4, wodurch ein schneller Vorschub mittels der Sägeblätter erzielt werden kann und gleichzeitig eine feinere Nachbearbeitung der Schnittflächen mittels der Schleifblätter zu einer hohen Oberflächengüte führt.
Demnach umfasst die Sägenanordnung 16 zwei in Bezug auf die Vorschubrichtung hintereinander angeordnete Sätze von dünnen Blättern, wobei die in Schneidrichtung vorderen und in der Zeichnung unteren Blätter 4 die Sägeblätter und die in Sägerichtung hinteren und in der Zeichnung oberen Blätter 6 die Schleifblätter repräsentieren. Die Höhe der Säge- und Schleifblätter 4, 6 beträgt jeweils etwa 10 mm bis 12 mm und deren Dicke etwa jeweils 0,25 mm bis 0,3 mm.
Die Enden der Säge- und Schleifblätter 4, 6 sind zwischen den Abstandshaltern 42 in dem Rahmen eingespannt oder festgeklemmt.
Die Pendelgeschwindigkeit des Rahmens 2 ist einstellbar von etwa 2 bis 100 Zyklen pro Minute. In diesem Beispiel bewegt sich die Sägenanordnung 16 beziehungsweise der Rahmen 2 mit einer Geschwindigkeit von 43 Pendelbewegungen pro Minute hin und her. Dadurch kann eine außerordentlich kurze Schneidzeit erzielt werden. So konnte ein 5 cm durchmessender Saphirkristall in 75 Minuten zerteilt werden.
Bezug nehmend auf 5 ist ein Querschnitt durch die erfindungsgemäß hergestellte Kristallscheibe 46 mit hoher Planarität und Parallelität der beiden Schnittflächen 46a, 46b dargestellt. Im Gegensatz dazu zeigt 6 eine Kristallscheibe, welche mit einer bekannten Sägevorrichtung mit einer Schleifstaubemulsion abgesägt wurde. Die Kristallscheibe 84 weist eine geringere Parallelität der Schnittflächen 84a, 84b auf.
Bezug nehmend auf die 8 bis 11 wird im Folgenden eine Zuführeinrichtung 128 mit einem Schrittmotorsystem 120 für den Werstückvorschub beschrieben, welches alternativ zu der in 1 dargestellten Zuführeinrichtung 10 mit dem gravitativen Vorschub eingesetzt wird.
Das Schneiden von Kristallen erfordert eine exakte Kontrolle des Schneide- oder Sägevorgangs, um hochpräzise Kristallscheiben zu erhalten. Die erfindungsgemäße Sägevorrichtung führt hierzu zwei zueinander im Wesentlichen senkrecht zueinander stehende Bewegungen durch:

1. Die horizontale Pendelbewegung des Rahmens und
2. eine vertikale Bewegung der Werkstückaufnahme.

Als Alternative zu der in 1 dargestellten Zuführeinrichtung 10 hat sich der Einsatz einer Zuführeinrichtung 128 getrieben von einem Schrittmotor 120 ebenfalls sehr bewährt. Mit diesem sind sogar noch präzisere Ergebnisse möglich geworden.
Im Folgenden werden die Vorzüge des Schrittmotorgetriebenen Vorschubs des Werkstückes anhand eines Saphirkristalls 14 mit im Wesentlichen rundem Querschnitt dargestellt.
Bezug nehmend auf 7 ändert sich während des Schneidens des im Wesentlichen zylindrischen Saphirkristalls 14 die Schnittlinie. Zu Beginn des Schneidevorgangs vergrößert sich die Länge der Schnittlinie mit zunehmender Schnitttiefe bis zur Mittelachse des kreisförmigen Querschnitts. Nachfolgend nimmt die Länge umgekehrt wieder ab.
Tabelle 1 zeigt beispielhaft die Veränderung einer Schnittlinie in 2-Millimeter-Schritten eines 50 mm durchmessenden Kristalls 14. Dabei verhält sich die Länge der Schnittlinie C_l als Funktion der Schnitttiefe gemäß folgender Gleichung: Cl = √8RC d – 4C 2d wobei R der Radius des Kristalls 14 und C_d für die Schnitttiefe stehen.
TABELLE 1
Durch die Verwendung des Schrittmotors 120 können weiter zwei Parameter der vertikalen Bewegung gesteuert werden, nämlich der Abstand (aufwärts oder abwärts) und die Vorschubgeschwindigkeit.
Hierbei hat sich herausgestellt, dass eine Änderung der Vorschubgeschwindigkeit während des Schnittvorgangs vorteilhaft sein kann.
Insbesondere wird die jeweilige Vorschubgeschwindigkeit während des Schnittprozesses derart gesteuert, dass ein im Wesentlichen konstanter Anpressdruck zwischen dem Werkstück 14 und den Sägeblättern 4 besteht. Hierzu ist die erfindungsgemäße Sägevorrichtung computergesteuert.
Zunächst wird mit einem Computerprogramm die erforderliche Geschwindigkeit als Funktion der jeweiligen Schnitttiefe berechnet. Anschließend werden die berechneten Geschwindigkeitswerte in einen Steuerungscomputer 122 eingegeben. Eine spezielle Steuerungssoftware steuert dann unter Verwendung dieser Werte den Schrittmotor 120.
Zusätzlich zu der Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit von der Länge der Schnittlinie bzw. der aktuellen Schnitttiefe werden zur Berechnung der Schnittgeschwindigkeit weitere Parameter, wie zum Beispiel der Radius des Werkstücks 14 und die Dicke der Platte an der Kante, wo die Diamantbeschichtung ist berücksichtigt.
Bezug nehmend auf 8 umfasst das Schrittmotorsystem 124 drei Baugruppen, nämlich den Steuerungscomputer 122, eine Steuerungseinrichtung 126 und eine Zuführeinrichtung 128.
Mittels des Computers 122 werden die Steuerungsparameter berechnet und in der Steuerungseinrichtung 126 abgespeichert. Anschließend steuert die Steuerungseinrichtung 126 die Zuführeinrichtung 128 selbständig. Allerdings kann mittels des Computers 122 die Zuführeinrichtung 128 auch manuell gesteuert werden.
Die manuelle Steuerung ist vorteilhaft, um die Aufnahme vor Beginn des Sägeprozesses an die Sägeeinrichtung heranzufahren und um das Werkstück 14 beziehungsweise die Kristallscheiben 46 nach dem Schneideprozess zu entnehmen.
Die Kontrolleinrichtung 126 für den Schrittmotor 120 enthält einen Mikrocomputer, in welchen das Steuerungsprogramm gespeichert wird und in welchem dieses während des Sägevorgangs selbständig abläuft.
Bezug nehmend auf die 9 bis 11 umfasst die Zuführeinrichtung 128 den Schrittmotor 120, welcher mit einer vertikalen Spindel 130 mechanisch verbunden ist. Die Spindel 130 rotiert in einer Mutter 132, welche an der Unterseite einer Führungsplatte 134 befestigt ist. Vier Führungssäulen 136 sind ferner an einer Basisplatte 138 der Zuführeinrichtung 128 befestigt und erstrecken sich durch vier Öffnungen 140 mit Kugellagern in der Führungsplatte 134. Die Führung mittels der vier Führungssäulen 136 und der Führungsplatte 134 gewährleistet eine möglichst exakte senkrechte Bewegung unter Vermeidung einer lateralen Bewegung.
Wenn der Schrittmotor 120 in Betrieb ist, wird seine Rotationsbewegung über ein Zahnradgetriebe 142 auf die Spindel 130 übertragen. Die Rotation der Spindel 130 in der Mutter 132 verursacht schließlich die vertikale Bewegung der Führungsplatte 134.
Die Führungsplatte 134 ist wiederum mit der Werkstückaufnahme 12 mit einem hohlen rechteckigen Stahltragerohr 144 verbunden. Die Spindel 130 verläuft innerhalb des Stahltragerohres 144 wenn sich die Führungsplatte 134 abwärts bewegt.
Ferner sind ein oberer und unterer Sicherheitsschalter 146, 148 umfasst, welche die Bewegung der Führungsplatte 134 nach oben beziehungsweise unten beschränken. Wenn die Führungsplatte 134 den oberen oder unteren Sicherheitsschalter 146, 148 betätigt, wird der Schrittmotor 120 automatisch ausgeschaltet. Vorteilhafterweise wird die Sägevorrichtung durch den Einsatz der Schrittmotorsteuerung dahingehend verbessert, dass mittels eines in der Kontrolleinrichtung 126 gespeicherten Steuerprogramms die Sägevorrichtung automatisiert den gesamten Sägevorgang durchführt.
Während des Sägevorgangs kraftbeaufschlagt die Zuführeinrichtung 128 das Werkstück 14 in Richtung der Sägeblätter 4, wobei die Kraft während des Sägevorgangs, gesteuert durch das Steuerprogramm, zunächst zunimmt und später wieder abnimmt. Das Steuerprogramm kann nahezu beliebig kleine Kraftzunahmen einstellen, jedoch ist in der Praxis dies durch den Schrittmotor und die Toleranz der Zuführeinrichtung 128 beschränkt.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.

Claims

Sägevorrichtung (1) zum Sägen eines Werkstücks (14) aus hartem sprödem Material, insbesondere zum Sägen von Kristallen, mit einer Sägenanordnung (16), umfassend eine Mehrzahl von parallel nebeneinander verlaufenden Sägewerkzeugen (4) zum gleichzeitigen Abtrennen einer Mehrzahl von Scheiben (46) von dem Werkstück (14) und eine Mehrzahl von parallel nebeneinander verlaufenden Schleifwerkzeugen (6) zum Nachbearbeiten der Schnittflächen (46a, 46b), wobei die Sägewerkzeuge (4) und die Schleifwerkzeuge (6) paarweise hintereinander angeordnet sind.
Sägevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägewerkzeuge (4) und die Schleifwerkzeuge (6) durch Sägeblätter bzw. Schleifblätter gebildet sind.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Sägewerkzeuge (4) und auf die Schleifwerkzeuge (6) zumindest abschnittsweise ein Schleifmittel (64, 66) fest aufgebracht ist.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sägewerkzeuge (4) parallel zu einer ersten Achse (40) erstrecken und in einer ersten Ebene an einem Rahmen (2) befestigt sind, um unter einer Pendelbewegung des Rahmens (2) entlang der ersten Achse (40) gleichzeitig die Scheiben (46) von dem Werkstück (14) abzusägen und sich die Schleifwerkzeuge (6) parallel zu der ersten Achse (40) erstrecken und in einer zweiten Ebene, welche in Bezug auf das Werkstück hinter der ersten Ebene liegt, an dem Rahmen (2) befestigt sind, um unter derselben Pendelbewegung des Rahmens (2) die durch das Absägen der Scheiben (46) entstehenden Schnittflächen (46a, 46b) nachzuschleifen.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägewerkzeuge (4) und die Schleifwerkzeuge (6) derart angeordnet sind, dass in Bezug auf das Werkstück (14) hinter jedem Sägewerkzeug (4) ein zugehöriges Schleifwerkzeug (6) in dem Rahmen (2) angeordnet ist, wobei jeweils eines der Sägewerkzeuge (4) und das zugehörige Schleifwerkzeug (6) jeweils ein Paar bilden.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägewerkzeuge (4) und die Schleifwerkzeuge (6) länglich ausgebildet sind, einen im Wesentlichen flachen rechteckigen Querschnitt aufweisen und bezüglich des flachen rechteckigen Querschnitts hochkant, in Bezug auf das Werkstück paarweise hintereinander und nebeneinander in einem Rahmen (2) eingespannt sind.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägewerkzeuge (4) eine Vorderseite (4a), welche dem Werkstück zugewandt ist, eine Rückseite (4b), welche der Vorderseite gegenüberliegt sowie eine linke und rechte Seitenfläche (4c, 4d), welche die Vorderseite (4a) und die Rückseite (4b) miteinander verbinden, aufweisen und ein erstes Schleifmittel (64) an der Vorderseite (4a) und an Abschnitten der linken und rechten Seitenfläche (4c, 4d), welche an die Vorderseite (4a) angrenzen, fest aufgebracht ist, wobei eine im Wesentlichen U-Profilförmige Schleifmittelschicht (64) gebildet ist.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifwerkzeuge (6) eine Vorderseite (6a), welche den Sägewerkzeugen (4) zugewandt ist, eine Rückseite (6b), welche der Vorderseite (6a) gegenüber liegt sowie eine linke und rechte Seitenfläche (6c, 6d), welche die Vorderseite (6a) und die Rückseite (6b) miteinander verbinden, aufweisen und ein zweites Schleifmittel (66) an der Vorderseite (6a) und an der linken und rechten Seitenfläche (6c, 6d) fest aufgebracht ist, wobei eine im Wesentlichen U-Profilförmige Schleifmittelschicht (66) gebildet ist.
Sägevorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der Schleifmittelschicht (66) an den Seitenflächen der Schleifwerkzeuge erheblich größer ist, als die Ausdehnung der Schleifmittelschicht (64) an den Sägewerkzeugen.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Schleifmittel (64, 66) Schleifkörner umfasst, welche fest an den Sägewerkzeugen (4) bzw. Schleifwerkzeugen (6) aufgebracht sind.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schleifmittel (66) eine feinere Körnung als das erste Schleifmittel (64) aufweist.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Körnung des ersten Schleifmittels (64) zwischen 20 μm und 100 μm und die Körnung des zweiten Schleifmittels (66) zwischen 10 μm und 50 μm beträgt.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägewerkzeuge (4) und Schleifwerkzeuge (6) jeweils einen Träger (54, 56) umfassen, welcher aus einem ersten Material besteht und zumindest abschnittsweise mit einem zweiten Material beschichtet sind und das erste bzw. zweite Schleifmittel (64, 66) fest auf der Schicht aus dem zweiten Material aufgebracht ist.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägewerkzeuge (4) und die Schleifwerkzeuge (6) in dem Rahmen (2) mit einer Zugspannung von zumindest 10 kg/cm² eingespannt sind.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägewerkzeuge (4) und die Schleifwerkzeuge (6) in dem Rahmen (2) mit austauschbaren Abstandshaltern (42) zwischen benachbarten Sägewerkzeugen (4) bzw. Schleifwerkzeugen (6) eingespannt sind.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche derart hergerichtet ist, dass im Betrieb in einem Arbeitsschritt die Sägewerkzeuge (4) gleichzeitig eine Mehrzahl von Schlitzen (48) in das Werkstück (14) schneiden, um eine Mehrzahl von Scheiben (46) von dem Werkstück (14) abzutrennen und nachfolgend die Schleifwerkzeuge (6) in die jeweils zugehörigen Schlitze (48) einführbar sind, um in demselben Arbeitsschritt die Schnittflächen (46a, 46b) der Scheiben (46) zu schleifen.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägevorrichtung (1) eine Halterung für das Werkstück umfasst, die Halterung (12) und Sägenanordnung (16) gegeneinander verschieblich sind und im Betrieb die Halterung (12) gegen die Sägenanordnung (16) kraftbeaufschlagt ist, um einen Vorschub des Werkstückes (46) im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse (40) zu erzielen.
Sägevorrichtung (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägevorrichtung Mittel zum Erhöhen der Kraft während des Säge- und Schleifvorgangs aufweist.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägevorrichtung (1) einen Kurbelantrieb (30) umfasst, mittels welchem eine Pendelbewegung der Sägenanordnung (16) im Wesentlichen entlang der ersten Achse (40) erzeugbar ist.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägevorrichtung (1) schrittmotorgetrieben ist.
Sägevorrichtung (1) zum Sägen eines Werkstücks (14) aus hartem sprödem Material, insbesondere zum Sägen von Kristallen und insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Sägenanordnung (16), welche eine Mehrzahl von Sägewerkzeugen (4) umfasst, derart, dass eine Gattersägevorrichtung gebildet ist, um gleichzeitig eine Mehrzahl von Schnitten (48) in dem Werkstück (14) zu erzeugen, wobei die Sägewerkzeuge (4) durch sich länglich erstreckende Sägeblätter (4) mit im Wesentlichen flachem Querschnitt gebildet sind und auf die Sägeblätter (4) zumindest abschnittsweise ein erstes Schleifmittel (64) fest aufgebracht ist.
Sägevorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägenanordnung (1) eine Mehrzahl von Schleifwerkzeugen (6) umfasst, welche parallel und bezogen auf das Werkstück (14) hinter den Sägeblättern (4) angeordnet ist.