JP2011167836A - Wire saw device and cutting method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、サファイア単結晶などの脆性材料をワイヤにより切断するワイヤソー装置およびこれを用いた切断方法に関する。 The present invention relates to a wire saw device for cutting a brittle material such as a sapphire single crystal with a wire and a cutting method using the same.
一般にワイヤソー装置は、複数の加工用ローラーが所定間隔をおいて配設され、それらのローラーの外周に複数の環状溝が所定ピッチで形成されており、それらの環状溝間には1本のワイヤが順に巻回されている。そして、加工用ローラーの回転にともなって、ワイヤを走行させながら、そのワイヤ上に遊離砥粒を含むスラリを供給し、この状態でワイヤに対し被切断物を押し付け接触させて、被切断物を切断するように構成されている。 In general, in a wire saw apparatus, a plurality of processing rollers are arranged at a predetermined interval, and a plurality of annular grooves are formed on the outer periphery of the rollers at a predetermined pitch, and one wire is interposed between the annular grooves. Are wound in order. Then, along with the rotation of the processing roller, while the wire is running, a slurry containing free abrasive grains is supplied onto the wire, and in this state, the object to be cut is pressed against the wire to contact the object. It is configured to cut.
このように構成されるワイヤソー装置においては、切断能力を向上させるために各種の提案がなされている。例えば、特許文献1においては、外周に凹凸部を有した補助ローラーを被切断物近傍のワイヤに接触するように設け、このローラーの回転によりワイヤに対して直接上下に振動を付与するようにしている。 In the wire saw apparatus configured as described above, various proposals have been made in order to improve the cutting ability. For example, in
しかしながら、上に述べたワイヤソー装置においては、ワイヤと補助ローラーが接触することにより、補助ローラーの外周に凹凸部が平坦化するためワイヤの振動は小さくなってしまう。このため、補助ローラーの頻繁な交換が必要である。また、被切断物を効率よく切断するために、15KHz以上の振動をワイヤの付与することが好ましいが、補助ローラに所望の振動数と振幅を発生させる凹凸部を設ける構成では難しい。 However, in the above-described wire saw device, when the wire and the auxiliary roller are in contact with each other, the uneven portion is flattened on the outer periphery of the auxiliary roller, so that the vibration of the wire is reduced. For this reason, frequent replacement of the auxiliary roller is necessary. Further, in order to efficiently cut the object to be cut, it is preferable to apply a vibration of 15 KHz or more to the wire, but it is difficult to provide an uneven portion that generates a desired frequency and amplitude on the auxiliary roller.
そこで特許文献2のワイヤソー装置が提案された。このワイヤソー装置は、一対の磁界発生器を被切断物の加工域におけるワイヤ進行方向両側に設ける。そして、磁界発生器に対して、所定の駆動出力を供給し、磁界発生器を動作させて、ワイヤを間欠的に吸引し、ワイヤに対して上下振動を付与する。 Therefore, the wire saw device of
この発明によれば、ワイヤ列に近接し、微少間隔を介してワイヤに振動を付与する振動手段が設けられるため、ワイヤの振動により、ワイヤと被切断物との間に十分な量のスラリを供給することができ、効率的な切断加工を行うことができるとされている。しかも、ワイヤに振動を付与する振動付与手段がワイヤと接触しないため、その振動付与手段がワイヤによって切断されたり、磨耗されたりすることがなく、耐久性を向上させることができるとされている。 According to the present invention, since the vibration means for applying vibration to the wire through a minute interval is provided close to the wire row, a sufficient amount of slurry is generated between the wire and the workpiece by the vibration of the wire. It can be supplied and efficient cutting can be performed. Moreover, since the vibration applying means for applying vibration to the wire does not come into contact with the wire, the vibration applying means is not cut or worn by the wire, and the durability can be improved.
上記の特許文献2に記載のワイヤソー装置においては、ワイヤと非接触で交流電源から磁界発生器によりワイヤに交番する振動力を印加するものであるが、非接触であるためワイヤに十分な振幅幅を与えることは困難である。そして、ワイヤの振幅幅を調整することは困難である。さらに振動方向を制御することも困難である。 In the wire saw device described in
また、磁界発生を発生させるための交流電源は、15KHz以上の超音波領域では、効率が低く熱を発生させるのでワイヤの温度を上昇させる虞がある。ワイヤの温度上昇は加工精度の悪化そしてワイヤの寿命を短くすることの原因にもなる。 In addition, an AC power source for generating a magnetic field has low efficiency and generates heat in an ultrasonic region of 15 KHz or higher, which may increase the temperature of the wire. An increase in the temperature of the wire also causes deterioration of processing accuracy and shortens the life of the wire.
本発明の目的は、加工精度が高く、かつ切断速度を向上させることができるワイヤソー装置およびこれを用いた切断方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a wire saw device that has high processing accuracy and can improve the cutting speed, and a cutting method using the same.
本発明は、遊離砥粒を含むスラリを供給された走行するワイヤまたは、砥粒を固定した走行するワイヤに対し被切断物を押し付け接触させて、被切断物を切断するワイヤソー装置において、ワイヤと超音波振動子の間にスラリまたは切削液を介在させ、前記超音波振動子に交流電圧を印加するものである。 The present invention relates to a wire saw device for cutting a workpiece by pressing the workpiece against a traveling wire supplied with a slurry containing loose abrasive grains or a traveling wire with fixed abrasive grains, A slurry or cutting fluid is interposed between the ultrasonic vibrators, and an alternating voltage is applied to the ultrasonic vibrators.
本発明はまた、ワイヤを挟んで前記超音波振動子と相対する位置にスラリ又は、切削液の供給装置を位置させるワイヤソー装置とするものである。 The present invention is also a wire saw device in which a slurry or cutting fluid supply device is positioned at a position facing the ultrasonic transducer with a wire interposed therebetween.
本発明はまた、ワイヤを挟んで上部にスラリ又は切削液の供給装置を位置させ、ワイヤを挟んで下部に前記超音波振動子を位置にさせるワイヤソー装置とするものである。 The present invention also provides a wire saw device in which a slurry or cutting fluid supply device is positioned on the upper side of the wire and the ultrasonic vibrator is positioned on the lower side of the wire.
本発明はまた、前記超音波振動子に磁石を接合するワイヤソー装置とするものである。 The present invention also provides a wire saw device for joining a magnet to the ultrasonic transducer.
本発明のワイヤソー装置を用いた切断加工により、高精度かつ高速加工が可能となり、さらにワイヤが長寿命となる。 By cutting using the wire saw device of the present invention, high-precision and high-speed processing becomes possible, and the wire has a long life.
以下、本発明に関わるワイヤソー装置の実施の形態について図1の斜視図を用いて説明する。ワイヤソー装置1は、1本のワイヤ2を巻きつける3個の多溝ローラー3a、3b、3cを有し、各多溝ローラーに、例えば約120ミクロンの直径を有するワイヤ2を巻き付けるワイヤ列を構成し、このワイヤ列のワイヤ2をワイヤ駆動モータ4により駆動されるドライブ側多溝ローラー3aの駆動により往復運動させるようになっている。またワイヤ2を巻き取り、送り出すボビン5a、5bを持っている。多溝ローラー3a、3b、3cの表面に設けられた複数の溝は図面の都合上省略した。また、ワイヤ2に超音波振動を印加するランジュバン型超音波振動子13とスラリまたは切削液11を噴出する供給装置10を設置する。 Hereinafter, an embodiment of a wire saw apparatus according to the present invention will be described with reference to the perspective view of FIG. The
次にワイヤ2に超音波振動を印加するランジュバン型超音波振動子13とスラリまたは切削液11を噴出する供給装置10を図2の平面図と図3の側面図を用いて説明する。約120μmの直径のワイヤ2と約1mmの間隔を置いて磁石20をエポキシ樹脂により接合したランジュバン型超音波振動子13を位置させる。そして、ワイヤ2を挟んでランジュバン型超音波振動子13に対向する位置にスラリまたは切削液11を噴出する供給装置10を設置する。ここで供給装置10から磁石20の表面に直接スラリまたは切削液11が噴出されることが、磁石20−の表面にスラリまたは切削液11を保持するために求められる。 Next, a Langevin type
供給装置10から噴出されるスラリまたは切削液11は、ワイヤ2及び磁石20の表面を図2、図3の点線で示すように貯まる。スラリまたは切削液11を磁石20の表面に貯めることにより、ワイヤ2は常にスラリまたは切削液11に接触する。そして、ランジュバン型超音波振動子13の超音波振動は磁石20に伝搬し、確実にスラリまたは切削液11を伝搬してワイヤ2に到達してワイヤ2を超音波振動させる。つまり、スラリまたは切削液11をワイヤ2に常に接触させるためには、供給装置10をワイヤ2の上方に位置させ、スラリまたは切削液11をワイヤ2の下で受けるため超音波振動子13をワイヤ2の下に位置させる。 Slurry or cutting
ここに用いた超音波振動子13の詳細を図4の平面図、そして図5の側面図を用いて説明する。超音波振動子13はランジュバン型超音波振動子と呼ばれているもので、アルミ合金製のフロントマス14と同じくアルミ合金製のメネジを持ったリアマス15の間に圧電セラミック16a、16bと燐青銅製の電極板12a、12bを、鋼製のボルト17により締め付け一体化したものである。その後、ランジュバン型超音波振動子に磁石をエポキシ樹脂により接合した。そして燐青銅製の電極板12a、12bはハンダにより図示しないリード線が接続されている。リード線の他方は図示しない超音波発振器に接続されている。 Details of the
実際の超音波振動子13の形状について説明する。ランジュバン型超音波振動子13は、直径25mm、長さ91mmである。また、ランジュバン型超音波振動子13に接合する磁石20はネオジ鉄製であり直径25mm、長さ5mmである。磁石20をエポキシ樹脂により接合したランジュバン型超音波振動子13の共振周波数は約23.7KHzであった。 The actual shape of the
液体を介してワイヤに超音波振動が伝播することを実証するために図6で示すような実験装置を作成する。 In order to demonstrate that ultrasonic vibration propagates to the wire through the liquid, an experimental apparatus as shown in FIG. 6 is created.
多溝ローラのモデル19a、19bの間にワイヤ2を渡し、ワイヤ2の両端に荷重として400gの錘22a、22bを接続した。そして直径約51mmのサファイアインゴットをワイヤの中央に接触させる。多溝ローラのモデル19aとサファイアインゴットのほぼ中央の位置のワイヤ2の下に磁石20をエポキシ樹脂により接合したランジュバン型超音波振動子13を設置する。そしてワイヤ2と磁石20の最短距離を約1mmとした。また供給装置10を磁石20の真上に、そしてワイヤ2の上、約10mmに設置する。 The
ワイヤ2は、砥粒を固定した120μm直径のものであり、ランジュバン型超音波振動子13は、直径25mm、長さ91mmである。また、ランジュバン型超音波振動子13に接合する磁石20はネオジ鉄製であり直径25mm、長さ5mmである。磁石20をエポキシ樹脂により接合したランジュバン型超音波振動子13の共振周波数は約23.7KHzである。そして供給装置10の先端とワイヤ2の最短距離は、約10mmであり、供給装置10の中心軸とランジュバン型超音波振動子13の中心軸を一致させた。ワイヤ2と磁石20の最短距離は約1mmである。実験では、切削液として水21を用いた。超音波振動子13に印加する電圧を約23.7KHz、約1Vp−pとした。 The
そして図6の矢印で示すワイヤ2の位置をレーザドプッラー振動変位測定器により振動変位を測定した。その結果、約0.1μmp−pを測定した。ここで印加電圧を大きくすると、ほぼ比例してワイヤ2の振動変位も大きくなることも確認した。また、ワイヤ2と磁石20の最短距離は約2mmとした場合は、ワイヤ2と磁石20の最短距離の約1mmに対して、約20分の1の振動変位となった。したがって、ワイヤ2と磁石20の最短距離を2mmを越えることは、望ましくない。 Then, the vibration displacement of the position of the
また、図7に示すように磁石を取り外し、ランジュバン型超音波振動子13のフロントマス14の表面とワイヤ2の最短距離を約1mmにした場合、ワイヤ2と磁石20の最短距離の約1mmに対して、約10分の1の振動変位となった。このように磁石20が存在すると超音波振動が大きくなる。これは、ワイヤ2の振動方向が磁石20の方向(切断方向)に案内されるためと考えられる。これは、一般のワイヤソー装置1にも用いればワイヤ2の振動が切断方向に案内され、不要な切断方向と直交する方向の振動は制限される。 As shown in FIG. 7, when the magnet is removed and the shortest distance between the surface of the
しかし、非切断物がフェライトのように磁性材料であるとワイヤが磁化されるので、切断粉がワイヤに付着する虞があるので好ましくない。したがって、この場合は磁石を取り外したランジュバン型超音波振動子を用いることが好ましい。 However, if the non-cut material is a magnetic material such as ferrite, the wire is magnetized, which is not preferable because the cut powder may adhere to the wire. Therefore, in this case, it is preferable to use a Langevin type ultrasonic transducer from which a magnet is removed.
また、図8の平面図、図9の側面図に示すようにワイヤ2と超音波振動する面を接近させるため、非切断物を固定するベース台と同じ材料であるカーボン材料を超音波振動面に近接板18として接着する。そして、例えばワイヤ2に接触させカーボンに図のように凹みを作成する。この凹みに供給装置10から噴射されるスラリまたは切削液11が貯まる。またワイヤ2とカーボンの距離を簡単に1mm以下にできる。また、万が一直接ワイヤ2とカーボンが接触してもワイヤ2の切断の虞がない。Further, as shown in the plan view of FIG. 8 and the side view of FIG. 9, in order to bring the
ベース台に好適な材料は、ワイヤで切断した時に、切断抵抗が小さく、かつワイヤに損傷を与えないものである。このようなベース台の材料として、カーボン材料の他、ガラスそしてプラスチックなどの材料がある。そして、ベース台の材料は、近接板としても好適である。 A suitable material for the base is one that has a low cutting resistance and does not damage the wire when cut with a wire. As a material for such a base, there are materials such as glass and plastic in addition to a carbon material. And the material of a base stand is suitable also as a proximity board.
次に本発明のワイヤソー装置1を用いたサファイアインゴットの切断方法について説明する。ここでは、ワイヤは、ワイヤ表面に砥粒を固定したものを用いた。 Next, a method for cutting a sapphire ingot using the wire saw
最初に、図1に示すように、被切断物9であるサファイアインゴットをカーボン製のベース台8に接着する。また、ワイヤ列に対向する上方には、送りモータ6を有し被切断物9を送るフィードユニット7が設けられており、このフィードユニット7のカーボン製のベース台8に接着された被切断物9であるサファイアインゴットをワイヤ列に押し付けて研磨切断するようになっている。 First, as shown in FIG. 1, a sapphire ingot that is a
ワイヤ駆動モータ4を回転させて、ワイヤ列を高速で動かし、そして図2、図3に示す磁石を接合したランジュバン型超音波振動子13の圧電セラミック16a、16bに図示しない超音波発振器よりの超音波交流電圧を印加する。 The
そしてその先端がワイヤ2の約10mm上に位置する供給装置10を稼動させ切削液をランジュバン型超音波振動子13の表面方向に噴出する。送りモータ6を回転させてサファイアインゴットをワイヤ列に接触させ、切断を開始し、切断を継続する。 Then, the
ワイヤ2とその表面が約1mm離れた磁石20の表面には常に切削液が供給されているため、切削液に伝搬した超音波振動がワイヤ2を超音波振動させる。また、磁石20とワイヤ2は約1mm離れているためワイヤ2に損傷を与えることはない。 Since the cutting fluid is always supplied to the surface of the
ワイヤ2の超音波振動により、ワイヤ2と被切断物9との摩擦が減少することにより、ワイヤ2の消耗は少なくなり、かつワイヤ2の切断の恐れも小さくなる。さらに、ワイヤ2と被切断物9との摩擦熱が小さくなるため、加工精度も向上する。したがって、従来よりもワイヤの走行速度を向上させることができるので、加工効率が向上する。 The friction between the
また、ワイヤ2の超音波振動により、ワイヤ2と被切断物9との間に切削液が十分供給されるので、切断速度が向上する。さらに、被切断物9の切断粉及びワイヤ2の消耗粉などが速やかに排除されるため加工精度は向上し、切断速度も向上する。 Further, since the cutting fluid is sufficiently supplied between the
なお超音波切削加工は、例えば、非特許文献1に詳しく記載されている。超音波切削加工は、加工対象物と工具との摩擦抵抗が、小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして、切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。そして、加工速度が倍以上になることも非特許文献2に詳しく記載されている。 Note that ultrasonic cutting is described in detail in
さらにワイヤ2には常に切削液が供給され、かつ超音波振動が切削液に付加されるため、ワイヤを超音波洗浄する効果も生じる。このため、ランジュバン型超音波振動子13の位置において被切断物9の切断粉及びワイヤ2の消耗粉などが速やかに排除される。このことにより加工精度は向上し、切断速度も向上する。 Furthermore, since the cutting fluid is always supplied to the
以上の説明では、超音波振動子をランジュバン型のものを用いたが、例えば圧電セラミック単体のものでもよい。 In the above description, the ultrasonic vibrator is a Langevin type, but for example, a piezoelectric ceramic alone may be used.
上記のように、ワイヤに超音波振動を付与することによりワイヤが長寿命であり、加工精度の高い、信頼性の高いワイヤソー装置を提供できる。 As described above, by applying ultrasonic vibration to the wire, it is possible to provide a highly reliable wire saw device having a long life, high machining accuracy, and high reliability.
1 ワイヤソー装置
2 ワイヤ
3 多溝ローラー
4 ワイヤ駆動モータ
5 ボビン
6 送りモータ
7 フィードユニット
8 ベース台
9 被切断物
10 供給装置
11 スラリ又は切削液
12 電極板
13 超音波振動子
14 フロントマス
15 リアマス
16 圧電セラミック
17 ボルト
18 近接板
19 多溝ローラ
20 ノズル
21 水DESCRIPTION OF
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WO2016156345A1 (en) * | 2015-03-31 | 2016-10-06 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Method and machine for cutting a workpiece using an abrasive wire |
KR101780328B1 (en) * | 2016-12-13 | 2017-10-11 | 주식회사 아셈테크 | Ingot cutting apparatus, wire cleaning apparatus and cleaning method for ingot cutting wire |
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2010
- 2010-02-16 JP JP2010049798A patent/JP2011167836A/en not_active Withdrawn
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WO2016156345A1 (en) * | 2015-03-31 | 2016-10-06 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Method and machine for cutting a workpiece using an abrasive wire |
KR101780328B1 (en) * | 2016-12-13 | 2017-10-11 | 주식회사 아셈테크 | Ingot cutting apparatus, wire cleaning apparatus and cleaning method for ingot cutting wire |
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