KR950015116B1 - 심레스와이어루프(seamless wire loops)의 제조방법 - Google Patents

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Description

심레스와이어루프(seamless wire loops)의 제조방법

제1a 내지 d도는 소재를 압연할 수 있는 출발링(starting ring)으로 처리하는 공정을 나타낸 개략도.

제2도는 심레스리번루프(seamless ribbom loop)를 형성하도록 금속링을 연신시는 냉간압연기(cold rolling mill)의 한 실시예의 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 환상소재(annular blank) 2 : 원통형시트(cylindrical seat)

3 : 피팅맨드릴(fitting mandrel)(심봉) 4 : 출발링(starting ring)

5 : 리번루프(ribbon loop) 6 : 머신프레임(machine frame)

7a,7b : 작업롤(rolls) 8a,8b : 보조롤(auxiliary rolls)

9 : 지지롤(supporting rolls)

본 발명은 원둘레 전체에 걸쳐 강도가 일정하고 형상의 정밀도(precision)가 높은 심레스리번(seamless ribbon)과 와이어루프(wire loops)를 제조하는 방법에 관한 것이다.

또, 본 발명은 이와 같은 리번과 와이어루프를 제조하는 장치와, 그 리번 및 와이어 톱의 절단공구로서의 사용에 관한 것이다.

톱공구에 요구되는 조건은 예로서 반도체기술에 있어서 특히 엄격하다. 이 분야에서, 취성(brittle) 및 경질인 가공품, 예로서 실리콘 등의 반도체재료 또는 갈륨아르세니드(gallium arsenide) 등의 화합물 반도체 재료로된 로드 또는 블록은 엷은 웨이퍼(wafer)로 톱질을 하였다. 두께 0.1㎜-1㎜의 웨이퍼는 광범위한 여러종류의 전자부품을 생산하거나, 또 태양전지를 제조하는 출발제품으로서 사용되었다.

톱질프로세스를 경제적으로 완성하는데 가장 중요한 조건은 톱질속도가 높고, 끝을 잘라 짧게한 웨이퍼(sawn-off wafers)의 절삭손실이 낮으며, 기하학적인 형상품질(geometrical quality)이 높도록 하는데 있다.

환상톱(annular saws), 와이어톱(wire saws) 및 리번톱은 정도(precision)높게, 그리고 취성이며 경질인 가공품을 절단할때 가장 자주 쓰이는 기계톱이다.

종래에는 특히 환상톱을 사용하여 단결정 실리콘로드를 웨이퍼로 되게 톱질을 하였다.

그러나, 단결정의 직경이 점점 더 커지는 경향에 대하여-그후에 직경 300㎜의 결정을 소요의 품질로 인발(pulling)하는 기술이 지배적이었음-환상톱의 톱날은 결점을 제거하지 않고서는 더 이상 대응할 수가 없다.

그 필요한 기하학적인 형상품질을 가진 웨이퍼가 얻어지도록 하기 위하여 크기가 비교적 콘 톱날은 두께의 증가를 통해서만 안정화시킬 수 있다. 폭이 불가피하게 더 넓어지는 절삭 단부(edges)의 사용으로 더 큰 절삭손실을 감수하여야 한다.

웨이퍼제조의 코스트효과에 특히, 그 손실재료가 고가로 제조되는 고품질의 반도체재료인 경우 큰 손상을 준다.

또 다른 결점으로는 그 톱질프로세스에 있어서 그 기계톱과 가공품의 직경에 따라 커지는 톱공구를 구성시켜야 하는 비용문제가 발생하는데 있다.

고정숫돌입(fixed grinding grain)을 가진 와이어톱 및 리번톱은 특히 직경이 큰 가공품에 있어서 환상톱의 대치품으로 된다.

크기가 더 작은 가공품에 있어서, 유리랩핑숫돌입(loose lapping grain)을 가진 와이어톱을 사용할 수도 있으며, 그 와이어톱에서는 전향롤러(defection rollers)에 와이어가 반복하여 감겨져 다수의 웨이퍼를 동시에 제조할 수 있다.

그러나, 그 절삭간극(slit)의 길이가 증가함에 따라 래핑입(lapping grain)을 그절삭 지점으로 이송시키는데 따라 여러가지의 문제점이 점차적으로 발생하였다.

이에따라, 목적을 달성할 수 있는 절삭정도 역시 제한을 받았다. 경질이며 취성이 있는 재료를 톱질하는 리번톱날은 일반적으로 한 에지(edge)에 따라 절삭 판편(cutting platelets) 또는 연속적으로 절삭코팅을 구비하여 다이아몬드 또는 보론니트리드(boron nitride)로 된 고정절삭입이 그 코팅에서 돌출된다.

그 리번을 그 단부에서 용접시켜 리번루프(ribbon loops)를 형성한다.

이와 같은 리번루프는 전향 롤러를 통하여 원형(circle)으로 안내된다. 그 절산에지쪽 가공품의 이송운동은 그 리번의 운동방향에 수직으로 발생한다. 절삭입을 고정한 와이어루프 또는 리번루프의 회전속도는 그 재료에 따라 상당한 값을 가진다.

예로서, 실리콘등 경질이며 취성인 반도체재료를 톱질할때 그 속도는 200㎧~120㎧의 범위가 바람직하다. 절삭라인의 가장 정확한 위치를 그 절삭공구가 필요로 하기 때문에 그 루프는, 톱질하는 힘에 의해 그 톱날의 횡방향진동(lateral deflection)이 허용오차범위 수 ㎛ 내에 있도록 하기 위하여 높은 인장력으로 인장시켜야 한다.

또, 회전할때 계속하여 방향이 변화하기 때문에, 그 루프의 재료는 높은 휨성피로 강도(flexural fatigue strength)가 필요하다. 특히, 리번톱과 와이어톱의 재료는 높은 인장강도와 탄성한계 때문에 강(steels) 및 특수합금이 적당하다.

그러나, 종래에는 적합한 재료특성을 가장 적합하게 이용할 수가 없었다. 리번루프의 위약지점(weak point)은 심(seams)에 의해 형성되고, 그 심에서 그 와이어단부 또는 리번단부를 용접 또는 납땜시켜 루프를 형성시켰다.

그 심지점(seam point)의 강도부족은 그 리번장력을 적합하게 함으로써 대처해야 한다. 실리콘을 가공하는 경우에서와 같이 톱공구의 인장하중을 높여 소요의 품질로 절단할 수 있는 경우 그 리번의 횡단면과 와이어 직경을 알맞게 확대시킬 수 있다.

또, 심응력(seam stresses)이 발생하여, 이것이 부가적으로 리번루프의 평단성(flatness)과 동심성( cocetric running)을 열화시켜 절삭정도를 손상시킨다.

특허문헌 영국특허공개 GB 2,055,643 A에서는 평탄하고 엷은 디스크에서 내부영역(inner regions)을 신장시킴으로써 심레스리번을 제조할 수 있는 기술구성에 대하여 기재되어 있다. 그러나, 이 방법은 이용할 수 있는 디스크재의 크기에 따라 제한범위에서만 적용할 수 있어 변형도가 대단히 불균일하고 응력과 강도의 분포가 다른 리번이 얻어진다.

따라서, 본 발명의 목적은 원둘레 전체에 걸쳐 강도가 가급적 일정하며, 필요한 크기와 높은 하중용량의 정밀한 리번루프와 와이어루프를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

또, 본 발명의 목적은 이와 같은 리번루프와 와이어루프를 제조하는 장치를 제공하는데 있다.

이 목적은

a) 심레스 금속링(seamless metal ring)을 준비하여,

b) 그 금속링을 압연할 수 있는 출발링(rollable starting ring)으로 다시 받들어,

c) 그 출발링을 냉간압연(cold rolling)에 의해 리번루프(ribbon loops)로 연신하고,

d) 경우에 따라 그 리번루프를 폭이 더 좁은 리번 또는 와이어루프로 선택적 분할을 하며,

e) 경우에 따라 절삭코팅(cutting coating)을 그 리번루프 또는 와이어루프에 선택적으로 처리함을 특징으로 하는 심레스 리번루프 및 와이어루프를 제조하는 본 발명의 방법에 의해 달성된다.

또 이 목적은 심레스 금속링을 심레스 리본구조로 냉간압연시키는 장치에 있어서, 머신프레임(machine frame)에 장치된 작업롤과 보조롤 및 지지롤 시스템을 구성시켜, 리번루프의 복귀부분(returning part)을 통하여 그 머신프레임에 압연력(rolling forces)을 외측방향으로 지지하도록 함을 특징으로 하는 장치에 의해 달성된다.

압연조작(rolling processes)에 의해 예로서 스트립(strip) 또는 시트형상의 강재(steel materials)는 두께가 대단히 엷고, 칫수가 정밀한 리번 또는 포일(foils)로 형성시킬 수 있다.

그 압연작업(rolling work)은 일반적으로 압연기에 분산되어 행하여져 그 재료가 차례로 통과한다.

특히, 냉간압연(cold rolling)의 경우, 즉 가열없는 압연에 의해 재료를 가공할때 변형이외에 그 재료의 특수고화(hardening)가 발생한다.

그중에서, 높은 내력을 가진 스프링강제 리번을 제조하는 기술분야에서 그 효과가 이용된다.

이 방법에 의해 제조한 강제리본은 2200N/㎟이내의 인장강도를 가진다. 특수합금은 이보다 더 높은 값을 가질 수 있다.

본 발명에 의한 방법으로, 유용한 재료특성을 가진 심레스 리본루프를 얻을 수 있다.

환상 심레스 금속소재(annular seamless metal blank)에서 1차적으로 압연할 수 있는 출발링을 제작하고, 그 출발링을 본 발명에 의한 장치를 사용하여 엷은 리본루프를 냉간압연한다. 그다음 후속하는 재처리 공정에서, 리본루프는 경우에 따라 폭이 더 좁은 리본루프 또는 와이어루프로 선택적으로 분할한다.

그다음 경우에 따라 이들은 절삭코팅을 선택적으로 처리한다.

본 발명에 의한 제조방법을 첨부도면에 따라 아래에 구체적으로 설명한다. 절삭 또는 비-절삭수단(cutting or non-cutting measures)에 의해 기체(parent bodies)에서 소재(blanks)를 제조한다. 특히 적당한 것은 심레스 금속튜브에서 절단제거한 링, 금속시트(metal sheets)에서 절단한 링, 천공원통형 기체(drilled cylindrical parent bodies)에서 생성한 링(rings)이다.

그 소재는 또 주조(casting)를 할 수도 있다. 경우에 따라서는 열간압연(hot-rolling)방법 또는 단조(forging)에 의해 링의 내측직경을 1차적으로 연신되도록 하는 것이 바람직하다.

재료의 선택은 용접적성(weldability)에 의존되지 않으며, 기본적으로 압연할 수 있는 모든 재료에 걸쳐 가능하다.

그러나, 스프링 제조에 이용되는 강류(steels)와, 압연후 높은 강도를 달성하는 기타 재료가, 특히 효과적인 것으로 판명되었다. 그 소재를 출발링으로 전처리를 함에 따라 생성할 수 있는 리본루프의 기하학적 형상을 사전에 결정한다. 압연조작을 할때 그 출발링의 링둘레는 1차적으로 증가되고, 이에따라 그 벽두께는 저하된다. 따라서, 그 출발링의 벽두께 ho는 그 압연리본의 필요한 두께 h₁에 따라 결정된다. 1차적으로 그 벽두께는 다음식을 사용하여 산출할 수 있다.

ho=h₁ ^*U₁/(Do π)

여기서, U₁은 그 루프의 필요한 원둘레길이이고, Do는 출발링의 평균링 직경이다. 예로서, 두께 0.05㎜, 원둘레길이 3000㎜의 리번을 평균직경 100㎜의 링에서 압연할 경우 그 소재는 벽두께 약 0.48㎜의 출발링으로 만들 필요가 있다.

제1a와 b도의 개략도에서, 환상소재(annular blank)(1)의 내측직경은 예로서 연삭(grinding)에 의해 원통형시트(2)에 대하여 필요로 하는 리본루프 폭보다 더 큰 폭으로 연신된다. 그 다음 가공공정에서, 이 환상부품을 그 나머지에서 절단 제거하며 제1c도에서와 같이, 정확한 피팅맨드릴(fitting mandres)(심봉)(3)에 피착시킨다. 또, 그 심봉을 처음에 삽입하고 다음에 그 나머지에서 제거시킬 수 도 있다.

그 다음 최후가공공정에서, 그 외측벽면에서 예로서 선삭(turnning) 및 절삭에 의해 산출한 벽두께를 가진 압연할 수 있는 출발링(4)이 얻어지는 정도로 재료가 제거된다.

이 단계를 제1d도에 나타낸다. 그 출발링의 직경은 넓은 범위내에서 자유롭게 선택할 수 있다. 그 링의 폭은 주로 얻어진 리본루프의 어떤 용도를 예정하고 있는가에 따라 의존되며, 리본톱 또는 와이어톱내에서 사용할 경우 그 루프를 어떤 부분의 루프로 분할하는가에 따라 좌우된다. 단, 가장 넓은 링은 정밀하게 압연시킬 수 있도록 하여야 한다. 특히, 폭 5㎜-400㎜의 출발링이 계속해서 가공된다.

위에서와 같이, 그 출발링의 나머지 칫수는 생성할 수 있는 리본루프의 원둘레길이와 리본두께에 따라 결정된다. 리본루프를 후에 리본톱 또는 와이어톱내에서 사용하는 점을 고려하여 볼때, 출발링의 직경은 50㎜-500㎜가 바람직하며, 이것은 바람직하게는 1m-6m의 리본루프의 원둘레길이로 압연된다. 압연된 루프의 두께는 0.01㎜~1.5㎜가 바람직하다.

출발링을 리본루프로의 연신은 냉간압연장치내에서 실시한다.

그러나, 그 압연은 과도하게 높은 취성(brittleness)에 대처하기 위하여 열처리 공정에 의해 그 압연을 중단할 수 있다(interupted).

종래에는 리번의 냉간압연기(cold ribbon-tolling mills)가 엷은 금속포일 또는 금속스트립의 제조에 대서만 공지되었으며, 예로서 문헌 "DAS FACHWISSEN DES INGENIEUR"(volume I/2, VEB Fachbuchverlag, Leipzig, 204-206, 1965)에 기재되어 있다.

본 발명에 의한 압연장치는 리본루프의 제조에 특히 적합하다.

제2도는 그 압연장치내에서 출발링(starting ring)(4)과 연신된 리본루프(expanding ribbon loop)(5)를 나타낸다. 그 머신프레임(machine frame)(6)내에서의 연신장치는 압연기술에서 일반적인 형상으로 나타낸다. 가공품의 압연조작과 이에따라 수반되는 냉간고화(cold hardening)는 일반적으로 평활한 소입강(hardened steel)으로 된 2개의 대향한 가느다란 작업롤(7a,7b) 사이에서 행하여진다.

롤사이에 발생한 간극을 통하여 금속루프가 잡아당겨지고, 또 롤의 회전운동에 의해 압압되면서 통과된다. 직경이 큰 보조롤(8a,8b)이 작업롤(7a,7b)에 접촉한다.

이들은 부분적으로 구동되어 운동을 인접롤에 전달한다. 리본루프를 더 높은 정도로 압연할 수 있도록 하기 위하여, 그 리본루프의 내부에 있는 작업롤(7b)은 보조롤(8b)를 이용하여 그 리본루프를 통해 그 머신 프레임(6)내에 장착한 지지롤(supporting rolls)(9)에 의해 지지된다. 외측작업롤(7a)은 모두 5개의 보조롤(8b)에 의해 둘러싸여 있는 것이 바람직하다.

이들중, 2개는 그 작업롤에 접촉되고 나머지 3개는 주위롤(surrounding rolls)의 또다른 위치를 형성한다. 그 작업롤의 이송운동(feed movement), 즉 간극폭의 감소는 바람직하게는 외측 지지롤(9)의 위치를 변화시킬 수 있다.

또, 직경이 더 크게 구성된 이들의 롤은 그 가공품에 압연력(rolling force)을 절단할때 비교적 두께가 더 엷은 롤의 비틀림(whipping)을 제한한다. 상측작업롤에 속하는 지지롤은 이송운동에 이용되는 것이 바람직하다. 특히 그 리번루프를 가공하기 위하여, 그 하부측작업롤의 지지롤은 도시되어 있는 바와 같이, 180˚로 회전시키는 Y형상으로 배치되어있다.

다수의 지지롤을 이용하면 직경이 더 작은, 예로서 4㎜의 작업롤을 이용할 수 있어, 경질 재료도 압연할 수 있다. 다른 롤의 배치도 물론 가능하다.

그러나, 제2도에 나타낸 바와 같이 리번루프의 복귀부분(returning part)을 통하여 외방으로 강성 머신프레임(6)상에 압연력을 지지하면 특히 효과적이다.

결과적으로, 특히 높은 정도는 그 리본루프를 압연할때 달성할 수 있다. 명백하게 하기 위하여 제2도에서는 그 가공품의 연신시킨 원둘레에 적합한 리번 안내롤이 생략되었다. 그러나, 특히 리번루프를 제조할때 원둘레가 큰 이와 같은 롤이 바람직하다. 동일하게, 롤배치의 위치, 위치안정성을 확보하는 지지장치와, 압연기술에서 공지된 리번윤활장치(ribbon Iubrication systems)는 이 도면에서 역시 생략하였다.

그 압연한 리번루프는 경우에 따라서 일부 그 기술분야에서 공지된 재처리수단이 선택적으로 실시된다. 특히, 이들은 담금질(harden), 뜨임(temper), 교정(straightened)을 실시할 수 있다.

본 발명에 의한 심레스리번 및 와이어루프 제조방법의 다음 공정으로, 그 압연한 리본 루프를 그 원둘레 전체에 걸쳐 균일한 폭으로 하며, 경우에 따라 선택적으로 분할한다.

이때문에 이것은 한 세트의 롤, 바람직하게는 2-3개의 롤로 구성된 한 세트의 롤상에서 피착, 고정하여 그 단부가 연삭(grind)된다. 그 다음으로 그 리본루프는 예로서 연삭절단(abrasive cutting)에 의해 폭이 더 좁은 루프 또는 와이어로 분할된다.

그 리번루프는 그 롤세트를 중심으로하여 선회하면서, 그 절삭공구의 회전톱 단부가 그 루프쪽으로 역방향 아내를 한다. 이 경우 와이어루프를 제조하기 위하여, 폭이 좁은 톱날간격을 가진 다수톱날톱(multiblade saw)이 특히 적합하다. 이와 같은 방법으로 하여 다수의 고강도와이어루프를 심레스리본루프에서 생성할 수 있다.

이 경우의 방법에서 필요한 절단공정은 그 절단프로세스에서 필요한 간격을 가지면서 와이어 하프(harp)를 제조할 수 있게 실시할 수 있다.

이 방법의 바람직한 변형으로는 그 롤세트의 롤에 그 와이어를 수용하는 안내 요홈(guide grooves)을 구성한 것이다. 그 리번루프를 분할할때에는 그 고정된 와이어가 그 안내요홈으로 자동적으로 활동(slide)한다.

그 리번루프는 경우에 따라서는 단부에 따라 절삭코팅을 선택적으로 실시하여 그 절삭이 리번의 평면에서 행하여진다. 와이어루프의 경우, 그 절삭코팅은 와이어의 외측 원둘레에서 선택적으로 처리한다. 따라서, 그 톱와이어의 절삭라인은 그 리번톱의 절삭라인에 수직이다. 그 절삭코팅은 이 프로세스에서 코팅되는 리번단부 또는 와이어면을 그 석출조(deposition bath)에 참지하여 전기화학적으로 석출시킨다.

이 코팅은 특히 리번루프 또는 와이어루프를 롤세트에 이미 피착시켜 행하는 것이 유리하다. 경우에 따라서는 다이아몬드 피막으로 코팅할 경우 코팅되지 않은 와이어영역을 스크리닝(screening)을 함으로써 와이어의 절삭면만을 코팅이 되도록 한다.

그다음 다듬질 톱공구는 즉시 롤세트와 함께 그 기계톱에 삽입시킬 수 있고, 이때 다수의 와이어루프를 개별적으로 그 기계톱의 롤에 설정할 필요가 없다.

마모된 코팅(worn coats)은 갱신시켜(renew), 절삭공구를 제이용할 수 있다. 경우에 따라서는 그 리번루프에서 와이어루프를 제조하며, 롤세트를 기계톱내에 이미 설정시켜 절삭코팅으로 코팅을 실시할 수 있다.

본 발명에 의한 리번루프는 이 기술분야에서 일반적인, 예로서 톱니등 다른 재료제거에지(edges)를 가진 리본톱도 장착할 수 있다.

이들은 본 발명에서 절삭코팅으로 이해할 수 있다.

또, 절삭코팅을 구비한 리번루프와 와이어루프를 리번톱 및 와이어 톱내에서의 사용 이외에 절삭코팅을 구비하지 않는 리번루프 및 와이어루프를 용융절단법 및 래핑법(lapping method)에서의 공구로서 사용하는 것도 생각할 수 있다.

끝으로, 절삭코팅이 없는 리본루프는 반송목적의 높은 내력을 가진 벨트로서 이용할 수도 있다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 리번루프 및 와이어루프는 강도가 특히 우수하다.

예로서 실리콘등 취성이있고 경질인 재료도 극히 작은 톱질갭(sawing gap) 및 이에 대응하여 작은 절삭손실로 정밀하게 절단할 수 있다.

그 제조방법은 고가의 처리수단을 회피할 수 있고, 기계톱내에서 톱 공구의 설치 및 이탈제거를 간단하게 할 수 있다.

Claims (8)

1. (a) 심레스 금속링(seamless metal ring)을 준비하며, (b) 그 심레스 금속링을 압연할 수 있는 출발링(robbable starting ring)으로 다시 만들며, (c) 그 출발링을 냉간압연(cold rolling)에 의해 엷은 리번루프(ribbon loop)로 압연시키고, (d) 그 리번루프를 안내요홈(guide grooves)을 형성한 한 세트의 롤(roll)상에서 인발(drawing)시킴을 특징으로 하는 심레스 와이어 루프(seamless wire loop)의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 그 심레스 금속링은 심레스 금속튜브에서 절단제거함을 특징으로 하는 심레스와이어루프의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 그 심레스 금속링은 금속시트(metal sheet)에서 절단함을 특징으로 하는 심레스와이어 루프의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 그 출발링은 선삭(turning) 또는 연삭(grinding)에 의해 그 심레스 금속링에서 제조함을 특징으로 하는 심레스 와이어루프의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 그 출발링을 직경 50㎜-500㎜로 제조함을 특징으로 하는 심레스와이어 루프의 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 그 출발링을 냉간압연에 의해 원둘레 길이 1-6m의 리본루프로 압연시킴을 특징으로 하는 심레스 와이어 루프의 제조방법.
7. 제1항에 있어서, 그 심레스 금속링은 천공원통형 기체(drilled cylindrical parent body)에서 생성함을 특징으로 하는 심레스 와이어 루프의 제조방법.
8. 제1항에 있어서, 그 와이어 루프의 외측원둘레에 따라 절삭코팅(cutting coating)을 처리함을 특징으로 하는 심레스 와이어 루프의 제조방법.