WO1990012670A1 - Fil avec surface active pour l'amelioration de l'efficacite de sciage par fil - Google Patents

Fil avec surface active pour l'amelioration de l'efficacite de sciage par fil Download PDF

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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23D61/00—Tools for sawing machines or sawing devices; Clamping devices for these tools
    • B23D61/18—Sawing tools of special type, e.g. wire saw strands, saw blades or saw wire equipped with diamonds or other abrasive particles in selected individual positions
    • B23D61/185—Saw wires; Saw cables; Twisted saw strips

Definitions

  • Sawing by wire in the presence of abrasive is generally carried out by alternating or continuous displacement of a wire pressed against a workpiece to be sawn and previously impregnated with an abrasive generally in suspension in the form of an abrasive slip.
  • the part of the workpiece to be cut in contact with the wire and the abrasive defines a sawing area.
  • the sawing efficiency depends on the relative speed of the abrasive on the surface of the workpiece while the wire wear depends on the relative speed of the abrasive with respect to the wire. We therefore see that we will have maximum efficiency when the speed of the abrasive will equal that of the wire. In this case the wear of the wire will tend towards zero. So this is the ideal case.
  • the surface of the wire will be passive as regards the transport of the abrasive in the sawing zone and there is relatively little or no possibility of varying the carrying factors if not with the aid of slips having wettability factors favoring the adhesion of the abrasive grains on the wire and not on the workpiece. Apart from that there is no possibility of modifying the distribution of the relative speeds of the abrasive with respect to the wire or with respect to the workpiece to be sawn.
  • the abrasive slip generally consists of a mixture of lift liquid and an abrasive solid. More particularly, this mixture can consist of an aqueous medium or of oil with silicon or boron carbides, or alumina oxides. There may also be agents surfactants such as carboxymethyl cellulose or glycerin etc. Diamond paste can also be considered.
  • Saw wires are generally made of high-strength spring steel with a diameter between 0.1 and 0.2 mm.
  • the smooth stretching surface does not favor the attachment of the abrasive. The result will therefore be of average efficiency or even simply mediocre.
  • the object of the invention is therefore to remedy this shortcoming by using a wire of high mechanical strength while having an active surface promoting the carrying and or the adhesion of the abrasive.
  • a surface can act either by carrying abrasive in a texture imprinted in the thread or by implanting grains of abrasive in soft parts of the same surface.
  • the choice of the working mode of the wire with an active surface will therefore depend, among other things, on the application, the material to be sawn and the abrasive in slip or not.
  • the wire acts by carrying away in a surface texture
  • the abrasive will then spread along the sawing area.
  • the micro-cavities will act as local micro-distributors of abrasive and will thus improve its efficiency.
  • a periodic variation of the diameter of the wire will give the same results, the abrasive penetrating with the parts of wire of minimum diameter is acting with the parts of maximum diameter where the pressure in the sawing zone is maximum one will use in generally this mode in the presence of abrasive slip.
  • the wire When using the implantation mode, the wire must have either locally or over its entire surface more tender areas which will act by allowing the abrasive grains to hang on the active surface of the wire in the area of sawing giving the maximum speed in relation to the workpiece and almost zero speed compared to the wire, which is close to the ideal case.
  • This can be achieved by coating the wire with a softer material allowing implantation. Synthetic material such as polyurethane or nylon may do the trick. You can also use a softer metal like copper.
  • the thickness must be compatible with the size of the abrasive grains used. Indeed, a layer that is too thick does nothing for the process, just as a layer that is much thinner than the average diameter of the abrasive grains will have no effect.
  • a good layer is between 0.1 and 10 times the average diameter of the abrasive grains.
  • Another possibility is to create a wire with a gradient of radially variable hardness, for example by using a material whose composition varies as a function of the distance from the core. The core being the hardest or the most mechanically resistant and the surface most prone to the implantation of abrasive grains and their removal.
  • a kevlar thread with a nylon coating. Nylon as an active surface facilitating implantation and kevlar giving it mechanical resistance.
  • an optical fiber thread could be envisaged with an active surface in the form of a polyurethane coating.
  • the choice of the base material will be dictated by its availability in great length and its mechanical resistance whereas the choice of that of the surface apart from the characteristics already mentioned will have to have a good adhesion on the base surface.
  • the implantation mode will be used indifferently with a slip or abrasive pastes, as well as with a dry abrasive.
  • Sawing devices using passive wires are already known and used especially in the industry of electronic components, ferrites, quartz and silica, for obtaining thin slices of materials such as silicon (poly or monocrystalline), or new materials such as GaAs, InP, GGG or also quartz, synthetic sapphire, or even ceramic.
  • silicon poly or monocrystalline
  • new materials such as GaAs, InP, GGG or also quartz, synthetic sapphire, or even ceramic.
  • the high price of these materials makes wire sawing more attractive compared to other techniques such as diamond disc sawing.
  • the wire sawing technique requires perfect control of the abrasive supply. This contribution without control with a passive wire, does not allow all the performances that the technique of wire sawing can bring.
  • the object of the invention is to remedy the aforementioned drawbacks by providing a wire with an active surface maximizing the relative speed of the abrasive grains with respect to the surface of the material to be sawn and minimizing this same speed with respect to the wire.
  • the wire therefore sees its lifespan increase in time as the sawing efficiency.
  • Fig. 1 - Figure 1 represents an active wire surface with micro-cavities 1
  • Fig. 2 - Figure 2 shows an active wire surface with micro-cavities in the form of streaks 2
  • Fig 3 - Figure 3 shows an active wire surface with corrugations 3 whose length is relatively large compared to the wire diameter.
  • FIG. 4 - Figure 4a shows the section of a wire whose active surface is produced by a layer 4 softer than the core 5 while FIG. 4b achieves the same goal by having a gradient of hardness H which is radially variable.
  • the aspect carried by the abrasive by the surface of the wire must be kept in the spirit of having an increase in the relative speed compared to the workpiece or a decrease in the relative speed compared to the wire to improve the sawing effect.
  • this liquid could be an instant adhesive, for example.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Polishing Bodies And Polishing Tools (AREA)
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Abstract

Fil de sciage avec abrasif libre ayant une surface active pour l'emport de l'abrasif agissant sur la vitesse relative de l'abrasif par rapport au fil. L'activité de la surface pouvant être réglée soit par une structure géométrique de surface entraînant l'abrasif par exemple dans des micro-cavités (1, 2) ou soit par une surface dont les propriétés physiques permettent une adhérence de l'abrasif, par exemple une dureté plus faible que le c÷ur permettant l'implantation des particules abrasives.

Description

FIL AVEC SURFACE ACTIVE POUR L'AMELIORATION DE L'EFFICACITE DE SCIAGE PAR FIL.
Le sciage par fil en présence d'abrasif est généralement réalisé par le déplacement alternatif ou continu d'un fil mis en appui contre une pièce à scier et préalablement imprégné d'un abrasif généralement en suspension sous forme d'une barbotine abrasive. La partie de la pièce à scier en contact avec le fil et l'abrasif définit une zone de sciage. L'efficacité de sciage dépend de la vitesse relative de l'abrasif sur la surface de la pièce à scier alors que l'usure du fil dépend de la vitesse relative de l'abrasif par rapport au fil. On voit donc que l'on aura un maximum d'efficacité lorsque la vitesse de l'abrasif égalera celle du fil. Dans ce cas l'usure du fil tendra vers zéro. C'est donc le cas idéal. Dans la pratique la surface du fil sera passive quant au transport de l'abrasif dans la zone de sciage et il n'existe relativement que peu ou pas de possibilité de varier les facteurs d'emport si ce n'est à l'aide de barbotines ayant des facteurs de mouillabilité favorisant l'adhérence des grains d'abrasif sur le fil et non sur la pièce à scier. Mis à part cela il n'y a pas de possibilités de modifier la distribution des vitesses relatives de l'abrasif par rapport au fil ou par rapport à la pièce à scier.
La barbotine abrasive est généralement constituée d'un mélange de liquide sustentateur et d'un solide abrasif. Plus particulièrement, ce mélange peut être constitué d'un milieu acqueux ou d'huile avec des carbures de silicium ou de bore, ou des oxydes d'alumine. Il peut y avoir en plus des agents tensioactifs tel que carboxyméthyl cellulose ou glycérine etc. Une pâte de diamant peut également être envisagée.
Les fils de sciage sont généralement constitué d'acier à ressort à haute résistance d'un diamètre compris entre 0,1 et 0,2 mm. La surface lisse d'étirage ne favorise par l'accrochage de l'abrasif. Le résultat sera donc d'une efficaté moyenne voir franchement médiocre.
Le but de l'invention est donc de remédier a cette lacune en utilisant un fil de grande résistance mécanique tout en ayant une surface active favorisant l'emport et ou l'adhérence de l'abrasif. Un telle surface peut agir soit par emport d'abrasif dans une texture imprimée dans le fil soit par implantation des grains d'abrasif dans des parties tendres de la même surface. Le choix du mode de travail du fil à surface active va donc dépendre entre autre de l'application, du matériau à scier et de l'abrasif en barbotine ou non. Dans le premier cas ou le fil agit par emport dans une texture de surface on pourra utiliser un fil ayant comme surface active une texture en forme de micro-cavités dans lesquelles l'abrasive se logera pour pénétrer dans la zone de sciage. L'abrasif se rependra alors le long de la zone de sciage. Les micro-cavités agiront comme de micro-distributeurs locaux d'abrasif est améliorera ainsi son efficacité. Dans le même esprit une variation périodique du diamètre du fil donnera les mêmes résultats, l'abrasif pénétrant avec les parties de fil de diamètre minimum est agissant avec les parties de diamètre maximum là où la pression dans la zone de sciage est maximum on utilisera en général ce mode en présence de barbotine abrasive. Lorsque l'on utilisera le mode d'implantation, le fil devra avoir soit localement, soit sur toute sa surface des zones plus tendres qui agiront en permettant aux grains d'abrasif de s'accrocher sur la surface active du fil dans la zone de sciage en donnant la vitesse maximum par rapport à la pièce à scier et une vitesse quasi nulle par rapport au fil, se qui se rapproche du cas idéal. On pourra réaliser ceci en revêtant le fil avec un matériaux plus tendre permettant ainsi l'implantation. Un matériaux synthétique par exemple un polyuréthane ou un nylon pourra faire l'affaire. On peut également utiliser un métal plus mou comme du cuivre. L'épaisseur devra être compatible avec la dimension des grains d'abrasif utilisés. Eh effet une couche trop épaisse n'apporte rien au processus de même qu'une couche dont l'épaisseur est beaucoup plus faible que le diamètre moyen des grains d'abrasif n'aura aucun effet. On peut estimer qu'une bonne couche se situe entre 0.1 et 10 fois le diamètre moyen des grains d'abrasif. Une autre possibilité est de créer un fil avec un gradient de dureté variable radialement par exemple en utilisant un matériau dont la composition varie en fonction de la distance au coeur. Le coeur étant le plus dur ou le plus résistant mécaniquement et la surface la plus encline à l'implantation de grains d'abrasif et à leur emport. On peut imaginer l'utilisation d'un fil kevlar avec un enrobage de nylon . Le nylon comme surface active faci l itant l ' implantation et le kevlar lui donnant la résistance mécanique. De même un fil de fibre optique pourrait être envisagé avec une surface active se présentant sous la forme d'un revêtement de polyuréthane.
Le choix du matériau de fond sera dicté par sa disponibilité en grande longueur et sa résistance mécanique alors que le choix de celui de la surface en dehors des caractéristiques déjà évoquées devra avoir une bonne adhérence sur la surface de base. Le mode d'implantation sera utilisé indifférement avec une barbotine ou des pâtes abrasives, ainsi qu'avec un abrasif sec.
Des dispositifs de sciage utilisant des fils passifs sont déjà connus et utilisés spécialement dans l'industrie des composants électroniques, des ferrites, des quartz et silices, pour l'obtention en tranches fines de matériaux tels que le silicium (poly ou monocristallin), ou les nouveaux matériaux tels que GaAs, InP, GGG ou également quartz, saphir synthétique, voire même céramique. Le prix élevé de ces matériaux rend le sciage par fil plus attractif comparativement à d'autres techniques comme le sciage par disque diamanté. Toutefois la technique de sciage par fil requiert un contrôle parfait de l'apport en abrasif. Cet apport sans contrôle avec un fil passif, ne permet pas toutes les performances que la technique du sciage par fil peut apporter.
Le but de l'invention consiste à remédier aux inconvénients précités en fournissant un fil avec une surface active maximisant la vitesse relative des grains d'abrasif par rapport à la surface du matériau à scier et minimisant cette même vitesse par rapport au fil. Le fil voit donc sa durée de vie augmenter en iirêrae temps que l'efficacité de sciage.
Les dessins annexés illustrent schématiquement et à titre d'exemples des fils avec surface active en accord avec l'invention, ainsi que plusieurs variantes.
Fig. 1 - La figure 1 représente une surface de fil active avec des micro-cavités 1
Fig. 2 - La figure 2 représente une surface de fil active avec des micro-cavités en forme de stries 2
Fig 3 - La figure 3 représente une surface de fil active avec des ondulation 3 dont la longueur est relativement grande par rapport au diamètre du fil.
Fig. 4 - La figure 4a représente la coupe d'un fil dont la surface active est réalisée par une couche 4 plus tendre que le coeur 5 alors que la figure 4b parvient au même but en ayant un gradient de dureté H variable radialement.
L'utilisation de fils à surface active dans des conditions optimales permet donc une augmentation de la productivité tout en diminuant les coûts d'exploitations par la diminution de l'usure de fil et une meilleure utilisation de l'abrasif. Elle permet de plus un meilleur contrôle de la découpe donc un meilleur fini de surface. On aura également un meilleur rendement énergétique en raison d'un meilleur rendement de sciage d'où une diminution de la dissipation de l'énergie sous forme de frottements.
Naturellement, d'autres types de surfaces actives peuvent être envisagées dans le cadre de la présente invention. De fait, l'aspect emport de l'abrasif par la surface du fil doit être conservé dans l'esprit d'avoir une augmentation de la vitesse relative par rapport à la pièce à scier ou une diminution de la vitesse relative par rapport au fil afin d'améliorer l'effet de sciage. Ainsi par exemple, il serait possible d'imaginer un surface ayant un enrobage liquide qui par effet de viscosité emporterait dans la zone de sciage l'abrasif, ce liquide pourrait être une colle instanée par exemple.

Claims

REVENDICATIONS
1) Fil pour le sciage caractérisé en ce que sa surface a une structure active vis-a-vis de l'emport de particules aorasives en cours de sciage en mod i f i ant leur quanti té et leur vitesse dans la zone sciage
2) Fil pour le sciage selon revendication 1, caractérisé en ce que sa surface à une texture permettant l'emport de particule abrasive dans la zone de sciage.
3) Fil pour le sciage selon revendication 2 , caractérise en ce que la texture de surface est composée de micro-cavités.
4) Fil de sciage selon revendication 2, caractérise en ce que la texture de surface est composée de stries.
5) Fil de sciage selon revendication 2, caractérise en ce que la texture de surface est une variation périodique du diamètre
5) Fil de sciage selon revendication 1. caractérisé en ce que la structure de surface a une dureté permettant l'implantation des grains d'abrasif.
6) Fil de sciage selon revendication 5, caractérisé en ce que la surface est composée d ' une couche d ' un matériau d i f férent de celle du coeur du fil.
7) Fil de sciage selon revendications 5 ou 6, caracterise en ce la dureté des matériaux constituant le fil diminue a la surface. 8) Fil de sciage selon revendication 5 ou 6 caractérisé en ce le gradient de dureté des matériaux constituant le fil est continu entre le coeur et la surface.
9) Fil de sciage selon revendication 5 ou 6, caractérisé en ce le fil est composé d'une succession de couches de matériaux différents.
10) Fil de sciage selon revendication 2 ou 5 , caractérisé en ce que la surface est une combinaison d'une surface ayant à la fois une dureté favorable à l'implantation et une texture.
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