固结金刚石线锯（通用7篇）
固结金刚石线锯 篇1
全球变暖和能源枯竭问题正变得越来越严峻, 太阳能电池和发光二极管作为生态友好型产品引起了人们的关注。这种器件用的硅衬底或蓝宝石衬底都是用多线锯锯床把晶棒切成薄片的。这种器件产量的迅速增长, 加快了锯切工具从传统的游离磨料型线锯向固结磨料型线锯的过渡。这种转变具有高效率、高精度和较少工业废弃物的优势。
A.L.M.T.公司为了跟上市场动态变化的步伐, 对固结金刚石线锯的研究与开发工作一直进行着不懈的努力。目前已有两种新型的线锯即树脂粘结的PWS-R型和电镀的PWS-E型投放市场。这种新产品现已被许多晶片生产厂家所采用。在锯切薄片的性能方面可满足他们的要求。
在本研究报告中, 对PWS-R型和PWS-E型线锯的特点以及为太阳能电池锯切硅晶锭和为发光二极管锯切蓝宝石晶棒的实例均作了介绍。
1 PWS-R型和PWS-E型线锯的特点
一般来说, 固结金刚石线锯是把金刚石磨料固结到钢琴琴线上制成。不同的琴线生产厂家和研究工作者提出了许多有关金刚石的固结方法, 不过这些方法的适用应考虑金刚石浓度的控制、稳定的生产过程和足够大的金刚石保持力。根据以上技术要求。PWS-R型线锯选用了热固性树脂, 而PWS-E型线锯则选用了电镀材料。两者在金刚石砂轮制造中一直是作为经过考验的粘结材料而被采用的。这两种类型的固结金刚石线锯主要是采用A.L.M.T.公司现有的技术研发的, 其特点阐述于下。
1.1 PWS-R型线锯
PWS-R型线锯的外观与结构如图1所示。它由两个步骤加工而成。第一步是在钢琴琴线上涂敷一种包含金刚石磨料、热固性树脂和溶剂的涂料溶液, 第二步是热处理。目的是在去除溶剂的同时固化树脂。至关重要的是要把金刚石磨料以单层形式并且均匀分布在琴线周围。因为这对线锯的性能有很大影响。
与PWS-E型线锯相比较, PWS-R型线锯中的金刚石磨料是靠一种弹性树脂来固着的。因此当承受切割力时运动更加有挠性。就是因为这个原因, PWS-R型线锯具有使锯切面较少损伤的优点, 从而使晶片有更好的表面光洁度。目前, PWS-R型线锯已应用于稀土永磁材料的锯切。这种材料锯切后要求表面粗糙度小。同样的理由, 这种线锯也有可能应用于太阳能电池材料的锯切。
1.2 PWS-E型线锯
PWS-E型线锯的外观与结构如图2所示, 它是在分散着金刚石磨料的电镀槽中将金属镍电镀到钢琴琴线上制成的。在电镀过程中, 极为重要的是, 不但要保持金刚石磨料在钢琴琴线上均匀分布, 而且也要控制镀层的应力以防止线锯在使用过程中镀层发生剥落现象。从图3可看出, PWS-E型线锯必须有足够的抗弯强度。这种弯曲负荷是在正常锯切当中施加到线锯上的。
PWS-E型线锯最值得注意的特点是金刚石磨料的保持力比PWS-R型线锯高得多。因此PWS-E型线锯能够在较高锯切速度条件下使用。因为它有很好的锯切能力。而且即使金刚石浓度较低也极少发生金刚石脱落现象。目前, PWS-E型线锯已应用于蓝宝石的锯切, 并且正在进行一些新的尝试, 力争在太阳能电池行业锯切单晶硅方面提高其效率。
2 评估试验
用PWS-R型线锯和PWS-E型线锯进行了单晶硅和蓝宝石晶棒的评估试验, 试验结果论述如下。
2.1 单晶硅的锯切
在注重节省成本的太阳能电池生产行业中, 关键是要以低成本方式争取每一个晶锭保持晶片的高产量。许多太阳能电池生产厂家一直在致力于提高生产效率、降低工具成本以及使用较细的线锯降低切缝损失。此外, 锯切后晶片表面损伤层的深度对蚀刻过程中的去除量和晶片的易碎性都有影响。
在评估试验中, 单晶硅晶棒是用PWS-R型和PWS-E型线锯进行锯切的。线锯的技术规格与锯切参数列于表1。这些技术规格与锯切参数是由市场调研所确定的。锯切时, PWS-E型线锯的进给速度比常用的游离磨料线锯进给速度高三倍。对晶片的评估不只是通常的静态精确度, 还采用了光学显微镜和扫描电子显微镜 (SEM) 观察其细微的缺陷, 并且用透射电子显微镜 (TEM) 观察损伤层的深度。
2.2 蓝宝石的锯切
在半导体照明行业中, 也需要使用较细的线锯, 但需求不如太阳能电池行业那么迫切。这是由于蓝宝石的硬度大于硅, 为了有效地锯切蓝宝石, 线锯应具有较低的金刚石浓度和较高的金刚石保持力, 而且应在较高的张力下进行工作。此外, 就蓝宝石而言, 锯切之后要研磨加工, 所以锯切后只要求晶片有好的静态精确度。因此大多数蓝宝石晶片生产厂家选用了PWS-E型线锯。PWS-E型线锯与PWS-R型线锯相比有明显的高效率优势。
在这次评估试验中, 蓝宝石晶棒是用PWS-E型线锯锯切的。线锯的技术规格与锯切参数如表2所列, 而且都是通过市场调研来确定的。进给速度比常用的游离磨料线锯高得多。对晶片的平面平整度和厚度差包括总厚度差 (TTV) 进行了评估, 这些均属于静态精确度。
3 试验结果
3.1 锯切单晶硅的试验结果
用PWS-R型线锯锯切的硅晶片的平面平整度和厚度差分别示于图4与图5。而用PWS-E型线锯锯切的硅晶片的平面平整度和厚度差示于图6与图7。所锯切的晶片的静态精确度符合市场要求。两种线锯锯切的结果无明显差别。
锯切之后两种线锯均无任何金刚石脱落和破裂现象, 在线锯表面上也无锯屑浆淤塞现象。这说明PWS-R型和PWS-E型线锯都有提高使用寿命的可能性。从锯切参数可看到, PWS-E型线锯的进给速度可提高到PWS-R型线锯进给速度的两倍。因此, 许多注重效率的晶片生产厂家都选用PWS-E型线锯。
PWS-R型和PWS-E型线锯锯切的晶片表面用光学显微镜和扫描电子显微镜观察到的显微照片如图8所示。在这两种线锯所锯切的晶片的表面上都可观察到韧性断裂和脆性破裂的现象。但是, 用PWS-R型线锯锯切的晶片表面上的脆性破裂数量比之用PWS-E型线锯锯切的晶片表面上的要少得多。这个结果意味着用PWS-R型线锯锯切的晶片比用PWS-E型线锯锯切的晶片更不容易破碎。因此, PWS-R型线锯更适合于锯切较薄的晶片。较薄的晶片可能更容易破碎而且难于搬运。
透射电子显微镜观察到的晶片横截面的显微照片如图9所示。在两张照片中都可观察到非晶质硅层和带有残余应力的结晶质硅层。用PWS-R型线锯锯切的晶片表面损伤层的深度比之用PWS-E型线锯锯切的晶片表面的要小。这也说明晶片用PWS-R型线锯锯切后进行蚀刻时的加工量较少。
鉴于上述原因, PWS-E型线锯适合于锯切目前太阳能电池所用的晶片, 可提供较高效率, 而PWS-R型线锯则适合于锯切较薄的晶片, 使晶片具有更好的表面质量而且不易破碎。
3.2 锯切蓝宝石的试验结果
用PWS-E型线锯锯切的蓝宝石晶片的厚度差与平面平整度分别示于图10与图11。所锯切的晶片的静态精确度满足市场需求。
锯切之后在PWS-E型线锯表面上没有观察到金刚石脱落、破裂或者被锯屑浆淤塞的现象。说明还有提高线锯使用寿命的可能性。
从另一方面来说, 在锯床进给新线锯的一侧, 晶片的平面平整度比另一侧有所下降。使用PWS-E型线锯锯切蓝宝石的下一个研究目标就是在这方面进行改进提高。同时在锯切较大直径蓝宝石晶棒的工作中提高线锯使用寿命。
4 结论
关于PWS-R型和PWS-E型线锯在单晶硅晶棒和蓝宝石晶棒的薄片锯切试验中作出如下观察结果:
PWS-E型线锯在单晶硅和蓝宝石的薄片锯切中达到了较高的效率和较高的精度。
PWS-R型线锯在单晶硅的薄片锯切中获得了很好的表面锯切质量。
PWS-E型PWS-R型线锯都很适合于锯切其它衬底材料, 而且满足线锯锯切行业的技术要求。
金刚石线锯专利信息 篇2
名称:金刚石锯条
摘要:金刚石锯条属于金刚石工具类。该发明金刚石线锯条用于作高速自转, 并作往复直线运动的设备上, 及用于石材开板、切断, 以及板材的拼花、镶嵌的分切专用设备上。该发明金刚石带锯条还用于高速金刚石带锯机用对石材的切板。该发明又是一种对石材等材料分切的方法。该发明是为解决大规格板材加工工具和设备而发明的。
申请号:01103075.5
名 称:驱动轮和使用驱动轮的线锯设备及切割方法
摘 要:由驱动轮组成的驱动装置连接在基座支承的支架上, 驱动轮包括作为固定轴定子、设在定子外周的环形转子和设在转子外周上的环形轮构件。线锯有在如线材等的线锯条上烧结金刚石磨粒的环形件, 线锯被置于和缠绕在轮构件的外周上形成的槽部中。驱动轮通电后可使转子旋转, 驱动缠绕在轮构件上的线锯, 使线锯接触并切割被缠绕的待切割材料。
申请号:200610155479.1
名 称:一种金属结合剂金刚石线锯的制备方法
摘 要: 一种金属结合剂金刚石线锯的制备方法及其产品, 包括 (1) 钢丝的表面 (2) 钢丝的助镀处理 (3) 配料 (4) 钢丝镀敷 (5) 后处理的制备步骤, 结合剂镀层的厚度在金刚石粒径的二分之一和三分之二之间。通过一系列化学、扩散反应使钢丝表面覆盖了一层均匀牢固的镀层, 金刚石磨粒也被均匀地把持在金属粘结层中。以达到切削的目的。
申请号:03133682.5
名 称:硬脆材料加工用的超声波线切割锯
摘 要:一种硬脆材料加工用的超声波线切割锯, 包括床身、纵向工作滑台、横向工作滑台、工件支架、金刚石线锯、超声波振动装置、线锯往复运动机构和电气控制装置, 超声波振动装置通过螺钉固定在C型工作架的上臂上, 超声波发生器的交变电信号通过换能器转变为机械振动, 又通过变幅杆把振幅进一步放大, 使金刚石线锯以波的形式产生振动, 线锯往复运动机构通过曲柄连杆、C型工作架、滑台座驱动线锯作快速往复运动, 线锯始终处于直线高频振动和周期性往复运动状态中, 这从根本上改进了现有技术存在的问题, 发挥了金刚石线锯切割加工的性能。本发明具有结构简单合理、生产效率高、加工精度高、成本低、节约材料和噪音小等优点, 特别适合切割宝石、陶瓷等贵重硬脆材料, 也适合切割一般硬脆材料。
申请号:200510076272.0
名 称:生产金刚石元件的方法
摘 要:一种金刚石元件, 例如线锯的插入物, 通过含有以下步骤的方法制备:制备金属粉的起始混合物;通过特定的塑性添加剂塑化起始混合物;添加金刚石颗粒;通过MIM技术注模;去除塑性添加剂;烧结;并渗入Cu/Ag低共熔合金或另一种渗透合金。
申请号:200810163257.3
名 称:喷覆线锯的制作方法及其设备
摘 要:本发明所述的喷覆线锯的制作方法包括以下步骤:清洗芯线的表面;将树脂粘结层涂覆到芯线表面;对芯线表面喷覆金刚石磨粒;紫外光固化。其专用设备, 包括放线机构、有机溶剂处理槽、涂覆装置。所述的涂覆装置后, 连接有一用于向芯线表面喷覆金刚石磨粒的喷覆装置;所述的喷覆装置包括一可供芯线穿越的箱体, 一用于输送气固两相流的送粉装置;所述送粉装置的输出管连接一分配器, 所述分配器的数个输出端分别通过导管连接位于所述的箱体内的喷嘴;所述的喷嘴朝向箱所述的箱体的盖壁;所述的喷覆装置后依次连接紫外光固化装置、收线机构。本发明具有磨粒位置适当、切割力强、使用寿命长的优点。
申请号:200780042696.2
名 称:预合金化金属粉末、其获得方法和使用其制备的切割工具
摘 要: 预合金化金属粉末, 特别用于通过烧结制备切割工具, 特征在于以重量%计其组成是:48%～52%Fe;14%～19%Co;32%～37%Cu;≤1%O, 余量是来自其制备的杂质。用于获得这种粉末的方法, 以及由这种粉末制备的金刚石锯和切割线锯。
申请号:200910137822.3
名 称:一种电镀金刚石线锯的制造方法
摘 要:本发明涉及一种电镀金刚石线锯的制造方法及其产品。主要特征如下:首先金属线缠绕在放线轮上, 金属线连续运行, 依次完成前处理、预镀、上砂、加厚过程, 最后缠绕在收线轮上, 完成电镀过程。其中, 预镀、上砂、加厚在同一电镀槽中完成。上砂是通过电镀槽内连续转动的环形毛带完成的。电镀液中的金刚石磨料在搅拌的作用下悬浮于镀液中, 并自然沉积到环形毛带上。通过环形毛带的金属线和环形毛带的线速度相同, 从而保证了金属线和环形毛带上的金刚石磨料有一定的相对静止时间, 保证了上砂时间。本发明采用环形毛带进行上砂, 提高了上砂效率, 提高了电镀金刚石线锯的制造效率, 降低了制造成本。
申请号:200910043380.6
名 称: 一种制备高性能金刚石线锯的生产工艺
摘 要:一种制备高性能金刚石线锯的生产工艺, 包括以下步骤:首先, 利用金刚石与氧化钨在650℃～900℃与水蒸汽、氢气反应, 在金刚石表面形成W-W2C层, 实现金刚石表面合金化钨;然后, 将表面合金化钨的金刚石与瓦特型镀镍溶液配制成电镀液, 以镍板作为阳极, 钢丝线作为阴极进行电镀;使表面金属化钨的金刚石在电场作用下做电泳运动, 使其沉积在钢丝线表面, 同时金属镍也电镀到钢丝线表面。本发明制备的金刚石线锯具有金刚石颗粒分布均匀, 金刚石占镀层质量百分比高, 电镀速度快, 金刚石与镍基体之间为冶金结合, 显著提高基体对切削刃金刚石颗粒的把持能力, 大幅度提高了金刚石线锯的切削能力和使用寿命。适于工业化生产, 可替代现有金刚石线锯生产工艺。
申请号:200910031887.X
名 称:钎焊钻石线锯的制作方法
摘 要:本发明涉及一种钎焊钻石线锯的制作方法, 包括以下工艺步骤:一、将钢线进入一个存放糊状焊料的容器;二、粘附着焊料的钢线进入第一个拉丝模, 使经过拉丝模的钢线上均匀覆盖着一层焊料;三、粘附着焊料的钢线进入一个密封的粉尘盒, 粉尘盒里装着20～30μm直径的钻石粉, 并有一个鼓风装置将钻石微粉吹动, 布着焊料的钢线经过粉尘盒后上面均匀粘附着一层钻石粉;四、粘附着钻石粉的钢线进入第二个拉丝模, 经过拉丝模的钢线上均匀严实地覆盖着一层钻石粉;五、粘附着钻石粉的钢线以进入高频感应焊的线圈的中央, 焊料瞬间熔化, 并将金刚石与钢线牢固冶金结合;六、收线轮将焊接完成的钻石线均匀缠绕。本发明方法生产速度快, 制作的钎焊钻石线锯使用寿命长。
申请号:200910031889.9
名 称:电镀钻石线锯的制备方法
摘 要:本发明涉及一种电镀钻石线锯的制备方法, 包括以下工艺过程:一、预先对微米金刚石颗粒进行粗糙化处理, 以1∶3的质量比将纳米金刚石粉加入阳离子表面活性剂中, 制成均匀稳定的纳米金刚石粉悬浮液, 将镀液置于电镀槽中, 再将以1∶3质量比称量好的纳米金刚石粉悬浮液与微米金刚石颗粒混合后, 添加到镀液中, 镀液不断循环, 镀液选择氨基磺酸镍为主料, 另加硼酸和氯化镍, 电镀槽中有磁力搅拌装置;二、钢线连续均匀地通过电镀槽, 在电流的作用下, 镍离子由阳极向阴极移动, 带动纳米金刚石粉和微米金刚石颗粒向钢线移动, 使钢线在化学镀镍的同时镀上纳米金刚石粉和微米金刚石颗粒;三、在钢线离开电镀槽后, 经清洗和烘干后收线。本发明方法能连续快速生产电镀钻石线锯, 生产效率高。
申请号:201010146148.8
名 称:一种金刚石线锯
摘 要:本发明公开了一种金刚石线锯, 它包括金刚石磨粒、片状基体、橡塑材料层和位于橡塑材料层中心的中心线, 所述金刚石磨粒固定于该片状基体上, 所述橡塑材料层包覆中心线、片状基体和金刚石磨粒上除切割面以外的部分。该金刚石线锯的制造工艺简单, 生产成本低, 且线锯中的金刚石磨粒在切割过程中不易脱落。
申请号:201010230871.4
名 称:一种金刚石线锯及其制备方法
摘 要:本发明公开了一种金刚石线锯及其制备方法, 该种金刚石线锯包括耐弯折的柔性多股绳, 该柔性多股绳的直径为0.5～2.0mm, 其上间隔固定有至少两个的厚度为0.1～2.0mm的金刚石钎焊工作层。该种金刚石线锯可有效地防止钎焊料渗入柔性多股绳的缝隙中, 从而克服了现有以柔性多股绳作为中心线制成的金刚石线锯过于僵硬, 完全无法使用的问题。
申请号:200910264656.3
名 称:金刚石丝锯及其制造方法和专用设备
摘 要:一种金刚石线锯制造方法, 步骤包括:1) 对金属裸线进行表面去污;2) 把金属裸线浸入熔融的铟熔液中, 进行涂覆;该铟熔液中均匀混合有金刚石颗粒;3) 把附着了金刚石颗粒和铟熔液的金属裸线取出, 冷却, 得到金刚石线锯。上述方法的专用设备结构是, 放线轮和收线轮分别设在金属裸线运动路径的开始和结束端, 由电机驱动;清洗系统、加热容器和冷却系统依次设置金属裸线运动路径上;搅拌装置与加热容器连接;各个导轮分别设在金属裸线运动路径上, 用于金属裸线根据需要改变运动方向;还包括控制系统, 控制系统控制放线轮、收线轮、清洗系统、加热容器、搅拌装置和冷却系统的工作。一种金刚石丝锯, 是应用上述方法, 在上述的设备上制成的。
申请号:201010154814.2
名 称:一种生产金刚石线锯的电镀槽
摘 要:一种生产金刚石线锯的电镀槽, 包括电镀槽主体, 在所述电镀槽主体的高度方向平行设置有第一转轴、第二转轴, 在所述电镀槽主体底部设置有至少两根与外设驱动泵连接的进液管, 所述两根进液管与所述第一转轴、第二转轴同向布置。使用时, 将金属线呈螺旋状绕装在第一转轴及第二转轴之间, 利用第一转轴旋转, 带动金属线绕第一转轴、第二转轴转动, 使金属线沿第一转轴、第二转轴轴线前移;同时, 将电镀液泵送至电镀槽主体, 悬浮在电镀液中的金刚石微粉随电镀液缓慢向上流动, 与金属线接触、碰撞, 实现金刚石微粉与金属基体复合沉积。本发明结构简单合理, 空间占用少, 生产效率高, 金刚石微粉在金属线上分布均匀, 金刚石沉积密度可控, 镀层质量好, 所生产的电镀金刚石线锯柔韧性好, 强度高, 适于工业化生产, 可替代现有金刚石线锯电镀槽。
申请号:201010154641.4
名 称:一种表面改性金刚石的金刚石线锯生产方法
摘 要:一种表面改性金刚石的金刚石线锯生产方法, 包括1、金刚石表面去除表面油脂及去除表面金属氧化物;2、将金刚石微粉置于阳离子型表面活性剂溶液中并施加正电位, 阳离子型表面活性剂的阳离子在电泳作用下在金刚石表面形成一层正电荷薄膜;3、金刚石线锯的复合电镀。本发明对金刚石进行导电化处理, 使金刚石颗粒在电场作用下, 可以在镀液中有序运动, 实现在金属线表面的电镀沉积, 且不受金刚石颗粒大小的影响;表面活性剂吸附在金刚石表面, 使镀层与金刚石呈现浸润型界面, Ni镀层对金刚石的把持能力强;金刚石微粉利用率高。本发明工艺方法简单, 操作方便, 金刚石颗粒在金属线上沉积速度快、沉积均匀性好、
申请号:201010141333.8
名 称:一种金刚石线锯精密切割过程实时纠偏方法
摘 要:一种金刚石线锯精密切割过程实时纠偏方法, 属于大尺寸人工晶体的精密切割加工技术领域。其特征是使用光电位置检测元件, 实时检测金刚石线锯位置偏移量, 并反馈给计算机控制系统, 控制工作台做出相应的位置、角度调整, 从而使线锯向降低切割偏差的方向移动, 实现切割纠偏。本发明的效果和益处在于采用非接触式的线锯位置检测和线锯纠偏动作, 可以避免对线锯的接触式检测和纠偏所带来的磨损;另外, 本发明所采用的基于偏差反馈的纠偏策略, 较之通过提高机床精度以降低切割跑偏的方法, 可以在不显著提高线锯切割系统造价的同时, 对大尺寸工件的线锯精密切割获得良好的纠偏效果。理论上本发明可以得到17μm的最高纠偏精度。
申请号:201010124913.6
名 称:金刚石线锯及金刚石线锯的制造方法
摘 要:本发明提供金刚石线锯及该金刚石线锯的制造方法。所述金刚石线锯中, 由镀层覆盖分散保持有金刚石磨粒的金属制芯线的整个外表面, 通过采用含有钨的镍合金作为镀层而具有充分的硬度, 因此使用时锐利度良好, 并且不易断线。另外, 本发明提供金刚石线锯及该金刚石线锯的制造方法, 所述金刚石线锯中, 由金属薄膜覆盖包含镀层和金刚石磨粒的金刚石线锯的整个外表面, 从而使在金属制芯线的外表面上分散保持的金刚石磨粒的保持性高, 并且不损害使用时的锐利度。
申请号:201010154536.0
名 称:一种复合金刚石线锯的制备方法
摘 要:一种复合金刚石线锯的制备方法, 包括:1、取粒度为5～45μm原生金刚石微粉和破碎金刚石微粉, 按比例均匀混合, 得到混合金刚石微粉;取氧化钨粉和氧化钼粉的混合粉与混合金刚石微粉, 按比例均匀混合;2、将1所得产物加热并通入过水氢气, 形成金刚石微粉基体/钨钼碳化物界面/钨钼合金的表面金属化混合金刚石微粉;3、以添加了表面金属化混合金刚石微粉的电镀镍瓦特溶液为电镀液, 钢丝绳为阴极, 对钢丝绳表面进行金属化金刚石和基体镍的复合电镀, 即制得本发明复合金刚石线锯。本发明工艺方法简单, 操作容易, 制备的产物兼备良好的开刃性能, 优异的耐磨抗压性能, 加工速率快, 寿命长, 金刚石线锯利用率高, 切面平整度和光洁度高, 适于工业化生产, 所制备的产物特别适于对宝石类高价值材料的高效率、高质量、高性价比的切削加工。
申请号:200910212773.5
名 称:磨料呈螺旋形有序排布的钎焊金刚石线锯及其制作工艺
摘 要:本发明涉及一种磨料呈螺旋形有序排布的钎焊金刚石线锯及其制作工艺, 属磨料磨具制造领域。该钎焊金刚石线锯由钢丝基体、钎焊结合剂、呈螺旋形排布的金刚石磨料三部分组成。该工艺关键步骤在于:在钢丝基体表面涂附压敏胶;将一细金属丝线或非金属丝线以一定的螺距均匀缠绕涂有压敏胶的钢丝;排布金刚石磨料;拆除金属丝线或非金属丝线;排布一层粉状钎料;在真空或保护气氛中加热至钎料熔化, 冷却后金刚石磨料通过钎焊结合剂牢固固定在钢丝表面, 形成磨料呈螺旋形有序排布的钎焊金刚石线锯。该线锯具有切割寿命长, 切割效率高的优点。
申请号:96236447.9
名 称:金刚石刚性线锯条
摘 要:本实用新型专利涉及一种石材曲面切割的金刚石刚性线锯条, 它是在芯杆上相间布置着套筒和金刚石套环, 在两端头的套筒一端分别与两齿轮相连接, 两齿轮套在芯杆上的两滚珠座上, 两滚珠座分别与固定框架及移动横梁相连接, 齿轮与齿条相啮合。本实用新型专利磨损均匀, 在往复运动中不松弛, 节约原料, 可实现多刀同时进行曲面切割。它适用于各种石材的曲面加工。
申请号:03214314.1
名 称:一种硬脆材料线切割装置
摘 要:一种硬脆材料线切割装置, 包括床身、纵向工作滑台、横向工作滑台、工件支架、金刚石线锯、超声波振动装置、线锯往复运动机构和电气控制装置, 超声波振动装置通过螺钉固定在C型工作架的上臂上, 超声波发生器的交变电信号通过换能器转变为机械振动, 又通过变幅杆把振幅进一步放大, 使金刚石线锯以波的形式产生振动, 线锯往复运动机构通过曲柄连杆、C型工作架、滑台座驱动线锯作快速往复运动, 线锯始终处于直线高频振动和周期性往复运动状态中, 这从根本上改进了现有技术存在的问题, 发挥了金刚石线锯切割加工的性能。本实用新型具有结构简单合理、生产效率高、加工精度高、成本低、节约材料和噪音小等优点, 特别适合切割宝石、陶瓷等贵重硬脆材料, 也适合切割一般硬脆材料。
申请号:200420005349.6
名 称:一种用于切割硬脆材料的金刚石线锯
金刚石线锯切割设备现状分析 篇3
目前,硬脆性材料,如晶体硅、蓝宝石、特种陶瓷等,具有优良、稳定的物理和化学性能,在电子、光学及其它领域得到广泛应用。随着工业的发展,需求量不断增加,切割加工量也大幅增长。由于硬脆材料硬度高、脆性大,因此加工难度较大。锯切是硬脆材料机械加工的第一道工序,锯切加工成本约占加工总成本的50%以上,因此,切割工艺、工具及设备受到越来越广泛的关注,并得到迅速发展[1]。从目前国内外加工的现状来看,硬脆性材料切割方法主要有:金刚石圆盘锯切割、金刚石带锯切割、电火花线切割、游离磨料线锯切割和金刚石线锯切割等。在国际上,游离磨料线锯切割在晶体硅的切割中占主流地位,但是这种技术存在明显的不足:线锯走丝速度低,通常≤10m/s,切割效率低,锯丝使用寿命短,切割大尺寸坯料时磨料难以进入到长而深的切缝,磨浆的处理和回收成本较高。因此,近来出现金刚石线锯代替游离磨料线锯的发展趋势[2]。
2 国外硅片金刚石线切割设备的最新发展
今年上海第五届国际太阳能产业及光伏工程展览会上,国际各大公司展出了其最新产品。如日本某公司展出最新研制的T-8253B型金刚石多线切割机,见图1。该机线速度1000m/min,生产能力比游离丝切割机提高2倍以上,实现TTV<10μm,成品率98%的高精度加工,金刚石线消耗量1.5m/片以下,实行低成本生产,单位面积内生产能力4.7万片/m2。瑞士某公司展会上推出BM850金刚石多线开方机和DS265切片机,其性能十分优越,代表了当今世界切割设备的最高水平。
2.1 BM850型金刚石线锯开方机(见图2)
A、特点
①G5大型晶锭(850×850×450)一次性开方。
②采用Φ350μm金刚石线,可精确定位和进行张力控制,切割线消耗量最少。
③产能最高,每年切方36000～52000块(相当于120～170MW)。
B、技术参数(见表1)
2.2 DS265型金刚石多线切割机(见图3)特点
(1)采用金刚石线提高线速度,提高进给速度,实现最高产能。
(2)摇摆机构优化了金刚石线切割长度,缩短切割时间,并提高晶片质量。
(3)最高产量(方锭300mm)≥90000片/年。
(4)总运行成本最低,线耗量≤3m/片。
(5)最新一代断线监控系统,实时停机,确保工件和导轮不受损。
(6)技术参数(见表2)
其摇摆机构特点,见图4。
该机安装单晶硅棒的机构在切片过程,呈5度的往复摇摆。这使金刚石线进给时,与工件接触长度保持恒定,以保证硅片的切割质量。
综上所述,经过十几年的不断创新改进,国外新一代金刚石多线切割机显示出更加优越的特点:
(1)使用的切割线更细,切出的硅片更薄,大大减少了硅原料消耗。硅片厚度从原来的330μm减薄到180～220μm,设备制造精度更高。进一步发展,还可将硅片厚度从180μm减薄到150μm,制造成本再降低25%。
(2)考虑到使用金刚石线,将线速度提高到1000m/min以上;进给速度提高到1～5mm/min;生产效率提高2～3倍。
(3)由于生产能力的大幅提高,则要求更为精密的数控系统,具备先进合理的工艺控制和切割线张力控制与监测系统。
(4)美国某公司为在保持速度前提下提高机台产量,推出一套最新的MaxEdge系统,采用独特的两组独立控制的切割组件。该系统结合更细的切割线和更薄硅片,提升了线锯技术,降低了太阳能电力的每瓦成本。见图5.[3]
3 国内金刚石多线锯设备
近年来,由于国家的重视,将大规模集成电路制造装备与成套工艺专项课题列入国家重大科技专项,另外,国内有关设备制造企业也看到了这个巨大的商机,大力投入人力物力开展研制开发,先以仿制为主,逐渐转向自主创新并研制出有自身知识产权的金刚石线切割机,用以替代原游离磨料钢线切割方式。
如:上海某公司生产的NWSS-125D金刚线切方机,如图6。该设备是用纯金刚线切割晶体硅的大型设备,可切(1000×1000×400)mm的晶锭。特点是与传统的砂浆油切割相比,效率高,切割速度可达1.5～2.0mm/min,是传统方式的2倍以上。设备占地面积比传统砂浆线切割设备更小,采用四门柱型结构,装卸料更趋灵活方便。该机使用金刚线切割产品,大大降低了原先用砂浆油切割的污染程度和废液的回收成本,是传统线切方机的升级换代产品。
4 金刚石单线锯机应用前景广阔
国内半导体制造和光伏电池上游加工,包括:去头尾、截断、开方等的加工,大部分仍然采用金刚石带锯设备,加工表面粗糙,浪费材料,使用金刚石线锯机切割加工,能得到更高的质量。
4.1 JXQ-401金刚石单线切割机
北京某单位研制的一款JXQ-401金刚石单线切割机,只是规格太小(110×110mm),若加以放大至300×300mm,即可用于单晶硅切割。该机工件夹持装置设计为6度的摆动机构,保证切割线与工件接触长度均匀,提高切割效率和晶片质量。
JXQ-401金刚石单线切割机主要技术性能:
a) 切割晶体最大尺寸: (110×110)mm
b) 切割线最大线速度: 1000m/min
c) 工作台进给速度: 0.001～0.4mm/s
d) 摆动角度: 6°
e) 切片厚度误差: TTV≤25μm
f) 晶片表面粗糙度: Ra≤ 1.6μm
4.2 瑞士某公司生产的各种型号的环形线锯机
瑞士某公司开发生产系列金刚石线锯机,包括往复式线锯机和环形线锯机。环形线锯机相对往复式线锯机,线速度有了较大的提高,达20m/s;环线周长2.2m～2.4m。如6234型切割机,见图7。
目前,大型往复式金刚石线锯机占金刚石线锯主导地位。但往复式由于受到正反转惯性作用,线速比较低,仅是3～10m/s,效率低,小型单线金刚石切割机也受到同样的局限性,而环形线锯则克服了往复线锯的缺点,线速可高达50m/s,可实现高效生产,因此在一些需要精密切片的工业加工领域,硅晶体、特种陶瓷加工等得到推广应用,并显示出其独特的高效及优越性。随着工业的发展,在晶体硅、蓝宝石、特种陶瓷、石墨模具、名贵石材等行业有着广阔的应用前景。
6 结束语
超硬材料行业除了重视金刚石线锯的研究之外,更要大力投入切割设备的研究,因为两者是密不可分的。当然,硬脆性材料切割设备是高精密设备,除了设计之外,还要配以高精密机械制造装备和高水平的机加工技术,才能保证设备的制造质量和技术性能指标。超硬材料行业应该为我国半导体产业和光伏产业的发展,为减少消耗,降低制造成本,解决生产中的关键工艺技术,打破当前国外设备的垄断局面,作出更大的贡献!
参考文献
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[4]李永强.向年两会报告:光伏生产装备国产化仍在路上[J].中国能源报,2011.3.3.
金刚石细线锯的开发与加工性能 篇4
目前, 硬脆材料切割工程中主要采用游离磨粒式多线锯[1], 加工液使用由油或水与磨料混合而成的悬浮液。如图1所示, 多线锯的工作方式是切割的同时向做高速往复运动的琴丝供应悬浮液。但是, 近年来, 从环保角度出发, 由于多线锯用悬浮液的废弃问题和作业环境等的缘故, 使用金刚石线锯[2]的固结磨粒方式引人关注。
如图2所示, 金刚石线锯的特点是金刚石磨粒固结在琴丝表面, 只靠水或油就能进行加工。另外, 由于金刚石磨粒直接固结在芯线上, 切割速度可远远高于游离磨粒式。但是, 金刚石线锯由于金刚石磨粒固结在琴丝的表面, 存在线锯直径增大、工件的切割余量增加等问题, 加上线锯生产成本较高, 其应用目前只局限于一定范围。
鉴于上述情况, 为了谋求金刚石线锯的进一步发展, 本研究拟新开发金刚石细线锯, 减少切割余量。金刚石细线锯的开发既要注意减小线锯的直径, 又要注意保持金刚石线锯的高切割性能。结果, 试制成图3所示的金刚石细线锯, 芯线由两根Φ58μm的琴丝扭绞而成, 在其表面固结Φ30~40μm的金刚石磨粒。
本文就金刚石细线锯的最佳电沉积条件以及改变扭绞节距长度引起的线锯形状差异对切割加工性能的影响进行了探讨。
2 金刚石细线锯的制作与加工装置
图4为金刚石细线锯制作装置与金刚石磨粒电沉积装置的示意图。首先, 将线轴安装在绞线器①的臂部, 经绞线器扭绞而成的芯线④通过供电部分⑤, 由丙酮槽⑥脱脂, 经盐酸槽⑦进行表面活化, 然后被引入电镀槽。该镀槽分为3个槽, 前镀槽⑧进行预备镀, 以提高镀镍层的附着强度。金刚石磨粒电沉积槽⑨填充有金刚石磨粒, 将金刚石磨粒固结在芯线表面。后镀槽 (10) 在电沉积金刚石磨粒间进行镀镍, 既可调整磨粒的突出量, 也能防止金刚石磨粒的脱落。随后, 将金刚石线锯在清洗槽11中进行清洗, 由卷线器卷绕。金刚石细线锯的芯线采用的是绞合线, 绞合线的节距长度通过设定绞线器的臂转速和卷线器的绕线速度加以调整, 可以制作出任意节距长度的绞线金刚石线锯。表1为金刚石细线锯的主要制作条件。
图5为金刚石细线锯用切割机的示意图。金刚石线锯最初卷绕在位于切割机上部的双联式线锯鼓轮上。从线锯鼓轮送出的金刚石线锯依次通过右侧线锯拉力调整轮、切割加工部分、左侧线锯拉力调整轮, 再卷绕在线锯鼓轮上。金刚石线锯可通过连接在线锯鼓轮上的电动机的正反转, 同时进行送出和卷绕做往复运动, 在加工部分加工工件。表2为主要切割试验条件。
3 试制金刚石细线锯与材料强度性能
图6为试制金刚石细线锯的表面观察照片 (注:原稿缺此图) 。本实验所试制的金刚石细线锯直径为Φ175μm。
图7为试制金刚石细线锯、芯线用Φ58μm琴丝和Φ280μm传统金刚石线锯[3]的材料强度试验结果。抗拉强度试验按照标准JIS Z 2241进行。另外, 对于扭转试验, 将线锯按200mm的间隔夹紧, 为了评估加工时扭转的影响, 在加工时的线锯拉力加载于线锯的状态下进行扭转, 将断裂时的转速定义为断裂扭转角。如该图所示, 金刚石细线锯的断裂载荷为传统金刚石线锯的1/3左右。这可能是由于金刚石细线锯的直径小于传统金刚石线锯, 断裂载荷有所降低的缘故。其次, 由于拉伸载荷作用于作为试制金刚石线锯芯线的琴丝时弹性区位于断裂载荷的1/3左右, 对试制金刚石线锯以7.84N的拉力进行了扭转强度试验。结果显示, 在初期拉力7.84N时, 与传统金刚石线锯 (初期拉力:19.6N) 相比, 试制金刚石细线锯的断裂扭转角有所增大。从这种结果可明显看出, 试制金刚石细线锯在拉力7.84N时是可以充分进行切割加工试验的。
4 金刚石细线锯的最佳制作条件
图8是设前镀槽长度L1=200mm、后镀槽长度L3=160mm、金刚石线锯的扭绞节距Pi=4mm, 改变电流密度Ed而制作的金刚石细线锯的表面观察照片。在该图 (a) 的电流密度Ed=1.0×103A/m2时, 金刚石线锯表面的磨粒形状清晰可见, 但线锯表面磨粒在分散性上参差不齐。而在电流密度Ed=2.5×103A/m2时, 线锯表面上可见到的金刚石磨粒则相当少。根据这种结果判断, 在电流密度Ed=1.5×103A/m2附近, 电沉积具有良好的金刚石磨粒分散性。
图9为改变前镀槽长度L1而制作的金刚石细线锯的切割效率变化。如该图所示, 无论是哪种金刚石线锯, 从加工开始第一次到第二次, 加工效率均呈下降趋势, 然后随着切割次数的增加, 切割效率逐渐提升, 到切割次数20次附近, 切割效率大致趋于稳定。还可以看出, 此时的切割效率以前镀槽长度最短的金刚石线锯为最高, 随着前镀槽长度的增加, 线锯的切割效率有所下降。图10为其中试制金刚石线锯的断面观察照片。如该图所示, 随着前镀槽长度的增加, 芯线与磨粒痕的距离 (前镀槽施镀的镍层) 有所增大。本试验则对电流值进行了调整, 使从前镀槽到后镀槽的总电流密度保持不变。因此, 前镀槽施镀的镍层一增厚, 供给后镀槽的芯线表面积就会增加, 引起电流密度的降低。从而导致镀层厚度减小, 不利于调整磨粒的突出量。磨粒的把持强度随之降低, 线锯表面的磨粒提前脱落, 切割效率下降。鉴于这种情况, 本研究将最佳前镀槽长度定为L1=200mm。
图11为改变后镀槽长度L3而制作的金刚石细线锯的表面观测照片与切割效率的变化。从图11 (b) 可
以看出, 在后镀槽长度L3=160mm时, 切割效率从加工开始起逐渐增加, 到金刚石线锯断裂之前稳定在约360μm/min附近。在后镀槽长度L3=200mm时, 切割效率呈最高值。而后镀槽长度达L3=250mm时, 加工开始时的切割效率也低, 其增加趋势也缓慢, 切割效率的上升也不明显。这可能与后镀槽施镀的镍层厚度有关。从后镀槽长度L3=160mm时的线锯表面来看, 与L3=200mm时的金刚石线锯相比, 线锯表面能观测到的金刚石磨粒以大者居多。这意味着后镀槽施镀的镍层薄, 金刚石磨粒不能充分镶嵌于镍层, 可能是由于线锯表面的磨粒把持强度低的缘故。另外, 从表面观察也可以看出, 对于后镀槽长度L3=250mm时的金刚石线锯, 金刚石磨粒已嵌入镍层, 金刚石磨粒的突出量减少。因此, 切割效率随着切割次数增加的趋势不明显, 可达到的切割效率也降低。由上述结果显而易见, 最佳后镀槽长度应为L3=200mm。
5 金刚石细线锯的加工性能
5.1 切割效率的变化
图12为改变试制金刚石线锯扭绞节距时的切割效率变化。如该图所示, 传统金刚石线锯 (线锯直径:Φ280μm) 的切割效率约为210μm/min[4], 新试制的金刚石细线锯则达到了相当高的切割速度。这是由于芯线直径减小带来的切割余量降低以及进液和排屑效果改善[4]的缘故。另外, 新试制的金刚石线锯的切割效率随着节距长度的增加也有所提高。
5.2 扭绞节距是影响切割效率的主要因素
图13为加工30次后金刚石细线锯的表面观察照片及其观察位置的模型。如 (a) 的模型图所示, 这次实验所试制的金刚石细线锯由于在加工槽底面的一部分与金刚石线锯接触, 因此如该图所示, 以参与金刚石线锯加工的部分为中心, 就3处进行了观察。可以看出, 与图11 (a) 相比, 参与加工的金刚石线锯表面受到了相当大的损伤, 该受损部分波及金刚石线锯圆周的50%左右。另外, 对按各节距试制的金刚石细线锯从加工开始到加工第30次加以观察, 并对该线锯表面参与加工的区域存在的磨粒测定其平均磨粒间隔, 无论哪种场合均在235μm左右。尽管平均磨粒间隔几乎无异, 但切割效率却因节距而不同, 可能是该加工部分的面积影响了切割效率, 拟对加工部分面积加以计算。
图14为存在于线锯表面的加工面形状的模型。如前所述, 在加工部分金刚石线锯接触工件的部分占金刚石线锯外周的50%, 相对于金刚石线锯扭绞节距长度方向则为扭绞节距的1/4, 所以该接触领域的形状为图14 (a) 中斜线表示的部分。这里, 设斜线部分为加工部分面积, 金刚石线锯在加工部分面积上的纵向宽度则定义为加工部分长度Lc。加工部分长度根据加工30次后金刚石线锯的表面观察照片计测, 由该计测值, 可通过乘幂近似针对节距长度按下式求出加工部分长度Lc。
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式中, Pi-节距长度, K=242.96, Lc=1.1125
每1节距存在2个加工面, 为了简化总加工部分面积Sw的计算, 对于加工面在每工件切割加工宽度Lw的存在位置, 如图14 (b) 所示, 拟认为加工面只存在于两条绞合线的一方。所以, 总加工部分面积Sw可根据图14 (b) , 用下式表示。
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式中, r-金刚石线锯虚拟圆的半径。
图15是基于上式的总加工部分面积Sw计算结果和切割效率的比较。另外, 为了无因次化, 总加工部分面积用与金刚石细线锯同直径的全周面电沉积金刚石磨粒的金刚石线锯的接触面积之比表示, 为了扭绞节距长度2mm时的计算值能与切割效率相符, 对图形中的位置作了调整。对于扭绞节距长度2mm以下的金刚石线锯, 出于芯线刚性方面的原因, 未予试制, 此以下领域的计算结果则作为参考数据用虚线表示。从该图可以看出, 随着扭绞节距长度的加大, 平均磨粒间隔保持不变, 但总加工部分面积增大, 参与加工的磨粒数增加, 因此切割效率有所提高。还可以看出, 随着扭绞节距长度的加大, 与总加工部分面积计算结果相比, 试验得出的切割效率有所提升。观察切割后的金刚石线锯断面发现, 随着扭绞节距长度的加大, 加工时受损部分超过了金刚石线锯外周的50%。由此可以判断, 扭绞节距长度大的金刚石线锯在加工中线锯周向发生了扭转。金刚石线锯一旦在加工中发生周向扭转, 实际加工部分面积就会大于计算值。这种计算误差在扭绞节距长度加大时则以切割效率与加工部分面积的差异表现出来。
5.3 金刚石细线锯的加工表面形状
图16为从加工开始起到第30次切割加工试验时加工表面粗糙度在切割方向上的实测结果。比较金刚石细线锯和传统线锯的加工表面粗糙度可以看出, 两者的数值大致相同。而且, 线锯移动方向也显示出同样的趋势。这种结果可能是新试制金刚石细线锯和传统线锯均用同直径金刚石磨粒的缘故。另外, 加工表面粗糙度的差别也以金刚石细线锯为小。这可能起因于容屑槽效果[4], 即金刚石细线锯的扭绞形状既促进了加工液流入加工部位, 又促进了切屑的排出。
图17为切割方向的加工表面波纹度变化。比较金刚石细线锯和传统线锯的加工表面波纹度可以看出, 金刚石细线锯略小一些。另外, 线锯移动方向的波纹度也显示出同样的趋势。由于新试制金刚石细线锯以绞合线为芯线, 线锯表面的均匀性不如传统线锯。但是, 由于波纹度基本上等同于传统线锯, 线锯形状非均匀性对加工表面精度的影响并不大, 显然, 新试制金刚石细线锯是可以充分承受加工的。
6 结论
对两根琴丝经扭绞制成的金刚石细线锯进行了强度试验和切割试验, 明确了以下事项。
(1) 成功开发出直径比传统线锯约小40%的金刚石细线锯。
(2) 随着金刚石线锯扭绞节距长度的加大, 缘于金刚石线锯总加工部分面积的增大, 参与加工的金刚石磨粒数增加, 切割效率有所提升。
(3) 由于采用同粒径的金刚石磨粒, 金刚石细线锯的切割结果变化趋势大致等同传统金刚石线锯。
(4) 金刚石细线锯的加工表面虽存在一些波纹度, 但有所改善。
摘要：在硬脆材料切割工程中, 金刚石线锯引人注目。目前, 市场上销售的金刚石线锯大多使用粒径Φ2040μm的金刚石磨粒, 线锯直径为Φ250300μm左右。本研究的目的则是开发金刚石细线锯, 目标放在减少加工时的切割余量。具体说来, 线锯芯线采用由两根Φ58μm的琴丝扭绞而成的绞线, 在其表面沉积粒径Φ3040μm的金刚石磨粒, 制成直径Φ175μm的金刚石线锯。经一系列试验确定了金刚石细线锯的最佳制作条件, 并用该线锯进行了切割加工试验, 弄清了其加工性能与加工机理。
关键词：磨削,切割,金刚石线锯,细线锯,绞合线
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金刚石线锯截断机的设计与应用 篇5
关键词：硅材料,固结磨料,金刚石线锯,截断机
0 引言
硅片是半导体工业的基础,也是构成太阳能光伏电池的核心元件,它的制造工艺和质量直接影响到成品太阳能电池发电转换效率、使用寿命等性能。硅片的制造主要包括晶体生长—截断—磨外圆—切片—倒角—研磨—腐蚀—抛光—清洗等工序。其中,截断工序的目的是切除硅锭(棒)的头部、尾部及超出客户规格的部分,将硅锭(棒)分段成客户切片设备可以处理的长度,或切取试片测量硅锭(棒)的电阻率、含氧率。
近年来,随着太阳能工业的迅猛发展,硅材料的需求量不断增加,切割加工量大幅增长。目前的硅片切割技术研究方向主要在于硅锭(棒)截断、切片时如何减小切缝损失、增大切割尺寸及提高切割效率等方面。现有的硅锭截断(包括头尾切割)设备大多采用金刚石外圆切割、带锯切割等方法来解决。外圆切割方法简单,但刀片刚性差,易产生侧向摆动,切缝大,材料浪费大。特别是对于切割大尺寸的单晶棒或铸成多晶硅块,为保证刀片刚性需要其自身厚度大,切缝更大,材料浪费尤为明显,很不经济。这种切割方法已逐步淘汰。目前较常用的方法是带锯切割。带锯切割解决了外圆切割切缝大的问题,但由于锯片薄了以后也存在稳定性的问题。切割过程中容易产生偏斜或产生波浪形。同样也产生材料的浪费。且带锯切割也只能单件切割,效率低。国外现在虽有一些硅锭金刚石线锯截断机设备生产,但由于机床的机构设计复杂、体积较大、价格昂贵等因素,在国内推广受到局限。本文针对上述现有加工技术和设备存在的不足,着手研究切割加工材料浪费大、效率低,表面质量差等问题的解决方法,设计并研制了硅锭固结磨粒金刚石线锯截断机。
1 硅锭(棒)金刚石线锯截断机的结构方案
根据硅片材料的特点,以及实现硅锭截断的工艺要求,同时考虑经济效益和生产效率,经过分析计算,截断机采用图1所示的结构形式。
截断机主要由固结磨粒金刚石线网运动系统,截断进给系统和电器控制系统等组成。启动机床,金刚石线网运动系统驱动固结磨粒金刚石线高速运动,同时截断系统通过工作台带动硅锭向上进给,硅锭得到多线同时切割,截断成等距多段工件。当储丝系统运行到接近线的尾断时,限位器控制系统同步反向运行。循环往复。工件切割完成自动停机。
2 固结磨粒金刚石线网运动系统的设计
储丝筒:主要用于储存金刚石钢丝。金刚石钢丝均匀地绕在储丝筒上,不重叠,不挤压。为了避免重叠或挤压造成金刚石线自身摩擦而使金刚石颗粒脱落缩短线的使用寿命,储丝节距必须大于线径以防止叠丝。同时,储丝筒应有良好的动平衡性,两端轴承轴向位移小。
线架与导线轮:线架用于固定导轮、过渡轮及驱动电机等。调整线架上相邻导轮组的间距可得到所需的截断长度。导轮使线精确定位并随线的高速运动而转动。要求其材料耐磨性要好,刚度要高,在切割张紧时不变形,材料一般取40Cr,淬火。
驱动电机:主要驱动线的高速运动并与储丝系统运行保持同步。驱动系统设置于线架上,由电机带动驱动轮组成。丝线缠绕在驱动轮上在张紧力的作用下,驱动轮转动带动丝线运动。电机采用130S204直流伺服电机。驱动轮直径(φ140)与储丝筒直径相同,以保持与储丝筒同步。驱动轮表面应涂聚氨酯涂层,以免金刚石钢丝切入驱动轮表面,涂聚氨酯涂层还具有良好的弹性减少对钢丝的冲击。
张紧系统:使线保持一定的张紧力并可按需要调整。张紧系统采用垂直重锥式,在系统运行过程保持张紧力恒定。金刚石线只有始终保持在张紧的状态下才能运行切割,线的张力一般控制在25~30N。走线速度500~1000m/min(可以调节)。重锥同时又起到断线紧急停车的作用;重锥下方设有开关,当线断时,重锥落下,接触到开关,切断电源、机器停车。
3 硅锭(棒)截断进给系统及电器控制系统的设计
截断进给系统包括截断工具、工作台及其上下垂直运动系统、切入量的控制系统等。
截断工具(金刚石线)的选用:本设备的截断工具采用固结磨粒金刚石线,选用日本进口产品(ASAHI DIAMOND),电镀金刚石线,φ0.25~30~40,裸线直径0.25mm,金刚石当量直径30~40um,电镀后线的直径约φ0.33mm。其线芯专门按该公司技术要求拉制而成,并经热处理与预拉伸,抗拉强度超过180000 kg。先电镀一层铜护层,将20~120μm金刚石浸渍,采用大电流电镀其外层,以牢固把持住金刚石。采用微型计数器计控环绕线芯分布的金刚石数量以保证其均匀一致。如图2,3所示。
工作台及其上下垂直运动系统:用于固定硅锭并使截断过程保持进给。工作台用来安置工件并在工作过程中使工件进给。进给方式可采用液压控制系统。工作台下方设置液压油缸和两个导柱,液压油缸使工作台上下移动,切入速度以0.5~1mm/min为宜。导柱保持台面精确定位,使切割过程保持截面的平整度。
硅锭(棒)金刚石线锯截断机的电器控制部分主要包括了储丝筒与驱动筒的同步控制,保证运行过程不断线;走丝行程控制,当储丝筒钢丝走到头时,系统反向运行,保证反向运行软启动、无冲击;切割行程控制,当工件切割线完成时,进给系统停止不切入工作台;断线停车控制,当出现断线时系统能自动停车,以免乱丝损坏工件与设备;线速度控制,可调节线的走丝速度。
4 设备研制后的应用比较:(见表1)
5 结束语
实践证明研制的设备与外圆切割、带锯切割相比较,具有切缝小(当线径采用0.23mm时,切缝只有0.24~0.25mm),截面平整的特点,可大幅减少材料的浪费,具有较好的经济性。当用于多件切割时,由于多线对多个工件同时切割,具有带锯切割无法比拟的效率。同时,截断工具采用进口金刚石线,与现在国内使用的游动磨粒(砂浆)线锯相比,切割速度可提高3倍。
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固结金刚石线锯 篇6
目前,国内外对环形电镀金刚石线锯的研究报道较少。1993年日本进行了环形电镀金刚石线锯的研究,并提出了如何把钢丝基体焊接成环形的方法[1]。Well Diamond Wire saws公司研制的环形电镀金刚石线锯,其锯切线速度可达20m/s[2]。高伟、刘镇昌等人[3]采取复合电镀的方法用Φ0.8mm的65Mn钢丝作基体材料研制了环形电镀金刚石线锯,并在自制的试验设备上进行花岗岩锯切。孟剑锋[4]通过进口环形电镀金刚石线锯加工单晶硅和LT55陶瓷的试验,建立了切片表面粗糙度Ra模型,提出改善切片表面粗糙度的措施,同时还提出减小锯丝磨损的措施。贺东溥[5]对环形电镀金刚石线锯切割SiC的加工质量进行了研究,分析了锯切工艺参数对SiC表面粗糙度和表面形貌的影响规律。总之,环形电镀金刚石线锯具有锯切表面质量好,锯切效率高,切缝窄,锯切力小,污染小等优良特性,尤其适合贵重硬脆材料的切割加工。本文采用Φ0.5mm的不锈钢丝作为基体材料,通过电镀的方法研制出环形金刚石线锯,并在自制的试验设备上对大理石进行了切割。试验表明:工件表面粗糙度随锯丝速度增加和进给速度的减小而降低,随锯丝张紧力的增加先降低后增大。
2 试验设计
本试验采用的天然大理石工件尺寸为120mm×120mm×400mm,邵氏硬度为36.4～44.2,使用自制的环形电镀金刚石线锯切割,切片厚度为2mm。环形金刚石线锯锯丝以直径Φ0.5mm的不锈钢丝为基体材料,金刚石磨粒大小为120～140目,线锯直径约0.75mm,锯丝最大张紧力为150N。
2.1 试验设备
本试验所采用的试验设备是自制的环形金刚石线锯切割机床,锯切线速度最高可达50m/s,进给速度可达20mm/min,但是受工作条件及精度的限制,切割稳定线速度在30m/s,进给速度可达15mm/min。
2.2 试验方案
影响大理石表面粗糙度Ra的锯切工艺参数有锯丝线速度、工件进给速度、锯丝张紧力三个因素。为了得到切片表面粗糙度最优时的工艺参数,本试验设计了正交试验,取锯丝线速度、工件进给速度、锯丝张紧力3个因素,每个因素水平都为3,见表1。
3 试验结果与分析
表2是锯切工艺参数正交试验设计表。表中的大理石表面粗糙度Ra值是用时代公司生产的TR200手持式粗糙度仪测量的。K1、K2、K3分别表示各因素1、2、3水平所对应的大理石表面粗糙度测量值之和,K1、K2、K3分别表示各因素1、2、3水平所对应的大理石表面粗糙度测量值的平均值,Rj表示极差值。
从表中可以看出:R2﹥R1﹥R3 三个参数对表面质量都有不同程度的影响,其中工件进给速度对大理石表面粗糙度的影响最大,锯丝线速度对大理石表面粗糙度的影响次之,锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响再次之。为了进一步确定锯切大理石表面粗糙度的最优工艺参数,根据正交试验结果分别做出了锯丝线速度、工件进给速度和锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响,如图1、图2和图3 。
由图1可以看出:随着锯丝线速度的增大,大理石表面粗糙度值减小。这是因为锯丝速度增加使得单个磨粒的切削深度减小,这样单个磨粒的材料去除率减小,表面质量得到改善。但是随着线速度的增大,锯丝振动也越来越大,当线速度超过30m/s时,工件处锯丝振幅约为0.3mm,张紧轮处锯丝振幅约为0.5mm,显然对锯丝的工作寿命造成一定程度的影响。
从图2的曲线可以看出:随着工件进给速度的增大,大理石表面粗糙度值增加。造成这一现象的原因是工件进给速度的增大使得锯丝与工件之间的作用力增大,这样就增加了单个磨粒的切削深度,表面质量降低。
从图3中得知:随着锯丝张紧力的增加,大理石表面粗糙度先降低后升高。增加锯丝张紧力,有利于减小锯丝的振动,降低表面粗糙度值。当张紧力超过100N时,锯丝与工件间的应力增大,使得单个磨粒的切削深度增加,又加上锯丝磨损也较快,磨损和脱落的金刚石颗粒随机械冲击力被压入到工件表面,大理石表面粗糙度又开始增加。所以调节张紧力时要留有一定的余度,不要过紧。
根据上述分析,用环形电镀金刚石线锯锯切大理石时,要获得较好的表面粗糙度,又要得到较高的切割效率,在本试验参数范围内,工件进给速度为10mm/min,锯丝线速度为30m/s,锯丝张紧力为100N是最好的切割工艺。
4 金刚石锯丝磨损分析
锯丝的磨损包括磨粒磨损和镀层磨损两方面。为了锯丝制作工艺的进一步改进,降低锯丝的磨损,延长锯丝的使用寿命,必须弄清锯丝的磨损机理。借助JSM-6380LV扫描电子显微镜(SEM)观察切割后锯丝的磨损情况。图4是环形电镀金刚石线锯使用前和使用后SEM图。
4.1 金刚石磨粒磨损
锯丝锯切过程中,磨粒与材料表面接触,不断受到工件和切屑对它的冲击、摩擦以及锯丝引起的热冲击作用,使金刚石磨粒不可避免地出现磨损、破碎和脱落。磨粒磨损可分为磨粒局部破碎、局部折断、磨平、整体破碎和磨粒脱落等形式。磨粒局部破碎使金刚石磨粒产生新的切削刃,提高了金刚石线锯的切削能力,属正常磨损。随着切割过程的进行,磨粒受工件和切屑对它的冲击、摩擦以及锯丝引起的热冲击作用影响越来越大,金刚石磨粒被磨平或整体破碎,有效切削刃的数量越来越少,线锯的切削能力随之下降,可见它们属于有害的磨损形式。
锯丝在使用一段时间后出现磨粒脱落(图4b)现象,这往往是由于金刚石磨粒在摩擦和冲击作用并加上镀层把持力降低的情况下从基体上直接脱落的。
4.2 镀层的磨损
镀层是把金刚石磨粒固结在钢丝基体上的媒介,所以镀层对磨粒的把持力是非常重要的。镀层的磨损(图4b)会降低对磨粒的把持力,造成磨粒的脱落,缩短锯丝的使用寿命,镀层的磨损主要发生在磨损的后期,它的表现形式为镀层局部与完全脱落、镀层裂纹和磨损。在锯丝磨损的初期,主要是金刚石磨粒的脱落和破碎,随着磨损的加剧,镀层也开始受到工件材料的直接摩擦。由于镀层的硬度较低,镀层急剧磨损,这就降低了它对磨粒的把持力,使磨粒迅速脱落,锯丝整体进入急剧磨损阶段,此时线锯失去切割能力。
4.3 减少锯丝磨损措施
锯丝的主要磨损形式是磨粒的脱落,要想减少锯丝磨损,延长锯丝的使用寿命,应采取以下措施:(1)增加镀层的强度,提高镀层对金刚石磨粒的把持力,减少锯丝磨损。(2)在现有的实验条件下尽可能提高机床的精度,以减小锯丝的振动,延长锯丝使用寿命。(3)在切割工艺参数范围内进一步提高锯丝线速度,因为随着线速度增大,锯切力减小,锯丝磨损也减少。
5 结论
通过正交试验,利用环形电镀金刚石线锯对大理石进行了切割,并详细分析了锯切线速度、工件进给速度和锯丝张紧力等锯切工艺参数对大理石表面粗糙度的影响,得出如下结论:
(1)工件进给速度对大理石表面粗糙度的影响最大,随着工件进给速度的增大,大理石表面粗糙度值增加。同时进给速度还影响大理石的锯切效率,两者兼顾,最优工件进给速度取10mm/min。
(2)锯丝线速度对大理石表面粗糙度的影响没有工件进给速度的影响大,随着线速度的增大,大理石表面粗糙度值减小。但是随着线速度的增大,锯丝振动也越来越大,影响了线锯的工作寿命。考虑到线速度对大理石表面粗糙度的影响不是最大的,所以最优锯丝线速度取30m/s。
(3)锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响最小,随着锯丝张紧力的增加,大理石表面粗糙度先降低后升高。锯丝张紧力为100N,大理石表面粗糙度最好。
(4)锯丝的磨损机理是磨粒的脱落,要想减少磨粒的脱落,必须提高镀层的把持力,减小锯丝的振动和提高锯丝线速度,从而减少锯丝磨损,延长锯丝的使用寿命。
摘要：选用环形电镀金刚石线锯切割大理石,分析了锯丝线速度、工件进给速度和锯丝张紧力对大理石表面加工质量的影响,研究了金刚石锯丝的磨损机理。结果表明:工件进给速度对大理石表面粗糙度的影响最大,锯丝线速度对大理石表面粗糙度的影响次之,锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响再次之。在本试验参数范围内,最优工艺参数为:工件进给速度为10mm/min,锯丝线速度为30m/s,锯丝张紧力为100N。
关键词：环形金刚石线锯,大理石,正交试验,表面粗糙度
参考文献
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[4]孟剑峰.环形电镀金刚石线锯加工技术及加工质量研究[D].山东大学博士论文.2006,9.
固结金刚石线锯 篇7
近些年来,随着世界航空工业高效数控加工技术的发展,飞机制造大量采用大型整体结构件取代通过铆接、焊接或其他方式将众多模锻件、挤压件或机加件连接到一起的装配件,以减轻机身质量,缩短制造周期,提高飞机性能[1,2]。大型整体结构件以铝合金和钛合金为主, 铝合金大型整体结构件占据70%以上的份额[2],且主要由铝合金厚板下料后高效数控加工而成。为了能够机加工出飞机用大型整体结构件,必须增加传统航空用厚板的最大厚度,大飞机铝合金超厚板的厚度有些竟在300mm以上,有的甚至达到了500mm[1,2],这一变化带来许多新问题,其中,如何解决这些超厚板的高效成形切割下料问题,是突出问题之一。目前,切割下料的手段主要是圆片锯、带锯之类,都只能作切断加工,不能进行成形切割,原材料浪费严重,后续的机加工量大。而固结金刚石线锯切割是近年来快速发展起来的一种切割方法,具有切缝窄、锯切效率高、切面品质好、对环境污染小等优点,但目前电镀法、树脂结合剂法和机械碾压法等制作的金刚石线锯都存在金刚石磨粒和锯丝基体物理固结,磨粒易脱落,而钎焊金刚石线锯实现了金刚石、结合剂(钎焊合金材料)和金属基体界面的化学结合,结合强度高,并且金刚石线锯切割目前主要用于硬脆材料的加工,尚未有金刚石线锯切割铝合金厚板的报道。本文就这一切割技术在铝合金厚板切割下料上的应用进行初步的研究。
1 试验条件
1.1 金刚石锯丝的制作
由于高频感应钎焊能够实现金刚石、结合剂(钎焊合金材料)和金属基体界面上的化学冶金结合,具有较高的结合强度,粒度的裸露高度可达70%～80%,容屑空间大,不易堵塞,磨料的利用更加充分[3],因此本试验采用钎焊方法制作锯丝。
锯丝的芯线采用65Mn钢,直径0.8mm;结合剂为Ni-Cr-B-Si合金钎料,金刚石粒度为80～100目。制作工艺为:将粉末状Ni-Cr-B-Si钎料与绿色环保液体胶均匀混合成浆液;钎料浆液厚度适中且均匀粘附在芯线表面;金刚石磨料均匀镶嵌于芯线表面的钎料浆涂层上;气体保护氛围中加热至钎料熔化,冷却后金刚石磨料就牢固钎焊于芯线表面上。图1是金刚石涂覆示意图,图2是钎焊后的金刚石线锯形貌图。从图2可以看出金刚石晶形完整,棱角分明,无裂纹和石墨化显现;钎料铺展均匀,金刚石爬升良好。
1.2 切割运动的实现及试件的选择
图3是钎焊金刚石线锯切割铝合金的试验装置。利用MMD7125磨床,把平口钳固定在磨床的工作台上,钎焊金刚石线锯安装在锯弓上,锯弓由平口钳夹持固定。磨床工作台的往复运动实现线锯的往复运动,试样的上下、前后进给运动由磨床工作台的升降系统、前后运动系统来实现。线锯往复运动的平均速度vs为14m/min,上下、前后进给速度都可达到vw为0.05mm/s,切割过程中不使用冷却液。
试样选用主要用于飞机结构、导弹构件、螺旋桨元件及其他结构件2A12,厚度30mm,加工时由两个螺栓固定在磨床的保护壳上面,表1是试验用铝合金型号及其物理力学性质。
2 试验结果与分析
2.1 切割铝合金后线锯表面形貌
金刚石硬度高,表面与铝合金亲和力小,所以金刚石是非常适合加工铝合金的刀具材料。图4是线锯切割加工铝合金面积3000mm2后线锯的不同区域表面形貌。
从图4(a),(b),(c),(d)中可以看出,由于钎焊工艺制造的金刚石线锯磨粒的平均裸露高度可达磨粒平均粒径的70%～80%,容屑空间大,线锯切割铝合金时只有很少的局部区域发生堵塞现象,对切割过程影响甚微。
线锯堵塞的部分属于嵌入型堵塞,是磨屑机械性地填充在磨粒之间的空隙中的堵塞现象。这是因为线锯在切割过程中,法向锯切力Fn大于切向锯切力Ft[4],并且铝合金延展性较好,切屑在法向力的作用下,被机械地挤进磨粒之间的空隙里,如图4(c)所示。
金刚石线锯在锯切铝合金材料时,要经受工件和切屑的摩擦和冲击,金刚石磨粒被钎焊在钢丝基体上,钎焊层也会逐渐磨损。图4(d)是钎焊金刚石线锯切割铝合金后的表面磨损情况。由于在切割过程中无法实现绕自身轴线的旋转,参与切割的始终为锯丝的一侧。由于钎焊层和基体要为金刚石磨粒提供支承和保护,钎焊层的磨损会降低对磨粒的把持力,同时还会降低锯丝本身的强度,导致锯丝断裂。
2.2 切割轨迹
图5是切割铝合金厚板的轨迹图,可以看出钎焊金刚石线锯不但可以直线切割,还可以实现曲线切割。
2.3 切屑
由于锯丝的运动速度和磨削速度相比很小,因此加工过程中不会产生像磨削中那样的高温,切屑一般不会形成熔球状、蝌蚪状切屑。另外铝合金属于延展性大的材料、硬度低,很容易形成带状切屑。
图6是锯切铝合金过程中产生的典型切屑形状。图6(a)为带状切屑,这是切割中最常见的切屑,有一定的弯曲而且切屑比较宽。图6(b)是细条状切屑,特点是切屑细且长,长宽比达到30∶1以上,也是切割铝合金中较多见的切屑。图6(c)是卷曲状切屑,特点是前部切屑较宽且卷曲,后部比前部较细。
3 结论与展望
1) 用高频感应钎焊方法制作的金刚石线锯,金刚石焊接牢固,裸露高度高、容屑空间大,是一种新式的线锯制作方法,应用前景广泛。
2) 用钎焊金刚石线锯切割铝合金厚板不仅能切割直线轨迹,还能切割曲线轨迹。
3) 下一步主要是改善焊接后的线锯品质,进一步提高线锯的耐用度;制作更长的钎焊金刚石锯丝(或制成环形),提高切割速度,进行成形切割等。
参考文献
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[2]骞西昌,杨守杰,张坤,等.铝合金在运输机上的应用与发展[J].轻合金加工技术,2005,33(10):1-7.
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