TWI836543B - 鋸線以及用於製造鋸線的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於製造結構化鋸線的方法，其中具有至少二維結構的金屬線是這樣形成，即線材沿著線材的縱向軸線如此捲曲，使得線材主要發生塑性變形並帶有凸起，其中在捲曲過程中，整個線材橫截面的最多20%，特別地10%處於彈性變形區域內，而在剩下的線材橫截面上發生塑性變形。

Description

鋸線以及用於製造鋸線的方法
本發明係關於一種鋸線以及用於製造鋸線的方法。
在下文中描述了鋸線，用於切割金屬和礦物材料，特別是用於製造電子元件的晶片。
眾所周知，例如為此目的從矽棒上切下薄片，其中此處的切片這樣進行，一根帶導輥的金屬線被引導到周圍，其中在切割區域內已準備好一個待切割的棒，被切割線研磨切割。
確切地說，待切割的棒的材料不是由金屬線本身切割，而是由漿料中的磨料構成成分切割，該成分由線材傳送到切割間隙中。因此人們也說到了一種線鋸切片製程，其中線材在其縱向方向上從放線軸移動到收線軸上，當中有線材僅在一個方向上移動的設計，也有線材移動方向不斷反轉的設計。也就是說，線材必須能夠將磨料構成成分送到切割間隙中以及在那裡確保，磨料能夠對要切割的材料有磨蝕作用。漿料在此處是一種諸如由較高黏性的甘油和碳化矽顆粒製成的混和物。堅硬的小碳化矽顆粒在此處從待加工材料的基體中分解出小顆粒。當然，其它的油類或液態承載介質和其它的硬質材料也是可能的。
然而為了能完全攜帶此類漿料（泥漿），鋸線需要一種允許攜帶高黏度泥漿的表面設計。專用的圓柱形線材僅藉由黏合劑相互作用來攜帶漿料，但是切割過程會導致漿料迅速剝離以及失去切割作用。
為了提高線材的漿料輸送能力，鋸線具有一個藉由捲曲而實現的結構。捲曲在此處是一種有序的彎曲過程，其中結構被壓到鋸線中，例如藉由兩個90°偏置的齒輪，該等齒輪從中心的中間位置以機械方式使線材發生塑性偏移或彎曲。其中，結構由此而產生，即線材圍繞一個圓形尖端彎曲，例如齒輪上的一個形狀適配的齒。
此類線材很自然地也會在切割過程中遭受磨損，因為所攜帶的磨料顆粒不僅影響到要切割的材料，而且也可能會對線材產生磨蝕作用，要被切割的材料也可能會對線材產生磨蝕作用。特別是線材在捲曲的外側會受到磨損，過度磨損會導致捲曲丟失，因為線材會拉長以及不再能攜帶足夠的泥漿。
WO2018/149631 A1揭露了一種線鋸、線引導輥和一種用於從棒上同時切割多個切片的方法。此處要說明的是，由光滑圓鋼絲製成的結構化線材對於上述製程特別重要，該結構化線材在不改變其橫截面的形狀和尺寸的情況下沿著其整個長度週期性地移位，並且在垂直於線材縱向方向上具有相同的數量推移的橫截面。要說明的是，這些位移通常被稱為捲曲部，其中位移的大小稱為捲曲的幅度以及位移之間的縱向長度被稱為波長。該文獻還指出，捲曲部之間的空間充當凹槽或儲存器，與直徑相當的光滑線材比，線材在沿鋸線縱向方向移動時可在該等凹槽或儲存器中攜帶更多的漿料，且漿料不會被剝離。結構化線材的外包絡被定義為直徑最小的直圓柱體，它完全包含整個結構化線材。該直圓柱體的基面被定義為有效截面，圓柱體基面的直徑被定義為結構化線材的有效直徑，以及圓柱體外包絡的縱向軸被定義為結構化線材的縱向軸。芯線直徑應該是130 µm至175 µm，其中結構化線材外包絡的直徑應當是芯線直徑的1.02至1.25倍。由於磨損，各向異性磨損在捲曲部的暴露尖端區域內很明顯，其中線材在該區域內變成橢圓形。
從WO2015/119344 Al已知一種結構化鋸線，該鋸線應當即使在張力下也能保持其捲曲的特性。在這個文獻中還提及這個必要性，即在鋸切條件下保持線材的結構，以便攜帶切割材料。這種鋸線應具有之字形方式的連續捲曲，其中實際捲曲部的彎曲半徑應當是線材本身直徑的5-20倍。鋸切時，鋸線受到縱向方向上的張力，該張力的目的是打開捲曲部的彎曲部分。這會降低捲曲幅度並且線材被拉伸。需要指出的是，如果彎曲半徑僅是線材直徑的5倍或更小，可能會出現過度彎曲，這可能導致生產中線材的斷裂。另一方面，彎曲半徑大於線材直徑的20倍會導致，施加切割應力時，切割線很容易拉伸，從而很大程度地增大線材的磨損程度，切割效率降低。此外提供，不僅是進行二維捲曲，而且藉由以下方式進行三維捲曲，即捲曲圍繞縱向軸線旋轉，使得捲曲部交替位於XZ平面和YZ平面上，從而形成螺旋。藉此改進漿料攜帶能力，進而提高切割能力。
本發明的目的在於，提供一種製造鋸線的方法，藉由該方法製造鋸線，該鋸線具有較之先前技術得到改進的幾何形狀穩定性，因此更加耐磨。
該目的藉由一種具有請求項1所述的特徵的方法得以實現。
在相關的附屬請求項中確定了有利的進一步發展。
另一個目的是提供一種鋸線，該鋸線具有幾何形狀穩定性，該幾何形狀穩定性具有更好的抗磨損能力，因而不受形狀變化的影響以及因此保持攜帶磨料的能力。
該目的藉由一種具有請求項12所述的特徵的鋸線得以實現。
在相關的附屬從請求項中確定了有利的進一步發展。
增加線材的拉伸殘餘應力，以保證形狀穩定性，該方法在先前技術中是已知的。然而發明者已經發現，較高的拉伸殘餘應力的影響可以忽略不計，因為該應力處於線材的外相以及它們在1-3μm的深度下的影響隨著塑性變形而被解除。
根據本發明，將鋸線結構化。結構化代表了阿波羅問題的解決方案，即是說，線材試圖在三個齒輪尖部之間找到一個用於變形(兩尖相對，一尖凸起)的位置。鋸線在捲曲處形成一個塑性鉸鏈，其中齒輪尖應當具有合適的半徑。合適的半徑例如處於線材直徑的1-3倍的數量級。因此，外層纖維的實際膨脹率可以在10%到30%之間，特別是大約17%到23%之間。相應地，在整個線材橫截面中，最多有20%，特別地最多有10%處於彈性變形區域，而線材的剩餘橫截面則是塑性變形。高塑性變形使線材的抗拉強度總體僅降低2%-6%，相當於塑性鉸鏈的承載量。
相應地，在已捲曲線材的捲曲位置上，在外側產生壓應力，在應力藉由線材中必要的扭矩平衡變為拉伸殘餘應力之前，取決於直徑，該壓應力達到表面以下20-40μm。高塑性變形使得線材進一步對外部條件的波動變得不敏感，因為0.3-0.8μm的磨損僅代表1%-2%的機械條件的變化。
根據本發明，如果在捲曲過程中向線材施加拉力，則可增大可能的線材形式的範圍。特別地，事實證明有利的是，將此拉力的大小定為抗拉強度Rm和線材橫截面A的乘積的至少8%，特別地至少12%以及最大35%，特別地最大24%。拉應力導致塑性變形區域的再一次擴大，從而可以進一步減少外部磨損條件對線材幾何形狀的影響，並且對線材幾何形狀的可能形狀施加的限制要少得多。
由於捲曲過程中的拉力所引發的拉應力由於系統原因在捲曲之後不再存在，因此成品線材的外層纖維上將僅出現壓應力。
根據本發明，影響因素是齒輪頭的幾何形狀，特別是齒輪的齒半徑，結構化過程中的拉伸力和偏移限制比Re/Rm。
本發明特別地關於一種用於製造結構化鋸線的方法，其中具有至少二維結構的金屬線是這樣形成，即線材沿著線材的縱向軸線如此捲曲，使得線材與凸起塑性變形，其中在捲曲過程中施加占線材抗拉強度10%-20%的拉應力。
進一步的發展提供，線材在多個相互成角度的平面內捲曲，以形成三維結構。
進一步的發展提供，線材在捲曲過程中形成塑性鉸鏈，其中彎曲半徑為線材直徑的1-2倍，使得實際膨脹約為17%至23%，特別是20%左右。
進一步的發展提供，降伏點在1.5%-1.7%開始，其中整個線材橫截面的最多5%-20%處於彈性變形區域，而剩下的80%-95%的線材則發生塑性變形，使得塑性變形總體上對應塑性鉸鏈的承載量僅降低2%-6%的線材抗拉強度。
進一步的發展提供，在已捲曲線材的外側，在捲曲部位置上設置壓應力，在該處的應力變為拉伸殘餘應力之前，該壓應力達到表面以下20-40μm。
進一步的發展提供，線材圍繞圓形尖彎曲，特別地藉由適當形成的齒輪齒或規律衝擊的成型銷來實現。
進一步的發展提供，變形(從兩側到達線材)的間距約為線材直徑的10-15倍，波長因此約為直徑的20-30倍。
進一步的發展提供，該結構是在偏移80°至90°的方向上獨立施加的，其中要注意的是，所產生的波長具有儘可能大的最小公倍數。
進一步的發展提供，如此設置幅度，使得線材的表觀直徑(縱向方向上的包絡圓直徑)在線鋸的線材場(Drahtfeld)的工作張力下約為8μm至12μm以及特別地為10μm和/或在未施加夾緊力的情況下比實際線材直徑大8%-24%，特別地大10%至20%。
進一步的發展提供，線材的偏移限制比Re/Rm被設置為85%至95%以及特別地被設置為90%。
本發明的另一態樣係關於一種鋸線，特別地採用之前描述的方法來製造，其中線材在一個或多個相互成角度的平面內捲曲。
進一步的發展提供，捲曲點上的彎曲半徑是線材直徑的1-2倍以及從兩側到達線材的變形的距離為線材直 徑的5至15倍，特別是10倍，以及波長為線材直徑的10至30倍，特別是20倍。
進一步的發展提供，在已捲曲線材的外側，在捲曲位置上設置壓應力，在該處的應力變為拉伸殘餘應力之前，該壓應力達到表面以下20-40μm。
進一步的發展進供，被拉伸線材的抗拉強度Rm在3000MPa至4200MPa之間，特別地在3200MPa至4000MPa之間，進一步較佳地在3400MPa至3800MPa之間以及被拉伸線材的降伏強度在2500MPa至4000MPa之間，特別地在2900MPa至3800MPa之間以及較佳地在3000MPa和3450MPa之間。
進一步的發展提供，線材具有0.12mm至0.17mm的直徑以及具有三維的捲曲結構，其中彎曲半徑為0.24mm至0.34mm，其中幅度為0.14mm至0.2mm以及波長在2mm至4mm之間。
將參照一個示例闡釋本發明，其中根據圖1的表列舉了相應資料。
為直徑0.15mm的線材設置三維的捲曲結構，其中彎曲半徑為直徑的兩倍，即0.3mm。所形成的幅度為0.17mm，而波長為3.1mm。在外層纖維上的必要伸長率為20%，其中取決於原材料的降伏點為1.7%。與此對應，塑性伸長分量為18.3%。由此得出的從中心線到降伏點的距離為5.61μm，而從邊緣至零應力線的距離為35.36 µm。彎曲過程結束後，外側纖維中最終的殘餘伸長率在卸載後為負1.6%（壓縮）。
偏移限制比Re/Rm為90%，其中被拉伸線材的抗拉強度Rm為3600 MPa。被拉伸線材的降伏強度為3240 MPa。
在前述條件下，在外層纖維上產生了453 MPa的殘餘應力，這也是由於在結構化過程中施加了8牛頓的拉伸應力所造成的。人們發現，在被拉伸線材的抗拉強度Rm為3600 MPa的情況下，在結構化過程中施加了約12.6%的縱向應力，導致0.2%的預伸長率。
被拉伸線材的外層纖維中的殘餘應力可以達到接近線材的降伏強度，但在最後的拉伸步驟中有意識地藉由最終的較小變型而減小了一些。以1500 MPa的拉伸殘餘應力為例，但在3 µm左右的深度，拉伸殘餘應力降至0。最大預伸長率為0.8%的殘餘應力導致更快地達到降伏點，並且因此自塑性變形開始就立刻失去了對最終線材性能的影響。
無
圖1係表示實施例相應資料。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

Claims (25)

  1. 一種用於製造一結構化鋸線的方法，其中如此形成具有一至少二維結構的一線材，即沿著該線材的一縱向軸線如此捲曲該線材，使得該線材主要是發生塑性變形並帶有凸起，其特徵在於：在捲曲過程中，整個線材橫截面的最多20%處於一彈性變形區域內，而剩下的線材橫截面則發生塑性變形。
  2. 根據請求項1所述的方法，其中，在捲曲過程中，整個線材橫截面的最多10%處於該彈性變形區域內，而剩下的線材橫截面則發生塑性變形。
  3. 根據請求項1所述的方法，其中，該線材在多個相互成角度的平面內捲曲，以形成一三維結構。
  4. 根據請求項1至3中之一者所述的方法，其中，該線材在捲曲過程中形成一塑性鉸鏈，其中彎曲半徑處於該線材之直徑的1-3倍的一數量級，使得外層纖維的實際膨脹為10%至30%。
  5. 根據請求項4所述的方法，其中，該外層纖維的該實際膨脹為17%至23%。
  6. 根據請求項1至3中之一者所述的方法，其中，在捲曲過程中，藉由對該線材施加一拉力來增加發生塑性變形的區域。
  7. 根據請求項6所述的方法，其中，該拉力的大小為抗拉強度Rm和線材橫截面面積A之乘積的至少8%，以及最大35%。
  8. 根據請求項7所述的方法，其中，該拉力的大小為抗拉強度Rm和線材橫截面面積A之乘積的至少12%，以及最大24%。
  9. 根據請求項1至3中之一者所述的方法，其中，在已捲曲線材的外側，在捲曲位置上產生一壓應力，在該處的應力變為拉伸殘餘應力之前，該壓應力達到表面以下20-40μm。
  10. 根據請求項1至3中之一者所述的方法，其中，藉助於一合適形狀的齒輪齒或規律衝擊的成型銷，將線材圍繞一圓形尖部進行彎曲。
  11. 根據請求項1至3中之一者所述的方法，其中，變形(從兩側到達該線材)的間距約為該線材之直徑的10倍，波長因此約為該直徑的20倍。
  12. 根據請求項1至3中之一者所述的方法，其中，該結構是在偏移80°至90°的方向上獨立施加的。
  13. 根據請求項1至3中之一者所述的方法，其中，如此設置幅度，使得該線材的表觀直徑(縱向方向上的包絡圓)在一線鋸的線材場的工作張力下約為8μm至12μm和/或在未施加夾緊力的情況下比實際的線材直徑大8%-24%。
  14. 根據請求項13所述的方法，其中，該線材的該表觀直徑(縱向方向上的包絡圓)在該線鋸的該線材場的工作張力下約為10μm和/或在未施加夾緊力的情況下比該實際的線材直徑大10%-20%。
  15. 根據請求項1至3中之一者所述的方法，其中，將該線材的偏移限制比Re/Rm設置為85%至95%。
  16. 根據請求項15所述的方法，其中，將該線材的該偏移限制比Re/Rm設置為設置為90%。
  17. 一種鋸線，該鋸線係採用請求項1至16中之一者所述的方法製造而成，其特徵在於：該線材在一個或多個相互成角度的平面中捲曲，其中該線材的偏移限制比Re/Rm為85%至95%。
  18. 根據請求項17所述的鋸線，其中，該線材的該偏移限制比Re/Rm為90%。
  19. 根據請求項17所述的鋸線，其中，彎曲半徑是該線材之直徑的1-2倍，且從兩側到達該線材的變形的距離為該線材之該直徑的5至15倍，以及波長為該線材之該直徑的10至30倍。
  20. 根據請求項19所述的鋸線，其中，從兩側到達該線材的變形的該距離為該線材之該直徑的10倍，以及該波長為該線材之該直徑的20倍。
  21. 根據請求項17所述的鋸線，其中，在已捲曲線材的外側，在捲曲部位置上存在一壓應力，在該處的應力變為拉伸殘餘應力之前，該壓應力達到表面以下20-40μm。
  22. 根據請求項17至21中之一者所述的鋸線，其中，被拉伸線材的抗拉強度Rm在3000MPa至 4200MPa之間，且該被拉伸線材的降伏強度在2500MPa至4000MPa之間。
  23. 根據請求項22所述的鋸線，其中，該被拉伸線材的該抗拉強度Rm在3200MPa至4000MPa之間，且該被拉伸線材的該降伏強度在2900MPa至3800MPa之間。
  24. 根據請求項22所述的鋸線，其中，該被拉伸線材的該抗拉強度Rm在3400MPa至3800MPa之間，且該被拉伸線材的該降伏強度在3000MPa至3450MPa之間。
  25. 根據請求項17至21中之任一者所述的鋸線，其中，該線材具有0.12mm至0.17mm的一直徑以及具有一三維的捲曲結構，其中彎曲半徑為0.24mm至0.34mm，其中幅度為0.14mm至0.2mm且波長為2mm至4mm之間。
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