一种用于多线切割的异构钢线及其制造装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于多线切割的异构钢线及其制造装置，异构钢线包括两组或两组以上的异构部，每个异构部均由卷曲部和扭曲部组成，卷曲部内的钢线轴线在同一平面上，扭曲部内的钢线轴线不共享任何平面；同一组异构部的卷曲部的钢线轴线在同一平面内；对异构钢线施加5牛顿的外张力，则异构钢线的外包络直径D为异构钢线平均直径d的1.01-1.35倍。通过异构成型形成了较平面弯曲的结构钢线更加复杂的立体多维结构，且因为异构扭曲的存在以及在异构过程中产生的形变强化同时带来结构保持能力提升，因此在同等锯缝损失下切割性能较传统结构线进一步提高。异构钢线在最大化切割效率提升潜力与最小化切割良率波动风险之间达致了良好的均衡。
【专利说明】一种用于多线切割的异构钢线及其制造装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于多线切割的异构钢线及其制造装置，该钢线适用于多线切割晶体硅、碳化硅、蓝宝石、水晶等硬质材料。
【背景技术】
[0002]绝大多数情况下，多线切割是以高强度钢线作为载体，由钢线在高速运动中携带超硬磨料，通过磨料对高硬材料(如晶体硅，碳化硅，蓝宝石，水晶等)进行滚挖研磨以实现切割。该方式以切割效率高、切割锯缝小、材料损失少、切割精度高、表面质量好等优点成为当前的主要生产方式。其中，钢线作为携带磨料的载体，在切割过程中的稳定性以及携带磨料的能力，对于切割效率及产品质量均起到极其重要的作用。
[0003]目前广泛使用的钢线是表面光滑的圆形结构，其突出优点在于钢线能够在环绕其切割进给的方向均匀携带磨料，从而带来稳定的切割表面质量。通常情况下，可以通过增加钢线的直径增加钢线的表面积，从而增强钢线携带磨料的能力以提高切割效率，代价是由此会引起锯缝的宽度增加，从而带来切割过程中材料损失的增加。切割效率的提升亦可通过加大磨料的平均粒径以及棱角尖锐度等方式实现。
[0004]几乎在多线切割诞生的同时，追求提高钢线(锯线)的磨料携带能力的努力即已开始并且一直持续至今,典型地可分为三类:
[0005]第一类是试图制造粗糙钢线，通过增加钢线表面的粗糙度增加钢线的磨料携带能力。例如JP2007 196312提出了通过向钢线表面喷射电解液的方式，造成钢线表面产生凹凸；WO 9/12670则提出了微凹腔钢线，软表面钢线，以及横截面沿长度方向变化的钢线等概念；KR 2001 002689则描述了一种圆锯线，通过压刻的方式在该圆锯线上形成凹腔。此类尝试迄今尚未在多线切割领域获得成功的工业化实施与应用，核心原因在于磨料本身具备强大的磨损能力，经过上述处理的钢线表面，在进入切割进程中不久即会被磨光，使得经过表面处理的钢线与常规圆形表面光滑钢线不再有任何区别。
[0006]第二类尝试是以对钢线进行螺旋处理为基础。例如，JP 2007 044841提出了一种基本为圆形的锯线，具有围绕锯线的长度方向成螺旋形延伸的扁平面，CN102380915A基本为上述概念的自然延展；US 2860862则提出对预先做成扁平形状的锯线施加两次螺旋形变形:首先用短的捻距绕扁平锯线的自身轴线加捻，然后用更长的捻距以螺旋型对锯线加捻。FR 750081也描述了采用圆形或多边形横截面的螺旋形锯线。CN102205563A以及CN102765141A基本上均为前述思路的自然延展。JP4057666则描述了一种金属锯线，同样是采用加捻的方式将直钢丝先行变成螺旋型，之后再通过拉模进行拉伸。迄今为止，上述努力在多线切割领域同样未见成功的工业化实施与应用，核心原因在于，钢线的螺旋化无可避免地需要对钢线进行加捻，从而给钢线带来很高的扭转内应力，且钢线越长，扭转内应力越高，从而导致成品钢线产生强烈的自我打卷倾向，无法实际应用于多线切割，突出表现在很难完成均匀的长距离卷绕收线，在切割线网上无法或很难布线，即使勉强用于短距离切害I]，也会因为钢线自身携带的高扭转内应力造成线网无规律抖动，导致无法接受的切割效果(突出体现为表面线痕与TTV不良)。
[0007]第三类尝试，是通过对钢线在一个或多个平面内进行弯曲的方式，制造所谓的“结构钢线”。例如JP 2004 276207在描述了一种具有螺旋形的变形单线或绞线之外，还描述了上述单线或绞线被引导通过一对嵌齿轮，从而在单一平面内形成Z字形的双皱褶。在Z字形皱褶中，锯线先在第一方向上弯曲，然后在第二方向上进行第二次弯曲且与第一方向相反(反向弯曲)，然后再通过绞线并捻将较短长度的Z字形皱褶被叠加到长波螺旋形上。该种尝试的明显缺陷，在于绞线结构会导致锯线的实用包络外径显著加大，带来难以接受的锯缝加宽和相应额外材料损失。
[0008]第三类尝试中取得了一定应用成功的，是安塞尔米塔尔公司通过中国专利CN100475398C公开的一种单丝型金属锯线，其在两个或两个以上的平面内对钢线进行了弯曲，从而在一定程度增强了钢线携带磨料的能力在一些特定应用环境下能够取得良好效果。其缺陷在于，该锯线的弯曲以一个平面为主导，其他平面的弯曲在切割过程中会被逐渐转向到该主导平面，最终形成基本上仅在一个平面内变形的锯线，从而导致切割良率波动，同时由于该锯线的结构保持能力有限，在切割路径较长的情况下，切割线到达切割尾端时弯曲结构已经基本或大部消失，导致切割尾端的良率较切割起始端的良率大幅下降。为尝试解决上述缺陷，贝卡尔特公司通过CN102528940A提出了一种相当于第二类(“螺旋钢线”)与第三类(“结构钢线”)思路混合的产品概念，基本做法是在单一平面上利用嵌咬的齿轮(或其他变形装置)对钢线制成弯曲，通过对钢线进行加捻(环绕钢线的轴线旋转变形装置所在平面，或保持变形装置所在平面不动但同步旋转收、放线轴)，形成螺旋形钢线，之后再对钢线进行退捻(与加捻方向反向旋转变形装置所在平面，或保持变形装置所在平面不动但反向同步旋转收、放线轴)以部分或全部释放掉由于加抢带给钢线的扭转内应力。实施中发现，因为必须的退捻，导致制成的钢线无论在环绕轴线的各向均匀性上，还是在结构保持能力方面，均未较CN100475398C提供的方法产生提高。CN102962901A及CN102310489A则均为在CN100475398C与CN102528940A概念上的自然延展，未见独立技术贡献。
[0009]随着行业上持续不断的降本增效努力，多线切割正越来越采用更长的工件(硅棒等)，更细的切割钢线(0.08mm-0.115mm)，导致切割路径不断加长，进一步局限了上述传统结构线的适用范围。
【发明内容】
[0010]本实用新型要解决的技术问题是:提高钢线在切割过程中携带磨料的能力，同时解决传统平面卷曲的结构钢线因为结构保持能力不强带来切割尾部良率下滑风险的问题。
[0011]上述技术问题，尤其突出表现在对降低锯缝要求较高，但切割对象同时又较长的太阳能晶硅切片方面:随着切割工艺水平的提高，目前绝大多数情况下，晶硅切片上采用的切割钢线的直径，已经在0.09mm - 0.13mm之间，每刀生产硅片的量高于2300片，这种细线/高张力/长程切割，对于平面弯曲的传统结构钢线的结构保持能力提出了严峻的挑战。
[0012]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:一种用于多线切割的异构钢线，
[0013]I)平均直径d在0.08mm- 0.15mm之间，以高碳钢或高碳合金钢为材质；
[0014]2)包括两组或两组以上的异构部，每个异构部均由卷曲部和扭曲部组成，卷曲部内的钢线轴线Z在同一平面上，扭曲部内的钢线轴线Z不共享任何平面；同一组异构部的卷曲部的钢线轴线Z在同一平面内；
[0015]3)对异构钢线施加5牛顿的外张力，则异构钢线的外包络直径D为异构钢线平均直径d的1.01-1.35倍，所述外包络直径D可以通过轮廓投影仪观测。
[0016]本实用新型涉及的异构钢线，应用对象为对减小锯缝损失要求较高的高硬材料的精密切割，因此采用自身平均直径在0.08mm-0.15 mm之间的精密高碳钢或高碳合金钢线。与平面弯曲的传统结构钢线相比，异构钢线在平面卷曲之外增加了不再共享任何平面的扭曲部，钢线的立体结构更加复杂，带砂能力进一步增强，同时因为扭曲异构的存在以及在异构成型过程中的形变强化，也使异构钢线具备了较传统结构钢线更强的结构保持能力。与传统结构钢线类似的是，增加异构钢线的外包络直径虽然能够提高带砂能力(体现为切割效率提升)，但在典型的细线/高张力/长程切割组合下，过大的外包络直径也会导致异构钢线的结构易于消失，带来在切割过程中产生线痕及TTV不良等的风险增加(也即切害I]良率的稳定性下降)，若选择的异构钢线的外包络直径过小，则会带来其与普通直钢线比较带砂能力的提高不够显著。为了更准确地表征异构线成品的形貌，对其测量时统一施加5牛顿的外部张力，以排除异构钢线在自然状态下因为自然收缩倾向而带来的测量噪音。大量的实验证据表明，取决于异构线制造过程中的工艺、设备和原材料状况，以及客户端的切割环境、工艺与设备情况，在前述测量条件下，异构钢线的外包络直径大小D有相当的选择空间，但一般限于异构钢线平均直径d的1.01-1.35倍之间。
[0017]在太阳能晶硅切片上的批量实用认证表明，对于目前占主流地位的以PV800，MB264，MB271等机型为主，切割棒长在800mm-1000mm之间的多晶硅片制造，具备如下特征的异构钢线最接近均衡的切割效率提升与良率稳定性保持能力:在对其施加5牛顿的外张力时，异构钢线的外包络直径在异构钢线平均直径的1.04-1.14倍之间。
[0018]为了使异构钢线在环绕使用进给方向携带磨料的能力尽可能均匀，不同组异构部的卷曲部分别所在平面均相交于异构线的外包络中心线。
[0019]为了使异构钢线在环绕使用进给方向携带磨料的能力尽可能均匀，各组异构部的卷曲部分别所在的平面相交后，平面间相邻的夹角相等。钢线的各向同性较好。
[0020]表面硬度呈有规律变化分布，且均在异构部的顶点或底点，或紧邻顶点或底点的区域达到局部最大值。
[0021]为便于原材料的制备与选择，异构钢线可以带有一层或多层金属镀层或合金镀层。所述的钢线的平均直径d包括镀层的厚度。
[0022]为了在尽可能利用立体扭曲结构提升带砂能力，一般设计异构钢线的同组异构部的两个相邻顶点或两个相邻底点之间的距离小于异构钢线平均直径d的200倍。
[0023]一种制作上述异构钢线的制造装置，至少包括过线轮、对异构钢线的母线在两个平面或多个平面内实施变形的预变形机构、在预变形钢线的前进方向和环绕前进的方向同步对预变形钢线实施塑性变形的异构成型机构、为拉动预变形钢线通过异构成型机构提供足够拉拔张力的拉拔驱动轮、收线恒张力系统和收线装置，所述异构钢线的母线为制备异构钢线的原材料。
[0024]所述预变形机构使每个平面内预变形钢线的波高H在母线平均直径的105%-300%之间，所述波高H为在预变形平面内预变形后的钢线的最高点与最低点沿钢线行进方向形成的外包络轮廓直径。预变形机构可以是表面带有预变形形状的压辊，通过改变预变形形状、压辊彼此之间的压入深度等方式来控制钢线预变形的波高。
[0025]为了保障后续异构成型的效果，同时控制异构成型时的断线风险，优选预变形波高在150% -200%之间。
[0026]为进一步提高对预变形钢线在异构成型机构中的扭转效果，异构钢线的制造装置还包括位于异构成型机构之前的缠绕轮，且缠绕轮的轴线与拉拔驱动轮的轴线之间存在夹角。
[0027]进一步，具体地，所述的异构成型机构为筒状拉拔模具，所述的筒状拉拔模具至少包括筒状的定径带，所述定径带内径小于异构钢线母线的直径，以确保在异构成型过程中产生足够大的形变强化。
[0028]绝大多数情况下，上述的筒状拉拔模具还包括锥形入口，所述锥形入口的内径由外至内逐渐缩小，定径带的内径与锥形入口的最小内径一致。
[0029]所述异构成型机构包括一个筒状拉拔模具，定径带内径为母线直径的90%_99%，优选95%-99%。此时，金属丝的结构稳定性及硬度分布达到最佳。
[0030]所述异构成型机构包括至少两个筒状拉拔模具，从母线进入到收线的方向上，不同筒状拉拔模具的定径带内径依次变小，最小定径带内径为母线直径的90%-99%。此时，金属丝的结构稳定性及硬度分布达到最佳。
[0031]为进一步提高对预变形钢线在异构成型机构中的扭转效果，异构钢线的制造装置还包括驱动异构成型机构围绕所述的筒状拉拔模具的定径带轴线自转的驱动装置。
[0032]一种所述的异构钢线的制造装置的制备方法，至少包括以下步骤:
[0033]I)预变形:将异构钢线的母线经过过线轮，再进入预变形机构进行预变形加工，加工出在两个平面或多个平面内变形的预变形钢线，并确保每个平面内预变形钢线的波高H在母线平均直径的105%-300%之间，所述波高H为在预变形平面内预变形后的钢线的最高点与最低点沿钢线行进方向形成的外包络轮廓直径；
[0034]2)异构成型:拉拔驱动轮拉动预变形后的钢线通过异构成型机构，过程中由于钢线本身积累的扭曲内应力，或通过缠绕轮与拉拔驱动轮配合额外施加的对钢线的扭转力，或通过异构成型机构围绕定径带轴线的自转对钢线施加扭转力，预变形钢线在前进方向和环绕前进的方向均遭遇塑性变形，形成异构钢线；
[0035]3)收线:异构钢线再依次通过收线恒张力系统、收线装置进行缠绕收线。
[0036]本实用新型的用于多线切割的异构钢线，通过异构成型形成了较平面弯曲的结构钢线更加复杂的立体多维结构，且因为异构扭曲的存在以及在异构过程中产生的形变强化同时带来结构保持能力提升，因此在同等锯缝损失下切割性能较传统结构线进一步提高。同时本实用新型提出的优化产品结构，使得异构钢线在最大化切割效率提升潜力与最小化切割良率波动风险之间达致了良好的均衡。
[0037]【专利附图】
【附图说明】
[0038]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0039]图1是本实用新型的异构成型后的钢线带有两个预变形平面A和B的结构示意图。
[0040]图2是本实用新型的实施例1-4的异构钢线的立体结构示意图。[0041]图3是本实用新型的实施例1-4的异构钢线中异构部的立体结构示意图。
[0042]图4是本实用新型的实施例1中的异构钢线的制造装置的结构示意图。
[0043]图5是本实用新型的实施例2中的异构钢线的制造装置的结构示意图。
[0044]图6是本实用新型的实施例3中异构钢线的制造装置的结构示意图。
[0045]图7是本实用新型的实施例4中异构钢线的制造装置的结构示意图。
[0046]图8是本实用新型异构钢线的制造装置中拉拔筒状模具的结构示意图。
[0047]图中:1、异构钢线，11、扭曲部，12卷曲部，2、过线轮，3、预变形机构，4、异构成型机构，41、锥形入口，42、定径带，5、收线恒张力系统，6、收线装置，71、缠绕轮，72、拉拔驱动轮，8、驱动装置，A和B、预变形平面，α和β、预变形平面间相邻的两个夹角，t、异构部的顶点，b、异构部的底点，z、钢线轴线，e、外包络，D、外包络直径，d、钢线本身平均直径，H、波闻。
[0048]【具体实施方式】
[0049]现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
[0050]实施例1
[0051]如图2、3所示的本实用新型的异构钢线的第一个具体实施例:
[0052]包括两组异构部，每个异构部均由卷曲部12和扭曲部11组成，卷曲部12内的钢线轴线z在同一平面上，扭曲部11内的钢线轴线z不共享任何平面；同一组异构部的卷曲部12的钢线轴线z在同一平面内，本实施例中体现为一组异构部的卷曲部12的轴线z位于平面A内，另一组异构部的卷曲部12的轴线z位于平面B内；两组异构部的卷曲部12分别所在的平面A和B相交于异构线的外包络中心线；两组异构部的卷曲部12分别所在的平面A和B相交后，平面间相邻的夹角α和β相等，钢线的各向同性较好。
[0053]对异构钢线施加5牛顿的外张力，则异构钢线的外包络直径D为异构钢线平均直径d的1.01倍。
[0054]异构钢线I为平均直径在0.08mm的高碳钢且带有一层金属镀层。
[0055]同组异构部的两个相邻顶点t或两个相邻底点b之间的距离小于异构钢线I平均直径d的200倍。
[0056]异构钢线的表面存在耐磨区，耐磨区的硬度高于其他区域。所述耐磨损区的硬度在异构部的顶点t或底点b,或紧邻顶点t或底点b的区域达到局部最大值。
[0057]如图4所示的制作本实施例的异构钢线的制造装置，该装置包括若干个转动轴线之间存在夹角，且不断转换钢线前进方向的过线轮2、对钢线在两个相互垂直的平面A和B内实施变形的预变形机构3、在预变形钢线的前进方向和环绕前进的方向同步对预变形钢线实施塑性变形的异构成型机构4、为拉动钢线通过异构成型机构提供足够拉拔张力的拉拔驱动轮72，收线恒张力系统5和收线装置6。预变形机构3使每个平面内预变形钢线的波高H为母线平均直径的105%-110%，所述波高H为在预变形平面内预变形后的钢线的最高点与最低点沿钢线行进方向形成的外包络轮廓直径。预变形机构是表面带有预变形形状的压辊，通过改变预变形形状，即压辊表面的齿高来控制钢线预变形的波高，本实施例中采用的是两组压辊，以实现两个平面内的预变形。
[0058]异构成型机构4为一个筒状拉拔模具，如图8所示，筒状拉拔模具包括锥形入口 41和筒状的定径带42，锥形入口 41的内径由外至内逐渐缩小，定径带42的内径与锥形入口41的最小内径一致；定径带42的内径为母线直径的99%。
[0059]制作本实施例的异构钢线的制备方法，包括以下步骤:
[0060]a)预变形:直钢线依次经过若干个转动轴线之间存在夹角，且不断转换钢线前进方向的过线轮2，再进入预变形机构3进行钢线的预变形加工，加工出在两个相互垂直的平面A和B内变形的预变形钢线，其中每个平面内预变形钢线的波高H为母线平均直径的105%-110%，如图1所示，在平面A和B内呈对称均匀的波浪形；母线平均直径0.083mm。
[0061]b)异构成型:拉拔驱动轮72拉动钢线通过异构成型机构4，由于在预变形前钢线经过若干个过线轮2而积累的扭曲内应力，预变形钢线在前进方向和环绕前进的方向同步遭遇塑性变形，使得预变形钢线的波浪形发生扭曲，同时因为形变强化而产生一定的表面硬度异构，形成如图2、3所示的带有异构部的异构钢线I ;
[0062]c)收线:异构钢线I再依次通过收线恒张力系统5、收线装置6进行缠绕收线。
[0063]实施例2
[0064]如图2、3所示的本实用新型的异构钢线的第二个实施例:
[0065]包括两组异构部，每个异构部均由卷曲部12和扭曲部11组成，卷曲部12内的钢线轴线z在同一平面上，扭曲部11内的钢线轴线z不共享任何平面；同一组异构部的卷曲部12的钢线轴线z在同一平面内，本实施例中体现为一组异构部的卷曲部12的轴线z位于平面A内，另一组异构部的卷曲部12的轴线z位于平面B内；两组异构部的卷曲部12分别所在的平面A和B相交于异构线的外包络中心线；两组异构部的卷曲部12分别所在的平面A和B相交后，平面间相邻的夹角α和β相等，钢线的各向同性较好。
[0066]对异构钢线施加5牛顿的外张力，则异构钢线的外包络直径D为异构钢线平均直径d的1.18倍。
[0067]异构钢线I为平均直径在0.13mm的高碳合金钢且带有一层合金镀层。
[0068]同组异构部的两个相邻顶点t或两个相邻底点b之间的距离小于异构钢线I平均直径d的200倍。
[0069]异构钢线的表面存在耐磨区，耐磨区的硬度高于其他区域。所述耐磨损区的硬度在异构部的顶点t或底点b,或紧邻顶点t或底点b的区域达到局部最大值。
[0070]如图5所示的制作本实施例的异构钢线的制造装置，该装置包括过线轮2、对钢线在两个相互垂直的平面A和B内实施变形的预变形机构3、缠绕轮71、在预变形钢线的前进方向和环绕前进的方向同步对预变形钢线实施塑性变形的异构成型机构4、为拉动钢线通过异构成型机构提供足够拉拔张力的拉拔驱动轮72，且缠绕轮71的轴线与拉拔驱动轮72的轴线之间存在夹角，收线恒张力系统5和收线装置6。预变形机构3使每个平面内预变形钢线的波高H为母线平均直径的190%-200%，所述波高H为在预变形平面内预变形后的钢线的最高点与最低点沿钢线行进方向形成的外包络轮廓直径。预变形机构是表面带有预变形形状的压辊，通过改变预变形形状，即压辊表面的齿高来控制钢线预变形的波高，本实施例中采用的是两组压辊，以实现两个平面内的预变形。
[0071]异构成型机构4为一个筒状拉拔模具，如图8所示，所述的筒状拉拔模具包括锥形入口 41和筒状的定径带42，锥形入口 41的内径由外至内逐渐缩小，定径带42的内径与锥形入口 41的最小内径一致；定径带42的内径为母线直径的90%。[0072]制作本实施例的异构钢线的制备方法，包括以下步骤:
[0073]a)预变形:直钢线依次经过若干个转动轴线之间存在夹角，且不断转换钢线前进方向的过线轮2，再进入预变形机构3进行钢线的预变形加工，加工出在两个相互垂直的平面A和B内变形的预变形钢线，其中每个平面内预变形钢线的波高H为母线平均直径的190%-200%，如图1所示，在平面A和B内呈对称均匀的波浪形；母线平均直径0.145mm。
[0074]b)异构成型:预成形后的钢线在缠绕轮71上缠绕一圈，之后进入异构成型机构4，拉拔驱动轮72拉动钢线通过异构成型机构4,通过缠绕轮71与拉拔驱动轮72配合额外施加的对钢线的扭转力，预变形钢线在前进方向和环绕前进的方向同步遭遇塑性变形，使得预变形钢线的波浪形发生扭曲，同时因为形变强化而产生一定的表面硬度异构，形成如图
2、3所示带有异构部的异构钢线I ;
[0075]c)收线:异构钢线I再依次通过收线恒张力系统5、收线装置6进行缠绕收线。
[0076]实施例3
[0077]如图2、3所示的本实用新型的异构钢线的第三个具体实施例:
[0078]包括两组异构部，每个异构部均由卷曲部12和扭曲部11组成，卷曲部12内的钢线轴线z在同一平面上，扭曲部11内的钢线轴线z不共享任何平面；同一组异构部的卷曲部12的钢线轴线z在同一平面内，本实施例中体现为一组异构部的卷曲部12的轴线z位于平面A内，另一组异构部的卷曲部12的轴线z位于平面B内；两组异构部的卷曲部12分别所在的平面A和B相交于异构线的外包络中心线；两组异构部的卷曲部12分别所在的平面A和B相交后，平面间相邻的夹角α和β相等，钢线的各向同性较好。
[0079]对异构钢线施加5牛顿的外张力，则异构钢线的外包络直径D为异构钢线平均直径d的1.04倍。
[0080]异构钢线I为平均直径在0.1Omm高碳钢。
[0081]同组异构部的两个相邻顶点t或两个相邻底点b之间的距离小于异构钢线I平均直径d的200倍。
[0082]异构钢线的表面存在耐磨区，耐磨区的硬度高于其他区域。所述耐磨损区的硬度在异构部的顶点t或底点b,或紧邻顶点t或底点b的区域达到局部最大值。
[0083]如图6所示制作本实施例的异构钢线的制造装置，该装置包括过线轮2、对钢线在两个相互垂直的平面A和B内实施变形的预变形机构3、在预变形钢线的前进方向和环绕前进的方向同步对预变形钢线实施塑性变形的异构成型机构4、为拉动钢线通过异构成型机构提供足够拉拔张力的拉拔驱动轮72，收线恒张力系统5和收线装置6，还包括驱动异构成型机构围绕所述的筒状拉拔模具的定径带42轴线自转的驱动装置8。预变形机构3使每个平面内预变形钢线的波高H为母线平均直径的120%-128%，所述波高H为在预变形平面内预变形后的钢线的最高点与最低点沿钢线行进方向形成的外包络轮廓直径。预变形机构是表面带有预变形形状的压辊，通过改变预变形形状，即压辊表面的齿高来控制钢线预变形的波高，本实施例中采用的是两组压辊，以实现两个平面内的预变形。
[0084]异构成型机构4为两个筒状拉拔模具，如图8所示，所述的筒状拉拔模具至少包括锥形入口 41和筒状的定径带42，锥形入口 41的内径由外至内逐渐缩小，定径带42的内径与锥形入口 41的最小内径一致。从母线进入到收线的方向上，不同筒状拉拔模具的定径带42内径依次变小，其中最小定径带的内径为母线直径的90%。[0085]制作本实施例的异构钢线的制备方法，包括以下步骤:
[0086]a)预变形:直钢线依次经过若干个转动轴线之间存在夹角，且不断转换钢线前进方向的过线轮2，再进入预变形机构3进行钢线的预变形加工，加工出在两个相互垂直的平面A和B内变形的预变形钢线，其中每个平面内预变形钢线的波高H为母线平均直径的120%-128%，如图1所示，在平面A和B内呈对称均匀的波浪形；母线平均直径0.115mm。
[0087]b)异构成型:拉拔驱动轮72拉动钢线通过异构成型机构4，驱动装置8驱动异构成型机构4自转，通过异构成型机构4围绕定径带轴线的自转，预变形钢线在前进方向和环绕前进的方向同步遭遇塑性变形，使得预变形钢线的波浪形发生扭曲，同时因为形变强化而产生一定的表面硬度异构，形成如图2、3所示的带有异构部的异构钢线I ;
[0088]c)收线:异构钢线I再依次通过收线恒张力系统5、收线装置6进行缠绕收线。
[0089]实施例4
[0090]如图2、3所示的本实用新型的异构钢线的第四个具体实施例:
[0091]包括两组异构部，每个异构部均由卷曲部12和扭曲部11组成，卷曲部12内的钢线轴线z在同一平面上，扭曲部11内的钢线轴线z不共享任何平面；同一组异构部的卷曲部12的钢线轴线z在同一平面内，本实施例中体现为一组异构部的卷曲部12的轴线z位于平面A内，另一组异构部的卷曲部12的轴线z位于平面B内；两组异构部的卷曲部12分别所在的平面A和B相交于异构线的外包络中心线；两组异构部的卷曲部12分别所在的平面A和B相交后，平面间相邻的夹角α和β相等，钢线的各向同性较好。
[0092]对异构钢线施加5牛顿的外张力，则异构钢线的外包络直径D为异构钢线平均直径d的1.14倍。
[0093]异构钢线I为平均直径在0.128mm的高碳钢且带有多层金属镀层。
[0094]同组异构部的两个相邻顶点t或两个相邻底点b之间的距离小于异构钢线I平均直径d的200倍。
[0095]异构钢线的表面存在耐磨区，耐磨区的硬度高于其他区域。所述耐磨损区的硬度在异构部的顶点t或底点b,或紧邻顶点t或底点b的区域达到局部最大值。
[0096]如图7所示的制作本实施例的异构钢线的制造装置，该装置包括若干个转动轴线之间存在夹角，且不断转换钢线前进方向的过线轮2、对钢线在两个相互垂直的平面A和B内实施变形的预变形机构3、在预变形钢线的前进方向和环绕前进的方向同步对预变形钢线实施塑性变形的异构成型机构4、为拉动钢线通过异构成型机构提供足够拉拔张力的拉拔驱动轮72，收线恒张力系统5和收线装置6。预变形机构3使每个平面内预变形钢线的波高H为母线平均直径的140%-153%，所述波高H为在预变形平面内预变形后的钢线的最高点与最低点沿钢线行进方向形成的外包络轮廓直径。预变形机构是表面带有预变形形状的压辊，通过改变预变形形状，即压辊表面的齿高来控制钢线预变形的波高，本实施例中采用的是两组压辊，以实现两个平面内的预变形。
[0097]异构成型机构4为三个筒状拉拔模具，如图8所示，筒状拉拔模具包括锥形入口41和筒状的定径带42，锥形入口 41的内径由外至内逐渐缩小，定径带42的内径与锥形入口 41的最小内径一致。从母线进入到收线的方向上，不同筒状拉拔模具的定径带42内径依次变小，其中最小定径带的内径为母线直径的98%。且三个筒状拉拔模具中，从母线进入到收线的方向上的前两个筒状拉拔模具是连续的，经过这两个筒状拉拔模具后先收线(图7中未画出此处的收线装置)，然后再进入第三个筒状拉拔模具。
[0098]制作本实施例的异构钢线的制备方法，包括以下步骤:
[0099]a)预变形:直钢线依次经过若干个转动轴线之间存在夹角，且不断转换钢线前进方向的过线轮2，再进入预变形机构3进行钢线的预变形加工，加工出在两个相互垂直的平面A和B内变形的预变形钢线，其中每个平面内预变形钢线的波高H为母线平均直径的140%-153%，如图1所示，在平面A和B内呈对称均匀的波浪形；母线平均直径0.135mm。
[0100]b)异构成型:拉拔驱动轮72拉动钢线通过异构成型机构4，由于在预变形前钢线经过若干个过线轮2而积累的扭曲内应力，预变形钢线在前进方向和环绕前进的方向同步遭遇塑性变形，使得预变形钢线的波浪形发生扭曲，同时因为形变强化而产生一定的表面硬度异构，形成如图2、3所示的带有异构部的异构钢线I ;
[0101]c)收线:异构钢线I再依次通过收线恒张力系统5、收线装置6进行缠绕收线。
[0102]实施例5
[0103]如图2、3所示的本实用新型的异构钢线的第一个具体实施例:
[0104]包括两组异构部，每个异构部均由卷曲部12和扭曲部11组成，卷曲部12内的钢线轴线z在同一平面上，扭曲部11内的钢线轴线z不共享任何平面；同一组异构部的卷曲部12的钢线轴线z在同一平面内，本实施例中体现为一组异构部的卷曲部12的轴线z位于平面A内，另一组异构部的卷曲部12的轴线z位于平面B内；两组异构部的卷曲部12分别所在的平面A和B相交于异构线的外包络中心线；两组异构部的卷曲部12分别所在的平面A和B相交后，平面间相邻的夹角α和β相等，钢线的各向同性较好。
[0105]对异构钢线施加5牛顿的外张力，则异构钢线的外包络直径D为异构钢线平均直径d的1.35倍。
[0106]异构钢线I为平均直径在0.15mm的高碳合金钢且带有一层金属镀层。
[0107]同组异构部的两个相邻顶点t或两个相邻底点b之间的距离小于异构钢线I平均直径d的200倍。
[0108]异构钢线的表面存在耐磨区，耐磨区的硬度高于其他区域。所述耐磨损区的硬度在异构部的顶点t或底点b,或紧邻顶点t或底点b的区域达到局部最大值。
[0109]如图4所示的制作本实施例的异构钢线的制造装置，该装置包括若干个转动轴线之间存在夹角，且不断转换钢线前进方向的过线轮2、对钢线在两个相互垂直的平面A和B内实施变形的预变形机构3、在预变形钢线的前进方向和环绕前进的方向同步对预变形钢线实施塑性变形的异构成型机构4、为拉动钢线通过异构成型机构提供足够拉拔张力的拉拔驱动轮72，收线恒张力系统5和收线装置6。预变形机构3使每个平面内预变形钢线的波高H为母线平均直径的280%-300%，所述波高H为在预变形平面内预变形后的钢线的最高点与最低点沿钢线行进方向形成的外包络轮廓直径。预变形机构是表面带有预变形形状的压辊，通过改变预变形形状，即压辊表面的齿高来控制钢线预变形的波高，本实施例中采用的是两组压辊，以实现两个平面内的预变形。
[0110]异构成型机构4为一个筒状拉拔模具，如图8所示，筒状拉拔模具包括锥形入口 41和筒状的定径带42，锥形入口 41的内径由外至内逐渐缩小，定径带42的内径与锥形入口41的最小内径一致；定径带42的内径为母线直径的95%。
[0111]制作本实施例的异构钢线的制备方法，包括以下步骤:[0112]a)预变形:直钢线依次经过若干个转动轴线之间存在夹角，且不断转换钢线前进方向的过线轮2，再进入预变形机构3进行钢线的预变形加工，加工出在两个相互垂直的平面A和B内变形的预变形钢线，其中每个平面内预变形钢线的波高H为母线平均直径的280%-300%，如图1所示，在平面A和B内呈对称均匀的波浪形；母线平均直径0.16mm。
[0113]b)异构成型:拉拔驱动轮72拉动钢线通过异构成型机构4，由于在预变形前钢线经过若干个过线轮2而积累的扭曲内应力，预变形钢线在前进方向和环绕前进的方向同步遭遇塑性变形，使得预变形钢线的波浪形发生扭曲，同时因为形变强化而产生一定的表面硬度异构，形成如图2、3所示的带有异构部的异构钢线I ;
[0114]c)收线:异构钢线I再依次通过收线恒张力系统5、收线装置6进行缠绕收线。
[0115]上述各实施例中，对钢线进行预变形时，不仅仅可制作成如上述各实施例所述的波浪形为对称均匀的波浪形，还可以制作成矩形、梯形或不规则弯折，或者不对称的弯曲。同理，在图4所示的异构钢线的制造装置，再在另一方向增加一对压辊，则可以对钢线进行三个平面的预变形，以此类推。
[0116]以上各实施例中，各组异构部的卷曲部12分别所在的平面相交于异构线的外包络中心线；两组异构部的卷曲部12分别所在的平面相交后，平面间相邻的夹角相等，钢线的各向同性较好。可以预见，当不满足这两个特征其中之一时，钢线的各向同性稍差。但是，随着异构部组数的增加，这两个特征对于各向同性的影响会削弱。
[0117]以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
【权利要求】
1.一种用于多线切割的异构钢线，其特征在于: 平均直径d在0.08mm- 0.15mm之间，以高碳钢或高碳合金钢为材质； 包括两组或两组以上的异构部，每个异构部均由卷曲部(12)和扭曲部(11)组成，卷曲部(12)内的钢线轴线z在同一平面上，扭曲部(11)内的钢线轴线z不共享任何平面；同一组异构部的卷曲部(12)的钢线轴线z在同一平面内； 对异构钢线施加5牛顿的外张力，则异构钢线的外包络直径D为异构钢线平均直径d的 1.01-1.35 倍。
2.如权利要求1所述的用于多线切割的异构钢线，其特征在于:对异构钢线施加5牛顿的外张力，则异 构钢线的外包络直径D为异构钢线平均直径d的1.04-1.14倍。
3.如权利要求1所述的用于多线切割的异构钢线，其特征在于:不同组异构部的卷曲部(12)分别所在的平面均相交于异构线的外包络中心线。
4.如权利要求1-3中任一项所述的用于多线切割的异构钢线，其特征在于:各组异构部的卷曲部(12)分别所在的平面相交后，平面间相邻的夹角相等。
5.如权利要求1所述的用于多线切割的异构钢线，其特征在于:异构钢线的表面存在耐磨区，所述耐磨区的硬度高于其他区域。
6.如权利要求5所述的用于多线切割的异构钢线，其特征在于:所述耐磨损区的硬度在异构部的顶点(t)或底点(b)，或紧邻顶点(t)或底点(b)的区域达到局部最大值。
7.如权利要求1所述的用于多线切割的异构钢线，其特征在于:异构钢线带有一层或多层金属镀层或合金镀层。
8.如权利要求1所述的用于多线切割的异构钢线，其特征在于:同组异构部的两个相邻顶点(t)或两个相邻底点(b)之间的距离小于异构钢线(I)平均直径d的200倍。
9.一种制作如权利要求1-8任一项所述的异构钢线的制造装置，特征在于:至少包括过线轮(2)、对异构钢线(I)的母线在两个平面或多个平面内实施变形的预变形机构(3)、在预变形钢线的前进方向和环绕前进的方向同步对预变形钢线实施塑性变形的异构成型机构(4)、为拉动预变形钢线通过异构成型机构提供足够拉拔张力的拉拔驱动轮(72)、收线恒张力系统(5)和收线装置(6)，所述异构钢线(I)的母线为制备异构钢线的原材料。
10.如权利要求9所述的异构钢线的制造装置，其特征在于:所述预变形机构(3)使每个平面内预变形钢线的波高H在母线平均直径的105% -300%之间，所述波高H为在预变形平面内预变形后的钢线的最高点与最低点沿钢线行进方向形成的外包络轮廓直径。
11.如权利要求10所述的异构钢线的制造装置，其特征在于:所述预变形机构(3)使每个平面内预变形钢线的波高H在母线平均直径的150% -200%之间。
12.如权利要求9所述的异构钢线的制造装置，特征在于:还包括位于异构成型机构(4)之前的缠绕轮(71)，且缠绕轮(71)的轴线与拉拔驱动轮(72)的轴线之间存在夹角。
13.如权利要求9所述的异构钢线的制造装置，其特征在于:所述的异构成型机构(4)为筒状拉拔模具，所述的筒状拉拔模具至少包括筒状的定径带(42)，所述定径带(42)内径小于异构钢线母线的直径。
14.如权利要求13所述的异构钢线的制造装置，其特征在于:所述的筒状拉拔模具还包括锥形入口(41)，所述锥形入口(41)的内径由外至内逐渐缩小，定径带(42)的内径与锥形入口(41)的最小内径一致。
15.如权利要求13所述的用于多线切割的异构钢线的制造装置，特征在于:所述异构成型机构(4)包括一个筒状拉拔模具，定径带(42)内径为母线直径的90%-99%。
16.如权利要求15所述的用于多线切割的异构钢线的制造装置，特征在于:定径带(42)内径为母线直径的95%-99%。
17.如权利要求13所述的用于多线切割的异构钢线的制造装置，特征在于:所述异构成型机构(4)包括至少两个筒状拉拔模具，从母线进入到收线的方向上，不同筒状拉拔模具的定径带(42)内径依次变小，最小定径带(42)内径为母线直径的90%-99%。
18.如权利要求13所述的异构钢线的制造装置，特征在于:还包括驱动异构成型机构(4)围绕所述的筒状拉 拔模具的定径带(42)轴线自转的驱动装置(8)。
【文档编号】B28D5/04GK203680561SQ201420031871
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年1月19日 优先权日:2014年1月19日
【发明者】不公告发明人 申请人:凡登（常州）新型金属材料技术有限公司