一種用于多線切割的異構鋼線及其制造裝置與制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于多線切割的異構鋼線，包括兩組或兩組以上的異構部，每個異構部均由卷曲部和扭曲部組成，卷曲部內的鋼線軸線在同一平面上，扭曲部內的鋼線軸線不共享任何平面；同一組異構部的卷曲部的鋼線軸線在同一平面內；對異構鋼線施加5牛頓的外張力，則異構鋼線的外包絡直徑D為異構鋼線平均直徑d的1.01-1.35倍。通過異構成型形成了較平面彎曲的結構鋼線更加復雜的立體多維結構，且因為異構扭曲的存在以及在異構過程中產生的形變強化同時帶來結構保持能力提升，因此在同等鋸縫損失下切割性能較傳統結構線進一步提高。同時本發明提出的優化產品結構與制備方法，使得異構鋼線在最大化切割效率提升潛力與最小化切割良率波動風險之間達致了良好的均衡。
【專利說明】一種用于多線切割的異構鋼線及其制造裝置與制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于多線切割的異構鋼線及其制造裝置與制備方法，該鋼線適用 于多線切割晶體硅、碳化硅、藍寶石、水晶等硬質材料。
【背景技術】
[0002] 絕大多數情況下，多線切割是以高強度鋼線作為載體，由鋼線在高速運動中攜帶 超硬磨料，通過磨料對高硬材料(如晶體硅，碳化硅，藍寶石，水晶等）進行滾挖研磨以實現 切割。該方式以切割效率高、切割鋸縫小、材料損失少、切割精度高、表面質量好等優點成為 當前的主要生產方式。其中，鋼線作為攜帶磨料的載體，在切割過程中的穩定性以及攜帶磨 料的能力，對于切割效率及產品質量均起到極其重要的作用。
[0003] 目前廣泛使用的鋼線是表面光滑的圓形結構，其突出優點在于鋼線能夠在環繞其 切割進給的方向均勻攜帶磨料，從而帶來穩定的切割表面質量。通常情況下，可以通過增加 鋼線的直徑增加鋼線的表面積，從而增強鋼線攜帶磨料的能力以提高切割效率，代價是由 此會引起鋸縫的寬度增加，從而帶來切割過程中材料損失的增加。切割效率的提升亦可通 過加大磨料的平均粒徑以及棱角尖銳度等方式實現。
[0004] 幾乎在多線切割誕生的同時，追求提高鋼線(鋸線）的磨料攜帶能力的努力即已開 始并且一直持續至今，典型地可分為三類：
[0005] 第一類是試圖制造粗糙鋼線，通過增加鋼線表面的粗糙度增加鋼線的磨料攜帶能 力。例如JP2007196312提出了通過向鋼線表面噴射電解液的方式，造成鋼線表面產生凹 凸；W09/12670則提出了微凹腔鋼線，軟表面鋼線，以及橫截面沿長度方向變化的鋼線等概 念；KR2001002689則描述了一種圓鋸線，通過壓刻的方式在該圓鋸線上形成凹腔。此類嘗 試迄今尚未在多線切割領域獲得成功的工業化實施與應用，核心原因在于磨料本身具備強 大的磨損能力，經過上述處理的鋼線表面，在進入切割進程中不久即會被磨光，使得經過表 面處理的鋼線與常規圓形表面光滑鋼線不再有任何區別。
[0006] 第二類嘗試是以對鋼線進行螺旋處理為基礎。例如，JP2007044841提出了一種 基本為圓形的鋸線，具有圍繞鋸線的長度方向成螺旋形延伸的扁平面，CN102380915A基 本為上述概念的自然延展；US2860862則提出對預先做成扁平形狀的鋸線施加兩次螺旋 形變形：首先用短的捻距繞扁平鋸線的自身軸線加捻，然后用更長的捻距以螺旋型對鋸線 加捻。FR750081也描述了采用圓形或多邊形橫截面的螺旋形鋸線。CN102205563A以及 CN102765141A基本上均為前述思路的自然延展。JP4057666則描述了一種金屬鋸線，同樣 是采用加捻的方式將直鋼絲先行變成螺旋型，之后再通過拉模進行拉伸。迄今為止，上述努 力在多線切割領域同樣未見成功的工業化實施與應用，核心原因在于，鋼線的螺旋化無可 避免地需要對鋼線進行加捻，從而給鋼線帶來很高的扭轉內應力，且鋼線越長，扭轉內應力 越高，從而導致成品鋼線產生強烈的自我打卷傾向，無法實際應用于多線切割，突出表現在 很難完成均勻的長距離卷繞收線，在切割線網上無法或很難布線，即使勉強用于短距離切 害I]，也會因為鋼線自身攜帶的高扭轉內應力造成線網無規律抖動，導致無法接受的切割效 果(突出體現為表面線痕與TTV不良)。
[0007] 第三類嘗試，是通過對鋼線在一個或多個平面內進行彎曲的方式，制造所謂的"結 構鋼線"。例如JP2004276207在描述了一種具有螺旋形的變形單線或絞線之外，還描述了 上述單線或絞線被引導通過一對嵌齒輪，從而在單一平面內形成Ζ字形的雙皺褶。在Ζ字 形皺褶中，鋸線先在第一方向上彎曲，然后在第二方向上進行第二次彎曲且與第一方向相 反(反向彎曲)，然后再通過絞線并捻將較短長度的Ζ字形皺褶被疊加到長波螺旋形上。該 種嘗試的明顯缺陷，在于絞線結構會導致鋸線的實用包絡外徑顯著加大，帶來難以接受的 鋸縫加寬和相應額外材料損失。
[0008] 第三類嘗試中取得了一定應用成功的，是安塞爾米塔爾公司通過中國專利 CN100475398C公開的一種單絲型金屬鋸線，其在兩個或兩個以上的平面內對鋼線進行了 彎曲，從而在一定程度增強了鋼線攜帶磨料的能力在一些特定應用環境下能夠取得良好效 果。其缺陷在于，該鋸線的彎曲以一個平面為主導，其他平面的彎曲在切割過程中會被逐 漸轉向到該主導平面，最終形成基本上僅在一個平面內變形的鋸線，從而導致切割良率波 動，同時由于該鋸線的結構保持能力有限，在切割路徑較長的情況下，切割線到達切割尾端 時彎曲結構已經基本或大部消失，導致切割尾端的良率較切割起始端的良率大幅下降。為 嘗試解決上述缺陷，貝卡爾特公司通過CN102528940A提出了一種相當于第二類("螺旋鋼 線"）與第三類("結構鋼線"）思路混合的產品概念，基本做法是在單一平面上利用嵌咬的齒 輪(或其他變形裝置）對鋼線制成彎曲，通過對鋼線進行加捻(環繞鋼線的軸線旋轉變形裝 置所在平面，或保持變形裝置所在平面不動但同步旋轉收、放線軸)，形成螺旋形鋼線，之后 再對鋼線進行退捻(與加捻方向反向旋轉變形裝置所在平面，或保持變形裝置所在平面不 動但反向同步旋轉收、放線軸)以部分或全部釋放掉由于加搶帶給鋼線的扭轉內應力。實施 中發現，因為必須的退捻，導致制成的鋼線無論在環繞軸線的各向均勻性上，還是在結構保 持能力方面，均未較CN100475398C提供的方法產生提高。CN102962901A及CN102310489A 則均為在CN100475398C與CN102528940A概念上的自然延展，未見獨立技術貢獻。
[0009] 隨著行業上持續不斷的降本增效努力，多線切割正越來越采用更長的工件(硅棒 等)，更細的切割鋼線（〇.〇8mm-〇. 115mm)，導致切割路徑不斷加長，進一步局限了上述傳統 結構線的適用范圍。
【發明內容】
[0010] 本發明要解決的技術問題是：提高鋼線在切割過程中攜帶磨料的能力，同時解決 傳統平面卷曲的結構鋼線因為結構保持能力不強帶來切割尾部良率下滑風險的問題。
[0011] 上述技術問題，尤其突出表現在對降低鋸縫要求較高，但切割對象同時又較長的 太陽能晶硅切片方面：隨著切割工藝水平的提高，目前絕大多數情況下，晶硅切片上采用的 切割鋼線的直徑，已經在〇. 09mm-0. 13mm之間，每刀生產硅片的量高于2300片，這種細線/ 高張力/長程切割，對于平面彎曲的傳統結構鋼線的結構保持能力提出了嚴峻的挑戰。
[0012] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種用于多線切割的異構鋼線，
[0013] 1)平均直徑d在0. 08mm_0. 15mm之間，以高碳鋼或高碳合金鋼為材質；
[0014] 2)包括兩組或兩組以上的異構部，每個異構部均由卷曲部和扭曲部組成，卷曲部 內的鋼線軸線ζ在同一平面上，扭曲部內的鋼線軸線ζ不共享任何平面；同一組異構部的卷 曲部的鋼線軸線Z在同一平面內；
[0015] 3)對異構鋼線施加5牛頓的外張力，則異構鋼線的外包絡直徑D為異構鋼線平均 直徑d的1. 01-1. 35倍，所述外包絡直徑D可以通過輪廓投影儀觀測。
[0016] 本發明涉及的異構鋼線，應用對象為對減小鋸縫損失要求較高的高硬材料的精密 切割，因此采用自身平均直徑在0.08mm-0· 15mm之間的精密高碳鋼或高碳合金鋼線。與 平面彎曲的傳統結構鋼線相比，異構鋼線在平面卷曲之外增加了不再共享任何平面的扭曲 部，鋼線的立體結構更加復雜，帶砂能力進一步增強，同時因為扭曲異構的存在以及在異構 成型過程中的形變強化，也使異構鋼線具備了較傳統結構鋼線更強的結構保持能力。與傳 統結構鋼線類似的是，增加異構鋼線的外包絡直徑雖然能夠提高帶砂能力（體現為切割效 率提升)，但在典型的細線/高張力/長程切割組合下，過大的外包絡直徑也會導致異構鋼 線的結構易于消失，帶來在切割過程中產生線痕及TTV不良等的風險增加（也即切割良率 的穩定性下降)，若選擇的異構鋼線的外包絡直徑過小，則會帶來其與普通直鋼線比較帶砂 能力的提高不夠顯著。為了更準確地表征異構線成品的形貌，對其測量時統一施加5牛頓 的外部張力，以排除異構鋼線在自然狀態下因為自然收縮傾向而帶來的測量噪音。大量的 實驗證據表明，取決于異構線制造過程中的工藝、設備和原材料狀況，以及客戶端的切割環 境、工藝與設備情況，在前述測量條件下，異構鋼線的外包絡直徑大小D有相當的選擇空 間，但一般限于異構鋼線平均直徑d的1. 01-1. 35倍之間。
[0017] 在太陽能晶硅切片上的批量實用認證表明，對于目前占主流地位的以PV800， MB264, MB271等機型為主，切割棒長在800mm-1000mm之間的多晶硅片制造，具備如下特征 的異構鋼線最接近均衡的切割效率提升與良率穩定性保持能力：在對其施加5牛頓的外張 力時，異構鋼線的外包絡直徑在異構鋼線平均直徑的1.04-1. 14倍之間。
[0018] 為了使異構鋼線在環繞使用進給方向攜帶磨料的能力盡可能均勻，不同組異構部 的卷曲部分別所在平面均相交于異構線的外包絡中心線。
[0019] 為了使異構鋼線在環繞使用進給方向攜帶磨料的能力盡可能均勻，各組異構部的 卷曲部分別所在的平面相交后，平面間相鄰的夾角相等。鋼線的各向同性較好。
[0020] 表面硬度呈有規律變化分布，且均在異構部的頂點或底點，或緊鄰頂點或底點的 區域達到局部最大值。
[0021] 為便于原材料的制備與選擇，異構鋼線可以帶有一層或多層金屬鍍層或合金鍍 層。所述的鋼線的平均直徑d包括鍍層的厚度。
[0022] 為了在盡可能利用立體扭曲結構提升帶砂能力，一般設計異構鋼線的同組異構部 的兩個相鄰頂點或兩個相鄰底點之間的距離小于異構鋼線平均直徑d的200倍。
[0023] 一種制作上述異構鋼線的制作裝置，至少包括過線輪、對異構鋼線的母線在兩個 平面或多個平面內實施變形的預變形機構、在預變形鋼線的前進方向和環繞前進的方向同 步對預變形鋼線實施塑性變形的異構成型機構、為拉動預變形鋼線通過異構成型機構提供 足夠拉拔張力的拉拔驅動輪、收線恒張力系統和收線裝置，所述異構鋼線的母線為制備異 構鋼線的原材料。
[0024] 所述預變形機構使每個平面內預變形鋼線的波高Η在母線平均直徑的105%_300% 之間，所述波高Η為在預變形平面內預變形后的鋼線的最高點與最低點沿鋼線行進方向形 成的外包絡輪廓直徑。預變形機構可以是表面帶有預變形形狀的壓輥，通過改變預變形形 狀、壓輥彼此之間的壓入深度等方式來控制鋼線預變形的波高。
[0025] 為了保障后續異構成型的效果，同時控制異構成型時的斷線風險，優選預變形波 高在150%-200%之間。
[0026] 為進一步提高對預變形鋼線在異構成型機構中的扭轉效果，異構鋼線的制作裝置 還包括位于異構成型機構之前的纏繞輪，且纏繞輪的軸線與拉拔驅動輪的軸線之間存在夾 角。
[0027] 進一步，具體地，所述的異構成型機構為筒狀拉拔模具，所述的筒狀拉拔模具至少 包括筒狀的定徑帶，所述定徑帶內徑小于異構鋼線母線的直徑，以確保在異構成型過程中 產生足夠大的形變強化。
[0028] 絕大多數情況下，上述的筒狀拉拔模具還包括錐形入口，所述錐形入口的內徑由 外至內逐漸縮小，定徑帶的內徑與錐形入口的最小內徑一致。
[0029] 所述異構成型機構包括一個筒狀拉拔模具，定徑帶內徑為母線直徑的90%_99%，優 選95%_99%。此時，金屬絲的結構穩定性及硬度分布達到最佳。
[0030] 所述異構成型機構包括至少兩個筒狀拉拔模具，從母線進入到收線的方向上，不 同筒狀拉拔模具的定徑帶內徑依次變小，最小定徑帶內徑為母線直徑的90%-99%。此時，金 屬絲的結構穩定性及硬度分布達到最佳。
[0031] 為進一步提高對預變形鋼線在異構成型機構中的扭轉效果，異構鋼線的制作裝置 還包括驅動異構成型機構圍繞所述的筒狀拉拔模具的定徑帶軸線自轉的驅動裝置。
[0032] -種所述的異構鋼線的制作裝置的制備方法，至少包括以下步驟：
[0033] 1)預變形：將異構鋼線的母線經過過線輪，再進入預變形機構進行預變形加工， 加工出在兩個平面或多個平面內變形的預變形鋼線，并確保每個平面內預變形鋼線的波高 Η在母線平均直徑的105%_300%之間，所述波高Η為在預變形平面內預變形后的鋼線的最高 點與最低點沿鋼線行進方向形成的外包絡輪廓直徑；
[0034] 2)異構成型：拉拔驅動輪拉動預變形后的鋼線通過異構成型機構，過程中由于鋼 線本身積累的扭曲內應力，或通過纏繞輪與拉拔驅動輪配合額外施加的對鋼線的扭轉力， 或通過異構成型機構圍繞定徑帶軸線的自轉對鋼線施加扭轉力，預變形鋼線在前進方向和 環繞前進的方向均遭遇塑性變形，形成異構鋼線；
[0035] 3)收線：異構鋼線再依次通過收線恒張力系統、收線裝置進行纏繞收線。
[0036] 本發明的用于多線切割的異構鋼線，通過異構成型形成了較平面彎曲的結構鋼線 更加復雜的立體多維結構，且因為異構扭曲的存在以及在異構過程中產生的形變強化同時 帶來結構保持能力提升，因此在同等鋸縫損失下切割性能較傳統結構線進一步提高。同時 本發明提出的優化產品結構與制備方法，使得異構鋼線在最大化切割效率提升潛力與最小 化切割良率波動風險之間達致了良好的均衡。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037] 下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0038] 圖1是本發明的異構成型后的鋼線帶有兩個預變形平面Α和Β的結構示意圖。
[0039] 圖2是本發明的實施例1-4的異構鋼線的立體結構示意圖。
[0040] 圖3是本發明的實施例1-4的異構鋼線中異構部的立體結構示意圖。
[0041] 圖4是本發明的實施例1中的異構鋼線的制作裝置的結構示意圖。
[0042] 圖5是本發明的實施例2中的異構鋼線的制作裝置的結構示意圖。
[0043] 圖6是本發明的實施例3中異構鋼線的制作裝置的結構示意圖。
[0044] 圖7是本發明的實施例4中異構鋼線的制作裝置的結構示意圖。
[0045] 圖8是本發明異構鋼線的制作裝置中拉拔筒狀模具的結構示意圖。
[0046] 圖中：1、異構鋼線，11、扭曲部，12卷曲部，2、過線輪，3、預變形機構，4、異構成型 機構，41、錐形入口，42、定徑帶，5、收線恒張力系統，6、收線裝置，71、纏繞輪，72、拉拔驅動 輪，8、驅動裝置，A和B、預變形平面，α和β、預變形平面間相鄰的兩個夾角，t、異構部的 頂點，b、異構部的底點，z、鋼線軸線，e、外包絡，D、外包絡直徑，d、鋼線本身平均直徑，H、波 商。
【具體實施方式】
[0047] 現在結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以 示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。
[0048] 實施例1
[0049] 如圖2、3所示的本發明的異構鋼線的第一個具體實施例：
[0050] 包括兩組異構部，每個異構部均由卷曲部12和扭曲部11組成，卷曲部12內的鋼 線軸線z在同一平面上，扭曲部11內的鋼線軸線z不共享任何平面；同一組異構部的卷曲 部12的鋼線軸線z在同一平面內，本實施例中體現為一組異構部的卷曲部12的軸線z位 于平面A內，另一組異構部的卷曲部12的軸線z位于平面B內；兩組異構部的卷曲部12分 別所在的平面A和B相交于異構線的外包絡中心線；兩組異構部的卷曲部12分別所在的平 面A和B相交后，平面間相鄰的夾角α和β相等，鋼線的各向同性較好。
[0051] 對異構鋼線施加 5牛頓的外張力，則異構鋼線的外包絡直徑D為異構鋼線平均直 徑d的1.01倍。
[0052] 異構鋼線1為平均直徑在0. 08mm的高碳鋼且帶有一層金屬鍍層。
[0053] 同組異構部的兩個相鄰頂點t或兩個相鄰底點b之間的距離小于異構鋼線1平均 直徑d的200倍。
[0054] 異構鋼線的表面存在耐磨區，耐磨區的硬度高于其他區域。所述耐磨損區的硬度 在異構部的頂點t或底點b，或緊鄰頂點t或底點b的區域達到局部最大值。
[0055] 如圖4所示的制作本實施例的異構鋼線的制作裝置，該裝置包括若干個轉動軸線 之間存在夾角，且不斷轉換鋼線前進方向的過線輪2、對鋼線在兩個相互垂直的平面A和B 內實施變形的預變形機構3、在預變形鋼線的前進方向和環繞前進的方向同步對預變形鋼 線實施塑性變形的異構成型機構4、為拉動鋼線通過異構成型機構提供足夠拉拔張力的拉 拔驅動輪72,收線恒張力系統5和收線裝置6。預變形機構3使每個平面內預變形鋼線的 波高Η為母線平均直徑的105%-110%，所述波高Η為在預變形平面內預變形后的鋼線的最高 點與最低點沿鋼線行進方向形成的外包絡輪廓直徑。預變形機構是表面帶有預變形形狀的 壓輥，通過改變預變形形狀，即壓輥表面的齒高來控制鋼線預變形的波高，本實施例中采用 的是兩組壓輥，以實現兩個平面內的預變形。
[0056] 異構成型機構4為一個筒狀拉拔模具，如圖8所示，筒狀拉拔模具包括錐形入口 41 和筒狀的定徑帶42,錐形入口 41的內徑由外至內逐漸縮小，定徑帶42的內徑與錐形入口 41的最小內徑一致；定徑帶42的內徑為母線直徑的99%。
[0057] 制作本實施例的異構鋼線的制備方法，包括以下步驟：
[0058] a)預變形：直鋼線依次經過若干個轉動軸線之間存在夾角，且不斷轉換鋼線前進 方向的過線輪2,再進入預變形機構3進行鋼線的預變形加工，加工出在兩個相互垂直的 平面A和B內變形的預變形鋼線，其中每個平面內預變形鋼線的波高Η為母線平均直徑的 105%-110%，如圖1所示，在平面Α和Β內呈對稱均勻的波浪形；母線平均直徑0. 083mm。
[0059] b)異構成型：拉拔驅動輪72拉動鋼線通過異構成型機構4,由于在預變形前鋼線 經過若干個過線輪2而積累的扭曲內應力，預變形鋼線在前進方向和環繞前進的方向同步 遭遇塑性變形，使得預變形鋼線的波浪形發生扭曲，同時因為形變強化而產生一定的表面 硬度異構，形成如圖2、3所示的帶有異構部的異構鋼線1 ;
[0060] C)收線：異構鋼線1再依次通過收線恒張力系統5、收線裝置6進行纏繞收線。
[0061] 實施例2
[0062] 如圖2、3所示的本發明的異構鋼線的第二個實施例：
[0063] 包括兩組異構部，每個異構部均由卷曲部12和扭曲部11組成，卷曲部12內的鋼 線軸線z在同一平面上，扭曲部11內的鋼線軸線z不共享任何平面；同一組異構部的卷曲 部12的鋼線軸線z在同一平面內，本實施例中體現為一組異構部的卷曲部12的軸線z位 于平面A內，另一組異構部的卷曲部12的軸線z位于平面B內；兩組異構部的卷曲部12分 別所在的平面A和B相交于異構線的外包絡中心線；兩組異構部的卷曲部12分別所在的平 面A和B相交后，平面間相鄰的夾角α和β相等，鋼線的各向同性較好。
[0064] 對異構鋼線施加5牛頓的外張力，則異構鋼線的外包絡直徑D為異構鋼線平均直 徑d的1. 18倍。
[0065] 異構鋼線1為平均直徑在0. 13mm的高碳合金鋼且帶有一層合金鍍層。
[0066] 同組異構部的兩個相鄰頂點t或兩個相鄰底點b之間的距離小于異構鋼線1平均 直徑d的200倍。
[0067] 異構鋼線的表面存在耐磨區，耐磨區的硬度高于其他區域。所述耐磨損區的硬度 在異構部的頂點t或底點b，或緊鄰頂點t或底點b的區域達到局部最大值。
[0068] 如圖5所示的制作本實施例的異構鋼線的制作裝置，該裝置包括過線輪2、對鋼線 在兩個相互垂直的平面A和B內實施變形的預變形機構3、纏繞輪71、在預變形鋼線的前進 方向和環繞前進的方向同步對預變形鋼線實施塑性變形的異構成型機構4、為拉動鋼線通 過異構成型機構提供足夠拉拔張力的拉拔驅動輪72,且纏繞輪71的軸線與拉拔驅動輪72 的軸線之間存在夾角，收線恒張力系統5和收線裝置6。預變形機構3使每個平面內預變形 鋼線的波高Η為母線平均直徑的190%-200%，所述波高Η為在預變形平面內預變形后的鋼線 的最高點與最低點沿鋼線行進方向形成的外包絡輪廓直徑。預變形機構是表面帶有預變形 形狀的壓輥，通過改變預變形形狀，即壓輥表面的齒高來控制鋼線預變形的波高，本實施例 中采用的是兩組壓輥，以實現兩個平面內的預變形。
[0069] 異構成型機構4為一個筒狀拉拔模具，如圖8所示，所述的筒狀拉拔模具包括錐形 入口 41和筒狀的定徑帶42,錐形入口 41的內徑由外至內逐漸縮小，定徑帶42的內徑與錐 形入口 41的最小內徑一致；定徑帶42的內徑為母線直徑的90%。
[0070] 制作本實施例的異構鋼線的制備方法，包括以下步驟：
[0071] a)預變形：直鋼線依次經過若干個轉動軸線之間存在夾角，且不斷轉換鋼線前進 方向的過線輪2,再進入預變形機構3進行鋼線的預變形加工，加工出在兩個相互垂直的 平面A和B內變形的預變形鋼線，其中每個平面內預變形鋼線的波高Η為母線平均直徑的 190%-200%，如圖1所示，在平面Α和Β內呈對稱均勻的波浪形；母線平均直徑0. 145mm。
[0072] b)異構成型：預成形后的鋼線在纏繞輪71上纏繞一圈，之后進入異構成型機構4， 拉拔驅動輪72拉動鋼線通過異構成型機構4,通過纏繞輪71與拉拔驅動輪72配合額外施 加的對鋼線的扭轉力，預變形鋼線在前進方向和環繞前進的方向同步遭遇塑性變形，使得 預變形鋼線的波浪形發生扭曲，同時因為形變強化而產生一定的表面硬度異構，形成如圖 2、3所示帶有異構部的異構鋼線1 ;
[0073] c)收線：異構鋼線1再依次通過收線恒張力系統5、收線裝置6進行纏繞收線。
[0074] 實施例3
[0075] 如圖2、3所示的本發明的異構鋼線的第三個具體實施例：
[0076] 包括兩組異構部，每個異構部均由卷曲部12和扭曲部11組成，卷曲部12內的鋼 線軸線z在同一平面上，扭曲部11內的鋼線軸線z不共享任何平面；同一組異構部的卷曲 部12的鋼線軸線z在同一平面內，本實施例中體現為一組異構部的卷曲部12的軸線z位 于平面A內，另一組異構部的卷曲部12的軸線z位于平面B內；兩組異構部的卷曲部12分 別所在的平面A和B相交于異構線的外包絡中心線；兩組異構部的卷曲部12分別所在的平 面A和B相交后，平面間相鄰的夾角α和β相等，鋼線的各向同性較好。
[0077] 對異構鋼線施加5牛頓的外張力，則異構鋼線的外包絡直徑D為異構鋼線平均直 徑d的1. 04倍。
[0078] 異構鋼線1為平均直徑在0. 10mm的高碳鋼。
[0079] 同組異構部的兩個相鄰頂點t或兩個相鄰底點b之間的距離小于異構鋼線1平均 直徑d的200倍。
[0080] 異構鋼線的表面存在耐磨區，耐磨區的硬度高于其他區域。所述耐磨損區的硬度 在異構部的頂點t或底點b，或緊鄰頂點t或底點b的區域達到局部最大值。
[0081] 如圖6所示制作本實施例的異構鋼線的制作裝置，該裝置包括過線輪2、對鋼線在 兩個相互垂直的平面A和B內實施變形的預變形機構3、在預變形鋼線的前進方向和環繞前 進的方向同步對預變形鋼線實施塑性變形的異構成型機構4、為拉動鋼線通過異構成型機 構提供足夠拉拔張力的拉拔驅動輪72,收線恒張力系統5和收線裝置6,還包括驅動異構成 型機構圍繞所述的筒狀拉拔模具的定徑帶42軸線自轉的驅動裝置8。預變形機構3使每個 平面內預變形鋼線的波高Η為母線平均直徑的120%-128%，所述波高Η為在預變形平面內預 變形后的鋼線的最高點與最低點沿鋼線行進方向形成的外包絡輪廓直徑。預變形機構是表 面帶有預變形形狀的壓輥，通過改變預變形形狀，即壓輥表面的齒高來控制鋼線預變形的 波高，本實施例中采用的是兩組壓輥，以實現兩個平面內的預變形。
[0082] 異構成型機構4為兩個筒狀拉拔模具，如圖8所示，所述的筒狀拉拔模具至少包括 錐形入口 41和筒狀的定徑帶42,錐形入口 41的內徑由外至內逐漸縮小，定徑帶42的內徑 與錐形入口 41的最小內徑一致。從母線進入到收線的方向上，不同筒狀拉拔模具的定徑帶 42內徑依次變小，其中最小定徑帶的內徑為母線直徑的90%。
[0083] 制作本實施例的異構鋼線的制備方法，包括以下步驟：
[0084] a)預變形：直鋼線依次經過若干個轉動軸線之間存在夾角，且不斷轉換鋼線前進 方向的過線輪2,再進入預變形機構3進行鋼線的預變形加工，加工出在兩個相互垂直的 平面A和B內變形的預變形鋼線，其中每個平面內預變形鋼線的波高Η為母線平均直徑的 120%-128%，如圖1所示，在平面Α和Β內呈對稱均勻的波浪形；母線平均直徑0. 115mm。
[0085] b)異構成型：拉拔驅動輪72拉動鋼線通過異構成型機構4,驅動裝置8驅動異構 成型機構4自轉，通過異構成型機構4圍繞定徑帶軸線的自轉，預變形鋼線在前進方向和環 繞前進的方向同步遭遇塑性變形，使得預變形鋼線的波浪形發生扭曲，同時因為形變強化 而產生一定的表面硬度異構，形成如圖2、3所示的帶有異構部的異構鋼線1 ;
[0086] c)收線：異構鋼線1再依次通過收線恒張力系統5、收線裝置6進行纏繞收線。
[0087] 實施例4
[0088] 如圖2、3所示的本發明的異構鋼線的第四個具體實施例：
[0089] 包括兩組異構部，每個異構部均由卷曲部12和扭曲部11組成，卷曲部12內的鋼 線軸線z在同一平面上，扭曲部11內的鋼線軸線z不共享任何平面；同一組異構部的卷曲 部12的鋼線軸線z在同一平面內，本實施例中體現為一組異構部的卷曲部12的軸線z位 于平面A內，另一組異構部的卷曲部12的軸線z位于平面B內；兩組異構部的卷曲部12分 別所在的平面A和B相交于異構線的外包絡中心線；兩組異構部的卷曲部12分別所在的平 面A和B相交后，平面間相鄰的夾角α和β相等，鋼線的各向同性較好。
[0090] 對異構鋼線施加5牛頓的外張力，則異構鋼線的外包絡直徑D為異構鋼線平均直 徑d的1. 14倍。
[0091] 異構鋼線1為平均直徑在0. 128mm的高碳鋼且帶有多層金屬鍍層。
[0092] 同組異構部的兩個相鄰頂點t或兩個相鄰底點b之間的距離小于異構鋼線1平均 直徑d的200倍。
[0093] 異構鋼線的表面存在耐磨區，耐磨區的硬度高于其他區域。所述耐磨損區
[0094] 的硬度在異構部的頂點t或底點b，或緊鄰頂點t或底點b的區域達到局部最大 值。
[0095] 如圖7所示的制作本實施例的異構鋼線的制作裝置，該裝置包括若干個轉動軸線 之間存在夾角，且不斷轉換鋼線前進方向的過線輪2、對鋼線在兩個相互垂直的平面A和B 內實施變形的預變形機構3、在預變形鋼線的前進方向和環繞前進的方向同步對預變形鋼 線實施塑性變形的異構成型機構4、為拉動鋼線通過異構成型機構提供足夠拉拔張力的拉 拔驅動輪72,收線恒張力系統5和收線裝置6。預變形機構3使每個平面內預變形鋼線的 波高Η為母線平均直徑的140%-153%，所述波高Η為在預變形平面內預變形后的鋼線的最高 點與最低點沿鋼線行進方向形成的外包絡輪廓直徑。預變形機構是表面帶有預變形形狀的 壓輥，通過改變預變形形狀，即壓輥表面的齒高來控制鋼線預變形的波高，本實施例中采用 的是兩組壓輥，以實現兩個平面內的預變形。
[0096] 異構成型機構4為三個筒狀拉拔模具，如圖8所示，筒狀拉拔模具包括錐形入口 41和筒狀的定徑帶42,錐形入口 41的內徑由外至內逐漸縮小，定徑帶42的內徑與錐形入 口 41的最小內徑一致。從母線進入到收線的方向上，不同筒狀拉拔模具的定徑帶42內徑 依次變小，其中最小定徑帶的內徑為母線直徑的98%。且三個筒狀拉拔模具中，從母線進入 到收線的方向上的前兩個筒狀拉拔模具是連續的，經過這兩個筒狀拉拔模具后先收線（圖7 中未畫出此處的收線裝置)，然后再進入第三個筒狀拉拔模具。
[0097] 制作本實施例的異構鋼線的制備方法，包括以下步驟：
[0098] a)預變形：直鋼線依次經過若干個轉動軸線之間存在夾角，且不斷轉換鋼線前進 方向的過線輪2,再進入預變形機構3進行鋼線的預變形加工，加工出在兩個相互垂直的 平面A和B內變形的預變形鋼線，其中每個平面內預變形鋼線的波高Η為母線平均直徑的 140%-153%，如圖1所示，在平面Α和Β內呈對稱均勻的波浪形；母線平均直徑0. 135mm。
[0099] b)異構成型：拉拔驅動輪72拉動鋼線通過異構成型機構4,由于在預變形前鋼線 經過若干個過線輪2而積累的扭曲內應力，預變形鋼線在前進方向和環繞前進的方向同步 遭遇塑性變形，使得預變形鋼線的波浪形發生扭曲，同時因為形變強化而產生一定的表面 硬度異構，形成如圖2、3所示的帶有異構部的異構鋼線1 ;
[0100] C)收線：異構鋼線1再依次通過收線恒張力系統5、收線裝置6進行纏繞收線。
[0101] 實施例5
[0102] 如圖2、3所示的本發明的異構鋼線的第一個具體實施例：
[0103] 包括兩組異構部，每個異構部均由卷曲部12和扭曲部11組成，卷曲部12內的鋼 線軸線z在同一平面上，扭曲部11內的鋼線軸線z不共享任何平面；同一組異構部的卷曲 部12的鋼線軸線z在同一平面內，本實施例中體現為一組異構部的卷曲部12的軸線z位 于平面A內，另一組異構部的卷曲部12的軸線z位于平面B內；兩組異構部的卷曲部12分 別所在的平面A和B相交于異構線的外包絡中心線；兩組異構部的卷曲部12分別所在的平 面A和B相交后，平面間相鄰的夾角α和β相等，鋼線的各向同性較好。
[0104] 對異構鋼線施加5牛頓的外張力，則異構鋼線的外包絡直徑D為異構鋼線平均直 徑d的1. 35倍。
[0105] 異構鋼線1為平均直徑在0. 15mm的高碳合金鋼且帶有一層金屬鍍層。
[0106] 同組異構部的兩個相鄰頂點t或兩個相鄰底點b之間的距離小于異構鋼線1平均 直徑d的200倍。
[0107] 異構鋼線的表面存在耐磨區，耐磨區的硬度高于其他區域。所述耐磨損區的硬度 在異構部的頂點t或底點b，或緊鄰頂點t或底點b的區域達到局部最大值。
[0108] 如圖4所示的制作本實施例的異構鋼線的制作裝置，該裝置包括若干個轉動軸線 之間存在夾角，且不斷轉換鋼線前進方向的過線輪2、對鋼線在兩個相互垂直的平面A和B 內實施變形的預變形機構3、在預變形鋼線的前進方向和環繞前進的方向同步對預變形鋼 線實施塑性變形的異構成型機構4、為拉動鋼線通過異構成型機構提供足夠拉拔張力的拉 拔驅動輪72,收線恒張力系統5和收線裝置6。預變形機構3使每個平面內預變形鋼線的 波高Η為母線平均直徑的280%-300%，所述波高Η為在預變形平面內預變形后的鋼線的最高 點與最低點沿鋼線行進方向形成的外包絡輪廓直徑。預變形機構是表面帶有預變形形狀的 壓輥，通過改變預變形形狀，即壓輥表面的齒高來控制鋼線預變形的波高，本實施例中采用 的是兩組壓輥，以實現兩個平面內的預變形。
[0109] 異構成型機構4為一個筒狀拉拔模具，如圖8所示，筒狀拉拔模具包括錐形入口 41 和筒狀的定徑帶42,錐形入口 41的內徑由外至內逐漸縮小，定徑帶42的內徑與錐形入口 41的最小內徑一致；定徑帶42的內徑為母線直徑的95%。
[oho] 制作本實施例的異構鋼線的制備方法，包括以下步驟：
[0111] a)預變形：直鋼線依次經過若干個轉動軸線之間存在夾角，且不斷轉換鋼線前進 方向的過線輪2,再進入預變形機構3進行鋼線的預變形加工，加工出在兩個相互垂直的 平面A和B內變形的預變形鋼線，其中每個平面內預變形鋼線的波高Η為母線平均直徑的 280%-300%，如圖1所示，在平面Α和Β內呈對稱均勻的波浪形；母線平均直徑0. 16mm。
[0112] b)異構成型：拉拔驅動輪72拉動鋼線通過異構成型機構4,由于在預變形前鋼線 經過若干個過線輪2而積累的扭曲內應力，預變形鋼線在前進方向和環繞前進的方向同步 遭遇塑性變形，使得預變形鋼線的波浪形發生扭曲，同時因為形變強化而產生一定的表面 硬度異構，形成如圖2、3所示的帶有異構部的異構鋼線1 ;
[0113] c)收線：異構鋼線1再依次通過收線恒張力系統5、收線裝置6進行纏繞收線。
[0114] 上述各實施例中，對鋼線進行預變形時，不僅僅可制作成如上述各實施例所述的 波浪形為對稱均勻的波浪形，還可以制作成矩形、梯形或不規則彎折，或者不對稱的彎曲。 同理，在圖4所示的異構鋼線的制作裝置，再在另一方向增加一對壓輥，則可以對鋼線進行 三個平面的預變形，以此類推。
[0115] 以上各實施例中，各組異構部的卷曲部12分別所在的平面相交于異構線的外包 絡中心線；兩組異構部的卷曲部12分別所在的平面相交后，平面間相鄰的夾角相等，鋼線 的各向同性較好。可以預見，當不滿足這兩個特征其中之一時，鋼線的各向同性稍差。但是， 隨著異構部組數的增加，這兩個特征對于各向同性的影響會削弱。
[0116] 以上述依據本發明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完 全可以在不偏離本項發明技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發明的技術 性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據權利要求范圍來確定其技術性范圍。
【權利要求】
1. 一種用于多線切割的異構鋼線，其特征在于： 1) 平均直徑d在0. 08mm_0. 15mm之間，以高碳鋼或高碳合金鋼為材質； 2) 包括兩組或兩組以上的異構部，每個異構部均由卷曲部（12)和扭曲部（11)組成，卷 曲部（12)內的鋼線軸線z在同一平面上，扭曲部（11)內的鋼線軸線z不共享任何平面；同 一組異構部的卷曲部（12)的鋼線軸線z在同一平面內； 3) 對異構鋼線施加5牛頓的外張力，則異構鋼線的外包絡直徑D為異構鋼線平均直徑 d 的 1. 01-1. 35 倍。
2. 如權利要求1所述的用于多線切割的異構鋼線，其特征在于：對異構鋼線施加5牛 頓的外張力，則異構鋼線的外包絡直徑D為異構鋼線平均直徑d的1.04-1. 14倍。
3. 如權利要求1所述的用于多線切割的異構鋼線，其特征在于：不同組異構部的卷曲 部（12)分別所在的平面均相交于異構線的外包絡中心線。
4. 如權利要求1-3中任一項所述的用于多線切割的異構鋼線，其特征在于：各組異構 部的卷曲部（12)分別所在的平面相交后，平面間相鄰的夾角相等。
5. 如權利要求1所述的用于多線切割的異構鋼線，其特征在于：異構鋼線的表面存在 耐磨區，所述耐磨區的硬度高于其他區域。
6. 如權利要求5所述的用于多線切割的異構鋼線，其特征在于：所述耐磨損區的硬度 在異構部的頂點（t)或底點（b)，或緊鄰頂點（t)或底點（b)的區域達到局部最大值。
7. 如權利要求1所述的用于多線切割的異構鋼線，其特征在于：異構鋼線帶有一層或 多層金屬鍍層或合金鍍層。
8. 如權利要求1所述的用于多線切割的異構鋼線，其特征在于：同組異構部的兩個相 鄰頂點（t)或兩個相鄰底點（b)之間的距離小于異構鋼線（1)平均直徑d的200倍。
9. 一種制作如權利要求1-8任一項所述的異構鋼線的制作裝置，特征在于：至少包括 過線輪（2)、對異構鋼線（1)的母線在兩個平面或多個平面內實施變形的預變形機構（3)、 在預變形鋼線的前進方向和環繞前進的方向同步對預變形鋼線實施塑性變形的異構成型 機構（4)、為拉動預變形鋼線通過異構成型機構提供足夠拉拔張力的拉拔驅動輪（72)、收 線恒張力系統（5)和收線裝置（6)，所述異構鋼線（1)的母線為制備異構鋼線的原材料。
10. 如權利要求9所述的異構鋼線的制作裝置，其特征在于：所述預變形機構（3)使每 個平面內預變形鋼線的波高Η在母線平均直徑的105%-300%之間，所述波高Η為在預變形 平面內預變形后的鋼線的最高點與最低點沿鋼線行進方向形成的外包絡輪廓直徑。
11. 如權利要求10所述的異構鋼線的制作裝置，其特征在于：所述預變形機構（3)使每 個平面內預變形鋼線的波高Η在母線平均直徑的150%-200%之間。
12. 如權利要求9所述的異構鋼線的制作裝置，特征在于：還包括位于異構成型機構 (4)之前的纏繞輪（71)，且纏繞輪（71)的軸線與拉拔驅動輪（72)的軸線之間存在夾角。
13. 如權利要求9所述的異構鋼線的制作裝置，其特征在于：所述的異構成型機構（4) 為筒狀拉拔模具，所述的筒狀拉拔模具至少包括筒狀的定徑帶（42)，所述定徑帶（42)內徑 小于異構鋼線母線的直徑。
14. 如權利要求13所述的異構鋼線的制作裝置，其特征在于：所述的筒狀拉拔模具還 包括錐形入口（41)，所述錐形入口（41)的內徑由外至內逐漸縮小，定徑帶（42)的內徑與錐 形入口（41)的最小內徑一致。
15. 如權利要求13所述的用于多線切割的異構鋼線的制造裝置，特征在于：所述異構 成型機構（4)包括一個筒狀拉拔模具，定徑帶（42)內徑為母線直徑的90%-99%。
16. 如權利要求15所述的用于多線切割的異構鋼線的制造裝置，特征在于：定徑帶 (42)內徑為母線直徑的95%-99%。
17. 如權利要求13所述的用于多線切割的異構鋼線的制造裝置，特征在于：所述異構 成型機構（4)包括至少兩個筒狀拉拔模具，從母線進入到收線的方向上，不同筒狀拉拔模具 的定徑帶（42)內徑依次變小，最小定徑帶（42)內徑為母線直徑的90%-99%。
18. 如權利要求13所述的異構鋼線的制作裝置，特征在于：還包括驅動異構成型機構 (4)圍繞所述的筒狀拉拔模具的定徑帶（42)軸線自轉的驅動裝置（8)。
19. 一種如權利要求9-18中任一項所述的異構鋼線的制作裝置的制備方法，其特征在 于，至少包括以下步驟： 1) 預變形：將異構鋼線（1)的母線經過過線輪（2)，再進入預變形機構（3)進行預變形 加工，加工出在兩個平面或多個平面內變形的預變形鋼線，并確保每個平面內預變形鋼線 的波高Η在母線平均直徑的105%-300%之間，所述波高Η為在預變形平面內預變形后的鋼 線的最高點與最低點沿鋼線行進方向形成的外包絡輪廓直徑； 2) 異構成型：拉拔驅動輪（72)拉動預變形后的鋼線通過異構成型機構（4)，過程中由 于鋼線本身積累的扭曲內應力，或通過纏繞輪與拉拔驅動輪配合額外施加的對鋼線的扭轉 力，或通過異構成型機構（4)圍繞定徑帶軸線的自轉對鋼線施加扭轉力，預變形鋼線在前進 方向和環繞前進的方向均遭遇塑性變形，形成異構鋼線（1); 3) 收線：異構鋼線（1)再依次通過收線恒張力系統（5)、收線裝置（6)進行纏繞收線。
【文檔編號】B28D5/04GK104084442SQ201410023665
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年1月19日 優先權日:2014年1月19日
【發明者】不公告發明人 申請人:凡登（常州）新型金屬材料技術有限公司