Кольцо из плавленого кварцевого стекла. Внешний диаметр 420 мм, внутреннее отверстие 300 мм, толщина 18 мм. Кольцо должно получиться целым — одним куском, без трещин, с кромками, достаточно чистыми для непосредственной шлифовки и полировки.
При таком размере это не гарантировано. Плавленое кварцевое стекло хрупкое. Чем больше заготовка, тем больше дуга контакта алмазного провода и тем больше боковое усилие, возникающее вдоль нее. Неконтролируемое, это усилие приводит к сколам в зонах входа и выхода — или вызывает подповерхностные микротрещины, которые проявляются только позже, во время термического цикла или полировки.
В этом случае подробно описывается, как VIMFUN вырезал кольцо, и почему выбор процесса имеет значение при диаметре 420 мм.
Применение: Кольца из плавленого кварца для полупроводниковых и оптических систем
Плавленое кварцевое стекло является одним из немногих материалов, которые могут одновременно удовлетворять требовательному сочетанию характеристик: почти нулевое тепловое расширение (0,55 × 10⁻⁶/°C), высокая химическая чистота, пропускание УФ-излучения и стабильность размеров при термическом цикле. Эти свойства делают его стандартным материалом для компонентов внутри оборудования для производства полупроводников, оптических узлов и промышленных систем с высокой степенью чистоты.
Кольца и диски такого класса размеров встречаются в нескольких категориях применения:
- Оборудование для полупроводниковой промышленности — кварцевые кольца, используемые в качестве компонентов камер, креплений диффузионных трубок и элементов изоляции процессов при производстве пластин
- Оптические системы — заготовки для оптики большого диаметра и кольцевые крепления, где стабильность размеров и целостность поверхности являются основными требованиями
- Системы высокочистых процессов — компоненты управления потоком и изоляции, где загрязнение от остатков резки недопустимо
Для всех этих применений качество режущей поверхности имеет прямое значение. Кольцо не подвергается обширной доработке перед использованием — то, что остается после проволоки, является исходным состоянием для следующего этапа процесса. Это накладывает ограничения на процесс резки: сколы кромок должны оставаться в пределах допуска, подповерхностные повреждения должны быть минимальными, а система охлаждения должна быть совместима с требованием чистого процесса.
Спецификация заказчика для этой резки: кольцевая структура полностью целая, сколы кромок менее 0,2 мм, видимые трещины отсутствуют, поверхности готовы к последующей шлифовке и полировке.
Задача: резка крупного кольца из кварцевого стекла диаметром 420 мм
Плавленое кварцевое стекло имеет твердость по Виккерсу примерно 570 HV. Трещиностойкость (K₁c) составляет около 0,75 МПа·м⁰·⁵ — значительно ниже большинства современных керамик, и достаточно низкая, чтобы концентрации напряжений на кромках напрямую приводили к сколам или инициированию трещин. Свойства материала плавленого кварца хорошо документированы в литературе по материалам; сложность резки заключается не в самом материале, а в сочетании свойств материала и масштаба заготовки.
Три фактора усугубляются при диаметре 420 мм:
Длина дуги контакта. Когда алмазная проволока проходит через это кольцо, она соприкасается с кварцем по дуге контакта, которая увеличивается с диаметром заготовки. Боковые силы резания накапливаются вдоль этой дуги. На небольшой заготовке — диаметром 50 мм или 60 мм — эти силы управляемы, и проволока остается на траектории. При 420 мм те же силы, действующие по более длинной дуге, увеличивают риск отклонения проволоки на переходах края. Точки входа и выхода каждого прохода резки — это места, где геометрия наиболее асимметрична и где сначала начинается скол.
Термический градиент. Плавленый кварц обладает низкой теплопроводностью — примерно 1,4 Вт/м·К по сравнению со 170 Вт/м·К для алюминия. Тепло, выделяющееся в зоне резки, не быстро переходит в окружающий материал. При длинном резе через кольцо большого диаметра разница температур между зоной резки и основным кварцем накапливается со временем. Термические градиенты создают растягивающее напряжение. В материале с K₁c 0,75 МПа·м⁰·⁵ растягивающее напряжение является причиной возникновения подповерхностных микротрещин — не обязательно видимых на поверхности, но способных распространяться во время последующей обработки.
Ограничение охлаждающей жидкости. Это кольцо используется в полупроводниковом оборудовании. Масляные режущие жидкости — стандартные для многих установок для резки кварца — вносят органическое загрязнение, которое неприемлемо в данном контексте применения. Процесс резки должен осуществляться с использованием водосодержащего охлаждающего раствора, что изменяет как динамику смазки на интерфейсе проволока-кварц, так и последующие требования к очистке.
Ни один из этих факторов по отдельности не делает резку больших колец из кварцевого стекла невозможной. Вместе они устанавливают узкое рабочее окно, где параметры процесса должны быть точно настроены перед первым резом.
Подход: алмазно-проволочная пила SH60-R и проволока диаметром 0,50 мм
VIMFUN выполнила эту резку на алмазно-проволочной пиле SH60-R, оснащенной петлей алмазной проволоки с гальваническим покрытием диаметром 0,50 мм.
Выбор проволоки. Диаметр проволоки 0,50 мм был выбран для обеспечения узкой режущей щели — примерно 0,55 мм в готовом виде — что минимизирует потери материала на квартевом кольце большого размера, одновременно снижая силу резания на стыке проволоки и материала. Для хрупких материалов в большом масштабе меньшая сила на единицу площади в зоне резания предотвращает концентрацию напряжений ниже порога, при котором начинается скол. Бесконечная петля (см. Петля из алмазной проволоки с гальваническим покрытием) обеспечивает постоянную поверхность алмазного абразива на протяжении всего реза — отсутствие градиента износа от начала до конца, что важно при 110-минутном резе, когда состояние проволоки влияет на последний проход так же, как и на первый.
Крепление. Перед резкой кольцо было закреплено с помощью мягких оснасток — приспособлений, которые равномерно распределяют силу зажима по всей поверхности кольца, не концентрируя нагрузку в одной точке контакта. На плавленом кварце локальное напряжение от зажима по краю может вызвать растрескивание еще до начала работы проволоки. Мягкое контактное крепление исключает этот риск. Настройка включала проверку выравнивания, проверку натяжения проволоки и подтверждение траектории реза перед запуском станка.
SH60-R
- Максимальный диаметр заготовки (мм): 600
- Максимальная высота заготовки (мм):400
- Технология вращательной резки
- Технология горизонтальной резки
- Система Siemens
Параметры процесса
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Заготовка | Кольцо из стекла на основе плавленого кварца |
| Внешний диаметр | 420 мм |
| Внутренний диаметр | 300 мм |
| Толщина | 18 мм |
| Машина | Бесконечная алмазная проволочная пила VIMFUN SH60-R |
| Алмазная проволока | Алмазная проволока с гальваническим покрытием Ø 0,50 мм |
| Тип провода | Бесконечная (замкнутая) алмазная проволочная петля |
| Скорость движения проволоки | 35 м/с |
| Натяжение проволоки | 150 Н |
| Скорость подачи | 3 мм/мин |
| Охлаждающая жидкость | Фильтрованная деионизированная вода, непрерывная рециркуляция |
| Общее время резки | ~110 минут |
| Ширина пропила | ~0,55 мм |
Скорость проволоки, натяжение и скорость подачи напрямую влияют на качество поверхности и состояние края хрупких материалов. См. скорость проволоки, натяжение и скорость подачи для информации о том, как эти параметры сбалансированы, и калибровка натяжения проволоки для протокола калибровки, который поддерживает стабильное натяжение на протяжении всего времени резки.
Выбор скорости подачи. При скорости 3 мм/мин проволока имеет достаточно времени, чтобы чисто разрушить материал в пропиле, а не разрывать его. На плавленом кварце чистое разрушение на поверхности реза обеспечивает гладкую поверхность с минимальными повреждениями. Возможны более высокие скорости подачи — но на большом хрупком кольце, где стоимость неудачной резки высока, консервативная скорость подачи обменивает время цикла на более предсказуемый результат.
Система охлаждения. Фильтрованная деионизированная вода непрерывно подавалась в течение 110-минутной резки. ДИ-вода выполняет здесь две функции: она в реальном времени удаляет тепло и частицы стекла из зоны резки, а также поддерживает заготовку и станок свободными от органического загрязнения — что соответствует требованиям полупроводникового применения. охлаждение и смазка установка использовала фильтрацию для поддержания низкой концентрации частиц в охлаждающей жидкости, предотвращая повторное попадание стеклянных обломков в активный пропил.
Результат: Кольцо целое, видимых трещин нет
Кольцо из плавленого кварца диаметром 420 мм было разрезано примерно за 110 минут. Результаты осмотра:
| Измерение | Результат |
|---|---|
| Общее время резки | ~110 мин |
| Ширина готового пропила | ~0,55 мм |
| Edge chipping | < 0,2 мм в зонах входа и выхода |
| Видимые трещины | Нет |
| Структурная целостность кольца | Неповрежденный — без трещин при резке или обращении |
| Состояние поверхности | Готовность к последующей шлифовке и полировке |
Режущая поверхность не требовала доработки перед следующим этапом процесса. Точность размеров была подтверждена в пределах спецификации заказчика для последующей механической обработки.
Для кольца из плавленого кварца, используемого в полупроводниковом оборудовании, эти результаты означают: отсутствие риска распространения трещин при термических циклах, отсутствие попадания частиц сколов в технологическую среду и чистую начальную поверхность для шлифовки и полировки. Ширина реза 0,55 мм достаточно мала, чтобы потеря материала не была ограничением для данной геометрии. Последующие операции начинаются со стабильной, предсказуемой базовой линии.
Почему низкая скорость подачи и узкий рез работают на большом хрупком кварце
Все сводится к напряжению на интерфейсе резки. Сколы на плавленом кварце начинаются, когда локальное напряжение на краю реза превышает вязкость разрушения материала. Цель настройки процесса — удерживать это напряжение ниже порога по всей длине реза, включая переходы при входе и выходе, где геометрия асимметрична и риск наиболее высок.
Два параметра несут основную ответственность за это:
Узкий рез, меньшая сила контакта. Проволока диаметром 0,50 мм ограничивает площадь контакта между алмазным абразивом и кварцем. Более узкий контакт означает меньшую силу, распределенную по поверхности реза. Меньшая сила на единицу площади означает, что напряжение на краях реза остается ниже точки, где начинаются сколы или повреждения под поверхностью. Это компромисс, который делает проволоку диаметром 0,50 мм правильным выбором для данного применения — не производительность, а управление силой в масштабе.
Контролируемая скорость подачи. Медленная подача дает проволоке время чисто расколоть кварц в зоне реза, а не срезать его. Разница между чистым расколом и разрывом при срезании на фронте реза — это то, что отличает гладкий рез шириной 0,55 мм от реза со сколами и более грубой поверхностью. При скорости 3 мм/мин процесс остается на стороне чистого раскола этой границы.
Непрерывное охлаждение деионизированной водой обеспечивает тепловой контроль: оно непрерывно отводит тепло из зоны реза, предотвращая накопление градиента, который генерировал бы растягивающее напряжение в объеме материала в течение 110-минутного реза. Частицы стекла, удаляемые из реза в режиме реального времени, также предотвращают вторичную абразию от попадания мусора обратно в активную зону реза. Полное описание взаимодействия охлаждающей жидкости и смазки с производительностью проволоки на кварце и оптическом стекле см. охлаждение и смазка.
Эта логика процесса распространяется на другие крупноформатные хрупкие материалы — оптическое стекло, передовую керамику, сапфир — везде, где сочетание масштаба и хрупкости требует контроля силы, а не оптимизации производительности. Параметры меняются от материала к материалу. Основная механика остается прежней. Для более широкого справочного материала по поведению кварца и кварцевого стекла под механической нагрузкой см. AZoM о применении плавленого кварца.
Справочную информацию о платформе алмазно-проволочной пилы, используемой для этого реза, см. обзор резки проволокой.
Отрасли и области применения
Резка больших кварцевых стеклянных колец обслуживает производителей в нескольких секторах:
- Оборудование для производства полупроводников — кольца камер, компоненты технологических трубок, изоляционные кольца и кварцевые крепления для обработки пластин и термической обработки
- Оптические системы — заготовки оптических элементов с большим отверстием, кольцевые крепления и прецизионные оптические стеклянные компоненты, требующие минимального повреждения под поверхностью
- Фотоника и лазерные системы — компоненты оптического пути и кольцевые крепления, где целостность поверхности влияет на эффективность передачи
- Промышленные системы высокой чистоты — компоненты управления потоком и изоляции процессов, где требуется как чистота материала, так и чистая резка
Для связанных случаев обработки крупногабаритных твердых хрупких материалов см. наше исследование по резке больших алюминиевых керамических колец охватывающее кольцо Al₂O₃ диаметром 300 мм, и наше исследование по резке карбида кремния для небольшого уплотнительного кольца SiC с жесткими требованиями к геометрии края.
Can We Cut This for Your Application?
Если ваше приложение включает плавленый кварц, оптическое стекло или передовую керамику в форме кольца, диска или пластины — особенно при диаметрах более 100 мм — применяется тот же подход к процессу. Диаметр проволоки, натяжение и скорость подачи регулируются в соответствии с вашей конкретной геометрией и допусками.
Для оценки возможности свяжитесь с нами:
- Материал и марка — плавленое кварцевое стекло, кристаллический кварц, оптическое стекло или другие спецификации
- Геометрия заготовки — наружный диаметр, внутренний диаметр и толщина, с чертежом, если имеется
- Требования к кромке и поверхности — допустимое сколы, целевое значение Ra или стандарт процесса последующей обработки
- Ограничения по охлаждающей жидкости — допускается на масляной основе или только на водной основе
- Назначение производства — образец, малая партия или серийное производство
Мы предоставляем оценку процесса в течение 3 рабочих дней. Для геометрий в пределах нашего диапазона резки мы можем изготовить образцы перед принятием решения о производстве.
VIMFUN's бесконечная петля из алмазной проволоки платформа обрабатывает кварцевое стекло, оптическое стекло, передовую керамику, сапфир, кремний, графит, полупроводниковые материалы и редкоземельные магниты. Приложения как большого формата, так и прецизионные мелкогабаритные приложения входят в диапазон оборудования.
