JP2018144220A - ワイヤソー及びワイヤソーにおけるワーク切断加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワーク切断時における加工負荷を適正レベルに自動的に調整できて、高精度加工を達成できるようにすること。【解決手段】ワイヤソーは、複数の加工用ローラ１５，１６間においてワイヤ１０１を周回状態で走行させるとともに、加工用ローラ１５，１６間においてワーク１００をワイヤ１０１に対して送ってそのワイヤ１０１によってワーク１００を切断する。前記ワーク１００の切断加工に関与するワイヤ１０１の実働長さに応じて、ワーク送り用モータ３１の実行トルクを制御して、ワーク１００に対する加工負荷を調整するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体材料、磁性材料、セラミックス等の脆性材料よりなるワークをワイヤにより切断加工するためのワイヤソー及びワイヤソーにおけるワーク切断加工方法に関するものである。

ワイヤソーは、複数の加工用ローラ間においてワイヤを周回状態で架設して、そのワイヤを走行させるとともに、加工用ローラ間のワイヤにワークを押し付けて、ワークを切断加工するものである。このワイヤソーにおいては、ワイヤが摩耗したり、ワークに結晶構造不良部分が存在したり、クーラント内の切削屑の濃度が高くなったりすると、切断加工における負荷（以下、加工負荷という）が許容レベルを越えるおそれがある。加工負荷が高くなりすぎることは、前記加工用ローラ間に架設されたワイヤの撓み度合いが大きくなる結果を生じ、このような状態になると、ワークの加工精度が低下したり、切断加工後の加工品の歩留まりが低下したりする影響が生じる。

このような問題点を解消するために、特許文献１や特許文献２に開示された技術が提案されている。
特許文献１においては、ワークの切削加工にともなって、ワイヤの長さ方向におけるワークの切断長が変化する場合でも、加工負荷が変動しないように、加工負荷検出器により加工負荷を検出するようにしている。そして、その検出に基づいて、ワイヤの走行速度及びスラリの供給量を調整し、単位切断長当たりの加工負荷を一定に保つようにしている。このため、加工精度の向上や機械の熱変形が抑制されるとしている。

特許文献２においては、非接触センサによってワイヤの変位量，すなわち撓み量を測定し、その変位量及びワイヤの初期張力に基づいて、加工負荷である切断負荷を演算し、演算された切断負荷とあらかじめ入力された基準値とを比較する。そして、その比較結果に基づいてワークの送り速度を制御する。この送り速度の制御により、ワークを精度良く切断できるとしている。

特開平１０−１６６２５５号公報 特開２０００−２１８５０２号公報

前記特許文献１においては、単位切断長当たりの加工負荷を検出するものであるため、ワークの切断加工に関与するワイヤ全体の負荷には考慮がなされていない。このため、ワークの切断加工において、ワイヤ全体に過大な切断負荷が作用した場合には、切断加工を駆動するモータなどの制御が困難になる事態が生じるおそれがある。従って、このような場合は、ワークの高精度な切断加工を達成し得ないおそれがある。

前記特許文献２においては、ワイヤの変位を非接触のセンサによって検出するため、センサが必要であって、ワイヤソーの構成が複雑になる。しかも、前記センサは、ワイヤの一部分の位置の変位をスポット的に検出するものであるため、ワイヤ全体に作用する切断負荷を誤検出するおそれがある。また、センサは非接触タイプのものが用いられるが、このような非接触タイプのセンサは、ワイヤ上の加工液の量が変動したり、センサに加工液が付着したりすることによって、前記と同様に誤検出が生じるおそれがある。従って、特許文献２のワイヤソーにおいては、ワイヤの変位検出に基づくワイヤの送り速度の制御を適切に行うことは困難であって、前記と同様にワークを高精度に切断することを達成できないおそれがある。

本発明の目的は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、ワーク切断時における加工負荷を適正レベルに自動的に調整できて、高精度加工を達成できるワイヤソー及びワイヤソーにおけるワーク切断加工方法を提供することにある。

以上の目的を達成するために、本発明のワイヤソーにおいては、ワークを切断加工するためのワイヤが架設状態で周回される複数の加工用ローラと、前記ワイヤをその長さ方向に走行させるワイヤ走行手段と、前記ワークを前記加工用ローラ間の前記ワイヤに向かって送るためのワーク送り手段とを備え、前記加工用ローラの回転にともなって前記ワイヤが走行され、前記加工用ローラ間の位置において前記ワイヤにより前記ワークに切断加工が施されるようにしたワイヤソーにおいて、前記ワークの切断加工に関与するワイヤ実働長さに応じて、ワイヤ走行手段及びワーク送り手段のうちの少なくとも一方の動作を制御して、前記ワークに対する加工負荷を調整する制御手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明のワイヤソーにおけるワーク切断方法においては、複数の加工用ローラ間においてワイヤを周回状態で走行させるとともに、前記加工用ローラ間においてワークを前記ワイヤに対して送ってそのワイヤによってワークを切断するようにしたワイヤソーにおけるワーク切断加工方法において、前記ワークの切断加工に関与するワイヤの実働長さに応じて、ワーク送り及びワイヤ走行のうちの少なくとも一方の動作を制御して、ワークに対する加工負荷を調整することを特徴とする。

従って、ワークの切断加工時には、ワークの切断加工に関与するワイヤの実働長さに応じて、例えばワーク送り用モータの実行トルクが制御される。このため、ワークの切断加工時において、ワークに作用する加工負荷を適正なレベルに維持できて、ワークを高精度に切断加工することが可能になる。

本発明においては、ワイヤソーにおいて、ワークの高精度な切断加工を達成できる。

実施形態のワイヤソーの簡略図。 加工用ローラ及びワイヤとワークとの関係を示す簡略平面図。 ワイヤとワークとの関係を示す簡略側面図。 ワイヤソーの電気的構成を示すブロック図。 データテーブルを示す図。 データテーブルの設定ルーチンを示すフローチャート。 ワークの切断加工における制御ルーチンを示すフローチャート。

以下に、この発明を具体化したワイヤソーの実施形態を図１〜図７の図面に従って説明する。
図１に示すように、この実施形態のワイヤソーにおいては、一対のボビン１１，１２が相互間隔をおいて回転可能に支持される。それらのボビン１１，１２には、ワーク１００を切断加工するためワイヤ１０１が巻き回される。各ボビン１１，１２は、ボビン回転用モータ１３，１４により所定タイミングで回転方向が切り換えられて、その往復回転が連続され、いずれか一方のボビン１１，１２からワイヤ１０１が繰り出されるとともに、他方のボビン１２，１１にワイヤ１０１が巻き取られ、所定のタイミングごとに繰り出しと巻き取りとの動作が交互に行なわれる。従って、ワイヤ１０１は所定のサイクルで往復走行される。この場合、ワイヤ１０１の往復走行のストロークに差が設けられていて、そのため、ワイヤ１０１は未使用部分を間欠的に繰り出しながらトータルとして全体が複数回使用されながら一方向に移動される。

前記ワイヤ１０１は、その外周にダイヤモンド等の砥粒を保持する砥粒固定タイプである。
図１及び図２に示すように、前記両ボビン１１，１２間の位置には、複数（実施形態では一対）の加工用ローラ１５，１６が間隔をおいて回転可能に支持されている。両加工用ローラ１５，１６の外周面には複数の環状溝２１がローラ軸方向に沿って所定のピッチで形成され、その加工用ローラ１５，１６の環状溝２１間に前記ワイヤ１０１が架設状態で周回されている。そして、このワイヤ１０１の架設状態で、両加工用ローラ１５，１６が図４に示す加工用ローラ回転用モータ３４により、前記ボビン１１，１２と同一のタイミングで往復回転されて、加工用ローラ１５，１６間において架設状態のワイヤ１０１が往復走行される。

図１に示すように、前記両加工用ローラ１５，１６間のワイヤ１０１の上方にはサドル３５がワーク送り用モータ３１により昇降可能に配置され、サドル３５の下面にはワーク１００が支持板１０２に貼着した状態で着脱可能に装着される。そして、ワーク送り用モータ３１によるサドル３５の下降により、ワーク１００が下方へ向かって送られる。このワーク１００の送りにより、ワーク１００が両加工用ローラ１５，１６間において走行するワイヤ１０１に押し付けられて、そのワイヤ１０１の外周の固定砥粒の研削作用により、所定厚さに切断加工される。前記ワーク送り用モータ３１には、このモータ３１の実際に出力されているトルク（以下、実行トルクという）を検出するためのトルクセンサ３３が付設されている。

前記両ボビン１１，１２の近傍位置には、トラバーサ１７，１８が往復動可能に配置されている。各トラバーサ１７，１８には、ボビン１１，１２に対するワイヤ１０１を周回支持するトラバースローラ１９，２０が自由回転可能に支持されている。そして、前記ワイヤ１０１の走行時には、図４に示すトラバーサ移動用モータ３６，３７により、トラバーサ１７，１８がボビン１１，１２の往復回転と同期して同ボビン１１，１２の軸方向に沿って往復動される。これによって、トラバースローラ１９，２０によりボビン１１，１２に対するワイヤ１０１の巻き取り及び繰り出しが案内される。

前記両加工用ローラ１５，１６とトラバーサ１７，１８との間には、ダンサアーム２３，２４が揺動可能に支持されている。各ダンサアーム２３，２４には、ワイヤ１０１を周回支持するダンサローラ２５，２６が自由回転可能に支持されている。各ダンサアーム２３，２４には、ダンサアーム２３，２４を回動させて、ダンサローラ２５，２６を介してワイヤ１０１の張力を変更するための図４に示すダンサアーム回動用モータ３８，３９が接続されている。

各ダンサローラ２５，２６と両加工用ローラ１５，１６との間には、ワイヤ１０１をガイドするためのガイドローラ２７が回転可能に配置されている。
次に、前記のように構成されたワイヤソーの電気的構成について説明する。

図４に示すように、制御装置４１は、第１設定手段、第２設定手段及び制御手段を構成している。そして、制御装置４１は、記憶部４２を有し、この記憶部４２にはワイヤソー全体の動作を制御するためのプログラムが記憶されている。制御装置４１には、操作盤３２のキーボードなどから入力された各種の一時的なデータを記憶する。制御装置４１は、キーボード（図示しない）を有する操作盤３２及び前記トルクセンサ３３からの信号を入力するとともに、ワーク送り用モータ３１をはじめとして、前記の各種のモータ１３，１４，３４，３６〜３９の動作を制御する。

前記記憶部４２には、図５に示すデータテーブル４５が記憶設定される。このデータテーブル４５には、切込み深さ記憶領域４６，送り速度記憶領域４７，定格トルク比記憶領域４８及び目標トルク比記憶領域４９が設けられている。

前記切込み深さ記憶領域４６には、ワイヤ１０１の切断動作によって基準となるワーク（以下、基準ワークという）１００を切断加工した際に、そのワーク１００に対して形成される切込みの深さＺ（図３参照）が段階的に書き込まれる。前記送り速度記憶領域４７には、各切込み深さに達するまでのワイヤ１０１の段階的な切断速度、すなわちワーク１００の送り速度が書き込まれる。前記定格トルク比記憶領域４８には、各切込み深さまでの送り速度を得るためのワーク送り用モータ３１の実行トルク（基準トルク）を示す段階的な値が書き込まれる。この実行トルクを示す値は、基準値であって、ワーク送り用モータ３１の定格トルクに対する比によって表される。前記目標トルク比記憶領域４９には、前記基準ワーク１００とは異なるワーク（以下、実加工ワークという）１００を切断加工する際に要する実行トルクの値が目標値である目標トルク値として書き込まれる。この目標トルク値は、定格トルクの値に対する比として記載される。

ここで、前記切込み深さ記憶領域４６における切込み深さの値、送り速度記憶領域４７における切込み速度の値及び定格トルク比記憶領域４８における定格トルク比の値は、それぞれ作業者により前記操作盤３２のキーボードによって入力されて記憶される。目標トルク比記憶領域４９の目標トルク比の値は、後述の演算によって導き出されて、自動的に書き込まれる。

制御装置４１は、ワーク１００の切断加工に際して、ワーク送り用モータ３１の実行トルクを監視し、定格トルクに対する実行トルクの比の値が目標トルク比記憶領域４９に記憶された目標トルク比の値と異なる場合は、ワーク送り用モータ３１の動作，すなわち実行トルクが変更されるように、同モータ３１を制御する。

次に、前記のように構成された本実施形態のワイヤソーの作用を図６及び図７のフローチャートに基づいて説明する。これらのフローチャートは制御装置４１の制御のもとに進行し、各ステップ（以下、単にＳという）の動作が実行される。

はじめに、図６に示すプログラムのＳ１において、操作盤３２のキーボードから、基準の加工用ローラ１５，１６の軸方向の長さ，直径及び環状溝２１の配列ピッチなどを含むワイヤソーの装置側の条件を示す各数値データが入力される。また、このＳ１において、基準ワーク１００の長さの数値データが入力される。ここで、前記環状溝２１の配列ピッチは基準ワーク１００の切断厚さを示す。また、後述の加工ワーク１００は、基準ワーク１００に対して長さが異なるのみで、径、断面形状、切断厚さ及び材質は同じである。これらの数値データは基準データとして記憶部４２に記憶されて設定され、これらのデータをもとに、Ｓ２において、ワイヤ１０１の走行速度及びワイヤ１０１の往復動ストロークなどのワイヤソーの作動データが演算によって設定される。

また、Ｓ３において、前記操作盤３２のキーボードにより、切込み深さ記憶領域４６に対して、基準ワーク１００に対する段階的な切込み深さが書き込まれ、送り速度記憶領域４７に各切込み深さに達するまでの切断速度が書き込まれる。さらに、定格トルク比記憶領域４８に前記切込み深さに達するまでのワーク送り用モータ３１の定格トルクに対する比の値が入力される。このようにして、データテーブル４５の基準データ記憶領域５０に基準ワーク１００を切断加工するための数値が書き込まれて、Ｓ４において基準データ記憶領域５０を備えたデータテーブル４５が設定される。なお、基準データ記憶領域５０に書き込まれる数値としては、あらかじめ算出された経験値が用いられる。

ワーク１００の加工開始に際しては、図７のフローチャートに示すプログラムが実行される。
すなわちＳ１１において、加工ワーク１００の加工に先立って、加工ワーク１００の加工のための加工用ローラ１５，１６が交換されたか否かが判断される。加工用ローラ１５，１６の交換の判断はキーボードに対する入力の有無に基づく。加工用ローラ１５，１６が交換された場合は、Ｓ１２において加工用ローラ１５，１６の環状溝２１の配列ピッチのデータが書き換えられる。

次いで、Ｓ１３において、加工ワーク１００の長さのデータがキーボードにより入力される。そして、Ｓ１２において入力された長さデータに基づいて、切断加工におけるワイヤ１０１の実働長さが演算される。この実働長さは、加工ワーク１００の切断加工において、加工ワーク１００に接している部分の総和を示す。

そして、Ｓ１４において、基準の環状溝２１の配列ピッチに対するＳ１２において設定された配列ピッチとの比と、基準ワーク１００の長さに対するＳ１３において入力された加工ワーク１００長さの比とがそれぞれ演算される。そして、その両比が前記定格トルク比記憶領域４８に記憶された切込み深さごとの定格トルク比に乗算されて、目標トルク比が演算される。この目標トルク比は、データテーブル４５の目標トルク比記憶領域４９に、加工深さごとの定格トルクに対するパーセンテージとして記載される。

次いで、Ｓ１５においては、ワーク送り用モータ３１の駆動により、ワーク１００がワイヤ１０１に向かって下降され、ワーク１００の下端がワイヤ１０１に接したところで、ワーク１００の下降が停止される。そして、その下降停止位置がゼロ位置として、キーボードによって入力されて、記憶部４２に記憶される。

この状態において、ワーク１００の切断加工が開始されると、Ｓ１６の判断を経て、ワーク１００が前記ゼロ位置を通過した後は、切断加工による切込みがデータテーブル４５の切込み深さ記憶領域４６に設定された深さに順次達する。そして、この設定された深さの位置に対応するごとに、Ｓ１７においてトルクセンサ３３によりワーク送り用モータ３１の実行トルク値が検出されて、定格トルクに対する比が演算される。

そして、Ｓ１８において、その実行トルクが目標トルク比を外れたか否かが判断される。実行トルクが目標トルク比から外れていない場合は、プログラムがＳ１６に戻る。
実行トルクが目標トルク比を外れている場合は、Ｓ１９において外れた方向が判断され、実行トルクが目標トルク比を上回る場合は、Ｓ２０においてワーク送り用モータ３１の実行トルクがダウンされてプログラムがＳ２２の切断終了か否かの判断を経てＳ１６に戻る。実行トルクが目標トルク比を下回る場合は、Ｓ２１においてワーク送り用モータ３１の実行トルクがアップされてＳ２２の切断を経てＳ１６に戻る。

ワイヤ１０１による切断加工がワーク１００の最上部に達して、ワーク１００の切断加工が終了した場合は、Ｓ２２の判断を経てプログラムが終了する。
以上のようにして、ワイヤ１０１の加工ワーク１００の切断加工に関与する部分の総和であるワイヤ１０１の実働長さに従って、ワーク送り用モータ３１の実行トルクが目標トルクとなるように調整される。

なお、図５に示すデータテーブル４５における切込み深さごとの送り速度や定格トルクのデータは、一例であって、基準ワーク１００や加工ワーク１００の長さ，径，断面形状、材質などによって好都合なデータテーブル４５が設定されて、そのデータテーブル４５内に適切な値が設定される。

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）前記実施形態においては、ワイヤ１０１の実働長さに応じてワーク送り用モータ３１のトルク制御が実行される。従って、ワーク１００の長さや径、あるいはワイヤ１０１の配列ピッチ、すなわち切断厚さや切断枚数などに応じてワーク送りにおいてワーク１００に対して適正な送りトルクが付与されるため、ワーク１００に対する加工負荷が適正レベルに維持できて、高精度加工を達成できる。従って、ワークの切断加工において、ワーク送り用モータ３１に対して異常な高負荷が作用することを回避できて、ワーク１００の切断不良や加工品の歩留まり低下、ワイヤ１０１の破断や異常摩耗などを抑えることができる。

（２）本実施形態においては、ワーク１００の切断加工に際して、ワーク１００ごとに設定された目標トルクが設定される。ワーク切断に際しては、ワーク送り用モータ３１の実行トルクが検出され、その実行トルクが目標トルクと比較される。そして、切断加工中に検出される実行トルクが目標トルクに対して変位している場合は、実行トルクが目標トルクとなすようにトルク出力の修正が実行される。従って、適正加工負荷による切断加工を実行できて、高精度加工を達成できる。

（３）ワーク１００の加工前に、加工されるワーク１００の長さや切断厚さに合わせて目標トルク比が設定される。つまり、ワーク１００側の条件にあわせて目標トルクを示す値が設定されるため、そのワーク１００を高精度に加工できる。

（４）加工されるワーク１００の長さなどのワーク１００側の条件の設定に先行して、加工用ローラ１５，１６の環状溝２１の配列ピッチなど、ワイヤソーの装置側の条件が設定される。このため、装置側の動作の条件と、ワーク１００側の条件との双方の条件により、ワーク送り用モータ３１のトルク管理を行なうことができて、高精度加工を達成できる。

（変更例）
なお、前記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・同じく、前記実施形態においては、ワイヤ１０１の実働長さに対応する加工負荷に応じて、ワーク送り用モータ３１の実行トルクを調整するようにしたが、実行トルクの調整に代えて、あるいは実行トルクの調整とともにワイヤ１０１の往復走行におけるストロークの差を調整すること。この場合、加工負荷が大きい場合は、ワイヤの往復走行のストローク差を大きくして、ワイヤの未使用部分の一往復当たりの繰り出し量を多くしてワイヤの使用回数を少なくし、加工負荷が小さい場合は、ワイヤの往復走行のストローク差を小さくして、ワイヤの未使用部分の一往復当たりの繰り出し量を少なくして、ワイヤの使用回数を多くすること。

・前記のように、前記実施形態においては、ワイヤの実働長さに対応する加工負荷に応じて、ワーク送り用モータ３１の実行トルクを調整するようにしたが、ワイヤ速度を調整すること。この場合、加工負荷が大きい場合は、ワイヤ１０１の走行速度を高くし、加工負荷が小さい場合は、ワイヤ１０１の走行速度を低くすること。

・前記実施形態においては、基準の加工用ローラ１５，１６及び基準のワーク１００の条件に従って、ワーク送り用モータ３１の定格トルクに対する目標トルクの比を演算するようにした。これに対し、実際の加工に用いる加工用ローラ１５，１６の環状溝２１の配列ピッチ、ワーク１００の径、ワーク１００の長さに従ってデータテーブル４５に対して実際の目標トルクの値を書き込むように構成すること。この場合は、目標トルクは、経験的に定められた値を用いてもよく、あるいは、前記環状溝２１の配列ピッチなどの条件に基づいて、演算によって求めるようにしても良い。このようにすれば、データテーブル４５の定格トルク比記憶領域４８が不要になる。言い換えれば、定格トルク比の設定や、定格トルク比と目標トルク比との比較演算が不要になる。

・前記実施形態では、切断深さ、ワーク送り速度、基準トルク比の数値をキーボードによって手動入力するように構成したが、これらの数値をワークの径などの条件に基づいて演算によって設定するように構成すること。

・定格トルク比記憶領域４８及び目標トルク比記憶領域４９に書き込まれる数値を比の値ではなく、実際のトルクの値とすること。
・ワーク１００を固定位置に配置するとともに、加工用ローラ１５，１６及びワイヤ１０１を送り用モータによりワーク１００に対して送って切断加工が行なわれるワイヤソーにおいて具体化すること。

１５，１６…加工用ローラ、２１…環状溝、３１…ワーク送り用モータ、４１…制御装置、４２…記憶部、４５…データテーブル、１００…ワーク、１０１…ワイヤ。

Claims (6)

1. ワークを切断加工するためのワイヤが架設状態で周回される複数の加工用ローラと、
   前記ワイヤをその長さ方向に走行させるワイヤ走行手段と、
   前記ワークを前記加工用ローラ間の前記ワイヤに向かって送るためのワーク送り手段とを備え、
   前記加工用ローラの回転にともなって前記ワイヤが走行され、前記加工用ローラ間の位置において前記ワイヤにより前記ワークに切断加工が施されるようにしたワイヤソーにおいて、
   前記ワークの切断加工に関与するワイヤ実働長さに応じて、ワイヤ走行手段及びワーク送り手段のうちの少なくとも一方の動作を制御して、前記ワークに対する加工負荷を調整する制御手段を備えたワイヤソー。
2. 前記ワーク送り手段は、ワーク送り用モータよりなり、前記制御手段は前記ワーク送り用モータの駆動トルクを調整する請求項１に記載のワイヤソー。
3. 前記制御手段は、前記ワーク送り用モータの駆動トルクの基準値をワーク切込み深さに応じて設定するための第１設定手段と、前記ワイヤの実働長さに応じた前記ワーク送り用モータの駆動トルクの目標値を設定する第２設定手段とを備え、
   前記制御手段は、前記基準値と目標値との差から前記ワーク送り用モータの駆動トルクを制御する請求項２に記載のワイヤソー。
4. 前記第１設定手段は、ワーク切込み深さに応じたワイヤの走行速度を設定する請求項３に記載のワイヤソー。
5. 複数の加工用ローラ間においてワイヤを周回状態で走行させるとともに、前記加工用ローラ間においてワークを前記ワイヤに対して送ってそのワイヤによってワークを切断するようにしたワイヤソーにおけるワーク切断加工方法において、
   前記ワークの切断加工に関与するワイヤの実働長さに応じて、ワーク送り及びワイヤ走行のうちの少なくとも一方の動作を制御して、ワークに対する加工負荷を調整するワイヤソーにおけるワーク切断加工方法。
6. ワーク送りにおけるワーク送り用モータの実行トルクを制御する請求項５に記載のワイヤソーにおけるワーク切断加工方法。

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