Brevet FR2652533A1 — publié le 19910405

La présente invention est relative à un procédé et dispositif de mise sous tension de fil coupant dans une machine-outil de découpe. Cette invention concerne plus particulièrement les machines de coupe utilisées dans l'industrie électronique ou photovoltaïque pour découper un lingot en matériau dur tel que silicium, germanium ou verre en une multitude de fines plaquettes. De telles machines comprennent usuellement au moins deux tambours, également appelés guide-fils, présentant sur leur surface cylindrique une suite de rainures circulaires au pas de découpe souhaitée. Ces guide-fils sont disposés dans un plan horizontal, et ce à partir d'un même plan vertical. Un fil d'acier est enroulé autour de ces guide-fils ce qui crée au moins une nappe de coupe horizontale composée d'une succession de brins de fils d'acier parallèles les uns par rapport aux autres. Ainsi, ce fil peut-#tre mis en mouvement par la rotation des guide-fils. Par ailleurs, la nappe de coupe est mouillée d'un liquide abrasif tel que des particules de carbure de silicium suspendues dans de l'eau ou de l'huile. Le lingot à découper est poussé contre la nappe de manière sous-jacente par un plateau.Les particules abrasives entratnées par le liquide lui-mdme emmené par le fil provoquent alors un effet de coupe Les recherches actuelles tendent à optimiser la qualité de la coupe obtenue avec les contraintes industrielles, Par qualité de coupe on entend une planéité rigoureuse et un minimum de contraintes mécaniques induites dans les surfaces. Les considérations industrielles sont par exemple le taux d'usure du fil, la possibilité de récupération de l'abrasif et/ou une forte productivité telle que deux mille plaquettes par lingot de 80 cm.Cet optimum dépend en fait d'une combinaison de paramètres tel que le diamètre du fil qui est de l'ordre de 0,2 mm, la qualité de l'abrasif, la a force d'application du lingot contre la nappe fixée actuellement à environ 50 y par ligne, la vitesse de déplacement du fil établie à environ 3 mis et la tension imposée au fil dont la valeur préférée est de l'ordre de 2,5 kg (soit 26 newtons). De ce qui précède, il apparaÎt nécessaire que la mise sous tension du fil coupant s'opère de manière précise et stable lors du fonctionnement de la machine, et ce quelle que soit la vitesse ou les accélérations imposées au fil coupant. Très rapidement, les premiers dispositifs de mise sous tension par charge statique tels que poids ou ressort ne se sont pas révélés assez fiables, et l'on a alors élaboré des dispositifs à charge dynamique à partir de mécanismes entraînes par des moteurs. L'exposé US 4 574 769 divulgue une machine de coupe dans laquelle les guide-fils 51-54 sont tenus par paire verticale par des plaques 81,82 reliées à deux blocs 101,102 dont le premier est solidaire du bàti et le second déplaçable latéralement par une tige filetée pour écarter les guide-fils, donc mettre sous tension les brins de la nappe de coupe. Dans la machine de découpe divulguée dans l'exposé FR 2 330 510, les guide-fils sont d'une part solidaires par une couronne crantée inférieure à un crémaillère sous-jacente, et d'autre part présentent respectivement deux oreilles 6 tenant une noix 7 filetée intérieurement au travers desquelles passe une vis dont les deux extrémités sont filetées en sens inverse et qui est entraÎnée au milieu par un moteur pas-à-pas. Ainsi, par rotation de cette vis, on peut plus ou moins écarter les oreilles donc les guide-fils l'un par rapport à l'autre. Comme on peut le constater, ces dispositifs de mise sous tension par écartement des guide-fils sont très lourds donc onéreux à réaliser sans toutefois permettre l'application d'une tension avec une précision suffisante. L'exposé FR 2 254 948 divulgue une machine comprenant une bobine débitrice de fil motorisée et régulée pour que la tension soit constante et une bobine réceptrice motorisée et régulée pour que la vitesse du fil soit constante. Ainsi, le fil quittant la bobine débitrice passe par un bras de levier de mesure de la tension, puis dans un dispositif d'accumulation pour mouvement de va-et-vient du fil en cours de fonctionnement puis par une série de poulies de direction jusqu'au guide-fils qu'elle quitte en passant par un tachomètre pour retourner à l'accumulateur avant d'être réenbobinée autour de la bobine réception.Dans cette machine, la tension étant donnée par la bobine débitrice, il apparaÎt de nombreux parasites variables et aléatoires lors du passage du fil dans les différents organes de transport et de renvoi avant que le fil n'arrive sur les guide-fils. Le but de la présente invention est un dispositif de mise sous tension du fil à une valeur très précise et rigoureusement constante dans le temps quelque soit l'inertie des pièces mises en mouvement, la vitesse ou l'accélaration de travail par la suite. De préférence, ce dispositif doit être mécaniquement simple pour minimiser les sources d'erreurs sans pour autant nécessiter de régulations mécaniques ou électroniques susceptibles de dériver. Autant que possible, cette mise sous tension doit être effectuée le plus près des guidefils afin d'éléminer le plus de source de parasites mécaniques intermédiaires. Enfin, la géométrie du dispositif doit être telle que la nappe de coupe soit entièrement contenue dans la longueur du lingot. Ces buts sont réalisés dans une machine-outil de découpe dans laquelle le fil est dévidé d'une bobine d'alimentation puis guidé jusqu'au moins deux cylindres guide-fils identiques horizontaux parallèles disposés vis-à-vis et tournant en synchronisme, guide-fils autour desquels le fil est enroulé pour former au moins une nappe de coupe puis est guidé jusqu'à une bobine de réception, grâce à un procédé consistant à provoquer un allongement prédéterminé du fil en le faisant passer d'abord par un enroulement autour de deux galets puis à l'enroulement autour des guide-fils, les galets ayant un même diamètre, inférieur à celui des guide-fils, étant disposés l'un vis-à-vis l'un de l'autre avec leurs axes parallèles et tournant en synchronisme avec les guidefils. Selon un mode de réalisation préférée, le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé comprend - au moins deux galets identiques de diamètre inférieur à celui des guide-fils situés hors du volume défini par les guide-fils et l'élément a découper durant son déplacement, lesquels galets sont disposés l'un vis-à-vis de l'autre avec leurs axes parallèles, - le cas échéant des moyens de guidage du fil de la sortie de l'enroulement autour des galets à l'entrée de l'enroulement autour des guide-fils, - des moyens mécaniques et/ou électriques entraînant au moins l'un des galets en synchronisme avec les guidefils. Selon une caractéristique avantageuse, le dispositif comprend deux paires identiques de galets, la première prévue pour la mise sous tension du fil située à proximité de l'entrée de l'enroulement autour des guidesfils, la seconde prévue pour la mise hors tension du fil de manière symétrique située à proximité de la sortie de l'enroulement autour des guide-fils ; ainsi que des moyens mécaniques et/ou électriques entraînant au moins l'un des galets de chaque paire en synchronisme avec les guide-fils. Selon une autre caractéristique avantageuse, les guide-fils ont une forme légèrement bombée en tonneau. L'invention est décrite ci-après de façon plus détaillée à l'aide d'exemple d'exécution sans caractère limitatif illustrée aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue éclatée en perspective du dispositif appliqué à une machine comprenant deux guide-fils, et - la figure 2 est une vue éclatée en perspective du dispositif appliqué à une machine comprenant quatre guide-fils. Sur la figure 1 sont illustrés de manière schématiques deux tambours identiques appelés guide-fils 127,129 avec leurs axes de rotation 116 et 114 respectivement. Par identiques, on entend des guides-fils ayant une même longueur ainsi qu'un même diamètre. Ces guide-fils sont disposés parallèlement dans un plan horizontal vis-à-vis l'un de l'autre de telle sorte qu'une même extrémité, leurs droites par exemple, appartiennent à une même ligne orthogonale. En d'autres termes, ces deux guides-fils constituent les deux côtés longitudinaux d'un rectangle. Dans de nombreuses machines connues, ces guide-fils sont tenus en porte-à-faux que par un seul côté de leur axe : mais ils pourraient également être tenus de part et d'autre dans un bâti.La surface cylindrique de ces guide-fils présente une succession de gorges circulaires transversales non représentée à un pas déterminant la future épaisseur des plaquettes coupées dans le lingot 10. Ces gorges circulaires ont une section triangulaire pour permettre une meilleure installation du fil. La surface de ces guide-fils est constituée d'une couche anti-glissement pour les fils d'acier qui est de préférence une couche de plastique polyuérthane. Un moteur 138 monté en bout d'arbre 114 entraÎne le guide-fil 129 en rotation et un moyen de transmission tel que chaÎne ou courroie 136 permet de transmettre ce mouvement pour bon synchronisme à l'axe 116 donc au guide-fil 127. Comme illustré sur la figure 1, le dispositif comprend par ailleurs à proximité des guides-fils, par exemple par dessus, deux axes 110,112 parallèles vis-àvis sur lesquels sont montés quatre galets identiques 122,124,126 et 128 de telle sorte qu'ils soient face à face deux à deux 124/128 et 122/126. Un moyen mécanique de liaison tel que courroie 132 ou chaîne applique une même vitesse de rotation à l'axe 110 qu'à l'axe 114 du guide-fil 129, De manière analogue au guide-fil, ces quatre galets présentent une succession de sillons circulaires tranversaux taillés dans un revêtement antiglissement. Le diamètre commun de ces quatre galets est légèrement inférieur à celui des guide-fils selon un rapport prédéterminé en fonction de la tension à appliquer au fil. Les éléments décrits précédemment ainsi installés, le fil d'acier coupant 20 arrivant d'une bobine débitrice 5 en (a) est d'abord enroulé plusieurs fois en (b) autour des galets 124,128. Le nombre minimum de spires ainsi constitué est de dix avec un optimum de cinquante spires. Le fil 20 quitte ensuite le galet 128 et se dirige en (c) vers le guide-fil 127 à partir duquel il est enroulé autour des guide-fils 127 et 129 tel qu'illustré sur la figure I en (d). La nappe constituée de l'ensemble des brins inférieurs parallèles crée alors la zone de coupe contre laquelle sera ammené par la suite puis pressé le lingot 10 à découper. Le fil coupant quitte cette nappe (d) en (e) pour remonter vers le galet 122 où il est alors enroulé en (f) autour des galets 122,126 avant de repartir en (g) en direction de la bobine réceptrice 6.Bien entendu, le fil d'acier 20 présente des caractéristiques constantes notamment en matériau et en section. Du fait de ce mode d'enroulement du fil, il est nécessaire que les nappes de fils autour des galets n'interfèrent pas avec le volume constitué par les guides-fils et le lingot en déplacement, ce qui pourrait pertuber l'opération de découpe. Dans ce contexte, la position préférée de l'ensemble des galets est au-dessus des guide-fils. Compte-tenu que, de par la présence de la courroie 132, la vitesse angulaire de rotation des galets est identique à celle des guide-fils, un élément de fil 20 est amené à parcourir un demi-périmètre de galet 128 dans le méme intervalle de temps qu'il doit par la suite parcourir le demi-périmètre du guide-fil 127. Or, du fait de la différence de diamètre entre les galets et les guide-fils, ce second parcours est évidemment plus long que le premier. En d'autres termes, le fil 20 aura nécessairement subit un allongement en (c) c'est-à-dire entre la sortie du galet 128 et l'entrée du guide-fil 127, cet un allongement correspondant rigoureusement à la différence de périmètre du galet et du guide-fil respectivement. Typiquement, cet allongement est de l'ordre de 3 mm/m. La tension alors induite au sein du fil est donnée par la formule T = (E x A) x dl/L dans laquelle E représente le coefficient d'élasticité du matériau (acier ou autre) constituant le fil, A la section du fil, dl/L l'allongement du fil. E et A étant constants de par fabrication du fil, et dl/L étant constant de par les dimensions établies lors de la conception du dispositif, la tension induite est nécessairement constante à une valeur de consigne. De plus, cette tension est directement appliquée à l'endroit nécessaire dans la machine de découpe : c'est-à-dire au niveau des guide-fils. Lors de la mise en place du fil d'acier 20 dans le dispositif, celui-ci est d'abord enroulé autour des galets 124,128 sous une faible tension de l'ordre de 200 à 300 g correspondant à la faible résistance due à la bobine de dévidement 5 et des moyens de renvois jusqu'à ces galets. Après avoir amené le fil en (c) puis effectué plusieurs spires autour des guide-fils 127,129, on enclenche le moteur 138 à petite vitesse afin d'entraîner le fil que l'on installe au fur et à mesure de sa progression dans les gorges circulaires suivantes. Ainsi, lors de la progression de la constitution de la nappe, le fil d'acier 20 est immédiatement mis à la bonne tension dès son entrée dans la nappe. De même, l'arrêt de la machine ne modifiant pas la répartition du fil, la tension reste présente au niveau des guide-fils. Il en est de même lors d'accélération, de désaccélération ou de vitesse variable La figure 2 illustre le dispositif de mise sous tension du fil appliqué à une machine de découpe plus importante comprenant quatre guide-fils 223,225,227 et 229. Un tel arrangement permet de traiter des lingots 15 de dimensions plus importantes car, au fur et à mesure de sa montée lors du sciage, ce lingot 15 dispose d'un espace plus important à l'intérieur du volume défini par ces guide-fils. Comme précédemment, quatre galets 222,224,226 et 228 présentant chacun une succession de rainures circulaires taillées dans un revêtement antiglissant sont montés par paires vis-à-vis sur deux axes 210 et 212. Toujours comme précédemment, le diamètre des galets est inférieur au diamètre des guide-fils de telle sorte que la différence de périmètre soit de l'ordre de 3 mm/m.Au moins une courroie 237 transmet au galet une même vitesse de rotation que celle des guide-fils. En référence aux figures 1 et 2, on peut considérer que le fil d'acier 20 enroulé sous tension en (d) est suffisant pour entraÎner les guide-fils nonmotorisés. Toutefois, pour éviter l'apparition de tensions parasites, il peut s'avérer préférable de compléter l'entratnement des guide-fils par des courroies complémentaires d'accompagnement 136,234,235 et 236. De même, et compte-tenu que les enroulements autour des galets (b) et (f) sont sous faible e tension, il est préférable de confirmer ltentraSnement de l'ensemble des galets notamment par des courroies de transmission complémentaires 134 et 232. La tension induite dans les fils au niveau de la nappe étant de l'ordre de 2 kg et demi et le nombre de brins pouvant montés jusqu'au millier, on comprend qu'une force de traction importante s'exerce sur les guide-fils qui peuvent avoir tendance à fléchir ce qui revient à diminuer l'éllongation induite précédemment dans le fil. Pour palier à cet inconvénient, il peut s'avérer utile d'usiner ces guide-fils de manière légèrement bombée de telle, qu'une fois tirés en leur milieu, le demi-cylindre autour duquel est enroulé le fil, redevienne rigoureusement rectiligne. On appréciera également le fait que le dispositif et son effet sont rigoureusement symétriques par rapport à l'entrée et la sortie du guide-fil, ce qui permet d'inverser sans autre la direction de déplacement du fil. Si nécessaire et selon la géométrie de la machine-outil, il est possible de dissocier les paires de galets 124,128 et 122,126 pour les installer, sans arbre commun, en des parties différentes de la machine. Toutefois, il conviendra de prévoir des moyens mécaniques et/ou électriques supplémentaires séparés tournant au moins l'un des galets de chaque paire en synchronisme avec des guides-fils. On peut alors envisager de disposer chaque paire toujours proche des guide-fils mais dans les parties latérale, frontales ou antérieures de la machineoutil qui peut devenir plus compacte. En décidant d'une autre implantation pour une paire de galets, il est nécessaire de prendre garde qu'elle n'interfère pas avec le volume constitué par les guide-fils et le lingot en déplacement, et il est souhaitable d'éviter, ou du moins minimiser, la présence de moyens de renvoi (tels que poulies) sur le parcours (c) ou (f) du fil Comme on a pu le constater à la lecture de cet exposé, le dispositif selon l'invention présente une certaine simplicité mécanique, notamment du fait qu'aucune pièce n'est déplacée en translation, tout au plus mobile en rotation autour d'axe solidement ancré. Ainsi, la tension est essentiellement induite par la géométrie du dispositif donc quasiment immuable. Dans ces conditions, la nécessité d'un tensiomètre de contrôle est très faible. De nombreuses améliorations peuvent être apportées au dispositif dans le cadre de cette invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de mise sous tension de fil coupant dans une machine-outil de découpe dans laquelle le fil (20) est dévidé d'une bobine d'alimentation (5) puis guidé jusqu'à au moins deux cylindres guide-fils identiques (127,129) horizontaux parallèles disposés en vis-à-vis et tournant en synchronisme, guide-fils autour desquels le fil est enroulé pour former au moins une nappe de coupe puis est guidé jusqu'à une bobine de réception (6) caractérisé en ce que l'on provoque un allongement prédéterminé du fil en le faisant passer d'abord par ui? un enroulement autour de deux galets (124,128) puis à l'enroulement autour des guide-fils (127,129), les galets (124,128) ayant un même diamètre, inférieur à celui des guides-fils, étant disposés l'un vis-à-vis de l'autre avec leurs axes parallèles et tournant en synchronisme avec les guide-fils 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend - au moins deux galets identiques (124,128) de diamètre inférieur à celui des guide-fils (127,129), situés hors du volume défini par les guide-fils et l'élément ~10) à découper durant son déplacement, lesquels galets sont disposés l'un vis-à-vis de l'autre avec leurs axes parallèles, - le cas échéant des moyens de guidage du fil de la sortie de l'enroulement autour des galets à l'entrée de l'enroulement autour des guide-fils, - des moyens (110,132) mécaniques et/ou électriques entraînant au moins l'un des galets (l24) en synchronisme avec les guide-fils. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend deux paires identiques de galets (124/128,122/126), la première (124,128) prévue pour la mise sous tension du fil située à proximité de l'entrée de l'enroulement autour des guides-fils (127,129), la seconde (122/126) prévue pour la mise hors tension du fil de manière symétrique située à proximité de la sortie de l'enroulement autour des guide-fils, ainsi que des moyens (132,110) mécaniques et/ou électriques entraÎnant au moins l'un des galets de chaque paire (122,124) en synchronisme avec les guide-fils. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les guide-fils ont une forme légèrement bombée en tonneau. 5. Utilisation du procédé selon la revendication 1 pour la découpe de lingot métallique.