固結(jié)磨料精磨手機(jī)面板玻璃的實(shí)驗(yàn)研究

周含宣，左敦穩(wěn)，孫玉利，夏保紅

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

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固結(jié)磨料精磨手機(jī)面板玻璃的實(shí)驗(yàn)研究

周含宣，左敦穩(wěn)，孫玉利，夏保紅

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

摘要：固結(jié)磨料精磨工藝具有加工效率高和清潔方便等突出優(yōu)點(diǎn)。采用正交實(shí)驗(yàn)法，研究了精磨壓力、時(shí)間、轉(zhuǎn)速和拋光液濃度等參數(shù)對(duì)固結(jié)磨料精磨手機(jī)面板玻璃的材料去除率MRR和表面粗糙度Sa的影響，并綜合優(yōu)化獲得高材料去除率和優(yōu)表面品質(zhì)的工藝參數(shù)。結(jié)果表明精磨的最佳工藝參數(shù)組合為：精磨壓力為0.1 MPa，轉(zhuǎn)速為 160 r/min，精磨時(shí)間5 min，拋光液濃度10%。

關(guān)鍵詞：固結(jié)磨料；手機(jī)面板玻璃；材料去除率；表面粗糙度

0前言

光學(xué)玻璃常被用作照相機(jī)鏡頭、隱形雷達(dá)探照鏡、激光發(fā)射裝置中的光學(xué)透鏡、棱鏡、平板顯示器等超精密零件。由于光學(xué)玻璃的廣泛使用，傳統(tǒng)的加工方法已不能滿(mǎn)足精密加工的需要，尤其是對(duì)于非球曲面零件，特別是具有小曲率半徑的非球凹面零件，用傳統(tǒng)的加工方法加工較為困難且不能保證加工精度，不符合現(xiàn)代高科技發(fā)展的要求[1]。光學(xué)玻璃的加工之所以困難是由它本身特性和現(xiàn)有加工技術(shù)的限制：被加工的表面粗糙度要求高；光學(xué)玻璃材料硬而脆，加工的過(guò)程要保證在一定的塑性域切削；以銑磨和拋光為主要的加工方法，需要經(jīng)過(guò)粗磨、精磨、拋光等多個(gè)制造工序才能加工出超光滑表面；加工過(guò)程中需要使用拋光液、拋光粉、拋光墊材料、清洗液、膠合用膠等材料[2]。B.H. Lv等采用金剛石磨粒和光敏樹(shù)脂制備固結(jié)磨料精磨墊用于氮化硅陶瓷球的精磨加工，并對(duì)精磨后陶瓷表面進(jìn)行觀察以確定其去除機(jī)理[3].。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)春理工大學(xué)楊建東等人用金剛石磨料與銅結(jié)合劑做成金剛石丸片，用環(huán)氧樹(shù)脂將丸片固定到設(shè)計(jì)好的磨具上制成固結(jié)磨料精磨盤(pán)，開(kāi)展了固結(jié)磨料拋光精磨運(yùn)動(dòng)軌跡分析，以及模擬了實(shí)現(xiàn)磨具均勻性磨損的條件[4-5]。南京航空航天大學(xué)的左敦穩(wěn)、朱永偉教授等人采用親水性光固化樹(shù)脂作為FAP基體，添加微納米金剛石或CeO2作為磨料，經(jīng)紫外光固化成型工藝制備出了一種新型的親水性固結(jié)磨料精磨拋光墊，并比較了親水性固結(jié)磨料拋光墊與傳統(tǒng)的游離磨料方法拋光硅片、K9光學(xué)玻璃、手機(jī)面板玻璃等的性能研究[6-7]。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了金剛石固結(jié)磨料拋光墊精磨手機(jī)面板玻璃，利用正交實(shí)驗(yàn)分析不同的工藝參數(shù)對(duì)手機(jī)面板玻璃的加工影響，從去除率和表面粗糙度衡量其加工效果并對(duì)其進(jìn)行機(jī)理分析和工藝優(yōu)化。

1實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)春理工大學(xué)科技開(kāi)發(fā)中心自行研制的PHL-350型高速研磨拋光機(jī)和本課題組朱永偉老師自制的親水性固結(jié)磨料精磨墊，精磨墊磨粒為W14金剛石，替換了原機(jī)床上的金剛石磨盤(pán)和壓蓋。工件是60×60×3mm的顯示面板玻璃。拋光液是由去離子水與中晶科技公司配置的加速劑組成。實(shí)驗(yàn)主要研究精磨壓力、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速、時(shí)間和拋光液濃度對(duì)材料去除率和表面品質(zhì)的影響。每個(gè)因素都有3個(gè)水平，各因素的水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。選用L9(34)作為實(shí)驗(yàn)的正交表。使用NanoMap 500LS三維形貌儀測(cè)量粗糙度和表面形貌，每個(gè)工件測(cè)5個(gè)點(diǎn)的平均值作為最后的結(jié)果。

表1　各因素水平

為了準(zhǔn)確地得到工件表面的去除速率，將傳統(tǒng)的單位時(shí)間厚度變化公式轉(zhuǎn)化為質(zhì)量變化公式，只需稱(chēng)量面板玻璃試驗(yàn)前后的質(zhì)量以及精磨前的厚度，便可得到去除率。采用賽多利斯BS224S精密分析天平測(cè)重，厚度采用電子讀數(shù)的螺旋測(cè)微儀來(lái)測(cè)量，取5個(gè)不同地方的點(diǎn)作為其平均值，轉(zhuǎn)換后的式(1)如下：

(1)

式(1)中：MRR為材料去除率，μm/min；Δm為精磨加工前后的質(zhì)量差，g；H為工件的初始厚度，mm；M為工件的原始質(zhì)量，g；t為精磨時(shí)間，min。

2結(jié)果分析與討論

2.1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在W14精磨墊研磨后各試驗(yàn)因素對(duì)去除速率和粗糙度的影響，如表2所示。

表2　試驗(yàn)因素對(duì)各指標(biāo)的影響結(jié)果及分析

表中K1、K2、K3分別為各水平三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

2.2　精磨工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度和材料去除率的影響

W14精磨墊的工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度(Sa)和材料去除率(MRR)的影響如圖1所示，每點(diǎn)的坐標(biāo)值大小為水平重復(fù)三次的平均值。

圖1(a)為壓力對(duì)表面粗糙度和材料去除率的影響趨勢(shì)圖。去除率遵循Preston方程。

MRR=kPV

(2)

其中：MRR為去除速率，k是為材料相關(guān)的Preston系數(shù)；P指對(duì)工件施加的壓力，V指工件表面某點(diǎn)的線速度。隨著壓力的增大，工件表面粗糙度在逐步降低。壓力的增加使拋光液與工件表面的接觸更充分，化學(xué)反應(yīng)活性提高，工件表面基體能快速形成較軟的反應(yīng)物，此時(shí)的切削屬于塑性去除，得到的表面劃痕和裂紋擴(kuò)展越來(lái)越少，從而粗糙度值減小。

圖1　各因素不同水平下精磨材料對(duì)去除率和粗糙度的影響

圖1(b)為時(shí)間對(duì)粗糙度和材料去除率的影響趨勢(shì)圖。隨著時(shí)間的增加，材料去除率逐漸降低。這是因?yàn)樵诰コ跏茧A段工件與精磨墊處于磨合階段，表面粗糙度值較大，整體形貌參差不齊，磨粒在與工件接觸時(shí)摩擦作用較明顯，會(huì)發(fā)生大顆粒的去除；隨著精磨時(shí)間的增加，工件表面的品質(zhì)得到有效改善，材料的去除更加均勻，同時(shí)精磨墊的表面金剛石顆粒也被磨平，造成去除率下降。

相反，隨著時(shí)間的增加粗糙度卻越來(lái)越低，可以根據(jù)上述去除率減小的作用機(jī)理分析出粗糙度得到明顯改善。但根據(jù)文獻(xiàn)[8]可以判斷隨時(shí)間的延長(zhǎng)，材料的去除率會(huì)達(dá)到一穩(wěn)定值。

圖1(c)為轉(zhuǎn)速對(duì)粗糙度和材料去除率的影響趨勢(shì)圖。隨著工作臺(tái)轉(zhuǎn)速的增加，材料去除率先升高后有略微降低，這與Preston方程有稍微的差別。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，工件的MRR不是很大，可能是由于工件中心點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象使工件的邊緣去除沒(méi)有中間的有效。當(dāng)繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速會(huì)使拋光液與工件的接觸時(shí)間更短，還沒(méi)來(lái)得及反應(yīng)就因?yàn)殡x心力的作用被甩出，化學(xué)作用與機(jī)械作用之間的平衡被打破，表現(xiàn)為機(jī)械作用起主導(dǎo)作用。

粗糙度隨著工作臺(tái)轉(zhuǎn)速的增加而降低，因?yàn)檗D(zhuǎn)速的提高會(huì)增加工價(jià)面上各點(diǎn)的線速度，使得在相同時(shí)間的情況下有效去除面積增大，這樣工件表面去除更加均勻，表面粗糙度得到改善。

圖1(d)為拋光液中加速劑的濃度與材料去除率和表面粗糙度的關(guān)系。當(dāng)不添加任何拋光液時(shí)，工件精磨的過(guò)程中只有機(jī)械作用，沒(méi)有任何化學(xué)反應(yīng)，因此材料去除是一種純機(jī)械加工；當(dāng)添加拋光液與去離子水的比例為1：10時(shí)會(huì)提高去除率，這是化學(xué)作用與機(jī)械作用相互作用的結(jié)果。拋光液是呈堿性，顯示面板玻璃工件是納系硅酸鹽玻璃，會(huì)跟堿產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)方程式(3)如下：

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

(3)

生成的Na2SiO3有粘性，屬于膠體，所以在機(jī)械摩擦作用下很容易去除。隨著拋光液濃度的增加化學(xué)作用也越強(qiáng)，使去除率得到提高。

可以看出粗糙度值出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，但總體對(duì)粗糙度的影響其實(shí)不是很大，只有幾個(gè)納米的范圍。可能是最后接觸到的軟化層沒(méi)有得到及時(shí)去除，導(dǎo)致表面基體軟硬層之間凹凸坑較多粗糙度變大。

2.3　工藝參數(shù)的綜合優(yōu)化

從加工效率角度來(lái)看材料去除率是越大越好，最佳實(shí)驗(yàn)組合方案是B1A3C2D2，即精磨時(shí)間5min、精磨壓力0.1 MPa、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速120 r/min、拋光液的濃度10%；從加工品質(zhì)來(lái)看表面粗糙度是越小越好，最佳實(shí)驗(yàn)組合方案是C3B3A3D2，即工作臺(tái)轉(zhuǎn)速160 r/min、精磨時(shí)間15min、精磨壓力0.1 MPa、拋光液的濃度10%。

從上述兩種最優(yōu)組合可看出，當(dāng)需要對(duì)材料去除率和表面粗糙度的側(cè)重點(diǎn)不一樣時(shí)，所采取的工藝參數(shù)的優(yōu)化

結(jié)果也不一樣，所以要根據(jù)主次因素來(lái)綜合考慮各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)兩種指標(biāo)的影響程度和趨勢(shì)，選出最佳參數(shù)組合。圖1(b)中可以看出時(shí)間對(duì)去除速率影響較大，對(duì)粗糙度相對(duì)來(lái)說(shuō)影響較小，從精磨階段來(lái)看優(yōu)先考慮去除速率而表面粗糙度達(dá)到拋光前要求即可，所以選擇B1即5min；從圖1(c)中可以得出轉(zhuǎn)速對(duì)粗糙度的影響較大，在去除率上也有較大變化但出現(xiàn)波動(dòng)，所以從加工品質(zhì)來(lái)考慮優(yōu)先選擇C3即160r/min。綜合考慮材料去除率和表面粗糙度，各精磨工藝參數(shù)的最優(yōu)組合為：轉(zhuǎn)速160 r/min，精磨壓力0.1 MPa，時(shí)間5min，加速劑濃度為10%。

3結(jié)論

1) 固結(jié)磨料精磨手機(jī)面板玻璃隨著精磨壓力和拋光液濃度的增大，材料去除率增大；而轉(zhuǎn)速和時(shí)間增大會(huì)使手機(jī)面板玻璃去除率降低。各因素對(duì)材料去除率影響大小順序依次為精磨時(shí)間、壓力、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速和拋光液濃度。

2) 固結(jié)磨料精磨手機(jī)面板玻璃的表面粗糙度隨著精磨壓力、時(shí)間和工作臺(tái)轉(zhuǎn)速的增大而減小，精磨液濃度對(duì)改善工件的表面粗糙度影響不大。各因素對(duì)表面粗糙度影響因素的大小依次為工作臺(tái)轉(zhuǎn)速、時(shí)間、精磨壓力和拋光液濃度。

3) 綜合考慮材料去除率和表面粗糙度，各精磨工藝參數(shù)的最優(yōu)組合為：轉(zhuǎn)速160 r/min，精磨壓力0.1 MPa，時(shí)間5min，加速劑濃度為10%。

參考文獻(xiàn):

[1] Zhao Qingliang, Liang Yingchun,David Stephenson, et al. Surface and subsurface integrity in diamond grinding of optical glass on Tetraform's[J]. International Journal of Machine Tools&Manufacture, 2007 (47): 2091-2097.

[2] 舒朝濂，川愛(ài)玲，杭凌俠，等. 現(xiàn)代光學(xué)制造技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[3] B.H. Lv, J.L.Yuan, Y.X.Yao, et al. Study on fixed abrasive lapping technology for ceramic balls[J]. Materials Science Form, 2006(6): 460-463.

[4] J.D.Yang, X.H.Wen, Y.Q.Zhu, et al. Discussing on solid abrasive lapping path[J]. Chinese Journal of Mechanical Engilieering, 1997,10(2):101-105.

[5] 楊建東，朱艷秋，任長(zhǎng)根，等. 機(jī)械密封精磨模具均勻磨損探討[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),1998,29(1):108-112.

[6] 朱永偉，王軍，李軍，等. 固結(jié)磨料拋光墊拋光硅片的探索研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2009,20(6):723-727.

[7] 王軍，李軍，朱永偉，等. 游離和固結(jié)金剛石磨料拋光手機(jī)面板玻璃的試驗(yàn)研究[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2009(2):13-17.

[8] 墨洪磊，朱永偉，唐曉瀟，等. 固結(jié)磨料精磨K9玻璃的工藝優(yōu)化[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2012(03):7-11.

Research on Fixed Abrasive Lapping of Glass Panel for Cell Phone

ZHOU Han-xuan, ZUO Dun-wen, SUN Yu-li, XIA Bao-hong

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics

& Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:Fixed abrasive fine grinding has many advantages such as high machining efficiency, easy cleaning and so on. An orthogonal test is used to research on the effect of pressure, speed, time and the concentration of polishing slurry on the material removal rate MRR and average surface roughness Sa of glass panel for cell phone. The optimized process parameters for the high material removal rate and good surface quality are obtained. The results show that the optimal parameters are pressure 0.1 MPa, speed 160 rpm, grinding time 5 min and the concentration of polishing slurry 10%.

Keywords:fixed abrasive; glass panel for cell phone; material removal rate; surface roughness

中圖分類(lèi)號(hào)：TG580.61+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0018-03

作者簡(jiǎn)介：周含宣(1988-)，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，研究方向?yàn)榫芘c超精密加工。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51375237)；江蘇省重大成果科技轉(zhuǎn)化項(xiàng)目“高清液晶顯示屏表面超精密加工用納米拋光材料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”；江蘇省自然科學(xué)基金(BK2012796)；南京航空航天大學(xué)人才引進(jìn)項(xiàng)目(1005-56yAH)

收稿日期：2014-10-09