固結磨料精磨手機面板玻璃的實驗研究

周含宣，左敦穩，孫玉利，夏保紅

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

?

固結磨料精磨手機面板玻璃的實驗研究

周含宣，左敦穩，孫玉利，夏保紅

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

摘要：固結磨料精磨工藝具有加工效率高和清潔方便等突出優點。采用正交實驗法，研究了精磨壓力、時間、轉速和拋光液濃度等參數對固結磨料精磨手機面板玻璃的材料去除率MRR和表面粗糙度Sa的影響，并綜合優化獲得高材料去除率和優表面品質的工藝參數。結果表明精磨的最佳工藝參數組合為：精磨壓力為0.1 MPa，轉速為 160 r/min，精磨時間5 min，拋光液濃度10%。

關鍵詞：固結磨料；手機面板玻璃；材料去除率；表面粗糙度

0前言

光學玻璃常被用作照相機鏡頭、隱形雷達探照鏡、激光發射裝置中的光學透鏡、棱鏡、平板顯示器等超精密零件。由于光學玻璃的廣泛使用，傳統的加工方法已不能滿足精密加工的需要，尤其是對于非球曲面零件，特別是具有小曲率半徑的非球凹面零件，用傳統的加工方法加工較為困難且不能保證加工精度，不符合現代高科技發展的要求[1]。光學玻璃的加工之所以困難是由它本身特性和現有加工技術的限制：被加工的表面粗糙度要求高；光學玻璃材料硬而脆，加工的過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，需要經過粗磨、精磨、拋光等多個制造工序才能加工出超光滑表面；加工過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脂制備固結磨料精磨墊用于氮化硅陶瓷球的精磨加工，并對精磨后陶瓷表面進行觀察以確定其去除機理[3].。國內長春理工大學楊建東等人用金剛石磨料與銅結合劑做成金剛石丸片，用環氧樹脂將丸片固定到設計好的磨具上制成固結磨料精磨盤，開展了固結磨料拋光精磨運動軌跡分析，以及模擬了實現磨具均勻性磨損的條件[4-5]。南京航空航天大學的左敦穩、朱永偉教授等人采用親水性光固化樹脂作為FAP基體，添加微納米金剛石或CeO2作為磨料，經紫外光固化成型工藝制備出了一種新型的親水性固結磨料精磨拋光墊，并比較了親水性固結磨料拋光墊與傳統的游離磨料方法拋光硅片、K9光學玻璃、手機面板玻璃等的性能研究[6-7]。

實驗開展了金剛石固結磨料拋光墊精磨手機面板玻璃，利用正交實驗分析不同的工藝參數對手機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其進行機理分析和工藝優化。

1實驗

實驗采用長春理工大學科技開發中心自行研制的PHL-350型高速研磨拋光機和本課題組朱永偉老師自制的親水性固結磨料精磨墊，精磨墊磨粒為W14金剛石，替換了原機床上的金剛石磨盤和壓蓋。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。實驗主要研究精磨壓力、工作臺轉速、時間和拋光液濃度對材料去除率和表面品質的影響。每個因素都有3個水平，各因素的水平設計見表1。選用L9(34)作為實驗的正交表。使用NanoMap 500LS三維形貌儀測量粗糙度和表面形貌，每個工件測5個點的平均值作為最后的結果。

表1　各因素水平

為了準確地得到工件表面的去除速率，將傳統的單位時間厚度變化公式轉化為質量變化公式，只需稱量面板玻璃試驗前后的質量以及精磨前的厚度，便可得到去除率。采用賽多利斯BS224S精密分析天平測重，厚度采用電子讀數的螺旋測微儀來測量，取5個不同地方的點作為其平均值，轉換后的式(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量差，g；H為工件的初始厚度，mm；M為工件的原始質量，g；t為精磨時間，min。

2結果分析與討論

2.1　實驗結果

在W14精磨墊研磨后各試驗因素對去除速率和粗糙度的影響，如表2所示。

表2　試驗因素對各指標的影響結果及分析

表中K1、K2、K3分別為各水平三次重復實驗結果的平均值。

2.2　精磨工藝參數對表面粗糙度和材料去除率的影響

W14精磨墊的工藝參數對表面粗糙度(Sa)和材料去除率(MRR)的影響如圖1所示，每點的坐標值大小為水平重復三次的平均值。

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

MRR=kPV

(2)

其中：MRR為去除速率，k是為材料相關的Preston系數；P指對工件施加的壓力，V指工件表面某點的線速度。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，化學反應活性提高，工件表面基體能快速形成較軟的反應物，此時的切削屬于塑性去除，得到的表面劃痕和裂紋擴展越來越少，從而粗糙度值減小。

圖1　各因素不同水平下精磨材料對去除率和粗糙度的影響

圖1(b)為時間對粗糙度和材料去除率的影響趨勢圖。隨著時間的增加，材料去除率逐漸降低。這是因為在精磨初始階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摩擦作用較明顯，會發生大顆粒的去除；隨著精磨時間的增加，工件表面的品質得到有效改善，材料的去除更加均勻，同時精磨墊的表面金剛石顆粒也被磨平，造成去除率下降。

相反，隨著時間的增加粗糙度卻越來越低，可以根據上述去除率減小的作用機理分析出粗糙度得到明顯改善。但根據文獻[8]可以判斷隨時間的延長，材料的去除率會達到一穩定值。

圖1(c)為轉速對粗糙度和材料去除率的影響趨勢圖。隨著工作臺轉速的增加，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。當轉速較低時，工件的MRR不是很大，可能是由于工件中心點應力集中現象使工件的邊緣去除沒有中間的有效。當繼續提高轉速會使拋光液與工件的接觸時間更短，還沒來得及反應就因為離心力的作用被甩出，化學作用與機械作用之間的平衡被打破，表現為機械作用起主導作用。

粗糙度隨著工作臺轉速的增加而降低，因為轉速的提高會增加工價面上各點的線速度，使得在相同時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系。當不添加任何拋光液時，工件精磨的過程中只有機械作用，沒有任何化學反應，因此材料去除是一種純機械加工；當添加拋光液與去離子水的比例為1：10時會提高去除率，這是化學作用與機械作用相互作用的結果。拋光液是呈堿性，顯示面板玻璃工件是納系硅酸鹽玻璃，會跟堿產生化學反應，其反應方程式(3)如下：

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

(3)

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

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

2.3　工藝參數的綜合優化

從加工效率角度來看材料去除率是越大越好，最佳實驗組合方案是B1A3C2D2，即精磨時間5min、精磨壓力0.1 MPa、工作臺轉速120 r/min、拋光液的濃度10%；從加工品質來看表面粗糙度是越小越好，最佳實驗組合方案是C3B3A3D2，即工作臺轉速160 r/min、精磨時間15min、精磨壓力0.1 MPa、拋光液的濃度10%。

從上述兩種最優組合可看出，當需要對材料去除率和表面粗糙度的側重點不一樣時，所采取的工藝參數的優化

結果也不一樣，所以要根據主次因素來綜合考慮各個工藝參數對兩種指標的影響程度和趨勢，選出最佳參數組合。圖1(b)中可以看出時間對去除速率影響較大，對粗糙度相對來說影響較小，從精磨階段來看優先考慮去除速率而表面粗糙度達到拋光前要求即可，所以選擇B1即5min；從圖1(c)中可以得出轉速對粗糙度的影響較大，在去除率上也有較大變化但出現波動，所以從加工品質來考慮優先選擇C3即160r/min。綜合考慮材料去除率和表面粗糙度，各精磨工藝參數的最優組合為：轉速160 r/min，精磨壓力0.1 MPa，時間5min，加速劑濃度為10%。

3結論

1) 固結磨料精磨手機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；而轉速和時間增大會使手機面板玻璃去除率降低。各因素對材料去除率影響大小順序依次為精磨時間、壓力、工作臺轉速和拋光液濃度。

2) 固結磨料精磨手機面板玻璃的表面粗糙度隨著精磨壓力、時間和工作臺轉速的增大而減小，精磨液濃度對改善工件的表面粗糙度影響不大。各因素對表面粗糙度影響因素的大小依次為工作臺轉速、時間、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，各精磨工藝參數的最優組合為：轉速160 r/min，精磨壓力0.1 MPa，時間5min，加速劑濃度為10%。

參考文獻:

[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，川愛玲，杭凌俠，等. 現代光學制造技術[M]. 北京: 國防工業出版社，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，任長根，等. 機械密封精磨模具均勻磨損探討[J]. 農業機械學報,1998,29(1):108-112.

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

[7] 王軍，李軍，朱永偉，等. 游離和固結金剛石磨料拋光手機面板玻璃的試驗研究[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. 固結磨料精磨K9玻璃的工藝優化[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

中圖分類號：TG580.61+2

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0018-03

作者簡介：周含宣(1988-)，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，研究方向為精密與超精密加工。

基金項目：國家自然科學基金面上資助項目(51375237)；江蘇省重大成果科技轉化項目“高清液晶顯示屏表面超精密加工用納米拋光材料的研發及產業化”；江蘇省自然科學基金(BK2012796)；南京航空航天大學人才引進項目(1005-56yAH)

收稿日期：2014-10-09