數控銑床實現觸屏玻璃外形輪廓磨削的工藝設計

田先亮

（廣東輕工職業技術學院 機電技術學院，廣州 510300）

0 引言

隨著智能手機、平板電腦等智能產品的普及，觸摸屏產品和技術發展突飛猛進，產業規模不斷升級。觸屏玻璃是保障觸摸屏產品性能的關鍵材料之一，要求具備高強度、高硬度和高光潔度等特點，具有耐壓、耐摔、耐劃傷和抗沖擊等性能。圖1所示為某平板電腦的觸屏玻璃尺寸圖（材料厚度為1.1 mm，輪廓邊沿表面粗糙度能達到Ra1.6 μm），該產品長度和寬度有嚴格的尺寸精度要求，有4個R7.1 mm的外形圓角需要加工。

通過精確的刀具軌跡控制，數控銑床能夠很容易地實現外形銑削加工。但是，對于圖1所示的觸屏玻璃產品，因玻璃材料硬而脆的特性，使得常規的銑刀和夾具無法對其進行加工。目前，通過成型刀具對玻璃進行成型磨削的工藝，已經在玻璃磨邊加工中得到應用[1]。對圖1所示的觸屏玻璃，通常采用高主軸轉速的精雕機床，利用小尺寸成型磨削刀具和吸附夾具來實現外形輪廓加工[2]。但是，這種加工方式需要用到雙主軸專用設備，設備價格昂貴，且一次只能加工2片，加工效率低。為此，本文結合玻璃磨削的機理分析，針對圖1所示的觸屏玻璃加工，設計了成型磨削刀具和專用的疊層夾具，實現了利用普通數控銑床加工該產品的數控成型磨削工藝，提高了加工效率。

圖1 觸屏玻璃尺寸圖

1 玻璃的磨削機理

尚廣慶等[3]通過實驗建立了圖2所示的玻璃磨削模型。在切削速度和進給速度不變的情況下，隨著切深從零逐漸增大，玻璃磨削的表面形貌依次呈現彈性劃擦、塑性犁溝、脆性切削和崩碎切削4個階段。根據該模型所描述的玻璃磨削機理可知：玻璃的精磨應控制在能夠形成光滑溝槽的塑性犁溝階段，玻璃的粗磨應控制在材料呈脆性斷裂的脆性切削階段。而崩碎切削階段會產生宏觀裂紋，因此在實際加工中應盡量避免進入崩碎切削階段。

圖2 玻璃磨削模型

磨削時，玻璃在磨粒推擠作用下的脆性斷裂行為符合最大拉應力準則，即玻璃的斷裂方向垂直于最大拉應力方向。聶瑞等[4]通過實驗得出：在玻璃磨削過程中，磨削力與磨削線速度成反比，與背吃刀量和進給速度成正比。

2 數控成型磨削工藝

2.1 刀具設計

為了實現圖1所示觸屏玻璃的外形輪廓加工，采用圖3所示成型磨削刀具，綜合考慮觸屏玻璃磨削的粗加工和精加工進行設計，制備成電鍍金剛石磨具。其中280#、420#表示金剛石磨料粒度為280目、420目，分別用于觸屏玻璃的粗磨、精磨。在實際磨削過程中，粗、精磨部分磨料高度為25 mm，觸屏玻璃厚度僅為1.1 mm，通過數控編程選擇不同深度部分參與磨削，從而實現一次磨削至少10片觸屏玻璃的加工。另外，在用電鍍金剛石刀具磨削玻璃時，切削速度vc、進給速度vf、切削深度ap及冷卻條件等因素會影響磨削質量和刀具使用壽命[5]。衡量刀具的磨削效率的計算公式通常為磨削比G=材料去除體積÷刀具磨損體積。在具體加工時，需要根據不同粒度磨粒的磨削比合理選擇切削參數。

圖3 成型磨削刀具圖

2.2 疊層夾具設計

觸屏玻璃的厚度僅有1.1 mm，屬于典型的薄壁零件，加工時通常采用真空吸附夾具進行夾緊。但是，真空吸附夾具往往只能實現單片玻璃的加工。為了有效提高加工效率，采用圖4、圖5所示的疊層夾具來實現玻璃的疊層裝夾，從而實現一次10片玻璃的外形輪廓加工。疊層夾具的夾緊是通過旋轉固定螺桿2，使旋轉壓頭3向下運動，使得疊層玻璃夾緊于定位底座上。旋轉壓頭3和旋轉座體5保證了工件夾緊并固定不動的情況下，連接臂桿1和固定螺桿2能夠繞固定螺桿2的軸線做回轉運動。加工過程中，通過一定的手動操作，可以避免刀具和夾具出現干涉問題。因為觸屏玻璃的四周都要加工，需要借助定位直角尺以定位底座4為基準對觸屏玻璃進行定位。

圖4 疊層夾具示意圖

圖5 疊層夾具實物圖

玻璃的定位要用到定位直角尺，如圖6所示。直角尺與疊層夾具的定位底座配合才能將玻璃的四邊與定位底座的四邊對應平行。如圖6所示，四邊的余量控制要留在直角尺上，A部分的厚度為毛坯所留余量的一半+2～5 mm（保證加工時刀具不會碰到定位底座）；高度要小于定位底座的高度。B部分的厚度沒有嚴格的要求，高度要大于定位底座高度加上疊層玻璃的厚度。C部分的圓弧是為了避開玻璃的尖角處對定位的影響。具體操作時，定位直角尺A部分2個面與疊層夾具的定位底座的2個直角面貼合，疊層玻璃放于定位底座上面并保證相應的直角面與定位直角尺B部分的2個面貼合，完成定位后夾緊即可。

圖6 定位直角尺模型圖

3 加工驗證

3.1 機床選擇

在實際加工時，為了降低磨削力，應提高磨削速度，減小進給速度和切削深度。同時，為了提升刀具的磨削效率，需要根據金剛石磨料粒度的最佳磨削比G來合理地選擇磨削參數。提高磨削速度有兩種方式，一種是提高機床主軸轉速，另一種是增大刀具直徑，本工藝設計采用了后者，具體的刀具如圖3所示。為此，選擇沈陽機床廠生產的GSVM6540型FANUC系統三軸數控銑床作為加工機床。該機床主軸最高轉速為6000 r/min，運動定位精度和重復定位精度可達到5 μm。

3.2 加工工藝

綜合考慮各種因素，在制定加工工藝時采用了“高切速、緩進給、少吃深”的加工策略，具體工藝內容如表1所示。

表1 觸屏玻璃數控成型磨削工藝參數表

3.3 加工過程

觸屏玻璃產品的具體加工過程如圖7所示，采用圖3所示的成型磨削刀具進行加工。工件（尺寸為186.9 mm×126.2 mm的矩形玻璃毛坯）裝夾時，因為觸屏玻璃的四周都要加工，所以需要借助定位直角尺進行定位。加工時，需要采用切削液直噴成型刀具，以保證磨削過程能夠快速冷卻。根據表1的加工工藝，利用成型磨削刀具、疊層夾具能夠順利地實現圖1所示的觸屏玻璃的加工，最終的玻璃成品圖如圖8所示。

圖7 觸屏玻璃現場加工圖

圖8 玻璃成品圖

利用數控銑床精確的刀具軌跡控制，應用外形銑削的加工方式保證了觸屏玻璃產品長度和寬度的尺寸精度要求。區別于采用高主軸轉速機床+吸附夾具的加工工藝[2]，本工藝采用了普通數控銑床+疊層夾具的方式進行加工。本工藝通過增大刀具直徑，保證了利用普通數控銑床的主軸轉速也能達到玻璃磨削所需的磨削速度，確保了玻璃產品不出現崩邊、砂邊、燒邊等缺陷，經成型刀具磨削后，觸屏玻璃輪廓邊沿表面粗糙度能達到Ra1.6 μm。與吸附夾具每次只能進行單片裝夾相比，本工藝采用的疊層夾具一次能實現10片玻璃的裝夾和加工，大大提高了加工效率。

4 結語

在分析玻璃磨削機理的基礎上，針對觸屏玻璃產品外形輪廓加工要求，設計了專用的成型磨削刀具和疊層夾具，給出了利用數控銑床實現觸屏玻璃外形輪廓磨削的工藝設計方法。通過實驗驗證了該工藝能夠實現觸屏玻璃的外形輪廓加工。