超厚超長浮法玻璃的切割與掰邊質量控制

李彥濤,鄢建華,高建軍,王建黨

(成都南玻玻璃有限公司,成都 610200)

浮法超厚玻璃廣泛應用于博物館、汽車4S店、酒店底樓、高端櫥窗、機場及運動場館等。由于使用領域的特殊性,超厚玻璃大都以超大超長的大規格形態呈現,因實際制造難度大而成為高價值產品。由于超厚玻璃大多以7 000 mm及以上超長大規格產品為主,邊部切割和剝離線較長,故其邊角質量的控制要點主要體現在掰邊環節上,若控制不當將帶來兩方面隱患:一是安全隱患。掰邊若出現邊部鋸齒狀、斷面凹凸緣或小裂紋,則可能在庫房內出現裂片或運輸途中裂片等風險。二是加工性差。平整的邊角可以提高玻璃的利用率,降低加工難度。因此,平整規則的切割斷面,不僅可以減少切割裂片損失,提升大規格玻璃產品儲、運過程的安全性,提高產品可加工性,還能使玻璃外觀更加精致,更具整體美感,同時也是生產線技術能力的體現。

1 浮法玻璃的切割原理

浮法玻璃在線切割一般采用硬質合金刀輪、聚晶金剛石刀輪等,將刀片固定在刀架上,通過電磁閥傳遞壓力,進而實現玻璃的在線切割。切割刀輪在一定的壓力下壓在玻璃表面上,當壓力接觸位置壓強大于玻璃表面強度時,玻璃表面就會產生一個微小裂紋[1],當刀輪在玻璃表面上滾動時,裂紋在刀輪下面和前面不停地擴展,形成連續的切割裂紋,即切割線,見圖1。刀輪壓在裂紋之上,楔壓著裂紋的擴展,刀輪切入的深度通常在幾百到一千微米之間(深度取決于多個因

素,包括輸入壓力、刀輪的材料、形狀、刃口尺寸和質量、切割速度等)。在隨后的掰斷過程中,在外力的作用下,切割線處玻璃上表面受到較大的張應力,促使切割裂紋迅速擴展透過整個玻璃厚度,從而把玻璃板掰斷。

刀輪在完成上述切割過程的同時,也對玻璃表面產生了一些不良影響。刀輪加在玻璃表面上的接觸應力造成了玻璃表面上一個深度從幾十到幾百微米不等的微破壞區域,產生了微小的碎屑。這些碎屑有時會以玻璃邊部較大的碎片形態出現,影響到切割質量,較輕微時表現為玻璃斷面表面不光滑,較嚴重時則形成鋸齒狀,或者斷面存在明顯的小裂紋,嚴重時則導致玻璃在輸送、存儲或運輸中出現裂片破損。

優良的切割應該是連續無飛屑的(即切痕兩側無碎片產生),能使玻璃在較小的掰斷力作用下就能沿切割線裂開。影響切割質量的因素很多,如玻璃成分、玻璃的化學均勻性、玻璃退火過程中應力消除情況等,但切割刀輪的角度及切割壓力的大小與玻璃厚度的匹配性也在很大程度上影響著玻璃的切割質量。

很明顯,同樣的切割線深度對不同厚度玻璃局部強度的削弱作用是不相同的。玻璃越厚,切割線對玻璃強度的削弱作用就越小。所以,超厚玻璃需要更大的切割壓力和壓入玻璃內部的深度,其切割更為困難。

2 切割刀輪受力分析及選用原則

切割刀輪角度是指刀輪兩斜面之間的夾角,不同厚度的玻璃使用不同角度的切割刀輪。切割刀輪在玻璃內部所產生的應力主要是:向下的壓力F及垂直于刀輪角度的分力F1,如圖2所示。很明顯,向下的壓力F是切割所需的壓應力,而影響切割質量的是垂直于刀輪角度的分力F1。由于刀輪角度不同,F1作用在玻璃內部的方向和大小也不一樣。

小角度切割刀輪產生的不利于切割的橫向分力F1較大。生產厚玻璃時如果選用小角度的刀輪進行切割,當切割壓力加大到一定程度時,橫向分力對玻璃產生刨刮作用,刀輪兩側產生大量的碎玻璃屑,從而不斷釋放施加在刀輪上的壓力,使刀輪真正作用在玻璃上的下壓力很小,無法切出有效并有利于掰斷的刀痕。所以超厚玻璃一般選用大角度刀輪,在加壓時能更多的提供正向壓力而產生較小的側向分力,因此,15 mm及以上超厚玻璃一般選用155°～165°的切割刀輪。

選擇刀輪的基本原則是:在確保掰邊順暢的情況下盡可能選用小角度刀輪,并匹配盡可能小的切割壓力,使玻璃表面的破壞程度最小。但在實際生產中,因玻璃存在殘余應力等內在因素,很難達到理想的切割狀態,故需根據實際情況作合理調整。

3 超厚玻璃的應力簡析

3.1 不合理的應力分布對切割、掰邊質量的影響

對于超厚玻璃不僅需要關注玻璃的橫向應力分布,還要特別關注玻璃厚度方向的應力。不合理的應力分布對超厚玻璃的切割和掰邊質量將造成嚴重影響。

對掰邊質量的影響:不合理的應力分布會導致玻璃在切割掰邊時出現鋸齒、凹凸緣、斜邊、小裂紋甚至是斷裂或碎裂。

對切割性能的影響:不合理的應力分布會使得切割過程更加困難,應力會主導斷裂路徑,使得玻璃裂痕跟隨應力分布走向,進而影響切割的準確性和穩定性。應力過大時,玻璃斷口不沿切割線走,導致切割不完全或無法進行正常切割。

3.2 超厚玻璃的應力分布

超厚玻璃厚度方向的應力分布:玻璃是熱的不良導體,在退火與冷卻過程中,因為玻璃表面總是比中心冷得快,當玻璃表面溫度降到室溫時,玻璃中心溫度仍然高于室溫。在玻璃中心繼續降溫到室溫的過程中,表面已停止收縮,但玻璃中心會繼續收縮,使得表面呈壓應力,而玻璃中心就呈張應力,如圖3所示。在同樣的降溫條件下,玻璃厚度越厚,玻璃表面與中心的溫差也會越大,所產生的應力也越大[2]。當玻璃中心張應力的值很高時,會造成切割問題,如毛面、鋸齒等,也就是說玻璃上表面的壓應力相對很高的時候,會導致玻璃不沿切刀線裂開。

超厚玻璃的橫向應力分布:采用拉邊機法生產的超厚玻璃,玻璃帶邊部(拉邊機壓痕以外)厚度會顯著低于中部厚度。因此,超厚玻璃帶進入退火窯時,在相同寬度范圍內,邊部玻璃帶帶入的熱量將遠低于中部玻璃帶。因邊部玻璃帶相對中部更薄,同樣條件下其降溫速度會更快;且因保溫、密封等原因,退火窯兩側邊部溫度通常都低于中部。因此,經過退火窯進入切割區域的玻璃帶,其邊部溫度較中部溫度低。與玻璃厚度方向因溫度差而產生應力的原理相似,玻璃帶橫向應力分布一般呈邊部壓應力而中間張應力的分布狀態。邊部壓應力過大,玻璃掰邊就會較困難。

3.3 玻璃的理想應力分布狀態

經過退火的玻璃帶到達切割區時,內部仍然殘存有暫時應力和部分永久應力,應力的大小和分布情況與退火工藝直接相關[3]。退火良好的玻璃帶,其理想的橫向應力分布曲線如圖4所示。

有利于切割的玻璃帶的理想應力狀態為邊部受較小的壓應力,中部受較小的張應力[4]。全部壓應力的和等于全部張應力的和,也就是說,假如玻璃邊是高壓應力,那么玻璃帶中部會產生高的張應力。玻璃中部的張應力太高,不利于切割。

4 超厚玻璃邊部切割控制

4.1 超厚玻璃切割參數

超厚玻璃一般選用155°及以上角度的刀輪,縱向切割刀行程及切割壓力調節范圍可參考表1。

表1 超厚玻璃常用切割參數表

根據切痕狀況及實際掰邊狀況可考慮適當增加壓力或減小壓力。若刀痕兩側的碎屑嚴重但依然掰邊不理想時需要換刀;若是剛使用的新刀輪就有上述現象則考慮退火質量的影響。如果是玻璃上表面壓應力太大,需要提前在切割線內側進行冷卻降溫(如采用邊部加水冷卻等),增加切割線處的張應力以便于掰邊剝離。

4.2 切割油選擇

切割油在超厚玻璃切割中起到三重作用。保護切割刀輪,延長其使用壽命;粘附碎屑、避免飛濺;而最重要的作用則是對切痕的保護——通過切割油對切痕的浸潤和冷卻,切割油沿著切痕處的微裂紋不斷向玻璃中心方向滲透,不僅在靠近玻璃表面附近(深度方向)形成一定的張應力,而且還可以減小切痕處小缺陷擴大的趨勢,有利于提高掰邊質量。因此,若切割油的揮發速度太快,則不利于切痕的浸潤冷卻,容易在掰邊過程中擴大切痕處的小缺陷,進而影響玻璃的掰邊質量。

目前常用的切割油主要有:航空煤油、玻璃切割液、切削劑等。從實際生產中長期使用的情況看,建議在超厚玻璃生產中選用玻璃切割液或切削劑,掰邊效果更好。

4.3 輔助掰邊措施

從玻璃帶橫向看,超厚玻璃邊部溫度低,中部溫度高,中部張應力較大而邊部壓應力大;在厚度方向,因超厚玻璃板芯冷卻較慢,上下表面冷卻較快,玻璃板芯張應力很大而上表面的壓應力較大。這就使得超厚玻璃在切割后難于控制掰邊質量。這種應力分布狀況在超厚玻璃生產中是不可避免的,只是嚴重程度不同而已。為了改善掰邊質量,在切割區域主要通過輔助措施,改變玻璃帶切割線附近的應力分布。

首先,可在切割線內側設置水冷裝置進行冷卻降溫,增加切割線處的張應力,以利于掰邊處理。其次,采用兩次掰邊。即在邊部進行兩次切割,一側玻璃帶邊部同時留下兩條縱向切割線。從靠近邊部的第一條切割線處首先去掉最外部分玻璃邊,會釋放部分壓應力;在第二條切割線處再次去邊,就會有較好的切割品質。此方法對因應力太高引起的切割掰邊困難較有效,而對應力太低的情況則無效。

5 超厚玻璃掰邊方法與選擇

根據浮法生產線的拉引量規模及退火質量控制情況,掰邊方式可有多種選擇。

5.1 自動壓輪輥壓掰邊

在退火效果較好的情況,玻璃中心張應力值非常低,表面的壓應力也較低,當切割刀輪劃過玻璃時就會釋放玻璃表面的壓應力,玻璃稍借其它外力即可順著切割線破裂。此時,可采用相對輕柔的滾壓方式,如采用滾動裝置在玻璃切痕內50 mm左右位置將玻璃帶抬升1～2 mm高度,在切痕外側(拉邊機牙印側)120 mm左右位置采用壓輪滾壓處理,玻璃邊隨玻璃板前行過程中漸進剝離,對提升玻璃邊部斷面質量具有較好的作用。

5.2 自動沖壓壓邊

目前采用的有單點式沖壓和多點式排壓兩種方式。單點式沖壓掰邊因受力過于集中,容易擴大沖壓點處小缺陷對玻璃邊部質量的影響,故極易在沖壓位置產生凹緣或斜邊等現象;多點式排壓壓邊方式因玻璃力點相對分散且均勻,則可減少此類缺陷。

5.3 人工掰邊

因大部分超厚玻璃產品規格較大(主要是長度較長),部分產品長度甚至超出了切割區域掰邊機構的極限長度(尤其是部分運行10年以上的老舊生產線),故人工掰邊是超厚超長玻璃掰邊工序的常態。人工掰邊裝置一般采用圓錐形塑料榔頭或鐵質榔頭,通過在切割線下方敲擊震動的方式讓切痕擴大,玻璃邊隨著切割線裂開。為了盡量減少敲擊動作對邊部質量的影響,需根據實際退火情況,調整人工敲擊方式。

首先,盡量采用二次掰邊,通過一次掰邊釋放應力,減小二次掰邊對邊部質量的影響。其次,在退火較好(即敲擊后邊部很容易沿刀痕裂開)的情況下,可以在切割線下部起始位置輕敲產生裂痕后,再在玻璃上表面拉邊機壓痕或壓痕外光邊位置輕輕敲擊的方式讓玻璃邊隨刀痕震裂并向后延伸,這相當于逐步“掰開”的動作,減少了下表面敲打而產生的震動沖擊,從而減少斷面缺陷。第三,退火質量欠佳的玻璃板,因上沿敲擊方式無法使得裂痕完全沿切割線走,此時只能采用玻璃板下表面敲擊震動且以“高頻小幅”的方式處理。由于退火不好的玻璃板極易出現缺角或大斜角的情況,故開始的敲擊動作最好離玻璃板前端300 mm左右,在出現裂痕后再向前敲擊,這樣可以減少缺角發生的幾率。采用此方法的前提是要準確判斷問題出在切割刀輪、切割壓力還是退火不良,否則措施不當將適得其反。

6 結 論

a.內部應力對浮法超厚超長玻璃切割和掰邊的影響是不可忽視的。合理分析和控制內部應力,既能夠減少切割過程中的裂紋和損傷,又能夠提高切割質量和效率。

b.選擇合適的切割刀輪和壓力以及采取合理的輔助措施,是確保切割質量的必要條件。切割刀輪的角度應與玻璃的厚度相匹配,合理的壓力和輔助措施可以減少切割和掰邊缺陷的產生。

c.掰邊方式是確保超厚超長玻璃切割后斷面質量的重要環節。采用合適的掰邊方式(包括根據退火情況差異而采取的不同的手動敲邊方式),可以在一定程度上改善超厚超長玻璃的邊角質量。