摘要　利用固結(jié)式微復(fù)制金剛石研磨片（Trizact Diamond Tile,TDT）對不同玻璃進(jìn)行減薄研磨，確定不同粒度金剛石和TDT的磨削去除率；研究了研磨后的玻璃加工質(zhì)量，測量了玻璃表面粗糙度及玻璃亞表面損傷層的狀態(tài)。同時(shí)用9μm粒度碳化硅漿料做對比研磨試驗(yàn)。結(jié)果表明，同樣粒度的金剛石TDT與傳統(tǒng)的碳化硅漿料研磨相比可以得到更高的磨削去除率，減少玻璃亞表面損傷層，降低粗糙度。對于康寧玻璃，9μm粒度的TDT可以達(dá)到95μm/min的磨削去除率，是同粒度碳化硅漿料研磨的2倍多；R_a可以達(dá)到0.37μm，明顯好于碳化硅漿料研磨；亞表面操作也減輕很多。采用2μm粒度的TDT研磨后可獲得R_a0.09μm、接近透明的表面。

關(guān)鍵詞　玻璃減薄；研磨；微復(fù)制；金剛石研磨片

　　隨著電容式觸摸屏的快速發(fā)展，觸摸屏玻璃的研磨技術(shù)越來越受到重視。傳統(tǒng)的加工方式如采用碳化硅漿料進(jìn)行研磨，具有效率低、報(bào)廢率高、作業(yè)環(huán)境差、環(huán)保不友好等缺陷。3M公司在1998年基于微復(fù)制技術(shù)發(fā)明了一種固結(jié)式的金剛石研磨片，用于無漿料研磨，如圖1所示。目前已廣泛應(yīng)用于玻璃、藍(lán)寶石、硅片等脆硬材料的減薄研磨^[1]。

　　3M固結(jié)式金剛石研磨片可以在不同壓力下工作，通常我們推薦10kPa到20kPa，最大不超過35kPa。和漿料在同等粒度下比較，固結(jié)式金剛石研磨片有微復(fù)制結(jié)構(gòu)，可以保持良好的研磨自銳性，從而保證高效穩(wěn)定的切削效率，同時(shí)可以減少被研磨材料的亞表面損傷層，減少后一道氧化鈰漿料的拋光時(shí)間。另外這種溝槽的設(shè)計(jì)也有利于研磨碎屑的排除，從而對研磨的散熱冷卻和磨削去除率的穩(wěn)定性維護(hù)起到重要的作用。目前3M已有一系列固結(jié)式金剛石研磨片用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　王軍等研究者選取不同粒徑的金剛石微粉，采用游離磨粒和固結(jié)磨料兩種拋光方法加工手機(jī)面板玻璃，比較其材料去除率和拋光后工件表面粗糙度，結(jié)果表明：采用金剛石固結(jié)磨料拋光墊拋光能獲得表面粗糙度約為R_a1.5mm的良好表面質(zhì)量，并在拋光過程中較好地實(shí)現(xiàn)了自修整功能^[2]。但是此研究使用的固結(jié)磨料產(chǎn)品磨削去除率較低。

　　林魁等參考3Ｍ公司立方體金剛石研磨片，研究了一種新的親水性固結(jié)式立方體金剛石研磨片用于K9玻璃的磨削研究，初步得出固結(jié)式立方體金剛石研磨片去除模型。認(rèn)為固結(jié)式研磨由于讓刀導(dǎo)致磨削去除率低，并且認(rèn)為由于金剛石磨粒被磨鈍，工件和金剛石之間摩擦力增大導(dǎo)致金剛石脫落形成自修整過程[3]。筆者則認(rèn)為，固結(jié)式金剛石研磨片在磨削中去除率降低并非讓刀所致，而是鈍化金剛石沒有及時(shí)脫落導(dǎo)致。

　　本實(shí)驗(yàn)將研究不同粒度的固結(jié)式微復(fù)制金剛石研磨片對不同玻璃的研磨效果，對其磨削去除率、研磨后亞表面和粗糙度等進(jìn)行研究。

1         實(shí)驗(yàn)條件

1.1       實(shí)驗(yàn)設(shè)備及檢測儀器

　　研磨設(shè)備為瑞德C6175-2K雙面玻璃研磨機(jī)，如圖2，操作方法參考其操作手冊。檢測設(shè)備為：分析天平；厚度測量表；粗糙度測試儀器（Mitutoyo SJ-301）；鐳射掃描顯微鏡（KEYENCE-9700）；掃描電鏡(SEM)。

1.2       實(shí)驗(yàn)工具及工件材料

　　研磨材料為3Ｍ固結(jié)式微復(fù)制金剛石研磨片，磨料粒度為20μm、9μm、4μm及2μm；對比研磨材料為9μm碳化硅磨料漿料。3Ｍ固結(jié)式微復(fù)制金剛石研磨片是由若干相同的方塊單元陣列而成，金剛石磨粒被固結(jié)在每個(gè)微單元里面，這樣的微復(fù)制結(jié)構(gòu)可以保證穩(wěn)定一致的磨削去除率和加工表面效果，同時(shí)也延長了其使用壽命。被研磨的玻璃分別為：康寧金剛玻璃、鈉鈣玻璃1、鈉鈣玻璃2、肖特BK7玻璃。康寧金剛玻璃為采用康寧專利的熔融技術(shù)生產(chǎn)的堿－鋁硅鹽玻璃，莫氏硬度為5，具有良好的韌性和抗沖擊性[4]；鈉鈣玻璃莫氏硬度為5+，是常見的浮法玻璃；BK7玻璃為德國肖特公司的產(chǎn)品，在國內(nèi)通常叫Ｋ9玻璃，是一種性能優(yōu)良的光學(xué)玻璃。我們把玻璃裁切為尺寸60mm×45mm。冷卻液采用國產(chǎn)的YM-02冷卻液。 

1.3      實(shí)驗(yàn)方法及參數(shù)設(shè)定

　　所有試驗(yàn)均采用機(jī)器上盤自重94㎏、研磨壓力17.15kPa進(jìn)行研磨；下盤轉(zhuǎn)速為30r/min，冷卻液流量為5×10^－6m³/s；玻璃數(shù)量為20片/盤。研磨后采用穩(wěn)重法確定磨削去除率，用SEM觀測研磨后玻璃亞表面損傷情況，并用粗糙度儀測試粗糙度R_a、R_z、R_y。

2         實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1      磨削去除率

　　詳細(xì)的磨削去除率數(shù)據(jù)如表1.可見，3Ｍ TDT的磨削去除率在同粒度下，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的漿料研磨。對于TDT研磨，粒度越粗其磨削效率越高。在所有玻璃材料中，康寧玻璃硬度低，比較容易研磨，磨削去除率高；BK7玻璃次之；而鈉鈣玻璃較硬，磨削去除率相對較低。對于康寧玻璃，采用9μm　TDT可以達(dá)到95μm/min的磨削去除率，是9μm碳化硅漿料研磨時(shí)的兩倍多。

2.2       研磨后玻璃亞表面狀態(tài)

　　圖3是用掃描電鏡觀察9μm碳化硅漿料研磨的玻璃亞表面損傷層（左側(cè)圖放大500倍，右側(cè)圖放大2000倍），可以看出損傷層很深，并且不均勻。漿料研磨其機(jī)理為滾壓式，所以損傷層較深；漿料中磨粒粒度分布較寬，有大顆粒混入，所以操作不均勻。而固結(jié)式微復(fù)制金剛石研磨片TDT的材料去除機(jī)理類似于耕犁式的研磨，其金剛石顆粒均勻分布于微單元內(nèi)，均勻的粒徑分布可以減少損傷層。另外TDT研磨為固結(jié)式大平面研磨，是多層復(fù)合的彈性結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)可以有效減少玻璃碎片，提高良品率，因此，TDT在提高磨削去除率的同時(shí)可以有效地降低表面粗糙度，減少亞表面損傷。

　　圖4到圖7分別是20μm、9μm、4μm、2μm微復(fù)制陣列狀金剛石研磨片TDT研磨的康寧玻璃的亞表面損傷形態(tài)，可見損傷層較漿料研磨明顯改善。TDT粒度越細(xì)，研磨后玻璃的損傷層越小。圖7的2μm微復(fù)制金剛石研磨片TDT研磨后的玻璃表面損傷已經(jīng)非常小。

　　通過2000倍的掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)大部分玻璃已經(jīng)拋光磨透，除了脆性形變外，還出現(xiàn)了塑性形變，使玻璃部分被拋光。根據(jù)TDT研磨后的玻璃狀態(tài)，使玻璃部分被拋光。根據(jù)TDT研磨后的玻璃狀態(tài)，我們可以得出結(jié)論，3M TDT的金剛石磨料粒徑均勻，粒度分布較傳統(tǒng)碳化硅漿料要窄，可以在較高磨削去除率下達(dá)到較好的表面粗糙度，進(jìn)而使后工序的氧化鈰拋光時(shí)間大大減少，降低拋光成本。

2.3       粗糙度測試

　　用粗糙度測試儀測量碳化硅漿料和各種粒度TDT研磨的康寧玻璃的表面粗糙度，粗糙度結(jié)果如表2.采用TDT研磨的玻璃表面粗糙度明顯優(yōu)于漿料研磨，采用9μmTDT可以達(dá)到R_a＝0.37μm的表面效果。采用2μm微復(fù)制陣列狀金剛石研磨片研磨的康寧玻璃表面粗糙度Ra更是達(dá)到了0.03μm，基本接近透明效果。圖8為4μm　TDT和2μm TDT研磨康寧玻璃的表面，證明采用固結(jié)式金剛石磨片研磨也可以達(dá)到拋光至透明。

3         結(jié)論

　　使用3Ｍ固結(jié)式微復(fù)制金剛石研磨片TDT和傳統(tǒng)9μm碳化硅漿料作研磨對比試驗(yàn)，選用了康寧金剛玻璃、鈉鈣玻璃1、鈉鈣玻璃2、肖特BK7玻璃為研磨對象，對其磨削去除率、亞表面損傷層狀態(tài)和表面粗糙度進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）3Ｍ TDT研磨片可以明顯提高磨削去除率，同時(shí)還能保證較低的加工表面粗糙度。對于康寧玻璃，9μm粒度的TDT可以達(dá)到95μm/min的磨削去除率，R_a可以達(dá)到0.37μm；而2μm粒度的TDT磨削去除率為7μm/min，R_a可以達(dá)到0.09μm。

(2)通過掃面電鏡觀察玻璃亞表面狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)采用TDT研磨片可以明顯減小損傷層，玻璃加工表面也更加均勻一致，沒有劃傷，說明TDT磨料粒徑分布窄，加工質(zhì)量均勻一致。

（3）針對不同的應(yīng)用可以選擇不同微復(fù)制金剛石研磨片TDT。快速的減薄、定厚的粗研磨，可以選用20μm或更粗的TDT；而對于表面微細(xì)加工，可以選用4μm或者更細(xì)的2μmTDT。

參考文獻(xiàn)：

[1]　NA T K,ZHENG L B.Finishing of Display Glass for Mobile Electronics using 4S-4μm 3M Trizact Diamond Tile Abrasive Pads[J].Key Engineering Materials,2011,487:263-267.

[2] 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)破研究[Ｊ].金剛石與磨料磨具工程，2009（2）：12－17.

[3]　林魁，朱永偉，李軍，等.金剛石固結(jié)磨料研磨K9玻璃的研究[Ｊ].硅酸鹽通報(bào)，2010（1）：6－11.

[4] Corning Gorilla^TM product brochure[A].Corning Incorporated,Corning New York,2009.

作者簡介

鄭連彬，男，1977年生，華南理工大學(xué)機(jī)械工程碩士，目前為3M華南技術(shù)中心資深技術(shù)服務(wù)工程師。