影響玻璃切割斷面質(zhì)量的因素及表征性能

0引言隨著建筑工程玻璃功能化日益普及并向高端化應用發(fā)展，厚板玻璃（厚度大于10mm的玻璃稱為厚板玻璃）的加工與應用需求與日俱增，筆者所在公司2019—2021年厚板玻璃加工產(chǎn)量年均上漲10.8%。計算機技術的普遍應用使現(xiàn)代切割機配備非常精確的可編程系統(tǒng)，可以精確地進行直線和異形切割，使用優(yōu)化程序來控制切裁率。提高掰邊質(zhì)量有效減少留邊量與磨邊量，是工程玻璃中厚板玻璃加工的行業(yè)開發(fā)熱點，其切割工藝與應用技術是工程玻璃行業(yè)的重要技術發(fā)展方向之一。因此，重點關注切割理論與切割工藝革新，提高斷面質(zhì)量與精準度，減少留邊量與磨邊量，對于進一步提高綜合切裁率，具有重大意義。1玻璃應力學與斷裂力學理論（1）鈉鈣硅玻璃配料組成與玻璃應力鈉鈣硅浮法玻璃通常含有69%的SiO2，17%的Na2O，6%的CaO和少量Al2O3/MgO、K2O。平板工藝通過壓延冷卻固化后在玻璃原片表面進行機械研磨拋光，相對于浮法工藝其機械性能較低，更容易切割。各浮法玻璃原片企業(yè)均有其不同的工藝配方。在不同的退火條件下，同一玻璃配方組成的應力屬性均不同。根據(jù)Fluegel的理論強度數(shù)據(jù)模型，以配方為69%的SiO2，17%的Na2O，6%的CaO，4%的Al2O3，3%的MgO，1%的K2O建模玻璃性能，不同玻璃配方組成下，玻璃的楊氏模量均呈現(xiàn)不同變化，如圖1所示。圖1不同玻璃配方組分對玻璃楊氏模量的梯度影響由圖1可以看出，此配方的玻璃楊氏模量為68.4GPa（不考慮瑕疵的理論強度），氧化鈣/氧化鋁/氧化鎂/石英砂配料變化與楊氏模量呈正相關，氧化鉀/純堿配料變化與楊氏模量呈負相關。其中每摩爾百分比變化下，氧化鈣對楊氏模量影響梯度最大，石英砂對楊氏模量影響梯度最小。當添加更多的氧化鉀/氧化鈉時，玻璃的應力會下降，氧化鈉要比氧化鉀下降得更快一些。由此，本文提出玻璃企業(yè)在玻璃切割工藝中應對玻璃原片配方加以考量，將不同原片企業(yè)的應力數(shù)據(jù)作為玻璃切割工藝的第一前提。本文實驗是基于同一廠家同一批次玻璃原片，采用成都南玻10mm優(yōu)質(zhì)超白浮法原片。由此配方作為定量不屬于本文討論范疇。（2）玻璃斷裂微觀結(jié)構與玻璃應力玻璃原片一般分為外層與內(nèi)層，玻璃應力也分為壓應力與張應力，玻璃外層分布壓應力，玻璃內(nèi)層分布張應力。玻璃外層通常為玻璃厚度的20%，玻璃內(nèi)層通常為玻璃厚度的60%，設玻璃厚度為t，則壓應力區(qū)間分布于玻璃兩側(cè)的0.2t，張應力區(qū)間分布于玻璃中心的0.6t。無論是普通的退火玻璃還是物理鋼化玻璃，其應力分布在厚度上均遵循這一分布關系，但應注意其應力大小不同。同樣，不同配方比例下的鈉鈣硅玻璃，壓應力與張應力大小有變化，但分布大致遵循0.2t-0.6t-0.2t規(guī)律。玻璃配方與退火條件對玻璃應力分布的影響，也是玻璃切割工藝研究的另一個方向，在本文中不做贅述。刀輪切割工藝是一種非常可靠而且經(jīng)濟實惠的玻璃切割工藝，玻璃刀輪在水平放置的玻璃表面垂直滾劃產(chǎn)生微小裂縫，通過人工或者機械掰片玻璃原片切割成客戶訂單需求的尺寸。玻璃企業(yè)大多數(shù)采用此類切割設備。切割機對玻璃刀輪在滾動中施加一個特定的壓力參數(shù)，玻璃刀輪在玻璃表面通常切入淺淺一層，為肉眼可見的痕跡，如圖2所示。圖2切割工藝示意圖斷口形貌示意圖玻璃在掰片力量下產(chǎn)生中位裂度使得玻璃斷裂，在外部的作用力杠桿作用下，透過玻璃的中位裂度，集中在很少幾個相互結(jié)合的分子上。盡管這種分子之間的結(jié)合點很結(jié)實，但是玻璃的剛性卻使宏觀的力作用到為數(shù)不多的亞微觀的結(jié)構上。玻璃作為非晶態(tài)物體，具有液體的均勻結(jié)構，裂紋一旦發(fā)生，不會在玻璃內(nèi)部遇到任何阻礙而終止其開裂的過程。進一步說，中位裂度加深，有效杠桿作用則加大，結(jié)合點的進一步破裂則變得更加容易。因此，對于特定厚度玻璃，適當?shù)牡遁喩疃群椭形涣讯瓤梢云鸬接行У母軛U作用，使玻璃斷面均勻斷裂，十分重要，是本文對玻璃切割工藝提出的第二前提。（3）玻璃裂紋應力分布方程玻璃的理論強度在6.9GPa左右，但是浮法玻璃原片實際應力通常約為80MPa。這是因為玻璃表面的瑕疵如裂紋、刮痕、氣泡顆粒或是硫化鎳（NiS）顆粒污染造成的。Neugebauer基于此分析裂紋對于表面張力的影響，并指出不同造型的裂紋影響中位裂度，給出了裂紋應力分布方程與定量建模。可知，刀輪角度小時，其中位裂度應力分布較淺，刀輪角度較大時，其中位裂度應力分布較深。因此，不同表面裂紋裂度應力分布不一樣。尖銳裂紋裂度應力分布較淺且部分改變了水平兩側(cè)的應力，產(chǎn)生額外的橫向裂度與徑向裂度，導致中位裂度不足，由此產(chǎn)生掰片斜邊。隨著裂紋角度變大，裂紋良好地控制了橫向裂度與徑向裂度的產(chǎn)生，保持中位裂度更加向下，幫助玻璃取得垂直光滑的斷面。由此提出，在玻璃裂紋應力分布框架內(nèi)分析中位裂度為玻璃切割工藝提升斷面質(zhì)量的第三前提。2“中位裂度切割法”實驗分析基于斷裂力學理論與裂紋應力分布框架的理論研究表明，只有對玻璃斷裂微觀結(jié)構表征研究才能分析玻璃斷面質(zhì)量的影響因素。為了滿足上述要求，提出了“中位裂度切割法”分析玻璃切割工藝。首先，分析玻璃刀輪角度的裂紋效應與掰片質(zhì)量，然后分析切割壓力與切割速率的裂紋效應與掰片質(zhì)量。同時，在上述研究基礎上，提出一種基于測量中位裂度的切割工藝方法，為不同厚度厚板玻璃切割提供了一種提升掰邊斷面質(zhì)量的測試技術手段。（1）刀輪角度對各因素的影響刀輪深度、中位裂度隨刀輪角度變化曲線見圖3。各裂痕/厚度比值隨刀輪角度變化曲線見圖4。玻璃斷面平整度隨刀輪角度變化曲線見圖5。圖3裂痕深度與刀輪角度變化曲線圖4各裂痕/厚度比值與刀輪角度變化曲線圖5平整度與玻璃刀輪角度變化曲線由圖3可以看出，切割刀輪角度增大，主要影響中位裂度，中位裂度隨刀輪角度增大而減小。圖4表明，隨著調(diào)整刀輪角度由小變大，相對于玻璃厚度刀輪深度與中位裂度各自的實際變化并不大，但刀輪深度與中位裂度比值卻逐漸增大，這說明調(diào)整刀輪角度，實際上調(diào)整的是塑性形變與彈性形變對玻璃之相對作用。圖5表明，切割10mm超白玻璃，使用小角度刀輪如140°，平整度較低，使用大角度刀輪如155°，平整度較高，調(diào)整刀輪角度對取得高質(zhì)量的切割斷面尤為重要。（2）切割壓力對各因素的影響刀輪深度、中位裂度、切割深度隨切割壓力變化的曲線見圖6。各裂痕深度/厚度比值隨切割壓力變化曲線見圖7。玻璃斷面平整度隨切割壓力變化曲線見圖8。圖6各裂痕深度隨切割壓力變化曲線圖7各裂痕深度/厚度比值隨切割壓力變化曲線圖8玻璃斷面平整度隨切割壓力變化曲線由圖6可知，隨著切割壓力變大，刀輪深度變大，中位裂度變大，總的切割深度變大。其中，中位裂度增大快于刀輪深度。由圖8可知，切割壓力對玻璃斷面平整度影響較大，于1P

時平整度最大值，當切割壓力小于或者大于1P

時，平整度降低。（3）切割速率對各因素的影響刀輪深度、中位裂度隨切割速率變化曲線見圖9。各裂痕深度/厚度比值隨切割速度變化曲線見圖10。玻璃斷面平整度隨切割速度變化曲線見圖11。圖9各裂痕深度隨切割速度變化曲線圖10各裂痕深度/厚度比值隨切割速度變化曲線圖11玻璃斷面平整度隨切割速度變化曲線由圖9可知，切割速度對刀輪深度與中位裂度沒有明顯影響，各裂紋深度均變化不大。由圖11可以看出，切割速度位于0.7V～1V

時，玻璃斷面質(zhì)量平整度較好，速度過小或過快，平整度均下降，且速度超過1.3V

后平整度最差。（4）中位裂度瓦納線表征分析1P、1.4P

切割壓力下裂紋與中位裂度瓦納線照片見圖12、圖13。圖121P

切割壓力下裂紋與中位裂度瓦納線圖131.4P

切割壓力下裂紋與中位裂度瓦納線從圖12和圖13可以看出，在1P

切割壓力下，中位裂度存在的瓦納波紋平整有規(guī)律且光滑，但當1.4P

切割壓力下時，中位裂度存在的瓦納波紋雜亂且粗糙，夾雜橫面裂度與徑向裂度。此表征分析說明適當?shù)那懈顗毫梢匀〉煤线m的中位裂度，瓦納波紋整齊且平整，切割壓力過大時中位裂度空間內(nèi)產(chǎn)生不必要的橫向裂度與徑向裂度，影響了玻璃斷面質(zhì)量平整度。3結(jié)論以上實驗數(shù)據(jù)與Vitro公司的切割指導工藝數(shù)據(jù)較為吻合。通過對10mm超白玻璃原片切割參數(shù)、刀輪角度對裂紋影響研究，應證了“中位裂度切割法”提升玻璃斷面平整度的正確性?！爸形涣讯惹懈罘ā笨梢暂^為準確地量化切割工藝中斷面質(zhì)量并能夠?qū)崿F(xiàn)對厚板玻璃切割工藝質(zhì)量控制。（1）刀輪角度與中位裂度呈線性關系，且角度越大，中位裂度越淺，同一切割壓力下時，有明顯影響關系。（2）中位裂度需要與玻璃厚度保持一個合適的比值，從而得到最佳的玻璃斷面質(zhì)量。（3）切割壓力應足夠滿足產(chǎn)生連續(xù)且平均的中間裂度，過大或者過小的中間裂度都影響掰片質(zhì)量。（4）切割速度對中位裂度無明顯影響