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       摘要　利用固结式微复制金刚石研磨片（Trizact Diamond Tile,TDT）对不同玻璃进行减薄研磨，确定不同粒度金刚石和TDT的磨削去除率；研究了研磨后的玻璃加工质量，测量了玻璃表面粗糙度及玻璃亚表面损伤层的状态。同时用9μm粒度碳化硅浆料做对比研磨试验。结果表明，同样粒度的金刚石TDT与传统的碳化硅浆料研磨相比可以得到更高的磨削去除率，减少玻璃亚表面损伤层，降低粗糙度。对于康宁玻璃，9μm粒度的TDT可以达到95μm/min的磨削去除率，是同粒度碳化硅浆料研磨的2倍多；R_a可以达到0.37μm，明显好于碳化硅浆料研磨；亚表面操作也减轻很多。采用2μm粒度的TDT研磨后可获得R_a0.09μm、接近透明的表面。

       关键词　玻璃减薄；研磨；微复制；金刚石研磨片

　　随着电容式触摸屏的快速发展，触摸屏玻璃的研磨技术越来越受到重视。传统的加工方式如采用碳化硅浆料进行研磨，具有效率低、报废率高、作业环境差、环保不友好等缺陷。3M公司在1998年基于微复制技术发明了一种固结式的金刚石研磨片，用于无浆料研磨，如图1所示。目前已广泛应用于玻璃、蓝宝石、硅片等脆硬材料的减薄研磨^[1]。

　　3M固结式金刚石研磨片可以在不同压力下工作，通常我们推荐10kPa到20kPa，最大不超过35kPa。和浆料在同等粒度下比较，固结式金刚石研磨片有微复制结构，可以保持良好的研磨自锐性，从而保证高效稳定的切削效率，同时可以减少被研磨材料的亚表面损伤层，减少后一道氧化铈浆料的抛光时间。另外这种沟槽的设计也有利于研磨碎屑的排除，从而对研磨的散热冷却和磨削去除率的稳定性维护起到重要的作用。目前3M已有一系列固结式金刚石研磨片用于不同的应用领域。

　　王军等研究者选取不同粒径的金刚石微粉，采用游离磨粒和固结磨料两种抛光方法加工手机面板玻璃，比较其材料去除率和抛光后工件表面粗糙度，结果表明：采用金刚石固结磨料抛光垫抛光能获得表面粗糙度约为R_a1.5mm的良好表面质量，并在抛光过程中较好地实现了自修整功能^[2]。但是此研究使用的固结磨料产品磨削去除率较低。

　　林魁等参考3Ｍ公司立方体金刚石研磨片，研究了一种新的亲水性固结式立方体金刚石研磨片用于K9玻璃的磨削研究，初步得出固结式立方体金刚石研磨片去除模型。认为固结式研磨由于让刀导致磨削去除率低，并且认为由于金刚石磨粒被磨钝，工件和金刚石之间摩擦力增大导致金刚石脱落形成自修整过程[3]。笔者则认为，固结式金刚石研磨片在磨削中去除率降低并非让刀所致，而是钝化金刚石没有及时脱落导致。

　　本实验将研究不同粒度的固结式微复制金刚石研磨片对不同玻璃的研磨效果，对其磨削去除率、研磨后亚表面和粗糙度等进行研究。

       1         实验条件

       1.1       实验设备及检测仪器

　　研磨设备为瑞德C6175-2K双面玻璃研磨机，如图2，操作方法参考其操作手册。检测设备为：分析天平；厚度测量表；粗糙度测试仪器（Mitutoyo SJ-301）；镭射扫描显微镜（KEYENCE-9700）；扫描电镜(SEM)。

       1.2       实验工具及工件材料

　　研磨材料为3Ｍ固结式微复制金刚石研磨片，磨料粒度为20μm、9μm、4μm及2μm；对比研磨材料为9μm碳化硅磨料浆料。3Ｍ固结式微复制金刚石研磨片是由若干相同的方块单元阵列而成，金刚石磨粒被固结在每个微单元里面，这样的微复制结构可以保证稳定一致的磨削去除率和加工表面效果，同时也延长了其使用寿命。被研磨的玻璃分别为：康宁金刚玻璃、钠钙玻璃1、钠钙玻璃2、肖特BK7玻璃。康宁金刚玻璃为采用康宁专利的熔融技术生产的碱－铝硅盐玻璃，莫氏硬度为5，具有良好的韧性和抗冲击性[4]；钠钙玻璃莫氏硬度为5+，是常见的浮法玻璃；BK7玻璃为德国肖特公司的产品，在国内通常叫Ｋ9玻璃，是一种性能优良的光学玻璃。我们把玻璃裁切为尺寸60mm×45mm。冷却液采用国产的YM-02冷却液。 

       1.3      实验方法及参数设定

　　所有试验均采用机器上盘自重94㎏、研磨压力17.15kPa进行研磨；下盘转速为30r/min，冷却液流量为5×10^－6m³/s；玻璃数量为20片/盘。研磨后采用稳重法确定磨削去除率，用SEM观测研磨后玻璃亚表面损伤情况，并用粗糙度仪测试粗糙度R_a、R_z、R_y。

       2         实验结果与分析

       2.1      磨削去除率

　　详细的磨削去除率数据如表1.可见，3Ｍ TDT的磨削去除率在同粒度下，明显优于传统的浆料研磨。对于TDT研磨，粒度越粗其磨削效率越高。在所有玻璃材料中，康宁玻璃硬度低，比较容易研磨，磨削去除率高；BK7玻璃次之；而钠钙玻璃较硬，磨削去除率相对较低。对于康宁玻璃，采用9μm　TDT可以达到95μm/min的磨削去除率，是9μm碳化硅浆料研磨时的两倍多。

       2.2       研磨后玻璃亚表面状态

　　图3是用扫描电镜观察9μm碳化硅浆料研磨的玻璃亚表面损伤层（左侧图放大500倍，右侧图放大2000倍），可以看出损伤层很深，并且不均匀。浆料研磨其机理为滚压式，所以损伤层较深；浆料中磨粒粒度分布较宽，有大颗粒混入，所以操作不均匀。而固结式微复制金刚石研磨片TDT的材料去除机理类似于耕犁式的研磨，其金刚石颗粒均匀分布于微单元内，均匀的粒径分布可以减少损伤层。另外TDT研磨为固结式大平面研磨，是多层复合的弹性结构，这样的结构可以有效减少玻璃碎片，提高良品率，因此，TDT在提高磨削去除率的同时可以有效地降低表面粗糙度，减少亚表面损伤。

　　图4到图7分别是20μm、9μm、4μm、2μm微复制阵列状金刚石研磨片TDT研磨的康宁玻璃的亚表面损伤形态，可见损伤层较浆料研磨明显改善。TDT粒度越细，研磨后玻璃的损伤层越小。图7的2μm微复制金刚石研磨片TDT研磨后的玻璃表面损伤已经非常小。

　　通过2000倍的扫描电镜观察，发现大部分玻璃已经抛光磨透，除了脆性形变外，还出现了塑性形变，使玻璃部分被抛光。根据TDT研磨后的玻璃状态，使玻璃部分被抛光。根据TDT研磨后的玻璃状态，我们可以得出结论，3M TDT的金刚石磨料粒径均匀，粒度分布较传统碳化硅浆料要窄，可以在较高磨削去除率下达到较好的表面粗糙度，进而使后工序的氧化铈抛光时间大大减少，降低抛光成本。

       2.3       粗糙度测试

　　用粗糙度测试仪测量碳化硅浆料和各种粒度TDT研磨的康宁玻璃的表面粗糙度，粗糙度结果如表2.采用TDT研磨的玻璃表面粗糙度明显优于浆料研磨，采用9μmTDT可以达到R_a＝0.37μm的表面效果。采用2μm微复制阵列状金刚石研磨片研磨的康宁玻璃表面粗糙度Ra更是达到了0.03μm，基本接近透明效果。图8为4μm　TDT和2μm TDT研磨康宁玻璃的表面，证明采用固结式金刚石磨片研磨也可以达到抛光至透明。

       3         结论

　　使用3Ｍ固结式微复制金刚石研磨片TDT和传统9μm碳化硅浆料作研磨对比试验，选用了康宁金刚玻璃、钠钙玻璃1、钠钙玻璃2、肖特BK7玻璃为研磨对象，对其磨削去除率、亚表面损伤层状态和表面粗糙度进行分析，得出以下结论：

       （1）3Ｍ TDT研磨片可以明显提高磨削去除率，同时还能保证较低的加工表面粗糙度。对于康宁玻璃，9μm粒度的TDT可以达到95μm/min的磨削去除率，R_a可以达到0.37μm；而2μm粒度的TDT磨削去除率为7μm/min，R_a可以达到0.09μm。

       （2）通过扫面电镜观察玻璃亚表面状态，发现采用TDT研磨片可以明显减小损伤层，玻璃加工表面也更加均匀一致，没有划伤，说明TDT磨料粒径分布窄，加工质量均匀一致。

       （3）针对不同的应用可以选择不同微复制金刚石研磨片TDT。快速的减薄、定厚的粗研磨，可以选用20μm或更粗的TDT；而对于表面微细加工，可以选用4μm或者更细的2μmTDT。

参考文献：

[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] 王军，李军，朱永伟，等.游离和固结金刚石磨料抛光手机面板玻璃的试验破研究[Ｊ].金刚石与磨料磨具工程，2009（2）：12－17.

[3]　林魁，朱永伟，李军，等.金刚石固结磨料研磨K9玻璃的研究[Ｊ].硅酸盐通报，2010（1）：6－11.

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

作者简介

郑连彬，男，1977年生，华南理工大学机械工程硕士，目前为3M华南技术中心资深技术服务工程师。