摘要　利用固結式微復制金剛石研磨片（Trizact Diamond Tile,TDT）對不同玻璃進行減薄研磨，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量，測量了玻璃表面粗糙度及玻璃亞表面損傷層的狀態。同時用9μm粒度碳化硅漿料做對比研磨試驗。結果表明，同樣粒度的金剛石TDT與傳統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。

關鍵詞　玻璃減薄；研磨；微復制；金剛石研磨片

　　隨著電容式觸摸屏的快速發展，觸摸屏玻璃的研磨技術越來越受到重視。傳統的加工方式如采用碳化硅漿料進行研磨，具有效率低、報廢率高、作業環境差、環保不友好等缺陷。3M公司在1998年基于微復制技術發明了一種固結式的金剛石研磨片，用于無漿料研磨，如圖1所示。目前已廣泛應用于玻璃、藍寶石、硅片等脆硬材料的減薄研磨^[1]。

　　3M固結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，固結式金剛石研磨片有微復制結構，可以保持良好的研磨自銳性，從而保證高效穩定的切削效率，同時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間。另外這種溝槽的設計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定性維護起到重要的作用。目前3M已有一系列固結式金剛石研磨片用于不同的應用領域。

　　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磨料兩種拋光方法加工手機面板玻璃，比較其材料去除率和拋光后工件表面粗糙度，結果表明：采用金剛石固結磨料拋光墊拋光能獲得表面粗糙度約為R_a1.5mm的良好表面質量，并在拋光過程中較好地實現了自修整功能^[2]。但是此研究使用的固結磨料產品磨削去除率較低。

　　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，初步得出固結式立方體金剛石研磨片去除模型。認為固結式研磨由于讓刀導致磨削去除率低，并且認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致金剛石脫落形成自修整過程[3]。筆者則認為，固結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脫落導致。

　　本實驗將研究不同粒度的固結式微復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行研究。

1         實驗條件

1.1       實驗設備及檢測儀器

　　研磨設備為瑞德C6175-2K雙面玻璃研磨機，如圖2，操作方法參考其操作手冊。檢測設備為：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       實驗工具及工件材料

　　研磨材料為3Ｍ固結式微復制金剛石研磨片，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固結式微復制金剛石研磨片是由若干相同的方塊單元陣列而成，金剛石磨粒被固結在每個微單元里面，這樣的微復制結構可以保證穩定一致的磨削去除率和加工表面效果，同時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生產的堿－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品，在國內通常叫Ｋ9玻璃，是一種性能優良的光學玻璃。我們把玻璃裁切為尺寸60mm×45mm。冷卻液采用國產的YM-02冷卻液。 

1.3      實驗方法及參數設定

　　所有試驗均采用機器上盤自重94㎏、研磨壓力17.15kPa進行研磨；下盤轉速為30r/min，冷卻液流量為5×10^－6m³/s；玻璃數量為20片/盤。研磨后采用穩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         實驗結果與分析

2.1      磨削去除率

　　詳細的磨削去除率數據如表1.可見，3Ｍ TDT的磨削去除率在同粒度下，明顯優于傳統的漿料研磨。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可以達到95μm/min的磨削去除率，是9μm碳化硅漿料研磨時的兩倍多。

2.2       研磨后玻璃亞表面狀態

　　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（左側圖放大500倍，右側圖放大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。而固結式微復制金剛石研磨片TDT的材料去除機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，均勻的粒徑分布可以減少損傷層。另外TDT研磨為固結式大平面研磨，是多層復合的彈性結構，這樣的結構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，可見損傷層較漿料研磨明顯改善。TDT粒度越細，研磨后玻璃的損傷層越小。圖7的2μm微復制金剛石研磨片TDT研磨后的玻璃表面損傷已經非常小。

　　通過2000倍的掃描電鏡觀察，發現大部分玻璃已經拋光磨透，除了脆性形變外，還出現了塑性形變，使玻璃部分被拋光。根據TDT研磨后的玻璃狀態，使玻璃部分被拋光。根據TDT研磨后的玻璃狀態，我們可以得出結論，3M TDT的金剛石磨料粒徑均勻，粒度分布較傳統碳化硅漿料要窄，可以在較高磨削去除率下達到較好的表面粗糙度，進而使后工序的氧化鈰拋光時間大大減少，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，粗糙度結果如表2.采用TDT研磨的玻璃表面粗糙度明顯優于漿料研磨，采用9μmTDT可以達到R_a＝0.37μm的表面效果。采用2μm微復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，證明采用固結式金剛石磨片研磨也可以達到拋光至透明。

3         結論

　　使用3Ｍ固結式微復制金剛石研磨片TDT和傳統9μm碳化硅漿料作研磨對比試驗，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、亞表面損傷層狀態和表面粗糙度進行分析，得出以下結論：

（1）3Ｍ TDT研磨片可以明顯提高磨削去除率，同時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可以達到95μm/min的磨削去除率，R_a可以達到0.37μm；而2μm粒度的TDT磨削去除率為7μm/min，R_a可以達到0.09μm。

(2)通過掃面電鏡觀察玻璃亞表面狀態，發現采用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，加工質量均勻一致。

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

參考文獻：

[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.游離和固結金剛石磨料拋光手機面板玻璃的試驗破研究[Ｊ].金剛石與磨料磨具工程，2009（2）：12－17.

[3]　林魁，朱永偉，李軍，等.金剛石固結磨料研磨K9玻璃的研究[Ｊ].硅酸鹽通報，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，華南理工大學機械工程碩士，目前為3M華南技術中心資深技術服務工程師。