光學(xué)玻璃的高效精密劃切工藝研究*

尹韶輝,曹俊明,龔勝,梁振廷,胡天,陳逢軍,黃帥

(1. 湖南大學(xué)， 國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心, 長(zhǎng)沙 410082) (2. 長(zhǎng)沙華騰智能裝備有限公司, 長(zhǎng)沙410082)

K9光學(xué)玻璃由于其具有的獨(dú)特物理、化學(xué)性能，如高硬度、好的光學(xué)透明度、各種折射率、同質(zhì)性好等特性[1]，廣泛應(yīng)用于光學(xué)產(chǎn)業(yè)中，是一種較難加工的硬脆材料。由于產(chǎn)品需要，光學(xué)玻璃要被劃切成特定的尺寸來(lái)使用，其劃片工序特別是一些高端的光學(xué)元件對(duì)K9光學(xué)玻璃的劃切有很高的要求，如玻璃崩邊或者微裂紋過(guò)大，將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入的研究。閆偉文等[2]詳細(xì)介紹了劃片機(jī)的劃切原理，對(duì)劃切中影響劃切質(zhì)量的關(guān)鍵因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析；杜鵑等[3]深入研究了硬脆材料誘導(dǎo)的崩邊斷裂機(jī)理，構(gòu)建出三層分析模型并提出相應(yīng)的控制方法，并通過(guò)K9玻璃零件的加工進(jìn)行了驗(yàn)證；蔡克新等[4]開(kāi)發(fā)了LCD玻璃劃片機(jī)控制系統(tǒng)，并根據(jù)LCD玻璃劃切工藝及Griffith微裂紋理論分析了其斷裂的過(guò)程；肖強(qiáng)等[5]將ELID磨削方法應(yīng)用于光學(xué)玻璃的精密加工，通過(guò)優(yōu)化電解參數(shù)獲得了較好的表面質(zhì)量；耿其東等[6]采用改進(jìn)的磁力研磨工藝對(duì)K9光學(xué)玻璃表面進(jìn)行加工，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化獲得了好的表面質(zhì)量且表面一致性較好；甄萬(wàn)財(cái)[7]在研究中指出采用較高的主軸轉(zhuǎn)速、較小的劃切速度和順向劃切模式，可以減小玻璃切割道的寬度；SCOTT等[8]用集中度不同的金剛石砂輪刀片劃切Mn-Zn單晶亞鐵鹽材料，發(fā)現(xiàn)崩邊主要產(chǎn)生于切割道的兩端，當(dāng)金剛石的集中度較高時(shí)，崩邊尺寸隨切割道的變寬而變小。

上述研究，未針對(duì)光學(xué)玻璃實(shí)際劃切工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。為了減少崩邊及微裂紋的發(fā)生，對(duì)K9光學(xué)玻璃的劃切工藝進(jìn)行研究，研究緊固方式、劃片刀種類(lèi)、切割水流量等工藝參數(shù)對(duì)K9光學(xué)玻璃劃切效果的影響。

1 光學(xué)玻璃劃切原理

劃片工序是將光學(xué)玻璃整體通過(guò)劃片機(jī)分割成單個(gè)產(chǎn)品的工藝過(guò)程，其劃切原理和結(jié)構(gòu)如圖1所示。光學(xué)玻璃的劃切磨削去除機(jī)理一般可分為脆性破裂和塑性變形2種[9]：脆性破裂去除是通過(guò)空隙和裂紋的形成或擴(kuò)展、剝落及碎裂等方式來(lái)完成的，脆性破裂時(shí)的裂痕發(fā)生在磨粒后方的接觸面附近，裂痕側(cè)向生長(zhǎng)而形成微裂紋，當(dāng)切削力超過(guò)極限強(qiáng)度時(shí)形成崩邊，如圖1a中Ⅰ、Ⅱ所示；塑性變形去除方式包括劃擦、耕犁和切屑成形，砂輪劃片刀作用在光學(xué)玻璃表面，磨粒與光學(xué)玻璃摩擦產(chǎn)生彈性變形，在內(nèi)摩擦力作用下使磨粒前下方區(qū)域形成塑性域，隨著X軸的進(jìn)給塑性區(qū)域擴(kuò)大而形成剪切區(qū)，隨著切屑的去除形成切割道，如圖1a中的Ⅲ、Ⅳ所示。

劃片機(jī)劃切之前，首先要將K9玻璃緊固在玻璃基板上，然后再放在工作盤(pán)上，工作盤(pán)上方裝有CCD工業(yè)相機(jī)，隨著Y軸的移動(dòng)而移動(dòng)，通過(guò)CCD工業(yè)相機(jī)準(zhǔn)確獲取K9玻璃的位置信息及切割道位置。工作臺(tái)由θ軸電機(jī)帶動(dòng)，可在400°范圍內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)；利用安裝在氣浮電主軸上的刀盤(pán)夾持裝置夾持刀片，刀片以合適的速度沿著切割道進(jìn)行有規(guī)律、等間距的劃切；氣浮電主軸安裝在Z軸上，通過(guò)其上下運(yùn)動(dòng)控制不同的劃切深度；X軸水平運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割道長(zhǎng)度方向的劃切；劃切完一次后Y軸分度移動(dòng)實(shí)現(xiàn)多次劃切；最后通過(guò)θ軸轉(zhuǎn)動(dòng)90°來(lái)實(shí)現(xiàn)多方向的劃切。劃片機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1b所示。

(a)單顆磨粒去除機(jī)理Removal mechanism of single abrasive particle(b)劃片機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Sketch of structure of the dicing machine圖1 光學(xué)玻璃劃切原理 Fig. 1 Dicing principle of optical glass

2 劃切試驗(yàn)條件和方法

以自主研發(fā)的FAD1210高精高效劃片機(jī)為平臺(tái)，進(jìn)行一系列單因素劃切試驗(yàn)，研究不同工藝參數(shù)對(duì)K9光學(xué)玻璃切割道崩邊寬度及表面粗糙度的影響。

2.1 試驗(yàn)裝置

圖2為試驗(yàn)用FAD1210全自動(dòng)高精密劃片機(jī)實(shí)物圖。該設(shè)備采用自主研發(fā)的HT-1210軟件系統(tǒng)和視覺(jué)系統(tǒng)，人機(jī)交互性高；擁有高精度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，Y軸采用最小分辨率為0.1 μm的光柵尺測(cè)量運(yùn)動(dòng)位移數(shù)據(jù)，并使用激光干涉儀進(jìn)行補(bǔ)償，重復(fù)定位精度達(dá)到±1 μm；自動(dòng)上下料系統(tǒng)大大減少了劃片過(guò)程中操作工人手動(dòng)放料、取料等工序的時(shí)間，一人可操縱多臺(tái)設(shè)備，節(jié)省了大量的勞動(dòng)力，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率；采用非接觸式光纖傳感器，實(shí)時(shí)在線檢測(cè)刀具磨損情況，且能夠進(jìn)行在線補(bǔ)償，提高劃切精度。

圖2 試驗(yàn)用劃片機(jī) Fig. 2 Dicing machine

2.2 試驗(yàn)條件

試樣材料為K9光學(xué)玻璃，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 K9光學(xué)玻璃的材料性能

劃片刀的選擇要同時(shí)考慮劃片刀的使用壽命、劃切質(zhì)量及生產(chǎn)成本，影響劃片刀的主要因素有金剛石磨粒粒徑和結(jié)合劑材料，因此對(duì)比研究了金屬、樹(shù)脂及電鍍結(jié)合劑3種不同類(lèi)型刀片的劃切效果，其參數(shù)如表2所示。

表2 劃片刀參數(shù)

2.3 試驗(yàn)方案

為了探究不同工藝參數(shù)對(duì)劃切K9光學(xué)玻璃崩邊寬度及表面粗糙度的影響，選取緊固方式、劃片刀種類(lèi)、切割水流量3組主要因素進(jìn)行單因素工藝劃切試驗(yàn)，其他工藝參數(shù)如表3所示。第1組試驗(yàn)是探究緊固方式對(duì)K9玻璃劃切的影響，緊固方式分為高溫硅膠帶固定、UV膜固定和基板玻璃固定3種方式；第2組試驗(yàn)是探究劃片刀種類(lèi)對(duì)K9玻璃劃切的影響，劃片刀種類(lèi)包括金屬刀、電鍍刀、樹(shù)脂刀；第3組試驗(yàn)是探究切割水流量對(duì)K9光學(xué)玻璃劃切的影響，切割水流量設(shè)置范圍為1.5～6.0 L/min,每組增量為1.5 L/min。

表3 工藝參數(shù)

利用金相顯微鏡對(duì)劃切后的切割道進(jìn)行觀察，測(cè)量其崩邊寬度h(切割道崩邊的最大值)；采用Zygo New View 7100白光干涉儀對(duì)劃切后的切割道表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

玻璃劃切試驗(yàn)針對(duì)緊固方式、劃片刀種類(lèi)及切割水流量3種因素進(jìn)行。

3.1 緊固方式對(duì)K9玻璃劃切的影響

圖3給出了緊固方式對(duì)劃切效果的影響。圖4為不同緊固方式劃切后的形貌圖。從圖3、圖4中可以看出：采用高溫硅膠帶、UV膜、玻璃基板3種不同緊固方式劃切K9玻璃，其崩邊寬度及表面粗糙度Ra結(jié)果不同，高溫硅膠帶崩邊寬度及表面粗糙度大于UV膜的，UV膜的大于玻璃基板的。

(a)高溫硅膠帶緊固Fastened by high temperature enamel tape(b)UV膜緊固Fastened by the UV film(c)玻璃基板緊固Fastened by the substrate glass圖4 不同緊固方式劃切后的形貌圖 Fig. 4 Patterns after dicing at different fastening methods

K9玻璃通常是用固定膜及蠟、玻璃載體等真空吸附在工件盤(pán)上，固定膜有高溫硅膠帶(綠膜)和UV膜(紫外膜)等，固定膜的黏附力必須足夠大，才能保證劃切過(guò)程中的分離材料不會(huì)脫落，并且在劃切完成后又容易取下。高溫硅膠帶由于材質(zhì)較軟，在固定K9玻璃時(shí)容易殘留氣泡，且最大拉應(yīng)力較大，使玻璃崩邊寬度增大、表面粗糙度變差；將K9玻璃固定在UV膜上能使玻璃在劃切中保持完整，減少劃切中崩碎的產(chǎn)生，確保玻璃塊在正常劃切過(guò)程中不會(huì)有位移、掉落的情形發(fā)生，且其具有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)張性，經(jīng)紫外線照射后黏結(jié)力下降[10]，玻璃塊容易被取下來(lái)。但UV膜與高溫硅膠帶類(lèi)似，其接觸面是軟接觸，劃切時(shí)會(huì)發(fā)生變形，因此崩邊也較大、表面粗糙度也較差。將K9玻璃通過(guò)蠟粘在基板玻璃上以增加其輔助支撐[11]，限制了K9玻璃與基板玻璃側(cè)向的位移，優(yōu)化了其應(yīng)力分布，可減小崩邊大小[3]；而且，基板玻璃具有自修磨特性，有助于減少劃切阻力。經(jīng)大量的劃切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切深為1.2 mm時(shí)劃切材料的切口平齊。綜上所述，采用基板玻璃緊固方式可在一定程度上降低玻璃崩邊的大小，改善其表面質(zhì)量。

3.2 劃片刀種類(lèi)對(duì)K9光學(xué)玻璃劃切的影響

圖5所示為劃片刀種類(lèi)對(duì)劃切效果的影響。圖6給出了3種劃片刀劃切后的形貌圖。

(a)金屬刀劃切Dicing by metal knife(b)樹(shù)脂刀劃切 Dicing by resin knife (c)電鍍刀劃切Dicing by plating knife圖6 3種劃片刀劃切后形貌圖Fig. 6 Patterns after dicing with three dicing knives

如圖5、圖6所示：采用3種不同類(lèi)型的劃片刀劃切K9光學(xué)玻璃，用樹(shù)脂刀劃切時(shí)玻璃的崩邊寬度和表面粗糙度都較小，金屬刀次之，電鍍刀最大。金屬結(jié)合劑劃片刀具有高切削能力，且金屬結(jié)合劑對(duì)磨料的把持能力強(qiáng)，耐磨性好，刀片形狀的保持性也好，相對(duì)來(lái)說(shuō)使用壽命更長(zhǎng)久；電鍍刀的特點(diǎn)是高韌性、高精度、超薄，更適合于高難度的倒角劃切和階梯劃切加工場(chǎng)合；樹(shù)脂結(jié)合劑劃片刀劃切時(shí)在垂直方向消耗，能有效降低其晶粒變形，提高硬脆材料劃切的品質(zhì)及加工效率，改善其加工質(zhì)量。K9玻璃這種硬脆性材料，劃切時(shí)磨粒容易磨損，為了能使磨鈍了的磨粒及時(shí)脫落，應(yīng)選擇較軟的刀具[12]；大量的試驗(yàn)也證明，樹(shù)脂結(jié)合劑刀具相比其他種類(lèi)的刀具更鋒利、更富有彈性、自銳性強(qiáng)、劃切效率高等[13]。因此，選擇樹(shù)脂結(jié)合劑劃片刀可以降低玻璃劃切時(shí)的崩邊大小，并降低其表面粗糙度。

3.3 切割水流量對(duì)K9玻璃劃切的影響

切割水流量對(duì)劃切效果的影響如圖7所示。圖8為不同切割水流量劃切后的形貌圖。

(a)流量1.5 L/minFlow rate of 1.5 L/min(b)流量3.0 L/minFlow rate of 3.0 L/min(c)流量4.5 L/minFlow rate of 4.5 L/min(d)流量6.0 L/minFlow rate of 6.0 L/min圖8 不同切割水流量劃切后的形貌圖Fig. 8 Patters after dicing at different dicing water flow rates

如圖7、圖8所示：切割水流量分別為1.5 L/min、3.0 L/min、4.5 L/min、6.0 L/min時(shí)劃切K9玻璃，其崩邊大小及表面粗糙度隨切割水流量的增大，先是不斷降低，然后趨于穩(wěn)定。大量的劃切試驗(yàn)表明：切割水流量過(guò)小，達(dá)不到冷卻效果，刀片磨損加快，甚至?xí)霈F(xiàn)燒焦現(xiàn)象；切割水流量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致刀痕偏移，出現(xiàn)波浪形切割道，沖走劃切過(guò)程中黏結(jié)不牢的材料，且當(dāng)?shù)镀穸容^薄時(shí)還會(huì)影響刀片的剛性。劃片刀劃切K9玻璃時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，需要冷卻液來(lái)帶走刀片與劃切材料接觸部分的摩擦熱，沖走劃切產(chǎn)生的切屑，防止熱量傳遞到材料上影響其性能并延長(zhǎng)刀片的壽命，保證劃切的質(zhì)量[14]。因此，選擇切割水流量為4.5 L/min可以改善K9玻璃的劃切質(zhì)量，使其崩邊寬度和表面粗糙度符合要求。

4 參數(shù)優(yōu)化及劃切驗(yàn)證

通過(guò)上述劃切試驗(yàn)，最終選取了玻璃基板為緊固方式，樹(shù)脂結(jié)合劑劃片刀，切割水流量為4.5 L/min的優(yōu)化工藝參數(shù)并進(jìn)行劃切驗(yàn)證。圖9為K9玻璃優(yōu)化前后的劃切形貌對(duì)比圖。圖10為K9光學(xué)玻璃劃切前后的實(shí)物圖。

(a)優(yōu)化前崩邊寬度Chip width before optimizing(b)優(yōu)化后崩邊寬度Chip width after optimizing(c)優(yōu)化前表面粗糙度Ra before optimizing(d)優(yōu)化后表面粗糙度Ra after optimizing圖9 優(yōu)化前后形貌對(duì)比圖 Fig. 9 Comparison of pattern before and after optimization

由圖9、圖10可以看出：優(yōu)化后的玻璃劃切崩邊寬度為5.8 μm，表面粗糙度Ra為10.5 nm；且劃切后玻璃表面無(wú)劃痕，達(dá)到工業(yè)劃切標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

(1)緊固方式顯著影響K9光學(xué)玻璃的劃切，采用玻璃基板緊固方式劃切效果較好，UV膜次之，高溫硅膠帶較差。

(2)采用樹(shù)脂結(jié)合劑劃片刀劃切玻璃的崩邊寬度較小、表面粗糙度較低，劃切效果較理想，金屬刀次之，電鍍刀較差。

(3)切割水流量增大，玻璃崩邊寬度和表面粗糙度逐漸減小，當(dāng)切割水流量大于4.5 L/min時(shí)，劃切效果趨于穩(wěn)定。

(4)采用玻璃基板緊固方式，在切割水流量為4.5 L/min時(shí)，用樹(shù)脂刀劃切K9光學(xué)玻璃效果最佳，崩邊寬度為5.8 μm，表面粗糙度Ra達(dá)10.5 nm。