薄脆性玻璃減薄制程新型加工工藝設(shè)計

朱永波，徐利君

(湖南機電職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410151)

0 引言

智能手機目前在全世界都得到了廣泛的應(yīng)用，且智能手機更新?lián)Q代速度非?？欤S著5G時代的來臨，智能手機已為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠帧２Ａё鳛橹悄苁謾C的一個重要組成部分，不僅僅應(yīng)用于顯示屏，后蓋板使用玻璃也已成為趨勢，備受青睞。玻璃加工一直是該行業(yè)的一個重要制程，傳統(tǒng)工藝都是采用拋光設(shè)備使用拋光介質(zhì)配合拋光液做行星運動進行加工，其加工效率較低，通常一盤的加工時間為15 min～20 min,平均1 min/pcs左右，自動化難度非常大，所有基本加工都是由人工操作機臺。該行業(yè)一直都在進行新型加工方法的研究和探索，以取代傳統(tǒng)加工模式。

隨著我國智能制造裝備的迅速發(fā)展，以新型傳感器、智能控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、自動化生產(chǎn)線為代表的智能制造裝備產(chǎn)業(yè)體系初步形成，一批具有知識產(chǎn)權(quán)的重大智能制造裝備實現(xiàn)突破，本文以薄脆性玻璃減薄加工工藝為重點研究內(nèi)容，引入先進制造技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)控裝備行業(yè)智能化、信息化、無人化的升級和突破，可以有效地解決玻璃減薄制程中工作環(huán)境差、勞動強度大、玻璃易碎、效率低等問題。

1 加工對象特性分析

智能手機蓋板玻璃通常采用康寧第六代鋁硅酸鹽玻璃，具有較好的透光性、抗劃傷能力以及耐沖擊性等優(yōu)秀性能，尤其是增加了P2O5后的鋁硅酸鹽玻璃性能更加突出。但對于加工而言其具有以下特點：①?。撼善泛穸葹?.6 mm左右；②硬：表面維氏硬度>7 200 MPa；③脆：表面壓應(yīng)力值>865 MPa。以上特點決定了其加工難度大。玻璃從毛坯到成品的總?cè)コ考s為0.3 mm左右，加工工藝一般分為粗磨、精磨、精拋三個制程。粗磨和精磨都是一種減薄工藝，將玻璃表面粗糙不平或成形時余留部分的玻璃磨去,去除毛坯的大部分余量,達到保持大致的幾何形狀與粗糙度的效果，為最后的精拋做好準備。

2 加工工藝特點的研究

在進行最后精拋之前，減薄制程需要達到的要求為：①加工余量由0.9 mm減至0.65 mm；②減薄后的尺寸精度為±0.005 mm;③單片厚度差值:0.005 mm；④表面粗糙度：Ra0.025;⑤節(jié)拍：10 s/pcs。

傳統(tǒng)加工方式為單面斷續(xù)加工(見圖1)，采用人工上下料，在保證參數(shù)要求的前提下效率為1 min/pcs，所以效率較低，工廠為了保證產(chǎn)量，需要配置大量的設(shè)備和人工。鑒于這些弊端，在與用戶深入交流后，提出了采用雙面連續(xù)加工(見圖2)且配套自動化上下料的生產(chǎn)方式來提高生產(chǎn)效率。為達到要求，主要加工設(shè)備必須滿足以下幾點要求:①機床剛性要好；②主軸轉(zhuǎn)速要快；③拋光砂輪去除力要強且經(jīng)久耐用；④自動化上料應(yīng)具備位置自動識別和跟隨功能。

圖1 單面斷續(xù)加工方式

根據(jù)以上要求，通過實驗批量驗證，選用立式雙端面磨床作為加工設(shè)備。其機身采用一體化鑄件，磨頭進給采用高精密滾珠絲杠副，進給精度達到0.001 mm。磨頭采用電主軸變頻驅(qū)動，轉(zhuǎn)速可達到1 000 r/min。通過單獨控制的上、下砂輪，采用分層磨削方式以確保較大的去除量。拋光砂輪選用金剛石砂輪，在保證去除力的同時使用壽命可達到100 000片。由于采用的是連續(xù)磨削加工的方式，送料轉(zhuǎn)盤在運動過程中會受到砂輪反向力的作用,致使上料位置連續(xù)且不固定，因此采用視覺識別定位、機器人以及送料轉(zhuǎn)盤位置輸出的聯(lián)動方式來實現(xiàn)。

圖2 雙面連續(xù)加工方式

3 加工工藝流程設(shè)計

通過對加工工藝特點的分析研究，采用了以磨代拋的雙面生產(chǎn)工藝，其特點是：①生產(chǎn)節(jié)拍快(最快可達3 s/pcs)；②加工過程連續(xù)不停頓；③加工對象為易碎材料，如發(fā)生玻璃破碎，玻璃渣將會對后續(xù)加工產(chǎn)生劃傷的影響，需要完全清理，耗時耗力。根據(jù)這些特點，為滿足用戶99.99%穩(wěn)定性的要求，必須要配套自動化上下料裝置。最終制定的工藝流程如圖3所示。

圖3 磨削加工工藝流程

3.1 來料及分片設(shè)計

圖4 “疊片+分片”供料裝置

3.2 視覺計算及機器人上料設(shè)計

為了防止玻璃在磨削過程中對送料盤產(chǎn)生沖擊和竄動造成碎片的風險，要求玻璃放入料盤的單邊間隙≤0.05 mm，因此在機器人隨動上料時需通過視覺拍照計算后與機床的速度保持聯(lián)動。運動時由記錄送料轉(zhuǎn)盤的位置編碼器觸發(fā)視覺相機拍照，視覺系統(tǒng)將位置數(shù)據(jù)和從拍照點到放料點的時間反饋給機器人，機器人配合接收到的信息將玻璃準確放入料盤夾具中。視覺及機器人設(shè)計方案如圖5所示。

圖5 視覺及機器人設(shè)計示意圖

機器人與視覺配合關(guān)系為：

Tr=Ts.

(1)

式(1)可以演變?yōu)椋?/p>

(2)

在公式(2)中θ和i都屬于固定值，實際調(diào)試時只需要調(diào)整伺服電機的轉(zhuǎn)速和加減速的時間就可以實現(xiàn)視覺識別和機器人的隨動配合，節(jié)省了調(diào)試的時間，消除了加工環(huán)境的影響。

為了進一步提高準確率，在玻璃進入磨削前可以設(shè)置高度傳感器，在機械手沒有完全放入的情況下，系統(tǒng)會報警提示，大大提高了系統(tǒng)的安全性。

3.3 磨削減薄工藝設(shè)計

用磨削代替拋光作為玻璃減薄工藝，其核心在于機床的高剛性和砂輪高切削力。通過多年的探索，發(fā)現(xiàn)采用立式雙端面磨床可以滿足要求。而本工藝的最大優(yōu)勢就是節(jié)拍快、效率高，采用雙平面磨削加工時，上、下砂輪呈一定角度，從進入磨削區(qū)到出口采用分層磨削的方式，一次性達到產(chǎn)品尺寸要求。根據(jù)這些特點最終選用金剛石研磨墊(如圖6所示)，它通過特殊粘合劑與金屬盤面結(jié)合，使用金剛石修整器對其進行修銳以達到多次使用的效果，且該研磨墊具有微小的韌性，可以消除磨削過程中對滾珠絲杠副的傷害，既可以保證工件加工精度又可以保護機床。

圖6 金剛石研磨墊

3.4 加工后的檢測效果

通過粗磨和精磨后對玻璃表面粗糙度進行檢測，平均為Ra0.02(如圖7所示)，達到了很好的效果，為最后的精拋光打下良好的基礎(chǔ)。

圖7 表面粗糙度檢測圖

4 控制程序的設(shè)計

由于整個工藝設(shè)計中包含的設(shè)備種類以及需要控制的點位數(shù)量較多，為了使整個控制程序邏輯關(guān)系清晰，采用模塊化程序設(shè)計方法。系統(tǒng)控制邏輯關(guān)系如圖8所示，包括一個主控模塊和兩個子模塊(機器人控制模塊和CDD視覺系統(tǒng)控制模塊)。同時為了便于設(shè)備調(diào)試，控制程序包括手動與自動兩種模式。在正常情況下選擇自動運行，整個生產(chǎn)線按照工藝流程進行自動生產(chǎn)。當需要對設(shè)備進行調(diào)試或臨時打樣時，可通過上位機上的旋鈕進行切換，實現(xiàn)手動控制。

圖8 系統(tǒng)控制邏輯圖

5 結(jié)語

通過對產(chǎn)品的材料特性、加工工藝性、加工環(huán)境等特點的研究后，本文設(shè)計了以數(shù)控立式雙端面磨床為加工設(shè)備，并采用了自動化上下料裝置和機器人與視覺耦合技術(shù)的自動化加工工藝，解決了薄脆性材料的加工和隨動入料的難題。通過現(xiàn)場的大量工藝驗證，并經(jīng)用戶現(xiàn)場多次優(yōu)化改進，完成了薄脆性玻璃減薄制程新型加工工藝設(shè)計，獲得了客戶的認可。