影响玻璃切割断面质量的因素及表征性能

0引言随着建筑工程玻璃功能化日益普及并向高端化应用发展，厚板玻璃（厚度大于10mm的玻璃称为厚板玻璃）的加工与应用需求与日俱增，笔者所在公司2019—2021年厚板玻璃加工产量年均上涨10.8%。计算机技术的普遍应用使现代切割机配备非常精确的可编程系统，可以精确地进行直线和异形切割，使用优化程序来控制切裁率。提高掰边质量有效减少留边量与磨边量，是工程玻璃中厚板玻璃加工的行业开发热点，其切割工艺与应用技术是工程玻璃行业的重要技术发展方向之一。因此，重点关注切割理论与切割工艺革新，提高断面质量与精准度，减少留边量与磨边量，对于进一步提高综合切裁率，具有重大意义。1玻璃应力学与断裂力学理论（1）钠钙硅玻璃配料组成与玻璃应力钠钙硅浮法玻璃通常含有69%的SiO2，17%的Na2O，6%的CaO和少量Al2O3/MgO、K2O。平板工艺通过压延冷却固化后在玻璃原片表面进行机械研磨抛光，相对于浮法工艺其机械性能较低，更容易切割。各浮法玻璃原片企业均有其不同的工艺配方。在不同的退火条件下，同一玻璃配方组成的应力属性均不同。根据Fluegel的理论强度数据模型，以配方为69%的SiO2，17%的Na2O，6%的CaO，4%的Al2O3，3%的MgO，1%的K2O建模玻璃性能，不同玻璃配方组成下，玻璃的杨氏模量均呈现不同变化，如图1所示。图1不同玻璃配方组分对玻璃杨氏模量的梯度影响由图1可以看出，此配方的玻璃杨氏模量为68.4GPa（不考虑瑕疵的理论强度），氧化钙/氧化铝/氧化镁/石英砂配料变化与杨氏模量呈正相关，氧化钾/纯碱配料变化与杨氏模量呈负相关。其中每摩尔百分比变化下，氧化钙对杨氏模量影响梯度最大，石英砂对杨氏模量影响梯度最小。当添加更多的氧化钾/氧化钠时，玻璃的应力会下降，氧化钠要比氧化钾下降得更快一些。由此，本文提出玻璃企业在玻璃切割工艺中应对玻璃原片配方加以考量，将不同原片企业的应力数据作为玻璃切割工艺的第一前提。本文实验是基于同一厂家同一批次玻璃原片，采用成都南玻10mm优质超白浮法原片。由此配方作为定量不属于本文讨论范畴。（2）玻璃断裂微观结构与玻璃应力玻璃原片一般分为外层与内层，玻璃应力也分为压应力与张应力，玻璃外层分布压应力，玻璃内层分布张应力。玻璃外层通常为玻璃厚度的20%，玻璃内层通常为玻璃厚度的60%，设玻璃厚度为t，则压应力区间分布于玻璃两侧的0.2t，张应力区间分布于玻璃中心的0.6t。无论是普通的退火玻璃还是物理钢化玻璃，其应力分布在厚度上均遵循这一分布关系，但应注意其应力大小不同。同样，不同配方比例下的钠钙硅玻璃，压应力与张应力大小有变化，但分布大致遵循0.2t-0.6t-0.2t规律。玻璃配方与退火条件对玻璃应力分布的影响，也是玻璃切割工艺研究的另一个方向，在本文中不做赘述。刀轮切割工艺是一种非常可靠而且经济实惠的玻璃切割工艺，玻璃刀轮在水平放置的玻璃表面垂直滚划产生微小裂缝，通过人工或者机械掰片玻璃原片切割成客户订单需求的尺寸。玻璃企业大多数采用此类切割设备。切割机对玻璃刀轮在滚动中施加一个特定的压力参数，玻璃刀轮在玻璃表面通常切入浅浅一层，为肉眼可见的痕迹，如图2所示。图2切割工艺示意图断口形貌示意图玻璃在掰片力量下产生中位裂度使得玻璃断裂，在外部的作用力杠杆作用下，透过玻璃的中位裂度，集中在很少几个相互结合的分子上。尽管这种分子之间的结合点很结实，但是玻璃的刚性却使宏观的力作用到为数不多的亚微观的结构上。玻璃作为非晶态物体，具有液体的均匀结构，裂纹一旦发生，不会在玻璃内部遇到任何阻碍而终止其开裂的过程。进一步说，中位裂度加深，有效杠杆作用则加大，结合点的进一步破裂则变得更加容易。因此，对于特定厚度玻璃，适当的刀轮深度和中位裂度可以起到有效的杠杆作用，使玻璃断面均匀断裂，十分重要，是本文对玻璃切割工艺提出的第二前提。（3）玻璃裂纹应力分布方程玻璃的理论强度在6.9GPa左右，但是浮法玻璃原片实际应力通常约为80MPa。这是因为玻璃表面的瑕疵如裂纹、刮痕、气泡颗粒或是硫化镍（NiS）颗粒污染造成的。Neugebauer基于此分析裂纹对于表面张力的影响，并指出不同造型的裂纹影响中位裂度，给出了裂纹应力分布方程与定量建模。可知，刀轮角度小时，其中位裂度应力分布较浅，刀轮角度较大时，其中位裂度应力分布较深。因此，不同表面裂纹裂度应力分布不一样。尖锐裂纹裂度应力分布较浅且部分改变了水平两侧的应力，产生额外的横向裂度与径向裂度，导致中位裂度不足，由此产生掰片斜边。随着裂纹角度变大，裂纹良好地控制了横向裂度与径向裂度的产生，保持中位裂度更加向下，帮助玻璃取得垂直光滑的断面。由此提出，在玻璃裂纹应力分布框架内分析中位裂度为玻璃切割工艺提升断面质量的第三前提。2“中位裂度切割法”实验分析基于断裂力学理论与裂纹应力分布框架的理论研究表明，只有对玻璃断裂微观结构表征研究才能分析玻璃断面质量的影响因素。为了满足上述要求，提出了“中位裂度切割法”分析玻璃切割工艺。首先，分析玻璃刀轮角度的裂纹效应与掰片质量，然后分析切割压力与切割速率的裂纹效应与掰片质量。同时，在上述研究基础上，提出一种基于测量中位裂度的切割工艺方法，为不同厚度厚板玻璃切割提供了一种提升掰边断面质量的测试技术手段。（1）刀轮角度对各因素的影响刀轮深度、中位裂度随刀轮角度变化曲线见图3。各裂痕/厚度比值随刀轮角度变化曲线见图4。玻璃断面平整度随刀轮角度变化曲线见图5。图3裂痕深度与刀轮角度变化曲线图4各裂痕/厚度比值与刀轮角度变化曲线图5平整度与玻璃刀轮角度变化曲线由图3可以看出，切割刀轮角度增大，主要影响中位裂度，中位裂度随刀轮角度增大而减小。图4表明，随着调整刀轮角度由小变大，相对于玻璃厚度刀轮深度与中位裂度各自的实际变化并不大，但刀轮深度与中位裂度比值却逐渐增大，这说明调整刀轮角度，实际上调整的是塑性形变与弹性形变对玻璃之相对作用。图5表明，切割10mm超白玻璃，使用小角度刀轮如140°，平整度较低，使用大角度刀轮如155°，平整度较高，调整刀轮角度对取得高质量的切割断面尤为重要。（2）切割压力对各因素的影响刀轮深度、中位裂度、切割深度随切割压力变化的曲线见图6。各裂痕深度/厚度比值随切割压力变化曲线见图7。玻璃断面平整度随切割压力变化曲线见图8。图6各裂痕深度随切割压力变化曲线图7各裂痕深度/厚度比值随切割压力变化曲线图8玻璃断面平整度随切割压力变化曲线由图6可知，随着切割压力变大，刀轮深度变大，中位裂度变大，总的切割深度变大。其中，中位裂度增大快于刀轮深度。由图8可知，切割压力对玻璃断面平整度影响较大，于1P

时平整度最大值，当切割压力小于或者大于1P

时，平整度降低。（3）切割速率对各因素的影响刀轮深度、中位裂度随切割速率变化曲线见图9。各裂痕深度/厚度比值随切割速度变化曲线见图10。玻璃断面平整度随切割速度变化曲线见图11。图9各裂痕深度随切割速度变化曲线图10各裂痕深度/厚度比值随切割速度变化曲线图11玻璃断面平整度随切割速度变化曲线由图9可知，切割速度对刀轮深度与中位裂度没有明显影响，各裂纹深度均变化不大。由图11可以看出，切割速度位于0.7V～1V

时，玻璃断面质量平整度较好，速度过小或过快，平整度均下降，且速度超过1.3V

后平整度最差。（4）中位裂度瓦纳线表征分析1P、1.4P

切割压力下裂纹与中位裂度瓦纳线照片见图12、图13。图121P

切割压力下裂纹与中位裂度瓦纳线图131.4P

切割压力下裂纹与中位裂度瓦纳线从图12和图13可以看出，在1P

切割压力下，中位裂度存在的瓦纳波纹平整有规律且光滑，但当1.4P

切割压力下时，中位裂度存在的瓦纳波纹杂乱且粗糙，夹杂横面裂度与径向裂度。此表征分析说明适当的切割压力可以取得合适的中位裂度，瓦纳波纹整齐且平整，切割压力过大时中位裂度空间内产生不必要的横向裂度与径向裂度，影响了玻璃断面质量平整度。3结论以上实验数据与Vitro公司的切割指导工艺数据较为吻合。通过对10mm超白玻璃原片切割参数、刀轮角度对裂纹影响研究，应证了“中位裂度切割法”提升玻璃断面平整度的正确性。“中位裂度切割法”可以较为准确地量化切割工艺中断面质量并能够实现对厚板玻璃切割工艺质量控制。（1）刀轮角度与中位裂度呈线性关系，且角度越大，中位裂度越浅，同一切割压力下时，有明显影响关系。（2）中位裂度需要与玻璃厚度保持一个合适的比值，从而得到最佳的玻璃断面质量。（3）切割压力应足够满足产生连续且平均的中间裂度，过大或者过小的中间裂度都影响掰片质量。（4）切割速度对中位裂度无明显影响