光学玻璃的高效精密划切工艺研究*

尹韶辉,曹俊明,龚胜,梁振廷,胡天,陈逢军,黄帅

(1. 湖南大学， 国家高效磨削工程技术研究中心, 长沙 410082) (2. 长沙华腾智能装备有限公司, 长沙410082)

K9光学玻璃由于其具有的独特物理、化学性能，如高硬度、好的光学透明度、各种折射率、同质性好等特性[1]，广泛应用于光学产业中，是一种较难加工的硬脆材料。由于产品需要，光学玻璃要被划切成特定的尺寸来使用，其划片工序特别是一些高端的光学元件对K9光学玻璃的划切有很高的要求，如玻璃崩边或者微裂纹过大，将严重影响产品的质量，甚至导致产品报废。

国内外学者对此进行了深入的研究。闫伟文等[2]详细介绍了划片机的划切原理，对划切中影响划切质量的关键因素进行了系统分析；杜鹃等[3]深入研究了硬脆材料诱导的崩边断裂机理，构建出三层分析模型并提出相应的控制方法，并通过K9玻璃零件的加工进行了验证；蔡克新等[4]开发了LCD玻璃划片机控制系统，并根据LCD玻璃划切工艺及Griffith微裂纹理论分析了其断裂的过程；肖强等[5]将ELID磨削方法应用于光学玻璃的精密加工，通过优化电解参数获得了较好的表面质量；耿其东等[6]采用改进的磁力研磨工艺对K9光学玻璃表面进行加工，通过参数优化获得了好的表面质量且表面一致性较好；甄万财[7]在研究中指出采用较高的主轴转速、较小的划切速度和顺向划切模式，可以减小玻璃切割道的宽度；SCOTT等[8]用集中度不同的金刚石砂轮刀片划切Mn-Zn单晶亚铁盐材料，发现崩边主要产生于切割道的两端，当金刚石的集中度较高时，崩边尺寸随切割道的变宽而变小。

上述研究，未针对光学玻璃实际划切工艺参数进行试验。为了减少崩边及微裂纹的发生，对K9光学玻璃的划切工艺进行研究，研究紧固方式、划片刀种类、切割水流量等工艺参数对K9光学玻璃划切效果的影响。

1 光学玻璃划切原理

划片工序是将光学玻璃整体通过划片机分割成单个产品的工艺过程，其划切原理和结构如图1所示。光学玻璃的划切磨削去除机理一般可分为脆性破裂和塑性变形2种[9]：脆性破裂去除是通过空隙和裂纹的形成或扩展、剥落及碎裂等方式来完成的，脆性破裂时的裂痕发生在磨粒后方的接触面附近，裂痕侧向生长而形成微裂纹，当切削力超过极限强度时形成崩边，如图1a中Ⅰ、Ⅱ所示；塑性变形去除方式包括划擦、耕犁和切屑成形，砂轮划片刀作用在光学玻璃表面，磨粒与光学玻璃摩擦产生弹性变形，在内摩擦力作用下使磨粒前下方区域形成塑性域，随着X轴的进给塑性区域扩大而形成剪切区，随着切屑的去除形成切割道，如图1a中的Ⅲ、Ⅳ所示。

划片机划切之前，首先要将K9玻璃紧固在玻璃基板上，然后再放在工作盘上，工作盘上方装有CCD工业相机，随着Y轴的移动而移动，通过CCD工业相机准确获取K9玻璃的位置信息及切割道位置。工作台由θ轴电机带动，可在400°范围内任意旋转；利用安装在气浮电主轴上的刀盘夹持装置夹持刀片，刀片以合适的速度沿着切割道进行有规律、等间距的划切；气浮电主轴安装在Z轴上，通过其上下运动控制不同的划切深度；X轴水平运动实现切割道长度方向的划切；划切完一次后Y轴分度移动实现多次划切；最后通过θ轴转动90°来实现多方向的划切。划片机结构示意图如图1b所示。

(a)单颗磨粒去除机理Removal mechanism of single abrasive particle(b)划片机结构示意图Sketch of structure of the dicing machine图1 光学玻璃划切原理 Fig. 1 Dicing principle of optical glass

2 划切试验条件和方法

以自主研发的FAD1210高精高效划片机为平台，进行一系列单因素划切试验，研究不同工艺参数对K9光学玻璃切割道崩边宽度及表面粗糙度的影响。

2.1 试验装置

图2为试验用FAD1210全自动高精密划片机实物图。该设备采用自主研发的HT-1210软件系统和视觉系统，人机交互性高；拥有高精度运动系统，Y轴采用最小分辨率为0.1 μm的光栅尺测量运动位移数据，并使用激光干涉仪进行补偿，重复定位精度达到±1 μm；自动上下料系统大大减少了划片过程中操作工人手动放料、取料等工序的时间，一人可操纵多台设备，节省了大量的劳动力，降低了劳动强度，提高了生产效率；采用非接触式光纤传感器，实时在线检测刀具磨损情况，且能够进行在线补偿，提高划切精度。

图2 试验用划片机 Fig. 2 Dicing machine

2.2 试验条件

试样材料为K9光学玻璃，其性能参数如表1所示。

表1 K9光学玻璃的材料性能

划片刀的选择要同时考虑划片刀的使用寿命、划切质量及生产成本，影响划片刀的主要因素有金刚石磨粒粒径和结合剂材料，因此对比研究了金属、树脂及电镀结合剂3种不同类型刀片的划切效果，其参数如表2所示。

表2 划片刀参数

2.3 试验方案

为了探究不同工艺参数对划切K9光学玻璃崩边宽度及表面粗糙度的影响，选取紧固方式、划片刀种类、切割水流量3组主要因素进行单因素工艺划切试验，其他工艺参数如表3所示。第1组试验是探究紧固方式对K9玻璃划切的影响，紧固方式分为高温硅胶带固定、UV膜固定和基板玻璃固定3种方式；第2组试验是探究划片刀种类对K9玻璃划切的影响，划片刀种类包括金属刀、电镀刀、树脂刀；第3组试验是探究切割水流量对K9光学玻璃划切的影响，切割水流量设置范围为1.5～6.0 L/min,每组增量为1.5 L/min。

表3 工艺参数

利用金相显微镜对划切后的切割道进行观察，测量其崩边宽度h(切割道崩边的最大值)；采用Zygo New View 7100白光干涉仪对划切后的切割道表面粗糙度进行测量。

3 试验结果及分析

玻璃划切试验针对紧固方式、划片刀种类及切割水流量3种因素进行。

3.1 紧固方式对K9玻璃划切的影响

图3给出了紧固方式对划切效果的影响。图4为不同紧固方式划切后的形貌图。从图3、图4中可以看出：采用高温硅胶带、UV膜、玻璃基板3种不同紧固方式划切K9玻璃，其崩边宽度及表面粗糙度Ra结果不同，高温硅胶带崩边宽度及表面粗糙度大于UV膜的，UV膜的大于玻璃基板的。

(a)高温硅胶带紧固Fastened by high temperature enamel tape(b)UV膜紧固Fastened by the UV film(c)玻璃基板紧固Fastened by the substrate glass图4 不同紧固方式划切后的形貌图 Fig. 4 Patterns after dicing at different fastening methods

K9玻璃通常是用固定膜及蜡、玻璃载体等真空吸附在工件盘上，固定膜有高温硅胶带(绿膜)和UV膜(紫外膜)等，固定膜的黏附力必须足够大，才能保证划切过程中的分离材料不会脱落，并且在划切完成后又容易取下。高温硅胶带由于材质较软，在固定K9玻璃时容易残留气泡，且最大拉应力较大，使玻璃崩边宽度增大、表面粗糙度变差；将K9玻璃固定在UV膜上能使玻璃在划切中保持完整，减少划切中崩碎的产生，确保玻璃块在正常划切过程中不会有位移、掉落的情形发生，且其具有适当的扩张性，经紫外线照射后黏结力下降[10]，玻璃块容易被取下来。但UV膜与高温硅胶带类似，其接触面是软接触，划切时会发生变形，因此崩边也较大、表面粗糙度也较差。将K9玻璃通过蜡粘在基板玻璃上以增加其辅助支撑[11]，限制了K9玻璃与基板玻璃侧向的位移，优化了其应力分布，可减小崩边大小[3]；而且，基板玻璃具有自修磨特性，有助于减少划切阻力。经大量的划切试验发现，当切深为1.2 mm时划切材料的切口平齐。综上所述，采用基板玻璃紧固方式可在一定程度上降低玻璃崩边的大小，改善其表面质量。

3.2 划片刀种类对K9光学玻璃划切的影响

图5所示为划片刀种类对划切效果的影响。图6给出了3种划片刀划切后的形貌图。

(a)金属刀划切Dicing by metal knife(b)树脂刀划切 Dicing by resin knife (c)电镀刀划切Dicing by plating knife图6 3种划片刀划切后形貌图Fig. 6 Patterns after dicing with three dicing knives

如图5、图6所示：采用3种不同类型的划片刀划切K9光学玻璃，用树脂刀划切时玻璃的崩边宽度和表面粗糙度都较小，金属刀次之，电镀刀最大。金属结合剂划片刀具有高切削能力，且金属结合剂对磨料的把持能力强，耐磨性好，刀片形状的保持性也好，相对来说使用寿命更长久；电镀刀的特点是高韧性、高精度、超薄，更适合于高难度的倒角划切和阶梯划切加工场合；树脂结合剂划片刀划切时在垂直方向消耗，能有效降低其晶粒变形，提高硬脆材料划切的品质及加工效率，改善其加工质量。K9玻璃这种硬脆性材料，划切时磨粒容易磨损，为了能使磨钝了的磨粒及时脱落，应选择较软的刀具[12]；大量的试验也证明，树脂结合剂刀具相比其他种类的刀具更锋利、更富有弹性、自锐性强、划切效率高等[13]。因此，选择树脂结合剂划片刀可以降低玻璃划切时的崩边大小，并降低其表面粗糙度。

3.3 切割水流量对K9玻璃划切的影响

切割水流量对划切效果的影响如图7所示。图8为不同切割水流量划切后的形貌图。

(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图8 不同切割水流量划切后的形貌图Fig. 8 Patters after dicing at different dicing water flow rates

如图7、图8所示：切割水流量分别为1.5 L/min、3.0 L/min、4.5 L/min、6.0 L/min时划切K9玻璃，其崩边大小及表面粗糙度随切割水流量的增大，先是不断降低，然后趋于稳定。大量的划切试验表明：切割水流量过小，达不到冷却效果，刀片磨损加快，甚至会出现烧焦现象；切割水流量过大会导致刀痕偏移，出现波浪形切割道，冲走划切过程中黏结不牢的材料，且当刀片厚度较薄时还会影响刀片的刚性。划片刀划切K9玻璃时会产生热量，需要冷却液来带走刀片与划切材料接触部分的摩擦热，冲走划切产生的切屑，防止热量传递到材料上影响其性能并延长刀片的寿命，保证划切的质量[14]。因此，选择切割水流量为4.5 L/min可以改善K9玻璃的划切质量，使其崩边宽度和表面粗糙度符合要求。

4 参数优化及划切验证

通过上述划切试验，最终选取了玻璃基板为紧固方式，树脂结合剂划片刀，切割水流量为4.5 L/min的优化工艺参数并进行划切验证。图9为K9玻璃优化前后的划切形貌对比图。图10为K9光学玻璃划切前后的实物图。

(a)优化前崩边宽度Chip width before optimizing(b)优化后崩边宽度Chip width after optimizing(c)优化前表面粗糙度Ra before optimizing(d)优化后表面粗糙度Ra after optimizing图9 优化前后形貌对比图 Fig. 9 Comparison of pattern before and after optimization

由图9、图10可以看出：优化后的玻璃划切崩边宽度为5.8 μm，表面粗糙度Ra为10.5 nm；且划切后玻璃表面无划痕，达到工业划切标准。

5 结论

(1)紧固方式显著影响K9光学玻璃的划切，采用玻璃基板紧固方式划切效果较好，UV膜次之，高温硅胶带较差。

(2)采用树脂结合剂划片刀划切玻璃的崩边宽度较小、表面粗糙度较低，划切效果较理想，金属刀次之，电镀刀较差。

(3)切割水流量增大，玻璃崩边宽度和表面粗糙度逐渐减小，当切割水流量大于4.5 L/min时，划切效果趋于稳定。

(4)采用玻璃基板紧固方式，在切割水流量为4.5 L/min时，用树脂刀划切K9光学玻璃效果最佳，崩边宽度为5.8 μm，表面粗糙度Ra达10.5 nm。