数控铣床实现触屏玻璃外形轮廓磨削的工艺设计

田先亮

（广东轻工职业技术学院 机电技术学院，广州 510300）

0 引言

随着智能手机、平板电脑等智能产品的普及，触摸屏产品和技术发展突飞猛进，产业规模不断升级。触屏玻璃是保障触摸屏产品性能的关键材料之一，要求具备高强度、高硬度和高光洁度等特点，具有耐压、耐摔、耐划伤和抗冲击等性能。图1所示为某平板电脑的触屏玻璃尺寸图（材料厚度为1.1 mm，轮廓边沿表面粗糙度能达到Ra1.6 μm），该产品长度和宽度有严格的尺寸精度要求，有4个R7.1 mm的外形圆角需要加工。

通过精确的刀具轨迹控制，数控铣床能够很容易地实现外形铣削加工。但是，对于图1所示的触屏玻璃产品，因玻璃材料硬而脆的特性，使得常规的铣刀和夹具无法对其进行加工。目前，通过成型刀具对玻璃进行成型磨削的工艺，已经在玻璃磨边加工中得到应用[1]。对图1所示的触屏玻璃，通常采用高主轴转速的精雕机床，利用小尺寸成型磨削刀具和吸附夹具来实现外形轮廓加工[2]。但是，这种加工方式需要用到双主轴专用设备，设备价格昂贵，且一次只能加工2片，加工效率低。为此，本文结合玻璃磨削的机理分析，针对图1所示的触屏玻璃加工，设计了成型磨削刀具和专用的叠层夹具，实现了利用普通数控铣床加工该产品的数控成型磨削工艺，提高了加工效率。

图1 触屏玻璃尺寸图

1 玻璃的磨削机理

尚广庆等[3]通过实验建立了图2所示的玻璃磨削模型。在切削速度和进给速度不变的情况下，随着切深从零逐渐增大，玻璃磨削的表面形貌依次呈现弹性划擦、塑性犁沟、脆性切削和崩碎切削4个阶段。根据该模型所描述的玻璃磨削机理可知：玻璃的精磨应控制在能够形成光滑沟槽的塑性犁沟阶段，玻璃的粗磨应控制在材料呈脆性断裂的脆性切削阶段。而崩碎切削阶段会产生宏观裂纹，因此在实际加工中应尽量避免进入崩碎切削阶段。

图2 玻璃磨削模型

磨削时，玻璃在磨粒推挤作用下的脆性断裂行为符合最大拉应力准则，即玻璃的断裂方向垂直于最大拉应力方向。聂瑞等[4]通过实验得出：在玻璃磨削过程中，磨削力与磨削线速度成反比，与背吃刀量和进给速度成正比。

2 数控成型磨削工艺

2.1 刀具设计

为了实现图1所示触屏玻璃的外形轮廓加工，采用图3所示成型磨削刀具，综合考虑触屏玻璃磨削的粗加工和精加工进行设计，制备成电镀金刚石磨具。其中280#、420#表示金刚石磨料粒度为280目、420目，分别用于触屏玻璃的粗磨、精磨。在实际磨削过程中，粗、精磨部分磨料高度为25 mm，触屏玻璃厚度仅为1.1 mm，通过数控编程选择不同深度部分参与磨削，从而实现一次磨削至少10片触屏玻璃的加工。另外，在用电镀金刚石刀具磨削玻璃时，切削速度vc、进给速度vf、切削深度ap及冷却条件等因素会影响磨削质量和刀具使用寿命[5]。衡量刀具的磨削效率的计算公式通常为磨削比G=材料去除体积÷刀具磨损体积。在具体加工时，需要根据不同粒度磨粒的磨削比合理选择切削参数。

图3 成型磨削刀具图

2.2 叠层夹具设计

触屏玻璃的厚度仅有1.1 mm，属于典型的薄壁零件，加工时通常采用真空吸附夹具进行夹紧。但是，真空吸附夹具往往只能实现单片玻璃的加工。为了有效提高加工效率，采用图4、图5所示的叠层夹具来实现玻璃的叠层装夹，从而实现一次10片玻璃的外形轮廓加工。叠层夹具的夹紧是通过旋转固定螺杆2，使旋转压头3向下运动，使得叠层玻璃夹紧于定位底座上。旋转压头3和旋转座体5保证了工件夹紧并固定不动的情况下，连接臂杆1和固定螺杆2能够绕固定螺杆2的轴线做回转运动。加工过程中，通过一定的手动操作，可以避免刀具和夹具出现干涉问题。因为触屏玻璃的四周都要加工，需要借助定位直角尺以定位底座4为基准对触屏玻璃进行定位。

图4 叠层夹具示意图

图5 叠层夹具实物图

玻璃的定位要用到定位直角尺，如图6所示。直角尺与叠层夹具的定位底座配合才能将玻璃的四边与定位底座的四边对应平行。如图6所示，四边的余量控制要留在直角尺上，A部分的厚度为毛坯所留余量的一半+2～5 mm（保证加工时刀具不会碰到定位底座）；高度要小于定位底座的高度。B部分的厚度没有严格的要求，高度要大于定位底座高度加上叠层玻璃的厚度。C部分的圆弧是为了避开玻璃的尖角处对定位的影响。具体操作时，定位直角尺A部分2个面与叠层夹具的定位底座的2个直角面贴合，叠层玻璃放于定位底座上面并保证相应的直角面与定位直角尺B部分的2个面贴合，完成定位后夹紧即可。

图6 定位直角尺模型图

3 加工验证

3.1 机床选择

在实际加工时，为了降低磨削力，应提高磨削速度，减小进给速度和切削深度。同时，为了提升刀具的磨削效率，需要根据金刚石磨料粒度的最佳磨削比G来合理地选择磨削参数。提高磨削速度有两种方式，一种是提高机床主轴转速，另一种是增大刀具直径，本工艺设计采用了后者，具体的刀具如图3所示。为此，选择沈阳机床厂生产的GSVM6540型FANUC系统三轴数控铣床作为加工机床。该机床主轴最高转速为6000 r/min，运动定位精度和重复定位精度可达到5 μm。

3.2 加工工艺

综合考虑各种因素，在制定加工工艺时采用了“高切速、缓进给、少吃深”的加工策略，具体工艺内容如表1所示。

表1 触屏玻璃数控成型磨削工艺参数表

3.3 加工过程

触屏玻璃产品的具体加工过程如图7所示，采用图3所示的成型磨削刀具进行加工。工件（尺寸为186.9 mm×126.2 mm的矩形玻璃毛坯）装夹时，因为触屏玻璃的四周都要加工，所以需要借助定位直角尺进行定位。加工时，需要采用切削液直喷成型刀具，以保证磨削过程能够快速冷却。根据表1的加工工艺，利用成型磨削刀具、叠层夹具能够顺利地实现图1所示的触屏玻璃的加工，最终的玻璃成品图如图8所示。

图7 触屏玻璃现场加工图

图8 玻璃成品图

利用数控铣床精确的刀具轨迹控制，应用外形铣削的加工方式保证了触屏玻璃产品长度和宽度的尺寸精度要求。区别于采用高主轴转速机床+吸附夹具的加工工艺[2]，本工艺采用了普通数控铣床+叠层夹具的方式进行加工。本工艺通过增大刀具直径，保证了利用普通数控铣床的主轴转速也能达到玻璃磨削所需的磨削速度，确保了玻璃产品不出现崩边、砂边、烧边等缺陷，经成型刀具磨削后，触屏玻璃轮廓边沿表面粗糙度能达到Ra1.6 μm。与吸附夹具每次只能进行单片装夹相比，本工艺采用的叠层夹具一次能实现10片玻璃的装夹和加工，大大提高了加工效率。

4 结语

在分析玻璃磨削机理的基础上，针对触屏玻璃产品外形轮廓加工要求，设计了专用的成型磨削刀具和叠层夹具，给出了利用数控铣床实现触屏玻璃外形轮廓磨削的工艺设计方法。通过实验验证了该工艺能够实现触屏玻璃的外形轮廓加工。