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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
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