吳翔 雷春江 呂宜超 李建根 李勇 周泓崑

（1. 四川南玻節(jié)能玻璃有限公司 成都 610200；2. 中國南玻集團股份有限公司開發(fā)研究院 深圳 518000）

0 引言

隨著建筑工程玻璃功能化日益普及并向高端化應(yīng)用發(fā)展，厚板玻璃（厚度大于10 mm的玻璃稱為厚板玻璃）的加工與應(yīng)用需求與日俱增，筆者所在公司2019—2021年厚板玻璃加工產(chǎn)量年均上漲10.8%。計算機技術(shù)的普遍應(yīng)用使現(xiàn)代切割機配備非常精確的可編程系統(tǒng)，可以精確地進行直線和異形切割，使用優(yōu)化程序來控制切裁率。提高掰邊質(zhì)量有效減少留邊量與磨邊量，是工程玻璃中厚板玻璃加工的行業(yè)開發(fā)熱點，其切割工藝與應(yīng)用技術(shù)是工程玻璃行業(yè)的重要技術(shù)發(fā)展方向之一。因此，重點關(guān)注切割理論與切割工藝革新，提高斷面質(zhì)量與精準(zhǔn)度，減少留邊量與磨邊量，對于進一步提高綜合切裁率，具有重大意義。

玻璃中的硅氧鍵結(jié)合力很強，所以玻璃是一種很堅固的材料。從原理上講，玻璃能夠承受大于7×105kg/cm2，約6.9 GPa的負(fù)荷，是鋼材的5倍［1］。玻璃切割工藝伴隨人類對玻璃材料的使用而發(fā)展。R. A. Grossmann［2］在其考古研究中表示埃及圖特摩斯三氏時期（1490-1436 B.C.）玻璃工藝就有記載使用研磨輪對玻璃加工切割，而德國皇家冶金工匠J. Kunckel von L?wenstern［3］（1630-1703A.D.）在其傳世玻璃工藝重要著作《Ars vitraria experimentalis》中用插圖記載使用剪刀切割熔融狀態(tài)下的玻璃片以及使用剪刀切割在水中浸泡的退火玻璃工藝。與目前廣泛使用的切割油/切割刀輪工藝不謀而合，恰恰說明人類很早就對玻璃切割與玻璃應(yīng)力之間的關(guān)系存在認(rèn)識，也是本文在玻璃應(yīng)力厚度分布模型下研究切割刀輪角度、壓力、速度與玻璃中位裂度關(guān)系的理論基礎(chǔ)。

常用的建筑工程玻璃為鈉鈣硅玻璃，主要用于建筑幕墻門窗。1952年，英國Pilkington玻璃公司的Sir Alastair Pilkington創(chuàng)造性開發(fā)了浮法玻璃工藝，可以制造高質(zhì)量且成本低廉的玻璃原片。這種工藝在20世紀(jì)60年代初期被引進美國，并隨著厚度控制技術(shù)的開發(fā)淘汰了平拉工藝。創(chuàng)立于1868年的美國Fletcher-Terry切割刀輪公司研發(fā)的玻璃刀輪切割技術(shù)體系起源于平板工藝，進入浮法工藝后，玻璃切割生產(chǎn)工藝并未很好地跟上玻璃質(zhì)量的發(fā)展。這是由于浮法工藝相對于平板工藝，大幅度提高了玻璃應(yīng)力，同樣的切割生產(chǎn)工藝，在不同的玻璃應(yīng)力下切割效果就存在諸多疑問和不確定性。前蘇聯(lián)的薩拉托夫玻璃研究所，國際企業(yè)如Corning、Vitro、Pilkington都曾對玻璃切割工藝在斷裂力學(xué)、脆裂形變理論內(nèi)進行研究。隨著玻璃產(chǎn)業(yè)的興盛以及玻璃深加工提高切裁率/切裁質(zhì)量的精細(xì)化革新要求，切割工藝與切割質(zhì)量顯得尤為重要。因此，本文立足于充實玻璃切割理論和工藝，通過討論探究鈉鈣硅玻璃應(yīng)力模型下的斷裂力學(xué)理論，結(jié)合切割生產(chǎn)工藝參數(shù)實驗與表征分析，逐步改進玻璃切割工藝方法，為實現(xiàn)中國玻璃工業(yè)高質(zhì)量、高環(huán)保、高綠色做出努力。

1 玻璃應(yīng)力學(xué)與斷裂力學(xué)理論

1.1 鈉鈣硅玻璃配料組成與玻璃應(yīng)力

鈉鈣硅浮法玻璃通常含有69%的SiO2，17%的Na2O，6%的CaO和少量Al2O3/ MgO、K2O。平板工藝通過壓延冷卻固化后在玻璃原片表面進行機械研磨拋光，相對于浮法工藝其機械性能較低，更容易切割。

基于此，可以使用應(yīng)力來評價玻璃的機械性能。根據(jù)胡克定律，如式（1）所示，楊氏模量（E）是固體材料正向應(yīng)力（s）/正向應(yīng)變（e）的物理量，又稱彈性模量。楊氏模量則是玻璃正向應(yīng)力以面積為單位的變量，可以通俗的用來表示玻璃應(yīng)力。各浮法玻璃原片企業(yè)均有其不同的工藝配方。在不同的退火條件下，同一玻璃配方組成的應(yīng)力屬性均不同。根據(jù)Fluegel［4］的理論強度數(shù)據(jù)模型，以配方為69%的SiO2，17%的Na2O，6%的CaO，4%的Al2O3， 3%的MgO，1%的K2O建模玻璃性能，不同玻璃配方組成下，玻璃的楊氏模量均呈現(xiàn)不同變化，如圖2所示。

圖1 玻璃實驗的藝術(shù)［3］

圖2 不同玻璃配方組分對玻璃楊氏模量的梯度影響［4］

由圖2可以看出，此配方的玻璃楊氏模量為68.4 GPa（不考慮瑕疵的理論強度），氧化鈣/氧化鋁/氧化鎂/石英砂配料變化與楊氏模量呈正相關(guān)，氧化鉀/純堿配料變化與楊氏模量呈負(fù)相關(guān)。其中每摩爾百分比變化下，氧化鈣對楊氏模量影響梯度最大，石英砂對楊氏模量影響梯度最小。當(dāng)添加更多的氧化鉀/氧化鈉時，玻璃的應(yīng)力會下降，氧化鈉要比氧化鉀下降得更快一些。由此可知玻璃原料中，CaO>Al2O3> MgO>SiO2正相關(guān)影響玻璃應(yīng)力，Na2O >K2O負(fù)相關(guān)影響玻璃應(yīng)力。由此，本文提出玻璃企業(yè)在玻璃切割工藝中應(yīng)對玻璃原片配方加以考量，將不同原片企業(yè)的應(yīng)力數(shù)據(jù)作為玻璃切割工藝的第一前提。本文實驗是基于同一廠家同一批次玻璃原片，采用成都南玻10 mm優(yōu)質(zhì)超白浮法原片。由此配方作為定量不屬于本文討論范疇。

1.2 玻璃斷裂微觀結(jié)構(gòu)與玻璃應(yīng)力

Maxwell［5］最早預(yù)言了玻璃應(yīng)力的厚度分布，但Weller［6］第一次明確指出了玻璃應(yīng)力在厚度分布的概念，其后Ascough［7］、 Aben［8］、 Guillemet［8］、Hundhammer［9］、 Cheng［10-12］、 Srinath［13］、 Frocht［14］均各自對玻璃應(yīng)力在厚度上的分布進行實驗與測量研究。

玻璃原片一般分為外層與內(nèi)層，玻璃應(yīng)力也分為壓應(yīng)力與張應(yīng)力，玻璃外層分布壓應(yīng)力，玻璃內(nèi)層分布張應(yīng)力。如圖3所示，玻璃外層通常為玻璃厚度的20%，玻璃內(nèi)層通常為玻璃厚度的60%，設(shè)玻璃厚度為t，則壓應(yīng)力區(qū)間分布于玻璃兩側(cè)的0.2t，張應(yīng)力區(qū)間分布于玻璃中心的0.6t。

圖3 玻璃應(yīng)力厚度分布示意圖

無論是普通的退火玻璃還是物理鋼化玻璃，其應(yīng)力分布在厚度上均遵循這一分布關(guān)系，但應(yīng)注意其應(yīng)力大小不同。同樣，不同配方比例下的鈉鈣硅玻璃，壓應(yīng)力與張應(yīng)力大小有變化，但分布大致遵循0.2t-0.6t-0.2t規(guī)律。玻璃配方與退火條件對玻璃應(yīng)力分布的影響，也是玻璃切割工藝研究的另一個方向，在本文中不做贅述。

刀輪切割工藝是一種非常可靠而且經(jīng)濟實惠的玻璃切割工藝，玻璃刀輪在水平放置的玻璃表面垂直滾劃產(chǎn)生微小裂縫，通過人工或者機械掰片玻璃原片切割成客戶訂單需求的尺寸。玻璃企業(yè)大多數(shù)采用此類切割設(shè)備。切割機對玻璃刀輪在滾動中施加一個特定的壓力參數(shù)，玻璃刀輪在玻璃表面通常切入淺淺一層，為肉眼可見的痕跡，如圖4所示。

圖4 切割工藝示意圖 斷口形貌示意圖

An［15］指出，根據(jù)相關(guān)的斷口形貌學(xué)理論，玻璃在這一層中表現(xiàn)出塑性形變與脆裂的結(jié)合，本文中對這一層定義為刀輪深度，是刀輪對玻璃表面滾劃裂痕的實際深度。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，玻璃刀輪對玻璃表面施加的壓力，使玻璃在刀輪深度之下產(chǎn)生了中位裂度，在橫面上產(chǎn)生橫向裂度，在玻璃表面上產(chǎn)生徑向裂度。值得注意的是，沿中位裂度斷裂面會產(chǎn)生瓦納波紋，實際上是中位裂度在斷面上的二維表現(xiàn)。瓦納線產(chǎn)生于玻璃分子結(jié)構(gòu)間裂開與橫向震波相互作用，在中位裂度內(nèi)分子間裂開的速度快于中位裂度的產(chǎn)生，瓦納線是微觀脆體斷裂中一個重要的研發(fā)方向，在本文中不做贅述。

玻璃在掰片力量下產(chǎn)生中位裂度使得玻璃斷裂，在外部的作用力杠桿作用下，透過玻璃的中位裂度，集中在很少幾個相互結(jié)合的分子上。盡管這種分子之間的結(jié)合點很結(jié)實，但是玻璃的剛性卻使宏觀的力作用到為數(shù)不多的亞微觀的結(jié)構(gòu)上。玻璃作為非晶態(tài)物體，具有液體的均勻結(jié)構(gòu)，裂紋一旦發(fā)生，不會在玻璃內(nèi)部遇到任何阻礙而終止其開裂的過程。進一步說，中位裂度加深，有效杠桿作用則加大，結(jié)合點的進一步破裂則變得更加容易。因此，對于特定厚度玻璃，適當(dāng)?shù)牡遁喩疃群椭形涣讯瓤梢云鸬接行У母軛U作用，使玻璃斷面均勻斷裂，十分重要，是本文對玻璃切割工藝提出的第二前提。

Anton［16］實驗指出玻璃應(yīng)力沿厚度分布，玻璃外層壓應(yīng)力隨厚度逐漸變小，玻璃內(nèi)層隨厚度逐漸變大，玻璃表面壓應(yīng)力最大值，玻璃中心則張應(yīng)力最大值，玻璃外層與內(nèi)層交界處則為應(yīng)力抵消區(qū)域。根據(jù)第二前提，推斷玻璃斷裂的實質(zhì)則是在玻璃表層壓應(yīng)力下發(fā)展裂紋，加深中位裂度，直至有效杠桿作用最大化使得玻璃均勻斷裂。其斷裂機理如穿晶斷裂與沿晶斷裂在此不做詳細(xì)討論。

Vitro公司對中位裂度以及玻璃切割工藝中的斷口形貌學(xué)做了大量技術(shù)研究，認(rèn)為切割質(zhì)量取決于多重因素。玻璃裂紋在壓應(yīng)力下很難增長，但在張應(yīng)力下很容易增長。使用切割油，使玻璃表面保持壓應(yīng)力狀態(tài)，而中位裂度內(nèi)處于更低的壓應(yīng)力狀態(tài)，更接近張應(yīng)力狀態(tài)，保護中位裂度中的壓應(yīng)力，使被破壞的分子結(jié)合點不因為相鄰表面的硅氧鍵的壓應(yīng)力而愈合。由此，討論玻璃切割的機械性能必須考慮玻璃應(yīng)力、刀輪深度、中位裂度、切割油等相關(guān)因素，并不完全取決于玻璃刀輪角度，其他因素也非常重要，這些因素在斷口形貌學(xué)中影響著中位裂度與側(cè)面裂度，直接影響掰邊質(zhì)量。

Neugebauer［17］指出，玻璃斷裂過程，就是內(nèi)部應(yīng)力變化的過程，并就此定量建模分析，如圖5所示。

圖5 應(yīng)力分布定量建模分析

由圖5可以看出：（a）切割時應(yīng)力分布，切割一側(cè)玻璃外層壓應(yīng)力變大；（b）掰片時應(yīng)力分布，玻璃外層張應(yīng)力變大；（c）斷裂后應(yīng)力分布，玻璃外層張應(yīng)力減小壓應(yīng)力恢復(fù)。

1.3 玻璃裂紋應(yīng)力分布方程

玻璃的理論強度在6.9 GPa左右，但是浮法玻璃原片實際應(yīng)力通常約為80 MPa。這是因為玻璃表面的瑕疵如裂紋、刮痕、氣泡顆?；蚴橇蚧嚕∟iS）顆粒污染造成的。Neugebauer［17］基于此分析裂紋對于表面張力的影響，并指出不同造型的裂紋影響中位裂度，給出了裂紋應(yīng)力分布方程與定量建模，如圖6所示?？芍?，刀輪角度小時，其中位裂度應(yīng)力分布較淺，刀輪角度較大時，其中位裂度應(yīng)力分布較深。

圖6 表面瑕疵應(yīng)力分布定量建模［18］

Schula［18］和 Gross［19］分別對此現(xiàn)象結(jié)合圖4給出了玻璃裂紋應(yīng)力分布方程，如式（2）所示。

因此，不同表面裂紋裂度應(yīng)力分布不一樣。尖銳裂紋裂度應(yīng)力分布較淺且部分改變了水平兩側(cè)的應(yīng)力，產(chǎn)生額外的橫向裂度與徑向裂度，導(dǎo)致中位裂度不足，由此產(chǎn)生掰片斜邊。隨著裂紋角度變大，裂紋良好地控制了橫向裂度與徑向裂度的產(chǎn)生，保持中位裂度更加向下，幫助玻璃取得垂直光滑的斷面。由此提出，在玻璃裂紋應(yīng)力分布框架內(nèi)分析中位裂度為玻璃切割工藝提升斷面質(zhì)量的第三前提。

2 “中位裂度切割法”實驗分析

基于斷裂力學(xué)理論與裂紋應(yīng)力分布框架的理論研究表明，只有對玻璃斷裂微觀結(jié)構(gòu)表征研究才能分析玻璃斷面質(zhì)量的影響因素。為了滿足上述要求，提出了“中位裂度切割法”分析玻璃切割工藝。首先，分析玻璃刀輪角度的裂紋效應(yīng)與掰片質(zhì)量，然后分析切割壓力與切割速率的裂紋效應(yīng)與掰片質(zhì)量。同時，在上述研究基礎(chǔ)上，提出一種基于測量中位裂度的切割工藝方法，為不同厚度厚板玻璃切割提供了一種提升掰邊斷面質(zhì)量的測試技術(shù)手段。

2.1 樣品制備與方法

玻璃原片：成都南玻浮法超白10 mm（BQ級）；

切割設(shè)備：Bystronic 百超切割機XYZ-F-89；

切割刀輪：Fletcher-Terry合金刀輪135°～155°；

掰片工具：KD玻璃大力掰片鉗；

刻度測量：50X 日本Peak刻度顯微鏡。

使用切割機加工一塊尺寸為2000 mm×1000 mm的10 mm超白玻璃，加工尺寸為100 mm×100 mm的樣品三片。設(shè)計一個切割壓力參數(shù)P，根據(jù)此參數(shù)P成倍數(shù)的按照0.6P～1.4P并保恒定切割速度V制作樣品；根據(jù)此參數(shù)V成倍數(shù)的按照0.6V～1.4V并恒定切割壓力P制作樣品。測量刀輪深度與中位裂度，對樣片任意兩個斷面的任意兩個位置測量取平均值，玻璃斷面質(zhì)量采用平整度分析，對兩片玻璃所有斷面測量其與水平面的夾角與直角之平均比值。

2.2 結(jié)果與討論

根據(jù)上述測試方法，對比了Fletcher-Terry公司生產(chǎn)的切割刀輪在不同刀輪角度、切割壓力、切割速度下與玻璃微觀裂紋和斷面質(zhì)量，測試數(shù)據(jù)見表1～表3。

表1 玻璃刀輪參數(shù)與裂紋數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，刀輪角度對刀輪深度影響不大，對中位裂度影響較大。切割深度為刀輪深度與中位裂度之和，切割深度/玻璃厚度由7.6%向6.2%變化時，平整度逐漸改善。

從表2中可知，切割壓力增加會導(dǎo)致刀輪深度與中位裂度增加，中位裂度遞增要大于刀輪深度，這表明刀輪深度受到了刀輪直徑尺寸的約束。當(dāng)切割壓力為1P時，切割深度/玻璃厚度為6.2%，玻璃斷面平整度為最大值。

表2 切割壓力與裂紋數(shù)據(jù)

從表3可以看出，切割速度對刀輪深度以及中位裂度沒有明顯影響，切割深度/玻璃厚度比值均維持在6%～6.3%，但是在0.8V～1V速度區(qū)間玻璃斷面的平整度最大化，在此區(qū)間外切割速度過慢或者過快都降低了玻璃斷面的平整度，這與切割油在裂紋內(nèi)的應(yīng)力填充速度有關(guān)系。

表3 切割速度與裂紋數(shù)據(jù)

2.2.1 刀輪角度對各因素的影響

刀輪深度、中位裂度隨刀輪角度變化曲線見圖7。各裂痕/厚度比值隨刀輪角度變化曲線見圖8。玻璃斷面平整度隨刀輪角度變化曲線見圖9 。

圖7 裂痕深度與刀輪角度變化曲線

圖8 各裂痕/厚度比值與刀輪角度變化曲線

圖9 平整度與玻璃刀輪角度變化曲線

由圖7可以看出，切割刀輪角度增大，主要影響中位裂度，中位裂度隨刀輪角度增大而減小。

圖8表明，隨著調(diào)整刀輪角度由小變大，相對于玻璃厚度刀輪深度與中位裂度各自的實際變化并不大，但刀輪深度與中位裂度比值卻逐漸增大，這說明調(diào)整刀輪角度，實際上調(diào)整的是塑性形變與彈性形變對玻璃之相對作用。

圖9表明，切割10 mm超白玻璃，使用小角度刀輪如140°，平整度較低，使用大角度刀輪如155°，平整度較高，調(diào)整刀輪角度對取得高質(zhì)量的切割斷面尤為重要。

2.2.2 切割壓力對各因素的影響

刀輪深度、中位裂度、切割深度隨切割壓力變化的曲線見圖10。各裂痕深度/厚度比值隨切割壓力變化曲線見圖11。玻璃斷面平整度隨切割壓力變化曲線見圖12。

圖10 各裂痕深度隨切割壓力變化曲線

圖11 各裂痕深度/厚度比值隨切割壓力變化曲線

圖12 玻璃斷面平整度隨切割壓力變化曲線

由圖10可知，隨著切割壓力變大，刀輪深度變大，中位裂度變大，總的切割深度變大。其中，中位裂度增大快于刀輪深度。由圖12可知，切割壓力對玻璃斷面平整度影響較大，于1P時平整度最大值，當(dāng)切割壓力小于或者大于1P時，平整度降低。

2.2.3 切割速率對各因素的影響

刀輪深度、中位裂度隨切割速率變化曲線見圖13。各裂痕深度/厚度比值隨切割速度變化曲線見圖14。玻璃斷面平整度隨切割速度變化曲線見圖15。

圖13 各裂痕深度隨切割速度變化曲線

圖14 各裂痕深度/厚度比值隨切割速度變化曲線

圖15 玻璃斷面平整度隨切割速度變化曲線

由圖13可知，切割速度對刀輪深度與中位裂度沒有明顯影響，各裂紋深度均變化不大。

由圖15可以看出，切割速度位于0.7V～1V時，玻璃斷面質(zhì)量平整度較好，速度過小或過快，平整度均下降，且速度超過1.3V后平整度最差。

2.2.4 中位裂度瓦納線表征分析

1P、1.4P切割壓力下裂紋與中位裂度瓦納線照片見圖16、圖17。

圖16 1P 切割壓力下裂紋與中位裂度瓦納線

圖17 1.4P 切割壓力下裂紋與中位裂度瓦納線

從圖16和圖17可以看出，在1P切割壓力下，中位裂度存在的瓦納波紋平整有規(guī)律且光滑，但當(dāng)1.4P切割壓力下時，中位裂度存在的瓦納波紋雜亂且粗糙，夾雜橫面裂度與徑向裂度。此表征分析說明適當(dāng)?shù)那懈顗毫梢匀〉煤线m的中位裂度，瓦納波紋整齊且平整，切割壓力過大時中位裂度空間內(nèi)產(chǎn)生不必要的橫向裂度與徑向裂度，影響了玻璃斷面質(zhì)量平整度。

3 結(jié)論

以上實驗數(shù)據(jù)與Vitro公司的切割指導(dǎo)工藝數(shù)據(jù)較為吻合。通過對10 mm超白玻璃原片切割參數(shù)、刀輪角度對裂紋影響研究，應(yīng)證了“中位裂度切割法”提升玻璃斷面平整度的正確性?！爸形涣讯惹懈罘ā笨梢暂^為準(zhǔn)確地量化切割工藝中斷面質(zhì)量并能夠?qū)崿F(xiàn)對厚板玻璃切割工藝質(zhì)量控制。

（1）刀輪角度與中位裂度呈線性關(guān)系，且角度越大，中位裂度越淺，同一切割壓力下時，有明顯影響關(guān)系。

（2）中位裂度需要與玻璃厚度保持一個合適的比值，從而得到最佳的玻璃斷面質(zhì)量。

（3）切割壓力應(yīng)足夠滿足產(chǎn)生連續(xù)且平均的中間裂度，過大或者過小的中間裂度都影響掰片質(zhì)量。

（4）切割速度對中位裂度無明顯影響，但是掰片質(zhì)量在切割速度快到一定程度后呈現(xiàn)負(fù)面影響，這可能與切割油滲透中位裂度有關(guān)，也是切割工藝中接下來的一個研究方向。

（5）適當(dāng)切割壓力下，在中位裂度內(nèi)可獲得平滑整齊的瓦納波紋，對于判斷玻璃斷面質(zhì)量是一個重要的表征。

綜合本文分析研究，國內(nèi)玻璃切割工藝技術(shù)想要有更大的進步，需結(jié)合斷裂力學(xué)在切割工藝與切割設(shè)備上加大研發(fā)資金投入，提高從業(yè)人員的知識水平，實現(xiàn)玻璃切割工藝新突破。