1. Введение
Двусторонняя полировка (DSP) является заключительным и наиболее важным этапом механической обработки пластин из плавленого кварца. Это также самый длительный этап обработки, который играет решающую роль в обеспечении качества конечного продукта.
В ходе этого процесса к распространенным дефектам поверхности относятся ямки, царапины, сколы по краям, трещины и полное разрушение пластины. Среди них ямки и царапины зачастую можно свести к минимуму или даже устранить путем оптимизации технологического процесса и контроля условий окружающей среды. Однако сколы по краям, трещины и разрушение являются необратимыми дефектами, которые напрямую приводят к браку пластин.
В случае ультратонких пластин из плавленого кварца дефекты, связанные с разрушением, по-прежнему остаются основной проблемой на пути к обеспечению высокого выхода готовой продукции и стабильного производства.
2. Типы дефектов, связанных с изломом
Дефекты в виде трещин в стеклянные пластины как правило, подразделяются на три категории:
- Сколы по краям (повреждения краев)
Как правило, под этим понимаются видимые повреждения кромок или отсутствующие фрагменты длиной более 0,3 мм. - Распространение трещины
Трещины часто возникают на сколотых краях и постепенно распространяются вглубь пластины. - Полный перелом (разрушение)
Если в ходе дальнейшей обработки или транспортировки под воздействием нагрузки трещины начинают распространяться, это приводит к катастрофическому выходу пластины из строя.
В промышленной практике при обнаружении сколов по краям пластина, как правило, классифицируется как бракованная и исключается из дальнейшей обработки, поскольку существует высокий риск её выхода из строя на последующих этапах.
3. Причины образования трещин при двусторонней полировке
В процессе DSP пластина подвергается сложному движению, обусловленному:
- Вращение верхней пластины
- Вращение нижней пластины
- Вращение солнечной шестерни
- Движение ведомого колеса (планетарного колеса)
В этих условиях пластина подвергается комбинированному движению — вращению вокруг оси и собственному вращению, что значительно усложняет проведение точного анализа напряжений.
Однако производственная статистика показывает четкую тенденцию: дефекты разрушения почти всегда возникают на краю пластины. Это свидетельствует о том, что прочность края пластины является доминирующим фактором, определяющим характер разрушения.
4. Прочность кромок как основной фактор разрушения
Устойчивость пластины из плавленого кварца к разрушению в первую очередь определяется прочностью её кромок.
Для повышения механической прочности пластины, как правило, подвергаются скругление кромок (фаска), что способствует снижению концентрации напряжений на кромках. Правильно выполненная фаска значительно повышает сопротивление разрушению.
Однако даже при наличии защиты кромок неправильные параметры обработки или чрезмерная механическая нагрузка по-прежнему могут привести к возникновению дефекта в области фаски.
5. Анализ напряжений на краю пластины
В процессе DSP на край пластины действует совокупность сил:
- F₁: Сила вертикального давления
В основном это происходит под действием давления, создаваемого верхней пластиной при полировке. - F₂: Горизонтальная сила
В основном это вызвано центробежными силами, возникающими при вращении, и силой реакции со стороны несущей системы.
На скошенном крае эти силы можно разложить на следующие составляющие:
- Нормальные силы, перпендикулярные поверхности фаски
- Тангенциальные силы, параллельные поверхности фаски
Совокупное состояние напряжений можно представить в виде суперпозиции следующих составляющих:
- Нормальное напряжение (компоненты сжатия/растяжения)
- Сдвиговое напряжение (компоненты скольжения)
Когда эти напряжения превышают предел механической прочности плавленого кварца, возникает зарождение трещины, которая, как правило, начинается на краю и распространяется внутрь.
6. Механизм отказа в ультратонких пластинках
В случае ультратонких пластин из плавленого кварца (обычно толщиной менее 0,3 мм) риск разрушения значительно возрастает вследствие ряда факторов:
6.1 Снижение прочности конструкции
По мере уменьшения толщины общая механическая жесткость пластины значительно снижается, в результате чего она становится более чувствительной к внешним нагрузкам.
6.2 Уменьшенная зона защиты фаски
Ультратонких пластин объем фаски и площадь контакта значительно меньше. В результате защитный эффект, обеспечиваемый скосом кромок, ослабляется.
6.3 Усиление концентрации напряжений
При тех же условиях полировки:
- Площадь контакта уменьшается
- Увеличивается локальное напряжение на единицу площади
- Концентрация напряжений на кромке становится значительно выше
Это приводит к быстрому увеличению как нормального напряжения, так и напряжения сдвига на краю.
7. Заключение
Дефекты в виде трещин в стеклянных подложках из плавленого кварца, возникающие в процессе двусторонней полировки, в первую очередь обусловлены чрезмерными напряжениями на краю подложки. Когда суммарные нормальные и сдвиговые напряжения превышают предел прочности материала, происходит скол края, распространение трещины и окончательное разрушение.
Ультратонкие пластины особенно уязвимы из-за уменьшенной толщины, ослабленной защиты краёв и повышенной концентрации напряжений.
Поэтому для повышения выхода готовых пластин необходимо уделить особое внимание следующим аспектам:
- Оптимизация прочности кромок
- Усовершенствование конструкции фаски
- Регулирование давления при полировке
- Оптимизация скорости вращения
- Повышение стабильности технологического процесса
Благодаря тщательному контролю этих факторов можно значительно снизить риск образования трещин, что приведет к повышению выхода готовой продукции и улучшению надежности производственного процесса при изготовлении пластин из плавленого кварца.
