【1】4．1玻璃研磨

     将玻璃进行磨光加工一般分为粗磨、细磨和抛光三道工序，前两道工序是以研磨玻璃而消去不平处为目的，后一道工序是消除微小的凹凸层抛光成似平滑的镜面为目的，两者机理也不相同。前者称为研磨，后者称为抛光。经研磨、抛光后的玻璃制品，称磨光玻璃。
4．1研磨
4．1．1研磨的分类
    玻璃的研磨分为表面研磨和边部研磨两类。玻璃的研磨是指对玻璃制品表面缺陷和成型后残存的凸出部分进行磨削，使制品达到一定光学要求和规则的几何形状。例如制造镜面玻璃时，在研磨盘的压力和回转力作用下，通过磨料使平板玻璃毛坯表面粗糙物不断破坏脱落，最终成为平坦不透明的平面。
      经过切割后的玻璃断面凹凸不平、非常锋利，刃口上有许多微裂纹，不但容易割伤人体，而且在今后的使用过程中，在承受机械应力和热应力时，也很容易从边部微裂口处破裂。因此，玻璃在切割后，往往需要对玻璃的断面进行打磨处理，以修正玻璃断面凹凸不平所产生的尺寸误差，消除锋利的刃口和微裂纹，增加玻璃的安全性和使用强度。
     另外，按研磨过程划分，分为粗磨和细磨。其中粗磨是使用粗磨料将玻璃表面粗糙不平或余留部分磨去，磨削作用使制品具有需要的形状和尺寸。但粗磨后的玻璃表面会留下凹陷坑和裂纹层，需要用细磨料进行细磨，使凹陷坑和裂纹层变得很细。
4．1．2玻璃机械研磨机理
    英国学者弗兰奇认为作为自由磨料的金刚砂、刚玉等并不能切割玻璃。但是当磨盘与玻璃作相对运动时，在研磨盘压力下，磨料承受一定负荷并将其传递给玻璃。磨料在负荷作用下，在玻璃表面产生剪切应力，从而使玻璃表面部分发生碎裂而掉落下来，如图4－1（a）所示。
     前苏联学者格列宾希科夫认为研磨时的载荷作用具有振动－冲击性质，玻璃被自由磨料磨削的过程首先是机械作用，如图4－1（b）所示。
    普莱斯顿曾认为玻璃研磨时，表面上不仅有机械作用所产生的凹陷坑，而且会有裂拉张带纹渗人玻璃，这个裂纹是由于磨料顆粒负载及其在摩擦作用下，表面增加应力的综合效应，如图4－2所示。       特威曼和德拉代认为在研磨时，玻璃表面产生一个压应力，工作层的下面则产生张应力。并发现应力大小与磨料颗粒的粒度有关，大致的规律是随着磨料粒度的增大，玻璃表面（毛面）压应力增大，到一定程度趋于平缓，如图4－3所示。
    综上所述，玻璃的研磨过程，首先是磨盘与玻璃做向对运动，自由磨粒在磨盘负载下对玻璃表面进行划痕与剥离的机械作用，同时在玻璃上产生微裂纹。研磨过程中所用的水既起着冷却的作用，同时又与玻璃的新生表面产生水解作用，生成硅胶，有利于剥离，具有一定的化学作用。如此重复进行，玻璃表面就形成了一层凹陷的毛面，并带有一定深度的裂纹层，见图4－4。 h一平均凹陷层深度；f一平均裂纹层深度；F一最大裂纹层深度
根据前苏联学者卡恰洛夫的研究，认为凹陷层的平均深度h决定于磨料的性质与磨粒的直径，其关系可用式（4－1）表示：
h=K1D                                             (4-1)
式中K1-----不同磨料的研磨系数，各种磨料的研磨系数见表4－1；
D一磨粒的平均直径
这时产生的裂纹层的平均深度f与凹陷层的平均深度h的关系为：
      f=2.3h                                            (4-2)
而最大裂纹层深度：
        F=(3.7~4.0)h                                (4-3)      玻璃是脆性材料，不同的化学组成具有不同的物理、力学、化学性能，对研磨表面生成的凹陷层深度和裂纹层深度都有很大影响。表4－2为各种不同玻璃都用105～150μm的碳化硅磨料，在相同的研磨条件下，所得的凹陷层深度和裂纹层深度的比较。可以看出，不同化学组成玻璃的机械强度越高，凹陷层深度和裂纹层深度越小。


      将原始毛坯玻璃研磨成精确的形状或表面平整的制品，一般研磨的磨除深度为0．2～1mm，或者更多些。所以要用较粗的磨料，以提高效率。但由于粗颗粒使玻璃表面留下的凹陷层深度和裂纹层深度很大，不利于抛光。必须使研磨表面的凹陷层和裂纹层的深度尽可能减小，所以要逐级降低磨料粒度，以使玻璃毛面尽量细些。一般情况下，最后一级研磨的玻璃毛面的凹陷层平均深度为3~4μm，最大裂纹层深度为10～15μm为宜。
4．1．3研磨材料
    由于玻璃硏磨时，机械作用是主要的，载荷产生的应力通过磨料传递到玻璃产生磨削，所以要求磨料的硬度必须大于玻璃的硬度。光学玻璃和日用玻璃研磨加工余量大，所以一般选用研磨效率较高的刚玉或天然金刚砂。平板玻璃的研磨加工余量小，但面积大、用量多，一般采用价廉的石英砂。常见的玻璃研磨材料及其性能见表4－3。 4．1．4影响玻璃机械研磨过程的主要工艺因素
      玻璃研磨过程中标志研磨速度和研磨质量的是磨除量（单位时间内被磨除的玻璃数量）和研磨玻璃的凹陷层深度。磨除量大即研磨效率高，凹陷层深度小则研磨质量好。工艺因素中某些只对其中一项有影响，也有对两项均有影响，但常常对一项有好的影响，而对另一项起相反的作用。各项工艺因素的影响分述如下
（1）磨料的性质与粒度      通常情况下磨料的硬度越大，研磨效率越高。从表4－3中可以看出，金刚砂和碳化硅的硬度都比石英砂大，所以研磨效率也比石英砂高得多。但是从另一方面考虑，硬度大的磨料使研磨表面的四陷深度较大，这从磨料性质与凹陷层深度的关系式［式（4－1）］可以明显看出。 粒度大小与玻璃磨除量的关系如图4－5所示，可见玻璃磨除量随粒度的增大而增加。根据式（4－1），研磨玻璃凹陷层深度是随粒度的增大而增加，
即研磨质量是随粒度增大而变坏。为此，在研磨刚开始时，用较粗的粒度，提高研磨效率，以便在较短时间内使玻璃制品达到合适的外形或表面平整。之后，用细磨料逐级研磨，以使研磨质量逐步提高，最后达到抛光要求的表面质量。 （2）磨料悬浮液的浓度和给料量。    磨料是加水制成悬浮液使用的。水不仅使磨料分散、均匀分布于工作面，并且带走研磨下来的玻璃碎屑和冷却摩擦产生的热量，以及促成玻璃表面水解成硅胶薄膜。所以水的加入量对研磨效率有一定影响。通常以测量悬浮液比重或计算悬浮液的液固比来表示悬浮液的浓度，各种粒度的磨料都有它最适宜的浓度，过大或过小，都影响研磨效率，如图4－6所示。磨料浓度过小，还会使研磨表面造成伤痕。
         磨料的给料量对研磨效率的影响如图4－7所示。从图4－7可以看出，研磨效率是随磨料给料量的增加而提高，但到一定程度后，如再增加磨料给料量，研磨效率提高的幅度减小，甚至再增加给料量，研磨效率不再提高。而且，粗磨料和细磨料对研磨效率的影响规律也有不同，每种粒度的磨料都有一定的最适合的给料量。所以，在应用时应注意控制，不能盲目增加给料量。

（3）研磨盘转速和压力    研磨盘的转速和压力对研磨效率都成正比关系。研磨盘转速快，将磨料往外甩得就多；压力增大，磨料的磨损也显著增加。所以都必须相应提高磨料的给料量，否则提高转速和增加压力不仅研磨效率不会增加，甚至降低，还会出现伤痕等缺陷。研磨盘转速和压力与研磨效率的关系如图4－8，图4－9所示。 （4）研磨盘材料    研磨盘材料硬度大，能提高硏磨效率。例如，铸铁材料的研磨效率约为1，有色金属则为0．6，塑料仅为0．2。但硬度大的研磨盘使研磨表面的凹陷深度也较深，如图4－10所示。而硬度较小的塑料研磨盘，可使玻璃凹陷深度比铸铁研磨盘降低约30％。因此，如最后一级粒度的研磨用塑料研磨盘，就可以大大缩短抛光时间。 （5）玻璃的硬度    玻璃的硬度是指其抵抗另一种物体压入其内部的能力，可用莫氏硬度、显微硬度、研磨硬度、刻划硬度等来表示。对于玻璃硬度的测定，应用最多的方法是显微硬度法。此法是利用金刚石正方锥压头以一定负荷在玻璃表面压入印痕，然后测定印痕对角线的长度并按式（4－4）计算：
          H=1.854F/L^2                                                (4-4)
式中Hー显微硬度，10^7Pa；
Fー一负荷，N
L一印痕对角线长度，mm。
     玻璃的硬度主要取决于玻璃的成分与结构。在硅酸盐玻璃种，以石英玻璃为最硬，其硬度在67×10^7～120x10^7Pa范围，硅硼含量在10％～14％的玻璃硬度也较大，而含铅和碱较多的玻璃的硬度较低。一般情况下，网络形成离子使玻璃硬度增加，而网络外体离子则使玻璃硬度降低，同时随着网络外体离子半径的减小和原子价的上升硬度增加。硼反常现象、硼铝反常现象及压制效应同样反映在硬度－成分的关系中，使硬度出现极值。此外，阳离子的配位数对硬度也有很大的影响，一般硬度随配位数的上升而增大。
     有学者分析，显微硬度与黏度类似，因此引入碱金属氧化物及PbO能降低玻璃硬度；而引入CaO、MgO、ZnO、Al2O3、B2O3或SiO2能增加玻璃的硬度。各种氧化物对玻璃硬度提高的作用顺序大致为：
     SiO2>B2 O3 >(MgO, ZnO, BaO)>Al2 O3 >Fe2 O3 >K2O>Na2O>Pbo
     玻璃的硬度还与温度、热历史有关。温度升高时分子间结合强度降低，硬度下降，而淬火玻璃，由于结构疏松，硬度也有所下降。
    对于研磨过程来说，玻璃的硬度对研磨效率和凹陷深度有很大的影响。一般情况下，硬度越低的玻璃越易研磨，但留下的凹陷深度较大，反之亦然。