超薄玻璃自動定位九點(diǎn)落球沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)與仿真

李賽鵬 王德發(fā) 賈怡默

（河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 秦皇島 066004）

0 引言

0.1～1.1 mm厚度的玻璃統(tǒng)稱為超薄玻璃，0.5 mm左右的超薄玻璃使用比較廣泛。超薄玻璃具有透光率高、表面平整、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等方面的優(yōu)勢，被廣泛使用在微電子行業(yè)、信息行業(yè)，尤其是用作手機(jī)等顯示屏的蓋板玻璃。近年來，隨著平板顯示器技術(shù)的飛速發(fā)展，超薄玻璃需求量與日俱增。目前國內(nèi)對0.7～1.1 mm超薄玻璃的年需求量為5000多萬平方米，并以每年15%的速度遞增。

以前的超薄玻璃落球沖擊試驗(yàn)大多采用需要人工操作的試驗(yàn)裝置，這種裝置操作起來比較繁雜，無法實(shí)現(xiàn)自動化，落球定位精度不高，試驗(yàn)時間比較長，沒有得到行業(yè)廣泛認(rèn)可。

為了從根本上解決鋼化后超薄玻璃測試問題，迫切需要設(shè)計(jì)一種操作簡便、定位精度高、自動化程度高、測試效率高的超薄玻璃自動定位九點(diǎn)落球沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，滿足市場的需求。

1 落球沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求

1.1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)要求

一般落球沖擊試驗(yàn)的鋼球跌落高度范圍為0～1000 mm，豎向和橫向支撐應(yīng)具有足夠的剛度，保證試驗(yàn)過程中不發(fā)生明顯的變形，橫向支撐高度可調(diào)，精確至1 mm。底座為304、厚度為（10±0.5）mm的不銹鋼平板，上表面光滑平整，不能有肉眼可見的凹坑、凸起及劃痕。

1.2 試樣要求

試樣采用與被測制品相同材料、相同工藝的超薄玻璃進(jìn)行制備，玻璃長為（150±1）mm，寬為（80±1）mm，厚度與實(shí)際制品厚度的相同，厚度偏差不能超過其基準(zhǔn)厚度的5%。對試樣玻璃邊部進(jìn)行適當(dāng)拋光處理，目視不存在爆邊等缺陷。試樣表面要求平整，試樣表面不能存在肉眼可見的劃痕、損傷及其他缺陷。

采用有機(jī)玻璃板材料作為墊板。試樣墊板的長度和寬度不應(yīng)小于試樣對應(yīng)長寬尺寸的1.1倍，厚度為（10±0.1）mm。試樣墊板上、下表面應(yīng)比較平整，不得有凹坑、凸起及劃痕等缺陷。

1.3 沖擊位置的確定

試驗(yàn)采用九點(diǎn)沖擊的方法，將試樣平均分成九個方格，選擇每個方格的中心點(diǎn)作為試樣沖擊點(diǎn)的位置，沖擊點(diǎn)的位置示意如圖1所示，沖擊點(diǎn)的位置可預(yù)先標(biāo)記在試樣的墊板上。

圖1 沖擊點(diǎn)位置

2 試驗(yàn)步驟

2.1 沖擊高度預(yù)判

在正式試驗(yàn)前，先取一片超薄玻璃試樣放置在試驗(yàn)機(jī)有機(jī)玻璃墊板上，通過觸摸屏控制器調(diào)節(jié)橫向支撐高度，使沖擊鋼球底部離試樣上表面為5 cm的距離。關(guān)閉電磁鐵吸盤釋放沖擊鋼球，對試樣進(jìn)行預(yù)沖擊，查看沖擊后試樣表面是否有損傷或破裂等現(xiàn)象。如果沖擊后試樣表面沒有損傷或破裂，則在此基礎(chǔ)上將橫向支撐向上調(diào)高5 cm，繼續(xù)按上述操作沖擊試樣，直至將超薄玻璃沖擊損傷或破壞為止，并且每次沖擊時，沖擊點(diǎn)離上次已沖擊點(diǎn)的距離不得低于10 mm，并且所有沖擊點(diǎn)距離試樣邊部不得低于10 mm。將最終損傷或破壞對應(yīng)的沖擊高度并減去5 cm的值作為正式試驗(yàn)的沖擊高度。

2.2 試驗(yàn)過程

首先根據(jù)試樣實(shí)際尺寸，按圖1沖擊點(diǎn)的位置，在試樣墊板上用黑色墨水預(yù)先標(biāo)記沖擊點(diǎn)的位置，標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)為圓形，圓點(diǎn)直徑為1～2 mm，將試樣放置并固定在試樣墊板上，試樣與墊板間應(yīng)接觸緊密，試樣的被沖擊面與鋼球的入射方向應(yīng)保持垂直，允許的沖擊高度偏差應(yīng)在2 mm以內(nèi)。

通過觸摸屏控制器調(diào)節(jié)橫向支撐到所需的預(yù)沖擊高度，精確至1 mm，沖擊高度應(yīng)為鋼球底部至試樣沖表面的垂直距離。

開啟觸摸屏控制器手動模式，開啟激光發(fā)生器移動試樣墊板，使激光剛好照射至所需沖擊點(diǎn)位置進(jìn)行校準(zhǔn)，沖擊點(diǎn)位置偏差在1 mm以內(nèi)。沖擊點(diǎn)位置應(yīng)按從上至下、從左至右的順序進(jìn)行。

將沖擊鋼球放置在電磁鐵吸盤上，開啟觸摸屏控制器自動沖擊模式按鈕，鋼球自由垂直落下沖擊試樣表面，查看沖擊點(diǎn)處試樣的破壞情況，每個點(diǎn)只沖擊1次。若試樣沖擊點(diǎn)處破壞，則紅外激光對射光電感應(yīng)開關(guān)只檢測到一次信號，試驗(yàn)自動結(jié)束。若未破壞，則紅外激光對射光電感應(yīng)開關(guān)只檢測到二次信號，系統(tǒng)按上述步驟繼續(xù)下一點(diǎn)沖擊。每次沖擊過程中，鋼球沖擊回彈后及時取回鋼球，避免其回落二次沖擊試樣，如果存在二次沖擊試樣，則該試樣作廢。

試驗(yàn)人員記錄上述的沖擊過程及其沖擊后超薄玻璃的破壞狀態(tài)，以出現(xiàn)肉眼可見沖擊裂紋或損傷點(diǎn)來確定為破壞。

3 試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)與仿真

落球沖擊試驗(yàn)機(jī)示意圖如圖2所示，由縱向支撐、橫向支撐、激光器、電磁吸盤、防二次沖擊裝置、機(jī)身等組成。

圖2 落球沖擊試驗(yàn)機(jī)

根據(jù)最新的沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，自動定位落球沖擊試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)在于自動定位和防二次沖擊。試驗(yàn)機(jī)總體設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮這兩點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，采用高精度模組和防二次沖擊裝置可以完全達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.1 高精度模組

X、Y、Z軸選用CM40B型高剛度全封閉絲杠模組，如圖3所示。這種模組的剛性比較高，可以減少Z軸因長度過大而產(chǎn)生的較大變形。封閉性好，可以避免碎裂玻璃進(jìn)入X、Y軸絲杠的內(nèi)部，影響嚙合。通過伺服電機(jī)驅(qū)動Z軸上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)落球裝置高度的自動調(diào)節(jié)。X、Y軸十字模組通過聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)落球的自動點(diǎn)定位，定位精度保持在0.02 mm范圍內(nèi)。X、Y、Z軸模組的參數(shù)如表1所示。

圖3 X、Y 軸十字模組

表1 模組參數(shù)

3.2 防二次沖擊裝置

鋼球下落反彈產(chǎn)生的二次沖擊會對薄板玻璃產(chǎn)生很大的損害，設(shè)計(jì)一種防二次沖擊裝置及時對小球進(jìn)行回收，避免產(chǎn)生二次沖擊。防二次沖擊裝置主要包括60 mm長行程撞擊型電磁鐵和接球小車兩部分。電磁鐵采用12 V電壓，動作時間在0.1 s以內(nèi)，推力為15 kg。接球動作采用紅外激光對射光電感應(yīng)開關(guān)進(jìn)行二次檢測，小球通過開關(guān)兩次后才驅(qū)動小車動作，鋼球反彈距離為10 cm左右，小車動作時間滿足要求，如圖4所示。

圖4 防二次沖擊裝置

3.3 沖擊仿真試驗(yàn)

沖擊過程采用有限單元法進(jìn)行分析，鋼球的運(yùn)動由牛頓第二運(yùn)動定律得出：

采用simulation軟件對鋼球沖擊玻璃過程進(jìn)行仿真，設(shè)置邊界條件：相觸面組為全局接觸，夾具為有機(jī)玻璃底面完全固定，無阻尼，受力及時間曲線如圖5所示。

圖5 受力及時間曲線

仿真結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖6所示，位移云圖如圖7所示。圖6應(yīng)力最大值為675 MPa，一般薄板玻璃的強(qiáng)度為600 MPa左右，已經(jīng)超出了強(qiáng)度極限。將應(yīng)力云圖局部及放大，如圖8所示，可見薄板玻璃已經(jīng)產(chǎn)生破壞。

圖6 應(yīng)力云圖

圖7 位移云圖

圖8 應(yīng)力局部及放大云圖

4 結(jié)語

本文通過對超薄玻璃自動定位九點(diǎn)落球沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：

（1）通過使用高精度的絲杠模組能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊點(diǎn)的自動定位，定位精度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對Z軸模組進(jìn)行高剛度設(shè)計(jì)，能避免其產(chǎn)生較大的變形，影響試驗(yàn)精度。

（2）通過設(shè)計(jì)防二次沖擊裝置，能夠快速地接住鋼球，從而避免二次沖擊對薄板玻璃造成的二次傷害。通過紅外激光對射光電感應(yīng)開關(guān)能夠及時檢測二次沖擊裝置的動作。

（3）通過對沖擊試驗(yàn)過程進(jìn)行有限元分析，在設(shè)置沖擊高度為1 m時，超出了一般薄板玻璃的強(qiáng)度極限，薄板玻璃發(fā)生了破壞。

（4）通過對超薄玻璃自動定位九點(diǎn)落球沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)自動定位及控制，大量節(jié)省試驗(yàn)時間，大幅提高試驗(yàn)效率。