石英玻璃的材料特性與常見應(yīng)用 

石英玻璃材料特性

石英玻璃（Quartz glass），如名字一般，是一種成分只含二氧化硅（SiO2）的特種工業(yè)技術(shù)玻璃，也經(jīng)常被稱作熔融石英（Fused Silica）。由于石英玻璃膨脹系數(shù)低、耐高溫，即便在溫度劇變的環(huán)境下，仍可維持材料的穩(wěn)定性。且石英玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性良好，對(duì)一般酸有較好的耐酸性，即便是濃度高的酸性化學(xué)藥物，也不易受到侵蝕。石英玻璃抗壓強(qiáng)度高，也因此具備高硬度、易碎等特性。

 

石英玻璃常見應(yīng)用

由于石英玻璃具備良好的光穿透特性，不僅限于可見光，從紫外光到紅外光范圍的波長光，都能表現(xiàn)出良好的穿透性。這樣的特性使石英玻璃在光學(xué)產(chǎn)業(yè)中，作為光纖陀螺儀（fiber optic gyroscope）、棱鏡、鏡片等的理想材料。另外，石英玻璃的耐熱、耐酸、抗壓等優(yōu)良特性，也廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)多道制程中，如清洗用的石英清洗槽（quartz cell）、擴(kuò)散制程的石英管（quartz tube）、刻蝕制程固定用的石英刻蝕環(huán)（quartz ring），以及石英坩堝（quartz crucible）等。


圖1. 放置矽晶圓片的塑膠制晶舟 (石英晶舟也適用)
 

 如何加工石英玻璃？ 

石英玻璃：銑削加工

圖2. 工業(yè)材料銑削加工過程
 

可使用專門設(shè)計(jì)來加工陶瓷，且硬脆度類似石英玻璃的高精度CNC銑削加工機(jī)來加工石英玻璃。由于石英玻璃自身的硬脆特性，若施加的加工能量超過其強(qiáng)度極限，容易形成微細(xì)裂紋和崩碎缺陷，影響加工工件表面質(zhì)量，因此很難通過常規(guī)方式來加工，且在銑削過程中，須謹(jǐn)慎使用適當(dāng)?shù)墓に嚥襟E及參數(shù)選擇。


 

石英玻璃：切割加工

圖3. 使用高壓水刀切割工業(yè)材料

由于石英玻璃硬脆的特性，需要使用鉆石切割刀，且須使用優(yōu)化后的加工工藝參數(shù)來做加工。較常見的石英玻璃切割刀，包括鉆石線和線鋸、切鋸、二氧化碳激光器、水刀等。


 

石英玻璃：鉆孔加工

圖4. 在銑床進(jìn)行工業(yè)材料鉆孔加工

石英玻璃也可以使用鍍鉆鉆頭或鉆具做鉆孔加工。可利用聚焦透鏡直接打小孔，或是使用切割機(jī)打大孔。由于材料的硬脆性，造成在打孔時(shí)，較不易控制孔內(nèi)壁光潔度及精度。另外，為了預(yù)防刀具磨耗過快，必須在加工過程中，使用適當(dāng)?shù)?span style="box-sizing: border-box; font-weight: 700;">冷卻系統(tǒng)。

 

 石英玻璃加工難點(diǎn) 

石英玻璃加工：加工工件質(zhì)量的挑戰(zhàn)

圖5. 次表面裂紋的產(chǎn)生是石英玻璃加工的一大加工難點(diǎn) (示意圖)

雖然石英玻璃有著高抗壓強(qiáng)度，它仍屬典型的硬脆性材料。表面出現(xiàn)小瑕疵，即可能對(duì)整體材料強(qiáng)度造成嚴(yán)重影響。尤其在石英玻璃鉆孔加工時(shí)，若控制好施加的切削能量，工件很容易產(chǎn)生嚴(yán)重的次表面裂紋（sub-surface damage）或崩碎。另外，在加工石英玻璃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，容易填塞鍍鉆鉆頭縫隙。這不僅會(huì)影響刀具壽命的穩(wěn)定性，也會(huì)嚴(yán)重破壞工件鉆孔質(zhì)量。

 

石英玻璃加工：加工效率的挑戰(zhàn)

圖6. 為維持好的加工工件質(zhì)量, 有時(shí)難以兼顧加工效率

雖然石英玻璃相對(duì)有較良好的加工性質(zhì)，但其硬脆性仍為加工帶來莫大的挑戰(zhàn)。在加工石英玻璃時(shí)，針對(duì)切削力的控制非常重要。若對(duì)工件施加過度的切削能量，容易造成材料的碎裂或崩碎，因此經(jīng)常導(dǎo)致加工過程較為費(fèi)時(shí)。

 

 漢鼎超聲波能為石英玻璃加工帶來哪些助益呢？ 

漢鼎的超聲波輔助加工技術(shù)提供刀具一個(gè)高頻率，每秒超過20,000次的縱向微振動(dòng)。這樣類似快速啄鉆、抬刀的機(jī)制應(yīng)用在鉆削上，可幫助刀具掌控定位精度，並有效降低鉆削時(shí)的扭矩；同時(shí)配合中心出水的功能，達(dá)到有效潤滑、冷卻，使鉆削過程更容易斷屑，排屑過程更順暢。


圖7. 漢鼎超聲波加工技術(shù)帶來高頻縱向振動(dòng)輔助排屑過程

超聲波提供刀具的高頻縱向振動(dòng)，其高頻率且快速地啄鉆下刀、抬刀，能使刀具穩(wěn)定控制鉆孔時(shí)孔的位置精度，大幅降低刀具打滑造成擴(kuò)孔的情況，有效維持加工工件鉆孔質(zhì)量。

另外，超聲波提供的高頻微振動(dòng)可有效降低鉆削時(shí)的推力（thrust force）和扭矩（torque），減少刀具與工件之間的磨擦。另外，鉆削時(shí)更容易斷屑的情況下，能夠降低纏屑的發(fā)生，切屑形狀變小，達(dá)到有效延長、穩(wěn)定刀具壽命。


圖8. 漢鼎超聲波加工技術(shù)幫助降低切削力, 帶來更穩(wěn)定的刀具壽命

這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在微鉆孔以及深鉆孔加工占有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，特別是針對(duì)硬脆性的先進(jìn)材料加工，包括工業(yè)陶瓷、石英玻璃、硬質(zhì)合金等。


圖9. 漢鼎超聲波加工技術(shù)在石英微鉆孔與深鉆孔加工都得到良好的結(jié)果

超聲波的高頻率微振動(dòng)能夠穩(wěn)定控制切削力，大幅降低次表面裂紋與脆裂的發(fā)生。透過有效提升加工效率、加強(qiáng)刀具壽命的穩(wěn)定性，以及產(chǎn)出更高質(zhì)量的工件，超聲波輔助加工技術(shù)提供了一個(gè)改善加工過程的解決方案。

了解更多漢鼎超聲波加工技術(shù)

 石英玻璃加工常見問題 

Q1  加工石英玻璃時(shí)，通常會(huì)有大量粉塵的產(chǎn)生。積累的粉塵可能會(huì)填塞鉆石鉆頭上顆粒的縫隙，而嚴(yán)重影響刀具壽命及加工工件鉆孔質(zhì)量。漢鼎的超聲波加工技術(shù)如何處理這樣的問題呢？

A1  漢鼎超聲波輔助加工技術(shù)提供刀具一個(gè)高頻率，每秒超過20,000次的縱向微振動(dòng)。這樣的機(jī)制可有效降低鉆削時(shí)的推力和扭矩，且漢鼎標(biāo)準(zhǔn)配置的高壓中心出水（70bar）能幫助排屑過程更順暢。漢鼎超聲波的高頻率微振動(dòng)可以讓切削液更容易進(jìn)入工件，達(dá)到有效冷卻與潤滑并順利排出切屑，降低刀具填塞發(fā)生率，穩(wěn)定刀具壽命。


圖14. 漢鼎超聲波加工驅(qū)動(dòng)模組

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Q2  欲使用漢鼎超聲波加工模組系統(tǒng)進(jìn)行石英玻璃加工時(shí)，如何適當(dāng)調(diào)整進(jìn)給率及超聲波振幅等加工工藝參數(shù)呢？

A2  漢鼎擁有堅(jiān)強(qiáng)的研發(fā)與技術(shù)團(tuán)隊(duì)，期望提供客戶所需服務(wù)，并幫助客戶克服加工石英玻璃的難點(diǎn)。針對(duì)技術(shù)服務(wù)，其中包括提供優(yōu)化后的加工工藝參數(shù)及其他相關(guān)服務(wù)，來確保客戶端在使用漢鼎超聲波輔助加工產(chǎn)品時(shí)，能獲得最佳的使用體驗(yàn)。讓客戶了解到，這不僅是購買一項(xiàng)產(chǎn)品，更重要的是團(tuán)隊(duì)合作間知識(shí)與技術(shù)的交流。


圖15. 漢鼎超聲波加工刀柄



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