研削・研磨後のガラスエッジの光学品質と強度に関する研究

日付: 2022 年 11 月 22 日

著者: パウリナ ブキエダ、カタリーナ ローア、イェンス マイバーグ、ベルンハルト ウェラー

ソース：ガラスの構造とエンジニアリング 第 5 巻、(2020)

https://doi.org/10.1007/s40940-020-00121-x

ガラスエッジは、ガラスシートを切断し、さらにオプションで仕上げを行うことによって形成されます。 脆性材料であるガラスに機械的干渉が生じると、端面に傷や亀裂が生じます。 これらの欠陥はガラス全体の強度に影響を与えます。 ドレスデン工科大学建築研究所の研究プロジェクトの範囲内で、研削と研磨のプロセスが、ガラスのエッジとエッジの強度に対する特徴的な目に見える効果の観点から調査されています。 したがって、研究プロジェクトの特別な焦点は、焼き鈍しガラスの面取り面に対するさまざまな研磨カップホイールの影響です。 この記事では、ガラスエッジ表面の処理手順に関するいくつかの基本を示し、検討された研削および研磨カップホイールを紹介し、実行された実験試験の概要を示します。

顕微鏡分析により、表面の典型的な欠陥の特性評価が可能になります。 さらに、破損時の曲げ引張応力を決定するために、4 点曲げ試験が実行されます。 両方の方法を組み合わせることで、破壊の原因となる欠陥を破壊する前に解析し、光学表面の品質と曲げ引張応力との相関関係を解析することができます。 さらに、顕微鏡を使用して研削盤の調整をサポートし、再現可能なエッジ品質を制御することもできます。 評価の結果、面取り用の研磨カップホイールを特別に開発することで表面品質が向上し、その結果エッジ強度が向上することがわかりました。

ガラスエッジ強度を考慮した設計

窓やファサードの構造における機械的負荷と熱的負荷は、現代の建築上の需要と建築物理学に対する厳しい要件に伴って増大しています。 ガラスのフォーマットと複雑なガラス構造の増加に伴い、機械的負荷、特に熱負荷の重畳により、特にエッジ領域に重大な応力が発生する可能性があります。 ヨーロッパのさまざまな国の現在の設計基準によれば、ガラスエッジの寸法を決めるためにアニールガラスの設計値を下げる必要があります (Feldmann and Kasper 2014、p. 55)。 ドイツおよびオーストリアの規格 (DIN 18008-1 2019 および ÖNORM B 3716-1 2016) の場合、焼き鈍しガラスの特性曲げ強度の 80 % の低減が必要です。 この減少は、処理によるエッジ強度の大きなばらつきを考慮しており、ガラスエッジ強度の最小レベルを表します。

アニールされたガラスのエッジ強度の抵抗の減少と、ガラスのエッジに適用可能な荷重シナリオの欠如が不安を引き起こします。 ガラス構造の設計と損傷のないガラスの設計において一定レベルの安全性を確保するには、ガラスのエッジをさらに詳細に検査する必要があります。 現在、プランナーはより高いエッジ強度を示す強化ガラスを使用することがよくあります。 ただし、エッジ強度が高くなると、硫化ニッケルの混入による自然破損のリスクや、異方性が目に見えるため光学品質の低下を伴います。 さらに、強化ガラスの使用は非常に高価である。 焼き鈍しガラスをより効率的に使用することが望ましい。 そのため、安全設計アプローチと、許容可能なエッジ強度と低散乱を備えた焼きなましたガラスの製造が必要です。

ガラスエッジの形状と種類

ガラスのエッジは、ガラスシートの切断と、さらにオプションの仕上げによって生じます。 切断プロセスでは、ガラス板の形状とサイズが決まります。 次の研削と研磨のプロセスでは、寸法精度を確保し、光学品質を向上させるために、材料の端面とマージンが侵食されます。 いわゆる処理されたエッジにより、怪我のリスクが軽減され、ガラス板のさらなる熱強化が可能になります。

図 1 は、背面の切断エッジと、前面の 2 つの斜めの面取りを備えた研磨され、さらに加工されたエッジの典型的な形状を示しています。 研削プロセスを説明し、破壊の起点の位置を定義された領域に関連付けるために、面と線に分割された 5 つの領域が定義されています。 エッジ面 (e) は、ガラス板の表面 (p) に対して垂直な領域を表します。 面取り (c) は、通常 45° の角度で、ガラス板表面の両側から端面に向かって延びるトリミングされたマージンの表面を定義します。 さらに、エッジと面取りの間の遷移 (tc)、および面取りとガラス板表面の間の遷移 (tp) が定義されます。

建築業界では、さまざまなタイプのガラス エッジが DIN 1249-11 (2017) 規格に従って分類されています。 切断エッジは、鋭いマージン、きれいな切断領域、および引っかき傷領域の不規則な破壊で描写されます。 カットエッジに加えて、処理ステップと光学品質が増加した 4 種類のさらに処理されたエッジがあります。 立ち上がりのあるエッジを作り出すために、切断エッジの鋭い縁と不規則な破断がトリミングされます。 端面の加工は必ずしも必要ではない。 研削エッジ、滑らかな研削エッジ、および研磨エッジは、その後の研削および研磨のステップに応じて定義されます。 研削プロセスでは、常に粗い研磨加工ステップが最初に実行されるため、外観が粗くなります。 その後、表面はより細かい品質向上ツールで研磨され、平らで透明な表面が作成されます。 ただし、研削と研磨のプロセスにより、エッジ表面に新たな傷や亀裂が生じます。これらは破損時の曲げ引張応力に影響を与えるため、ガラス全体のエッジ強度を考慮する必要がある場合があります。

ガラスエッジの実験的検討

Fachverband Konstruktiver Glasbau eV (FKG) のエッジ強度作業グループは、エッジ仕上げタイプのカットエッジ、立ち上がりエッジ、および滑らかな研磨エッジの強度に関する広範な実験研究を実施しました。 その中で、6 つの異なるメーカーの 33 のテスト シリーズで 1,000 以上のガラス梁が 4 点曲げでテストされました (Ensslen 2013)。 さらに、各試験シリーズの試験片を選択し、破壊前に端面を顕微鏡で検査しました。 Kleuderleinら。 (2014) は、メーカー間のエッジ表面のタイプの違いを図 2 に示しました。ガラスエッジのタイプごとに、3 つの異なるメーカーの写真があります。 特に刃先の立ち上がりの質が大きく異なります。 加工パラメータの記録により、生じたエッジが異なる研削盤（クロスベルトまたは研削砥石）で製造されたことが明らかになりました。

ガラス端の強度を測定するための試験手順は、DIN 1288-3 (2000) を参照しました。この試験では、弱い軸に荷重を加えて平らなガラスを 4 点で曲げる試験が定義されています。 ただし、エッジ強度の特別な試験では、面内試験を実行するように設定が変更されました。 このようにして、エッジに均一な引張応力が生成され、エッジから直接破壊される可能性が高まり、エッジ強度の決定が可能になります (Ensslen 2013)。 一連のテストは 2 パラメーターのワイブル分布を使用して統計的に評価され、ガラスの特性曲げ強度に対応する 95 % の信頼水準で 5 % の破壊率が決定されました。

33 のテスト シリーズのうち、アニール ガラスの推奨特性エッジ強度 36 N/mm² (DIN 18008-1 (2019) によると、fk の 80 % = 45 N/mm²) を下回る 5 % 未満の破壊率を示したのは 2 シリーズのみでした。 最大破壊率は 64.84 N/mm² の値で決定されました。 研削および研磨されたエッジは、切断されたエッジよりも常に高いエッジ品質を示すという広く広まった仮定は、反証される可能性があります。 同じエッジ仕上げ内で比較すると、仕上げ自体よりもメーカーの影響がはるかに大きいことがわかります。 したがって、よく切断されたエッジは、欠陥が多く研磨が不十分なエッジよりも高い強度を示すことができます。 (Kleuderlein 他、2014)

作業グループ「エッジ強度」の研究に加えて、Lindqvist (2013) と Vandebroek (2014) はアニールされたガラスのエッジ強度を調査しました。 Lindqvist (2013) は、重大な亀裂の特定に基づいてエッジ強度を予測するために顕微鏡分析を実行しました。 結果は、重大な欠陥を検出することが困難であることを示しました。 Vandebroek (2014) は、荷重履歴、応力腐食、サイズ、応力分布の影響を判断するために、曲げ試験によってエッジの強度を調べました。 検査は、さまざまなエッジのタイプ、さまざまなメーカー、ガラスの寸法に重点を置きました。 この結果は、異なるメーカー間で測定された強度結果に大きなばらつきがあることを裏付けており、異なるエッジ仕上げ方法を検討する必要があることを示しています。

Lohr (2019) は、熱強化ガラスの研削を調査しました。 いくつかの顕微鏡検査では、表面 tc と tp の間の移行領域 (図 1 を参照) に多くの欠陥が見られ、また、さまざまな亀裂の起源が面取り領域と移行領域にあることがわかりました。 熱強化ガラスの結果をアニールしたガラスに適用できるかどうかを調査する必要があります。

切削加工パラメータの生成

さまざまなタイプのガラスエッジに関する広範な研究の後、エッジ強度作業グループはカットエッジに焦点を当てました。 最初の研究の結果と切断プロセスのより深い調査により、厚さ 8 mm のガラスに対して一連の「良好な」切断パラメータを生成することができました。これにより、少なくとも 45 N/mm245 N の再現可能なエッジ強度が得られます。 /mm2 (Ensslen および Müller-Braun 2017)。 さらに、側面亀裂や中央亀裂の深さなど、エッジの強度と相関する光学特性を測定することもできました。 そうすることで、光学的方法に基づいて切断端の強度を推定できます (Müller-Braun et al. 2020)。

FKG のエッジ強度に関する作業グループの以前の調査 (Ensslen 2013; Kleuderlein et al. 2014; Ensslen and Müller-Braun 2017) および Vandebroek (2014) では、研削と研磨のプロセスが品質と品質に大きな影響を与えることが示されました。ガラスエッジの強度。 標準化されたタイプの設計にもかかわらず、図 2 が示すように、光学エッジの品質にはかなりの違いがあります。 あらゆるタイプのエッジのプロセスパラメータは広範囲にわたり、メーカー間で広範囲に分布しています (Kleuderlein et al. 2014)。

これらの事実は、さらなる仕上げプロセスのより深い理解、プロセスパラメータの検出と仕様、および同等のエッジ品質の生成の必要性を強調しています。 研削と研磨の製造パラメータはまだ科学的に検討されていません。 メーカーの違いによるエッジ強度のばらつきを最小限に抑えることができるのは、定義されたプロセスパラメータに基づいた再現可能なエッジ品質だけです。 これは、設計プロセスをさらに削減する必要がなく、一貫した品質と一貫した特有の曲げ強度を備えた処理済みアニール ガラス エッジを製造するために必要です。

この研究の目的は、材料に対する仕上げプロセスの影響をより深く理解し、光学的方法をサポートして再現可能なエッジ品質を達成するための処理調整の推奨事項を提供することです。 したがって、研削と研磨のプロセスが検査され、調整可能なパラメータが特定されます。 まず、あるメーカーのエッジ仕上げプロセスを検討します。 この試験の特別な焦点は、面取り (c) および遷移 (tc) 領域の傷や亀裂を低減し、ガラスエッジの強度を高めるとともに再現可能な光学品質を改善および作成することです。 これにより、3 つの異なる研磨ツールと面取りのサイズが変化します。

パラメータの影響を評価するために、顕微鏡分析法を使用した実験的テスト手順が開発されます。 顕微鏡分析は、結果として得られる表面の特性を評価し、発生する欠陥を評価することにより、材料に対する仕上げの影響を理解するのに役立ちます。 試験手順には、破壊試験前のエッジ表面の顕微鏡記録と、破壊後の 4 点曲げ試験による破壊の原因となる欠陥の位置特定が含まれます。 最後に、破壊の原因となる欠陥は、決定された破壊時の曲げ引張応力と相関付けられます。

研削と研磨の工程

実際には、さらに加工されたガラスエッジを製造するために、さまざまな研削盤が使用されます。 たとえば、クロスベルト機械は、研磨材でコーティングされた移動ベルトで構成されています。 加工するには、ガラスを手動でベルトに押し付ける必要があります。 メーカーによっては、クロスベルト機械を使用して有上がりエッジを製造している場合があります。 もう1つのタイプは、コンピュータ制御の下で複雑な形状を研削するCNC研削盤です。 しかし、さらに加工されたガラスエッジ、特に滑らかに研削および研磨されたエッジを製造するための最も一般的な方法は、エッジ研削盤です。

それらは、縦型片面エッジ研削盤と横型両面エッジ研削盤に分けることができます。 この研究の試験片は、図 3 に示すように、Neptun 社の Rock 11 タイプの片面垂直エッジ研削盤で加工されました。したがって、研削プロセスの詳細な説明はこの方法に基づいています。 この機械は 11 個の研削および研磨ステ​​ーションで構成されています。 各ステーションでは、カップホイールと呼ばれるマルチグレインツールがエッジを処理します。 外側からはカップホイールのモーターだけが見えます。 図 3 の写真の下にある絵文字は、処理ステップと個々のステーションを割り当てるのに役立ちます。

ガラス板は右側から縦横のガイドベルトに乗せられ、エッジ研削盤を通って左側に搬送されます。 加工する端面が下になります。 水平ガイド ベルトがガラスを最初のステーションに搬送します。 次に、ガラスは 2 つの横方向のガイド ベルトによってさらに別のステーションに案内されます。 これらはグラスを真っ直ぐな位置に保持し、速度を調整します。 各ステーションでは、回転する研削または研磨カップホイールが冷却水を絶えず追加しながら下からエッジを加工します。 冷却水はカップホイールの過熱を防ぎます。 ステーション 1 ～ 3、およびステーション 4 と 6 の研削カップ ホイールは剛性があります。 ステーション 5 およびステーション 7 ～ 11 の研磨カップ ホイールは、ガラスの端に向かって油圧で押し付けられます。 可動ステーションの接触圧を調整できます。 プロセスの最後に除去される材料の量を表す研削深さは、水平ガイドベルトの位置によって調整されます。

研削プロセスの最初のステーションでは、材料の除去とガラスの端面に沿った寸法精度が保証されます。 続いてステーション4～7で45度の砥石を使用して面取り加工を行います。 図4は、エッジおよび面取り加工中の砥石の位置合わせを示しています。

提示されたエッジ研削盤には、各面取りに 2 つのステーションがあり、研磨材としてダイヤモンド粒子を使用した粗いカップホイールと、さらに研磨するための細かいカップホイールがあります。 ステーション 8 ～ 11 のプロセスの終わりに向かうカップ ホイールはより細かくなります。 表面粗さを低減し、高い透明性を実現します。 エッジのタイプに応じて、プロセス中に必要なステーションを個別にオンにすることができます。 研磨されたエッジはすべてのステーションを通過するため、最高の品質レベルに属します。 高品質のガラスエッジを製造するには、砥石車の構成とその他のプロセスパラメータを適合させることが不可欠です。

カップホイールの研削・研磨

研削プロセスでは、カップホイールの研削と研磨を使用して、顕微鏡的に小さく幾何学的に不定な破断部分がガラスのエッジから除去されます。 これらは結合システムの組成と粒子サイズが異なります。 図 5 は、さまざまな研削および研磨カップ ホイールとその微細な表面の例を示しています。

粗い粒子と硬質、金属または樹脂の結合を組み合わせたものが研磨加工ステップに使用されます。 図5の左の写真は、非常に硬いダイ​​ヤモンド砥粒を使用することにより、高い材料除去を保証するメタルボンドダイヤモンド砥石を示しています。 加工表面に粗い外観を作り出します。 除去された材料はセグメント内に蓄積し、冷却水によって洗い流される可能性があります。 中央の写真は合成樹脂結合ダイヤモンド砥石を示しています。これは金属結合ダイヤモンド砥石に似ていますが、合成樹脂ベースの結合システムを使用しているため、より柔らかいです。 これにより、材料の除去がスムーズになります。

図5の右側は、コランダムの細かい粒子を備えた研磨カップホイールを示しています。 研磨カップホイールは、炭化ケイ素、コランダム、酸化セリウムなどの砥粒と、さまざまな弾性度のポリウレタン、ゴム、変性合成樹脂などの弾性的に結合した裏材を組み合わせて作成されます。 それぞれの結合システムの化学構造と砥粒の組み合わせが、工具の最終特性に影響を与えます。 滑らかで透明な表面を作成するには、より柔らかく弾性のあるバインダーのより細かい粒子が使用されます。 酸化セリウムは機械的および化学的研削による除去を可能にするため、高度な研磨に適した砥粒です。 化学反応によりガラスの原子が溶解し、表面に原子が浮かび上がります。 このようにして、エッジの小さな凹凸を滑らかにすることができます。

カップホイールは、ガラスのエッジを加工するために、その表面に複数の露出した砥粒を常に備えている必要があります。 こうすることで効率的に作業を進めることができます。 意図した研磨効果を生み出すためには、砥粒が結合システムよりも早く摩耗したり、結合システムが破壊されたり、単一の砥粒が露出したりしてはなりません (図 6)。

表面品質に関する研削パラメータ

最終的なエッジ品質は、カップホイールの組み合わせと量、いくつかのプロセスパラメータ、およびそれらの適切な相互作用の結果です。 現在、定義されたエッジの品質や強度を指す、研削および研磨プロセスの最適化されたプロセス パラメータは一般的に知られていません。 実際には、最適化はガラスエッジの視覚的な品質に基づいて行われます。 メーカーや研削盤の影響が大きく十分に検討されていません。 ただし、個々のプロセスパラメータの影響は、研削の作業原理から導き出すことができます。 カップホイールの回転数が高く、速度が遅いため、砥石がガラス表面とより頻繁に接触するようになります。 これにより、物理的な材料の除去と研磨のプロセスが改善されるはずです。 さらに、冷却水の量と清浄度は、品質に大きな影響を与える可能性があります。

今回の観察では、面取り面と遷移領域が特に重要です。 したがって、面取り用の 3 つの異なる研磨カップホイールを光学的に、またエッジ強度の観点から検査しました。

概要

エッジ面と面取り面の品質を評価し、破壊の原因となる欠陥に関する結論を得るために、3 段階の実験的テスト プログラムが開発されました。 まず、エッジと面取り表面を顕微鏡で記録し、検査しました。 続いて、４点曲げ試験を行った。 最後のステップでは、破壊の原因が特定され、破壊前の表面の記録画像との比較によって、破壊の原因となった欠陥が検出されました。

検体

作製した試験片は、125 mm x 1100 x 10 mm の、研磨されたエッジを備えたビームです (図 7)。 寸法は、4 点曲げ試験のセットアップの設計に基づいています。 高い光学品質を備えたエッジの製造が研究プロジェクトの目的の 1 つであったため、研磨されたガラス エッジが選択されました。 かなり大きな表面を検査し、研削および研磨プロセスに関するより多くの情報を得るために、試験片には 10 mm の厚さが選択されました。 図 7 に従って、面取りを面取り 1 および面取り 2 として定義することは、明確な比較を可能にするために必要です。 分類は研削パターンによって決まります。 研削盤でエッジを加工するには最低 250 mm の高さが必要なため、試験片はオーバーサイズで作成されてから切断されました。

顕微鏡分析

顕微鏡表面分析は、Zeiss のデジタル光学顕微鏡を使用して、34 倍から 1100 倍の倍率で実行されました。 すべての試験片のエッジと面取り表面にマークを付け、記録しました。 これにより、エッジ品質の特性評価と、破壊の原因となる欠陥のさらなる位置特定が可能になりました。 記録された表面は試験片の中央を覆い、長さは約 200 mm です (図 7 でマークされた領域)。 この特別な領域は、次の 4 点曲げ試験における負荷領域に対応します。 したがって、骨折の起点がその領域で発生する可能性が高くなります。 エッジ面は 70 倍の倍率で記録され、面取り面は 100 倍の倍率で記録されます。 図 8a は、面取り面の画像を記録するための傾斜したサポートを備えた顕微鏡と、面取り面の約 20 mm の顕微鏡記録の例 (図 8b) を示しています。

4点曲げ

4 点曲げ試験は、DIN EN 1288-3 (2000) および作業グループの FKG エッジ強度試験を参照して、強軸の周りでガラス試験片に荷重をかけて曲げることによって実行されました。 検査されたエッジは、曲げ引張応力が発生する場所で下を向いています。 図 9 は、ドレスデン工科大学で設定されたテストと対応する絵文字を示しています。 ボールベアリングとビーム端の横方向サポートは、支持ボールベアリングシステムに組み合わされます。 試験片は幅 80 mm、スパン 1000 mm の POM ブロック上で垂直に支持されます。 荷重は、ガラス上部の端にある小さな POM ブロックを介して 200 mm の範囲内で時間通りに導入されます。 破壊試験は、破壊するまで 2 N/(mm2s2s) の一定荷重速度で実行されます。 破壊後、破壊荷重を測定する。

欠陥解析

破壊テスト後、破壊のグローバル位置 xglobglob が決定され、テストを評価するかどうかが決定されます (図 10)。 荷重領域内の破壊起点のみが評価されます。 破壊ミラーを詳しく見ると、最初の亀裂の破壊起点の開始を判断できます (Quinn 2016, 7-10)。 さらに、エッジ面 (e)、面取り面 (c)、移行領域 (tc)、またはガラス板表面 (p) の間で区別が行われ、記録された画像上で破壊を引き起こす欠陥の位置が特定されます。無傷の表面。 図 10 のフラクチャミラーの円中心は、サイド 2 の面取り面の初期亀裂を指します。

処理パラメータ

すべての試験片は、速度 2 m/min、研削深さ 1 mm で研削されました。 研削深さは、研削プロセス中にガラスエッジの材料が除去される量を表します。 研削プロセスの前に、切断プロセスから生じる目に見える中央亀裂 (Müller-Braun et al. 2020) は、長さ約 300 μmμm で測定されました。 選択した研削深さ 1 mm では、切断プロセスで目に見える中央亀裂が完全に除去されます。

したがって、切削加工の影響は排除されていると考えられる。 ただし、この仮定は、一定の研削プロセスパラメータでさまざまな品質の切断エッジを研削することにより、さらなるテストシリーズで検証される必要があります。 使用したカップ砥石の結合システムと砥粒の種類を表 1 に示します。各研削カップ砥石の調整可能な接触圧力は、メーカーの経験と製造時の肉眼的な光学結果に従って設定および記録されました。 それは使用されるカップホイールの磨耗に依存するため、一連のテスト内で変化する可能性があります。

表1 エッジ研削盤に使用する砥石 -フルサイズのテーブル

表 2 検討したテストシリーズ -フルサイズのテーブル

表 2 に、テストされたシリーズの概要を示します。 合計で、Artifex 社の面取り用の 3 つの異なる研磨カップホイールがステーション 5 と 7 で検査されました (図 3 による)。 テストシリーズ A の試験片には、非常に細かいコランダム粒子を備えた樹脂結合研磨カップホイールが使用されました。 この種の研磨カップ砥石は硬質に分類されます。 テストシリーズ B の試験片は、接着剤としてポリウレタン製の研磨カップホイールと中程度の粒径のコランダムを使用して製造されました。

したがって、より柔らかいポリウレタンフォームが生成され、研磨カップホイールは柔らかいものとして分類されます。 研究プロジェクトの範囲内で、ポリウレタン結合システムと内部砥粒で作られた特別な研磨カップホイールが面取り用に開発されました。 これらを発泡させて微細多孔質かつ硬質のポリウレタンフォームを形成します。 正確な構成は、Artifex 社との機密保持契約の対象となります。 テストシリーズ C の試験片は、特別に開発された研磨カップホイールを使用して製造されました。

さらに、面取りの材料除去量の変化による影響をテストするために、面取りサイズを変化させた 3 つのテスト シリーズが検査されました。 そのため、面取り部の研削カップ砥石は手動で調整していました。 一般的な調整では、45°の角度で各側のエッジ面が約 1 mm 除去され、面取り面の幅は 1.4 mm になります。 小さい面取り (テスト シリーズ KS) の場合、調整により各側のエッジ幅が約 0.5 mm 除去され、面取り幅が 0.7 mm になります。

幅約 1.7 mm の大きな面取り (テスト シリーズ GS) は、面取り研削カップ ホイールを両側で 1.5 mm ずつ除去するように調整することによって作成されました。 さらに、エッジは研磨されているが面取りはされていない一連のテストも作成されました (テスト シリーズ O)。 目的は、面取りの製造によって引き起こされる欠陥を回避することでした。 テスト シリーズ O では、ステーション 4 ～ 7 がシャットダウンされました。 一連の試験ごとに、8 ～ 12 個の試験片が作成されました。

典型的な表面と欠陥

顕微鏡分析は、加工されたエッジおよび面取り表面に関する一般的な情報を得るのに役立ちました。 いくつかの典型的な表面と発生する欠陥を図 11 に示します。カップホイールがガラスに衝撃を与えると、表面に研削パターンが残りますが、これはカップホイールの回転方向に関係している可能性があります。 研削パターンは、表面の一貫した溝のパターンとして認識できます。 さらに、研削パターンの方向の個々の傷としての典型的な欠陥、さらにチッピングおよびコンコイドとして説明される移行領域の傷が特定されました。

研削パターンの方向にある個々の目に見える傷 (図 11、左) は、ガラスの磨耗の除去が不十分な寸法であること、カップホイールから露出したまたは壊れた砥粒によって引き起こされる可能性があります。 チッピングとコンコイダルは、エッジと面取り領域の両方の材料が除去されるために発生します。 それらは材料が破壊された時点で自然に発生します (図 11、中央と右)。 欠陥は研削または研磨プロセス中に生成されるため、典型的な欠陥として分類されます。 次の分析には、さまざまなテスト シリーズにおけるこれらの典型的な欠陥の比較が含まれています。

一連のテストの顕微鏡分析

表面の顕微鏡画像により、エッジ品質の最初の評価と特性評価が可能になります。 図 12 は、異なる研磨カップ ホイールを使用したテスト シリーズ (テスト シリーズ A、B、および C) の面取り 1、エッジおよび面取り 2 の表面の代表的な断面を示しています。 画像の配置は、隣接する表面の遷移領域に対応します。 面取り表面は、エッジ表面と比較して 4 倍に拡大して示されています。

個々のテストシリーズのエッジ表面を比較すると、大きな違いは見られません。 よく見ると、わずかに平行な溝を持つ研削パターンが確認できます。 しかし、微視的に見える研削パターンは巨視的レベルではほとんど見えません。 したがって、エッジ面は明らかに研磨済みとして分類されます。

一連のテストの面取り表面を観察すると、さまざまな品質が明らかになり、それはさまざまな面取り研磨カップホイールの特性に遡ることができます。

シリーズA

シリーズB

シリーズC

したがって、研磨カップホイール C は、チッピングやコンコイドの量が最小限で最高の光学的結果を示します。 肉眼的には、テスト シリーズ C の試験片も、欠陥が最小限で最高の光学面取り品質を示しました。

図 13 は、さまざまな面取りサイズを備えたテスト シリーズ (テスト シリーズ GS、KS、および O) の顕微鏡画像を示しています。 面取り研磨カップ砥石 C は、研磨カップ砥石の研究で最良の結果を示したので、面取りの製造に使用されました。 テストシリーズKS、GSのチッピングやコンコイドは80μmの範囲で発生します。 テストシリーズ GS の 1 つの標本だけが、450 μm の範囲で例外的な欠けとコンコイドを示しました。 この単一の試験片以外にも、面取り表面の品質は再現可能でした。 サイズの違いは認識できませんでした。 材料の除去量は、チッピングやコンコイドの発生により遷移領域で確認できると考えられました。

テストシリーズ KS および GS の各面取り面の 1 つは、図 12 のテストシリーズ C と同じ滑らかな研削パターンを示し、方向はほとんど見えません。テストシリーズ KS では、面取り 2 に研削パターンが見えますが、テストシリーズ GS では、次のことがわかります。面取り 1 の表面の研磨パターン。エッジと面取り面の研磨パターンにより、面取りの仕様が正しいことを確認できます。 ステーション 4 と 6 での面取り研削カップ ホイールの手動調整 (図 3 による) がテスト シリーズ KS と GS の唯一の違いであるため、研削圧力と材料除去量の相互作用により、目に見える問題が発生する可能性があります。目立ちやすさ。 さらに、試験片の面取り幅をランダムに測定したところ、手動​​調整によって面取りサイズが異なることがわかりました。

テスト シリーズ O では、面取りは行われませんでした。 したがって、図 13 にはエッジ面のみが示されています。エッジ面は、他の一連のテストの光学品質に対応しています。 試験シリーズ O の端面から窓ガラス表面 2 への遷移領域では、約 300 μm の範囲の単一の欠けとコンコイドが検出されました。 面取りは発生しないため、ガラスエッジの材料除去に遡ることができます。

曲げ引張応力解析

さまざまな面取り研磨カップ ホイールと面取りサイズを研究するために、合計 62 個の試験片がテストされました。 各試験片の曲げ引張応力は、オイラー・ベルヌーイ梁理論に従って測定された破壊荷重から決定されました。 解析の一環として、骨折の全体的な位置 Xglob と、正確な骨折の起点が考慮されました。 エッジ面 (e)、面取り面 (c)、エッジと面取り面の間の遷移領域 (tc)、および窓ガラス表面 (p) に起点を持つ破壊が見つかりました。 10 個の試験体は窓ガラス表面からの破壊起点を示したため、評価には考慮されませんでした。 さらに、9 つの試験片が、最も高い張力が想定される負荷領域の外側で破損しました。 それらの標本も評価には考慮されませんでした。 荷重がかかった領域のみが顕微鏡で記録されたため、これらの欠陥を特徴付けたり、顕微鏡画像とさらに関連付けたりすることはできません。

図 14 は、各試験シリーズについて決定された曲げ引張応力を箱ひげ図の形式で示しています。 ボックス内の太線は評価値の中央値を示し、ボックス上の数字 (n) は評価された標本の数を示します。 灰色の箱ひげ図には、荷重領域からの破壊がある一連のテストのすべての標本が含まれています。 エッジ (紫色の箱ひげ図)、遷移部分 (青の箱ひげ図)、および面取り部分 (緑の箱ひげ図) からの初期亀裂を伴う破壊の起点に応じて、さらに内訳が行われます。

一般に、各試験シリーズの曲げ引張応力には大きなばらつきが見られます。 異なる研磨カップホイールを使用したテストシリーズ A、B、および C を比較すると、テストシリーズ C が明らかに最も高い曲げ引張応力を示しました。 さらに、表 3 にそれぞれの最小値、最大値、平均値を示します。 テスト シリーズ C では、曲げ引張応力が 103.77 N/mm² という最高値に達し、平均値が 86.69 N/mm² に達しました。 箱ひげ図と表 3 に基づいて、テスト シリーズ GS および KS の曲げ引張応力を見ると、それらはテスト シリーズ C と同等です。テスト シリーズ GS の 1 つの試験片のみが比較的低い曲げ引張応力を示しています。 面取りのないテスト シリーズ O は大きなばらつきを示していますが、テスト シリーズ A および B と比較すると、曲げ引張応力は依然としてわずかに高くなります。

表 3 4 点曲げ試験の結果 -フルサイズのテーブル

これまでのところ、破壊起点の位置の区別では、曲げ引張応力に関する明確な傾向を示すことはできませんでした。 面取りまたは遷移領域からの初期亀裂のある試験片の数を数えると、試験片の 60 % が面取りから、40 % がエッジから破損しました。 これは、面取り領域と移行領域にはエッジよりも多くの破壊を引き起こす欠陥が見られるため、特に興味深いという事実が裏付けられています。 各テスト シリーズで評価された標本の数はかなり少ないため、ステートメントは注意して扱う必要があります。 ただし、結果の傾向については議論され、さらなる検討の基礎として採用されます。

破壊の原因となる欠陥の特定

破壊の原因となる欠陥を特定すると、曲げ引張応力との相関関係が得られます。 破壊の原因となる欠陥を特定するために、破片上の破壊起点とマークの間の距離が測定されました。 この距離により、無傷の画像上の対応するスポットが決定されました。 図 15 は、各試験シリーズで決定された最小および最大の曲げ引張応力による試験片の破壊の原因となる欠陥を示しています。 提示された写真は、欠陥の可視性を拡大するためにさまざまな倍率で拡大縮小されています。 欠陥の 2 次元幾何学的測定ではまだ相関関係を示す十分な情報が得られないため、ここでは示しません。

図 15 の最初の行は、各試験シリーズの最低曲げ引張応力の相関関係を示しています。 顕微鏡画像には明らかな欠陥が示されています。 テスト シリーズ GS の曲げ引張応力が最も低い試験片は、チッピングおよびコンコイドとして特徴付けることができます。 このような欠陥は試験片全体で繰り返し確認されました。 したがって、顕微鏡分析とテストシリーズ GS の他の標本との比較により、これがそのサイズの欠けと巻き貝を有するシリーズの唯一の標本であることが示されました。 その観察結果と決定された曲げ引張応力を比較すると、テスト シリーズ GS のばらつきが説明されます。 試験シリーズ A の曲げ引張応力が最も低い試験片の破壊を引き起こす欠陥は傷です。 傷はエッジマージンに対して垂直です。 この種の欠陥は、研削パターンの方向にあるものではないため、研削および研磨プロセスを代表するものではありません。 研削・研磨工程後に発生したものと考えられます。

図 15 の 2 行目は、一連のテストの中で最も高い曲げ引張応力を伴う破壊の原因となる欠陥を示しています。 B、GS、KS には光学的な不規則性は見られず、これは表面の高い光学品質がより高い曲げ引張応力と相関しているという仮説を裏付けています。 ただし、すべての明らかな欠陥が早期破損の原因となるわけではありません。 試験シリーズ A の最も強い試験片と試験シリーズ B の最も弱い試験片の破壊を引き起こす欠陥は、両方とも研削パターンの方向の傷です。 表面の光学的外観は非常に似ていますが、曲げ引張応力は約 45 N/mm22 異なります。 デジタル顕微鏡は、二次元の表面画像を記録する、非破壊かつ非接触の表面分析方法です。 したがって、傷の深さは測定できません。 焦点と雷により、いくつかの傷や損傷が検出され、周囲の領域と比較してより強いと特徴付けられます。 特に早期破損の原因となる狭い内側亀裂は検出できません。

強度の判定

シリーズ C と KS のパラメータの組み合わせが最良の結果を示しました。 統計的に有意な強度値を決定するために、それぞれ 30 個の試験片を含む 2 回目の試験シリーズが作成されました。 多くの破壊起点が負荷領域の外側で発生したため、評価用の試験片の量が減少しました。 表 4 は、2 パラメーターのワイブル分布による統計的評価の結果を示しています。 95%の信頼水準で5%の破壊を測定した結果、試験シリーズC_2の値は42.74 N/mm2、試験シリーズKS_2の値は52.09 N/mm2という結果になりました。 試験シリーズ C_2 は 5 % 低い破壊率を示していますが、両方とも DIN 18001 (2019) に基づく制限値 36 N/mm² を明らかに上回っています。

表 4 試験片を拡大した第 2 試験シリーズ C_2 および KS_2 の結果 -フルサイズのテーブル

第 2 の試験シリーズ C_2 および KS_2 のそれぞれからの 10 個の標本を顕微鏡で検査しました。 顕微鏡分析により、表面が最初の一連のテストと同等であることが明らかになりました。 分析された試験片の一部は負荷領域の外側で破損したため、破壊の原因となる欠陥の相関と検出が可能だったのは、両方のテスト シリーズで合計 9 つの試験片のみでした。 破壊の原因となる欠陥を特定した結果、典型的ではない欠陥がいくつか明らかになりました。

仕上げプロセスに応じた典型的な欠陥

欠陥の品質、サイズ、頻度から、単一の処理ステーションと処理パラメータの適切な相互作用を推測したり、調整不良を明らかにしたりできます。 高い接触圧力、過度の材料除去、および砥石車の不適切な傾きが組み合わさると、表面に強い研削パターンが発生し、移行領域に大きな傷が発生する可能性があります。 これにより、研削パターンは最初の研削ステップ中に作成され、その後のさらなる研磨ステップによって補償することはできません。 周囲の表面を研磨すると、溝や単一の傷が特に目立つようになります。 現在入手可能な結果に基づくと、強く目に見える研削パターンは光学的な欠陥にすぎません。 強度の低下は観察されませんでした。

顕微鏡記録と曲げ引張応力とのさらなる相関関係から、チッピングやコンコイドなどの移行領域の欠陥、単一の傷、典型的でない欠陥が主に破壊の原因であることが明らかになりました。 研磨パターンの方向に目に見える傷が繰り返し発生すると、カップホイールの状態が悪い可能性があります。 チッピングとコンコイドは、移行部でのブレイクアウトの結果として材料が除去されることによって引き起こされます。 異なる研磨カップ ホイールは、欠陥の量とサイズに影響を与える可能性があります。

典型的ではない欠陥

検出された非典型的な欠陥は、低い曲げ引張応力と相関していました。 したがって、非典型的な欠陥は、エッジ強度を低下させる可能性のある欠陥として特に見られます。 非定型欠陥は研削方向には走らないため、仕上げ加工後のガラス端部に発生すると考えられます。 ガラスはエッジを保護するシリコン製のセットブロック上に保管されていますが、エッジに垂直な方向の欠陥が検出されました。 曲げ引張応力による亀裂の開口がサポートされるため、これらは重要です。 仕上げプロセス後の欠陥を排除するには、エッジを直接保護する必要があります。 考えられる保護方法は、直接梱包するか、粘着テープで端をマスキングすることです。

移行領域における研磨カップホイールの影響

面取り研磨カップホイールの変動は、欠陥の形成とエッジ形状に顕微鏡で検出可能な影響を与えます。 テストシリーズAの合成樹脂結合研磨カップホイールには、高級コランダムの微粒が使用されており、鋭いエッジの移行を保証します。 細かい粒子では、面取り用のダイヤモンド研削カップホイールを使用して材料を除去する際に生じる移行領域の溝や傷を修復することはできません。 テストシリーズ B は、中程度の粒径の高級コランダムを使用した柔らかい研磨カップホイールによるエッジ形状の変化を示しています。

中程度の粒子サイズとソフトバインダーの組み合わせにより、エッジ表面に向かって移行領域が丸く滑らかになります。 研磨カップホイールのソフトボンディングシステムはガラスエッジの形状に適応し、ガラスエッジの材料の除去を最小限に抑えます。 この研磨カップホイールの目的は、材料除去によってチッピングやコンコイドを発生させることなくエッジ品質を特に改善し、さらに良好な応力分布を引き起こすことでした。 丸い平滑化にもかかわらず、一定のサイズ範囲の傷が検出できましたが、これはおそらく追加の摩耗によって引き起こされたものと考えられます。

テストシリーズ C の研磨カップホイールは、傷の減少と高い曲げ引張応力に関して最も有望な結果を示しています。 ポリウレタンをベースとした微多孔質組成物と内部粒子サイズを備えた研磨カップホイールは、表面に溝がなく、鋭いエッジの遷移を備えた表面画像を生成しました。 片側の移行領域には欠けとコンコイドが見られました。 その結果、研磨カップ砥石は、面取り部のダイヤモンド砥石の加工工程後に、新たな傷を発生させることなく表面状態を修復するのに十分な硬度を有する。

引張応力と破壊原因となる欠陥との相関関係

実行された曲げ引張応力は大きなばらつきを示しました。 破壊の原因となる欠陥の相関関係により、単一試験片の早期破壊と低い曲げ引張応力の理由が明らかになりました。 さらに、高い曲げ引張応力は明らかな欠陥と相関関係がありませんでした。 亀裂の起点は、エッジ面、面取り面、移行領域、窓ガラスの表面で見つかりました。 窓ガラス表面に破壊起点がある試験体および荷重領域の外側に破壊起点がある試験体は評価では考慮されませんでした。 評価された試験片内では、試験片の 60 % が面取りまたは遷移部、およびエッジの 40 % で破損がありました。 したがって、特殊な研磨カップホイールを使用して面取り領域と移行領域の傷を減らすと、曲げ引張応力が高くなる可能性があります。 結果を確認するには、より多くの試験体を評価する必要があります。

刃先強度

2 番目のテスト シリーズ C_2 および KS_2 は、統計的に有意な強度値を決定するために実行されました。 どちらも、DIN 18001 (2019) に基づく制限値 36 N/mm² を超える高い強度値を実現しました。 試験シリーズ C_2 は 42.74 N/mm2 の強度値を示し、試験シリーズ KS_2 は 52.09 N/mm2 の強度値を示しました。 破壊を引き起こす欠陥の相関関係から、典型的ではない欠陥がいくつか明らかになりました。これが荷重領域の外側に大量の破壊起点が存在する理由である可能性があります。 したがって、典型的ではない欠陥を防止してエッジの状態を改善すると、さらに高いエッジ強度が得られる可能性があります。

顕微鏡法の使用

検査の結果、顕微鏡法により、加工されたガラス表面の品質について有意義な情報が得られることがわかりました。 これにより、発生する傷や欠陥の特性評価が可能になり、破壊の原因となる欠陥を検出できるため、破壊試験の評価にも役立ちます。 各標本の 200 mm というかなり大きな表面を詳細に記録するには、顕微鏡の個別の調整、十分な計算能力、そしてある程度の時間が必要です。 研削盤の調整や端面品質の頻繁な品質チェックのサポートとして、顕微鏡的な方法を使用できることが想像できます。 したがって、この方法は有用ではありますが、実際の生産チェーンに簡単に適応できるものではなく、実際に使用できるようにさらに開発する必要があります。

エッジ加工には自然と発生するキズやキズを完全に防ぐことはできません。 それにも関わらず、この研究の目的は、ガラスエッジの移行領域の表面欠陥や傷を低減した、研磨されたエッジと面取り表面を作成することでした。 特別に開発されたテストシリーズ C の研磨カップホイールを使用して、移行領域の傷が減少した加工済みの面取りが製造されました。 それに加えて、曲げ引張応力の増加が測定され、さらに高いガラスエッジ強度の測定につながりました。 これは、得られるエッジの品質が研磨カップホイールの選択によって大きく影響されることを示しています。

曲げ引張応力と破壊の原因となる欠陥との相関関係は、微視的に目立つ欠陥が曲げ引張応力に影響を与えていることを示しています。 ただし、影響と境界値を特定するには、欠陥の特性評価と幾何学的測定に関するさらなる検査を実行する必要があります。 この相関関係により、典型的ではない欠陥も明らかになり、それが低い曲げ引張応力につながりました。 それらはガラスを著しく弱める可能性があります。 したがって、生産チェーンでは、典型的ではない欠陥の防止に重点を置く必要があります。

普遍的なステートメントを生成し、関連するパラメータを特定するには、分析がエッジ品質の生成の制御、研削盤の調整、または調整不良の検出に役立つため、光学的手法の使用が有益です。 この方法とその合理的な使用法は、実用化のためにさらに開発される必要があります。 さらに調査を進めていくと、追加のプロセス パラメータを生成する必要があります。 審査はまず 1 つのメーカーに集中して行われ、その後、2 番目のメーカーへの移行が可能になります。 ガラスエッジの仕上げプロセス用のさらに標準化されたパラメータの生成により、規制された品質と一般的に有効なエッジ強度の再現可能なガラスエッジが導入されます。 これにより、設計にアニールされたガラスエッジを安全かつ効率的に使用できるようになります。

Projekt DEAL によって提供されるオープンアクセス資金。 研究プロジェクト「ガラスの面取りのための新しい研削プロセスの開発」 (SAUM – Entwicklung eines neuartigen Schleifprozesses für Bauteile aus Glas) は、Glaswerkstätten Frank Ahne GmbH、Artifex Dr. Lohmann GmbH & Co. KG、および研究所の共同研究プロジェクトです。ドレスデン工科大学で建築建設を学ぶ。 これは、中央イノベーション プログラム ZIM の一環として、連邦経済エネルギー省 (ZF4123712TA7) から資金提供を受けました。 プロジェクトパートナーであるGlaswerkstätten Frank Ahne GmbHの良好な協力、技術サポート、試験片の製作に特に感謝いたします。

著者と所属

ドレスデン工科大学、ドレスデン、ドイツ - パウリナ・ブキエダ、カタリーナ・ローア、ベルンハルト・ウェラー

アーティフェックス博士 Lohmann GmbH & Co. KG、カルテンキルヒェン、ドイツ - Jens Meiberg

パウリナ・ブキエダへの通信。

利益相反

著者らは利益相反がないことを宣言します。