TWI382907B - 具有通孔之脆性非金屬工件及其加工方法 - Google Patents

Description

具有通孔之脆性非金屬工件及其加工方法

本發明涉及一種脆性非金工件及加工方法，尤涉及一種具有通孔之脆性非金屬工件及其加工方法。

在脆性非金屬材料之加工過程中，如對玻璃之加工，有時需要在玻璃上開設通孔，從而需要切除玻璃上開設通孔處之區域。一種習知在玻璃上加工通孔之方法為採用研磨機構直接對玻璃進行研磨。該研磨機構包括至少一研磨頭，該研磨頭為中空之柱體，其橫截面之外形輪廓對應於待加工之通孔形狀。該研磨頭在馬達之帶動下，同時作直線與旋轉運動對玻璃一表面之指定部位進行研磨，大約研磨至玻璃厚度之一半時，停止研磨。然後，將玻璃翻面，再對其另一表面之對應位置進行研磨，直至磨痕貫穿整塊玻璃。最後，將需去除之玻璃材料取出，從而於玻璃上形成所要開設之通孔。

然，藉由研磨形成通孔之側壁內表面為霧面，其存在較多之毛刺和微裂縫。在後續之使用過程中，通孔側壁內表面之微裂縫容易生長向外延伸致使玻璃斷裂。

鑒於上述內容，有必要提供一種表面品質較好之具有通孔之脆性非金屬工件之加工方法。

一種具有通孔之脆性非金屬工件之加工方法，其包括以下步驟：(1)提供一脆性非金屬基材，該脆性非金屬基材包括一表面，採用雷射光束於該表面上劃出封閉之裂痕 ，該裂痕圍成一區域；(2)於裂痕圍成之區域上放置一低溫固體，該低溫固體為將金屬塊放入液氮中浸泡製成，且該低溫固體位於裂痕圍成之區域內或完全覆蓋裂痕圍成之區域；(3)脆性非金屬材料沿裂痕裂開，裂痕圍成之區域從脆性非金屬基材上脫落。

相對於習知技術，所述具有通孔之脆性非金屬工件加工方法係先劃出封閉之裂痕後藉由急劇改變裂痕附近之脆性非金屬材料之溫度進行裂片。裂痕附近之脆性非金屬材料由於溫度之變化產生較大之應力，從而使得裂痕生長並且貫穿整塊脆性非金屬材料，裂痕圍成之區域之從脆性非金屬基材上脫落從而形成了通孔。由於脆性非金屬材料間沒有擠壓，從而使得形成之通孔側壁內表面為光亮面，沒有毛刺與微裂痕，受外力作用時不容易破裂。

下面將結合附圖及實施例對本發明具有通孔之脆性非金屬工件加工方法及脆性非金屬工件作詳細說明。

下面以加工具有通孔之玻璃工件為例說明本發明具有通孔之脆性非金屬工件之加工方法，該具有通孔之玻璃工件加工方法包括以下步驟：(1)提供一玻璃基材，該玻璃基材包括一表面，於該表面上劃出封閉之裂痕，該裂痕圍成一區域；(2)急劇改變裂痕附近之玻璃材料之溫度；(3)玻璃材料沿裂痕裂開，裂痕圍成之區域從玻璃基材上 脫落。

以下結合附圖對具有通孔之玻璃工件之加工步驟作詳細說明。

步驟(1)，請參閱圖1，提供一玻璃基材50，其包括表面54。採用雷射發生器60產生之雷射光束62沿著表面54上之預定輪廓線作用於玻璃基材50上，隨即由冷卻噴嘴64噴射出冷卻介質對玻璃基材50上之受熱點進行冷卻，從而於玻璃基材50上形成一封閉之裂痕66，由裂痕66圍成一圓形去除區域68。

雷射光束62照射玻璃基材50表面54之預定輪廓線時，玻璃基材50之局部材料吸熱膨脹，產生一壓應力區。冷卻噴嘴64噴射出之冷卻介質隨即冷卻雷射光束62照射後之受熱區域，由於強制對流使得玻璃基材50之局部材料表面溫度下降，局部材料開始收縮而產生一拉應力區。在熱漲冷縮之效應下，被雷射光束62照射之局部材料開始生成裂縫並沿玻璃基材50表面54之預定輪廓線慢慢延伸，從而一形成封閉之裂痕66。

裂痕66沿垂直於玻璃基材50之表面54之方向上具有一定之切割深度δ。一般而言，裂痕66之深度δ與雷射光斑之大小、雷射光斑及冷卻點相對於玻璃基材50之相對移動速度有關。雷射光束62對玻璃基材50之加熱溫度低於玻璃基材50之軟化溫度。冷卻噴嘴64噴射出冷卻介質可以為冷卻水、氦氣、氮氣或二氧化碳等。

可以理解，還可以直接採用機械切割方式對玻璃基材50 進行劃線而形成封閉之裂痕66，如採用鑽石刀頭於玻璃基材50上劃線。

步驟(2)，急劇改變裂痕66附近之玻璃材料之溫度，可採用複數種方式。以下以三種方式為例加以說明，第一種方式為先加熱後冷卻，請參閱圖2，先採用加熱器70對整塊玻璃基材50進行加熱，直到將玻璃基材50之整體溫度加熱到60攝氏度。對玻璃基材50之加熱方式還可為其他形式，請參閱圖3，可以採用雷射光束72對玻璃基材50上之裂痕66進行加熱，雷射光束72之溫度範圍為200攝氏度至300攝氏度，相對於雷射光束62，雷射光束72之能量較為分散。還可採用紅外線照射之方式加熱整塊玻璃基材50或用紅外線照射裂痕66處之玻璃材料。接著，請參閱圖4，將一低溫體74放置於裂痕66所圍成之去除區域68上，低溫體74與玻璃基材50之接觸處沒有超出裂痕66圍成之邊界。對整塊玻璃基材50加熱時，玻璃基材50上之裂痕66附近之玻璃材料受熱膨脹，而將低溫體74放置於去除區域68上時，由於強制對流使得去除區域68之玻璃材料表面溫度急劇下降，材料開始收縮而產生一拉應力區，以微觀方式觀察裂痕66時，其呈現大幅度開口狀態。可以理解，低溫體74也可完全覆蓋裂痕66圍成之去除區域68，此時，去除區域68內外側之玻璃材料均受冷收縮，從而有利於裂痕66之繼續向下生長。

低溫體74之製備方法為將金屬塊放入液氮中浸泡，液氮之溫度大約為零下170攝氏度，金屬塊放入液氮中可以獲得較低之溫度，將金屬塊取出，從而得到一溫度大約為 零下170攝氏度之低溫體74，在本實施例中，還可使用其他導溫性能較佳之材料放入液氮中製備低溫體。可以理解，低溫體可以為其他低溫固體也可為低溫液體。

步驟(2)中第二種急劇改變裂痕附近之玻璃材料溫度之方式為不用先對裂痕66處之材料加熱，而使低溫體之溫度足夠低，直接將低溫體放在玻璃基材50上，使裂痕66處之玻璃材料受冷收縮，同樣可以實現裂痕66生長並貫穿玻璃基材50。

步驟(2)中第三種急劇改變裂痕附近之玻璃材料溫度之方式為先急劇加熱裂痕66處之材料，隨後施加冷卻液對加熱點加以冷卻，如先採用溫度較高之雷射光束加熱裂痕66處之玻璃材料，隨後施加冷卻液對加熱點進行冷卻。

可以理解，使裂痕66附近之玻璃材料溫度急劇變化之方式不限於以上所列舉之三種，還可採用其他可實現裂痕66附近之玻璃材料溫度急劇變化之方法。

步驟(3)，玻璃基材50沿裂痕66斷裂，去除區域68從玻璃基材50上脫落。下面對玻璃基材50之斷裂機理進行說明，在工程應用中，玻璃屬於脆性非金屬材料範疇，其斷裂形式為低塑性斷裂，其材料斷裂時需滿足K_I=K_IC。其中，K_I為應力場強度因數，其值與材料中存在之裂痕之深度及外加應力大小有關，與材料本身性質無關，K_IC為材料斷裂韌性，其值與材料本身之組織狀態有關。當玻璃基材50上之裂痕66附近材料溫度急劇變化而產生一外加之應力，該應力之大小與外加之溫度變化值及玻璃 材料自身之膨脹係數、收縮率有關。該應力增大，應力場強度因數K_I也跟著增大，當應力場強度因數K_I增加到臨界值K_IC時，裂痕66將會失穩生長並向玻璃基材50之表面14之相對側延伸，最後貫穿整塊玻璃基材50。

請參閱圖5，對低溫體74及去除區域68施加一向下之壓力F，去除區域68沿著裂痕66向下脫落。

請參閱圖6，由以上之加工方法即可製成本發明具有通孔82之玻璃工件80。玻璃工件80包括一表面84，通孔82從表面84開始朝該表面84之相對表面貫穿玻璃工件80。通孔82之側壁內表面822為光亮面，其粗糙度等於或小於40納米，甚至可以等於或小於17納米。在本實施例中，表面84為平面，其還可以為其他形狀之面，如曲面。可以理解，通孔82可以為任意形狀，如橢圓形、多邊形等。

為使得具有通孔之玻璃工件80獲得較好之表面品質，還可進一步使用倒角裝置對通孔82之側邊進行倒角，從而使得通孔82具有光滑之倒角面。

在本發明具有通孔之玻璃工件之加工方法中，玻璃材料裂痕66之生長與延伸係藉由裂痕66處玻璃材料之溫度急劇變化實現之。由於玻璃材料沒有受到機械力之作用，故裂痕66之斷裂表面之形態為玻璃之最原始形態，從而使得玻璃工件80通孔82之側壁內表面822為光亮面，其光滑平整沒有毛刺與裂痕，內表面822之表面粗糙度等於或小於40納米，甚至可以等於或小於17納米。習知之藉由機械研磨而製成之具有通孔之玻璃工件之研磨面為霧面 ，該研磨面上存在複數細小之微裂痕，當該玻璃工件之通孔處受外界壓力時，玻璃工件容易沿著細小之微裂痕破裂。而本發明之玻璃工件之通孔82之側壁內表面822為光亮面，其上無細小之微裂痕，故受外界壓力時不容易發生破裂。

上述具有通孔之玻璃工件80除為玻璃外，還可為藍寶石、水晶、陶瓷、單晶矽等其他脆性非金屬材料。同理，上述加工方法也適用於藍寶石、水晶、陶瓷、單晶矽等材料。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。

50‧‧‧玻璃基材

54、84‧‧‧表面

60‧‧‧雷射發生器

62、72‧‧‧雷射光束

64‧‧‧冷卻噴嘴

66‧‧‧裂痕

68‧‧‧去除區域

70‧‧‧加熱器

74‧‧‧低溫體

80‧‧‧玻璃工件

82‧‧‧通孔

822‧‧‧內表面

圖1係加工本發明具有通孔之脆性非金屬工件之劃裂痕時之示意圖。

圖2係加工本發明具有通孔之脆性非金屬工件之加熱裂痕附近材料時之示意圖。

圖3係加工本發明具有通孔之脆性非金屬工件之另一種加熱裂痕附近材料時示意圖。

圖4係加工本發明具有通孔之脆性非金屬工件之冷卻裂痕附近材料時之剖視圖。

圖5係加工本發明具有通孔之脆性非金屬工件之裂痕圍成之區域脫落時之剖視圖。

圖6係本發明具有通孔之脆性非金屬工件較佳實施例之立體圖。

50‧‧‧玻璃基材

54‧‧‧表面

66‧‧‧裂痕

68‧‧‧去除區域

74‧‧‧低溫體

Claims (3)

1. 一種具有通孔之脆性非金屬工件之加工方法，其包括以下步驟：(1)提供一脆性非金屬基材，該脆性非金屬基材包括一表面，採用雷射光束於該表面上劃出封閉之裂痕，該裂痕圍成一區域；(2)於裂痕圍成之區域上放置一低溫固體，該低溫固體為將金屬塊放入液氮中浸泡製成，且該低溫固體位於裂痕圍成之區域內或完全覆蓋裂痕圍成之區域；(3)脆性非金屬材料沿裂痕裂開，裂痕圍成之區域從脆性非金屬基材上脫落。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有通孔之脆性非金屬工件加工方法，其中在形成封閉之裂痕之後，於裂痕圍成之區域上放置一低溫固體之前，採用加熱器或紅外線加熱整塊脆性非金屬基材。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之具有通孔之脆性非金屬工件加工方法，其中該脆性非金屬基材由玻璃製成。