基于微納米劃擦特性的光學(xué)玻璃磨削機(jī)理與工藝研究.pdf

1、光學(xué)玻璃具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性能和高度的光學(xué)均勻性，因而被廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)、光電通訊、航空航天及國防工業(yè)等領(lǐng)域。在光學(xué)玻璃的冷加工過程中，磨削過程是決定光學(xué)玻璃加工質(zhì)量和使用性能的最關(guān)鍵工序之一。但由于光學(xué)玻璃具有硬度高、脆性大的特點(diǎn)，因此，在磨削過程中極易產(chǎn)生表面疵病和亞表面裂紋，嚴(yán)重影響了光學(xué)玻璃的光學(xué)性能和機(jī)械強(qiáng)度。本文以典型的光學(xué)玻璃材料BK7作為研究對象，從光學(xué)玻璃微納米劃擦特性研究出發(fā)，系統(tǒng)分析了光學(xué)玻璃磨削材料去除機(jī)理和表

2、面創(chuàng)成機(jī)理，并提出了光學(xué)玻璃磨削工藝參數(shù)優(yōu)選策略。主要研究內(nèi)容包括：
　　一、光學(xué)玻璃微納米壓痕試驗(yàn)和材料特性研究。通過與石英玻璃的對比分析，研究了光學(xué)玻璃BK7的元素成分、彈性模量、硬度以及斷裂韌性等特性。研究發(fā)現(xiàn)，相對于石英玻璃而言，光學(xué)玻璃BK7具有較大的彈性模量、較小的微納米硬度與斷裂韌性。在相同的壓痕試驗(yàn)條件下，光學(xué)玻璃BK7的脆性破碎區(qū)域要明顯大于石英玻璃，這從某種程度上說明在磨粒加工過程（如磨削、研磨和拋光等過程）中

3、光學(xué)玻璃BK7更容易發(fā)生脆性去除。
　　二、光學(xué)玻璃微納米單趟劃擦過程研究。（1）考慮光學(xué)玻璃彈性回復(fù)對劃擦接觸面積的影響，建立了光學(xué)玻璃劃擦硬度模型?；趬汉蹟嗔蚜W(xué)以及壓入過程與劃擦過程的類比關(guān)系，建立了劃擦過程中亞表面裂紋深度與劃擦深度之間的關(guān)系預(yù)測模型。（2）采用三維有限元法建立了光學(xué)玻璃微納米單趟劃擦過程的仿真模型，研究了劃擦應(yīng)力與三類劃擦裂紋（中央裂紋、側(cè)向裂紋和徑向裂紋）的關(guān)系。系統(tǒng)分析了三類劃擦裂紋主要的萌生驅(qū)動力

4、、萌生位置和萌生先后順序。
　　三、光學(xué)玻璃微納米多趟劃擦過程研究。（1）系統(tǒng)分析了雙劃擦過程中劃擦載荷與劃擦間距對材料去除機(jī)理的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)向裂紋-側(cè)向裂紋相互干涉是光學(xué)玻璃材料脆性去除的最主要方式。（2）基于單趟劃擦表面裂紋深度和亞表面裂紋深度的預(yù)測模型，結(jié)合雙劃擦過程和高速多趟劃擦過程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了考慮劃擦干涉作用以及劃擦速度影響的光學(xué)玻璃劃擦表面亞表面裂紋深度預(yù)測模型。
　　四、光學(xué)玻璃磨削機(jī)理研究。（

5、1）以微納米劃擦過程中光學(xué)玻璃材料去除機(jī)理研究為基礎(chǔ)，考慮磨削過程中磨粒與工件之間的相對運(yùn)動關(guān)系，提出光學(xué)玻璃磨削加工存在四種不同的磨削模式，即脆性模式、脆塑混合模式、準(zhǔn)塑性模式和純塑性模式，并建立了相應(yīng)的磨削模式臨界條件。（2）系統(tǒng)分析了不同磨削模式下光學(xué)玻璃表面形貌、亞表面裂紋深度、磨削表面壓痕-載荷位移曲線、微納米硬度以及壓痕徑向裂紋長度等特征。
　　五、光學(xué)玻璃磨削工藝研究。（1）基于光學(xué)玻璃微納米劃擦研究結(jié)果，系統(tǒng)闡述了

6、磨削工藝參數(shù)（砂輪粒度、工件進(jìn)給速度、砂輪線速度以及磨削深度）對磨削表面粗糙度和亞表面裂紋深度的影響規(guī)律。（2）考慮劃擦側(cè)向裂紋、中央裂紋與磨削表面粗糙度、亞表面裂紋深度的對應(yīng)關(guān)系，建立了磨削表面粗糙度和亞表面裂紋深度的定量關(guān)系式，為通過測量表面粗糙度值對亞表面裂紋深度進(jìn)行快速無損評估提供了重要方法。（3）綜合分析了磨削工藝參數(shù)對磨削質(zhì)量和磨削材料去除率的影響。針對不同磨削工序?qū)庸べ|(zhì)量和效率的要求，提出了光學(xué)玻璃磨削工藝參數(shù)的優(yōu)選策略