石英玻璃的高效可控精密磨削機(jī)理研究.pdf

1、本文針對目前石英玻璃光學(xué)元件加工效率低，塑性域磨削難以實現(xiàn)的問題，研究了石英玻璃的高效可控精密磨削機(jī)理。從材料力學(xué)響應(yīng)機(jī)理及磨粒與工件接觸區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)入手，研究了石英玻璃磨削過程中的材料去除機(jī)理。分析了石英玻璃的力學(xué)響應(yīng)機(jī)理，通過室溫和高溫納米壓痕實驗研究了石英玻璃的室溫、高溫變形機(jī)理與裂紋擴(kuò)展機(jī)理。建立了單顆磨粒劃擦光學(xué)玻璃的彈性應(yīng)力場解析模型，分析了石英玻璃的裂紋成核位置與序列及其對材料去除機(jī)理的影響。建立了磨削過程中單顆磨粒劃擦原

2、始損傷石英玻璃表面的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展臨界函數(shù)，并基于該臨界函數(shù)研究了石英玻璃表面微裂紋損傷的可控磨削機(jī)理。提出了低裂紋損傷全脆性域磨削和塑性域干磨削石英玻璃的高效可控磨削工藝。對石英玻璃進(jìn)行了低損傷全脆性域精密磨削，降低了石英玻璃的微裂紋損傷深度;進(jìn)行了高效可控塑性域超精密磨削，獲得了光滑無裂紋的石英玻璃表面。
　　分析了石英玻璃的力學(xué)響應(yīng)機(jī)理，石英玻璃的微觀結(jié)構(gòu)不致密，在應(yīng)力球張量作用下會發(fā)生致密化變形，不容易發(fā)生塑性流動，且斷裂韌

3、度低，裂紋容易成核擴(kuò)展。因此石英玻璃的塑性域加工極為困難。通過室溫納米壓痕實驗，研究了石英玻璃和對比材料蘇打玻璃的變形機(jī)理與裂紋擴(kuò)展機(jī)理。結(jié)果表明，石英玻璃的壓痕周圍形成了塌陷，塌陷區(qū)原子空穴數(shù)量增加，微觀缺陷密度大，邊界裂紋極易成核擴(kuò)展;在壓痕實驗中石英玻璃發(fā)生了較大的致密化變形和較小的塑性流動，因此Blister應(yīng)力場強(qiáng)度小，不容易產(chǎn)生徑向裂紋;蘇打玻璃的分子結(jié)構(gòu)致密且容易沿剪切面滑動，其塑性流動性好，在壓痕周圍形成了隆起，且Bli

4、ster應(yīng)力場強(qiáng)度大，容易產(chǎn)生徑向裂紋。通過高溫納米壓痕實驗，研究了溫度對石英玻璃變形機(jī)理和裂紋擴(kuò)展機(jī)理的影響。結(jié)果表明，在高溫下石英玻璃的分子結(jié)構(gòu)致密，塑性流動性好，Blister應(yīng)力場強(qiáng)度大，裂紋成核擴(kuò)展的臨界載荷增大，因此在高溫下石英玻璃容易實現(xiàn)塑性域加工。
　　建立了單顆磨粒劃擦光學(xué)玻璃的彈性應(yīng)力場解析模型，分析了單顆磨粒劃擦實驗中，石英玻璃和對比材料BK7硅酸鹽玻璃的裂紋成核位置與序列及其對材料去除機(jī)理的影響。對石英玻璃

5、和BK7玻璃進(jìn)行了單顆磨粒劃擦實驗。在劃擦過程中，中央裂紋最先成核，因此中央裂紋成核的臨界劃擦深度即是材料的脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度。中央裂紋擴(kuò)展的深度決定了材料的裂紋損傷深度。隨后成核的側(cè)向裂紋、赫茲裂紋和徑向裂紋交織擴(kuò)展，引起材料的脆性域去除。石英玻璃具有開放的網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)，在外部應(yīng)力作用下容易成核擴(kuò)展成為裂紋損傷，因此石英玻璃的脆塑轉(zhuǎn)變臨界劃擦深度只有32nm。金屬離子填補(bǔ)了BK7玻璃二氧化硅網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的原子空穴，使其更容易沿剪切面滑動，

6、因此BK7玻璃的塑性流動性優(yōu)于石英玻璃，BK7玻璃的脆塑轉(zhuǎn)變臨界劃擦深度為98nm。
　　建立了磨削過程中單顆磨粒劃擦原始損傷石英玻璃表面的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展臨界函數(shù)，基于該臨界函數(shù)研究了石英玻璃表面微裂紋損傷的可控磨削機(jī)理。在磨削過程中，隨著單顆磨粒磨削深度的增加，材料的磨削機(jī)理依次是塑性域去除、低載半脆性域去除、全脆性域去除和高載半脆性域去除。當(dāng)工件進(jìn)給速度低至1mm/min時，單顆磨粒磨削深度僅為1～2nm，實現(xiàn)了石英玻璃的塑性域

7、磨削，獲得了無裂紋損傷的光滑表面。但是磨削效率極低。對石英玻璃進(jìn)行全脆性域磨削時，磨削力低，砂輪自銳性好，能獲得材料去除率較高、表面粗糙度較低、微裂紋損傷深度較小的加工表面，是一種較理想的精密磨削工藝。
　　采用耐高溫陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪和大磨削深度干磨削了石英玻璃，利用磨削熱改善了石英玻璃的塑性加工性能，提高了石英玻璃的塑性域磨削深度，獲得了光滑無裂紋的石英玻璃表面，實現(xiàn)了高效塑性域磨削。提出了實現(xiàn)石英玻璃塑性域干磨削的必要條件