石英玻璃的高效可控精密磨削机理研究

<正>本文针对目前石英玻璃光学元件加工效率低,塑性域磨削难以实现的问题,研究了石英玻璃的高效可控精密磨削机理。从材料的力学响应机理及磨粒与工件接触区的应力状态入手,研究了石英玻璃磨削过程中的材料去除机理。建立了单颗磨粒划擦石英玻璃的弹性应力场解析模型。建立了磨削过程中单颗磨粒划擦原始损伤石英玻璃表面的裂纹失稳扩展临界函数,研究了石英玻璃表面微裂纹损伤的可控磨削机理。提出了石英玻璃的低裂纹损伤全脆性域磨削和高效可控塑性域干磨削工艺。     

超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测

钇铝石榴石（YAG）晶体是制造固体激光器的重要材料,超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法,研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工,获得高质量表面,基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学,通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程,考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应,建立了脆塑转变临界深度的预测模型,并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上,通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证,并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明,磨粒切深高于脆塑转变临界深度时,YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除,磨削表面损伤严重;磨粒切深低于脆塑转变临界深度时,磨削表面材料以塑性方式被去除,能够获得高质量磨削表面,加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。     

石英玻璃超精密磨削加工的表面完整性研究

为了实现石英玻璃的高效低损伤超精密磨削加工,研究不同粒度金刚石砂轮磨削石英玻璃的表面和亚表面质量,建立表面粗糙度与亚表面损伤深度之间的关系模型。通过石英玻璃磨削试验研究400#、1 500#、2 000#和5 000#金刚石砂轮磨削石英玻璃的表面微观形貌、表面粗糙度及其亚表面损伤深度,分析相应的材料去除方式;基于压痕断裂力学理论分析脆性域磨削石英玻璃时工件表面微观形貌和亚表面微裂纹的形成机理,建立表面粗糙度PV值和亚表面损伤深度SSD之间的定量关系。研究结果表明:随着砂轮粒度的减小,石英玻璃磨削表面的凹坑、微裂纹、深划痕等缺陷逐渐减少,表面粗糙度Ra和PV以及亚表面损伤深度SSD均随之明显减小,从400#砂轮磨削表面的R_a 274.0 nm、PV 5.35μm和SSD 5.73μm降低至5 000#砂轮磨削表面的Ra 1.4 nm、PV 0.02μm和SSD 0.004μm。500#和1 500#砂轮磨削表面的材料去除方式为脆性断裂去除,2 000#砂轮磨削表面的材料去除方式同时包括脆性断裂去除和塑性流动去除,但以塑性流动去除为主,5 000#砂轮磨削表面的材料去除方式为塑性流动去除;脆性域磨削石英玻璃的表面粗糙度PV与亚表面损伤深度SSD之间满足SSD=(0.627～1.356) PV~(4/3)的数学关系。     

硬脆材料微磨削延性域复合临界条件建模及试验研究

分析硬脆材料微磨削表面形成机理并建立了微磨削槽磨未变形切屑厚度hm数学模型,引入微尺度效应系数Md、延性域系数与延-脆性域系数ζ0与ζ1,针对硬脆材料特性提出微磨削延性域,延-脆性域复合临界条件模型。基于精密微磨削机床进行钠钙玻璃与单晶硅这两种典型材料的微尺度槽磨磨削试验,通过对试验结果分析得出两种材料微磨削表面裂纹变化规律。基于实际试验数据结果对提出的硬脆材料微磨削复合临界条件模型进行验证,证明了所提出模型的科学性。分别给出钠钙玻璃与单晶硅的延性域与延-脆性域微磨削加工参数a0与a1,为硬脆材料微磨削延性域临界磨削条件研究提供了理论参考与试验依据。     

硬脆材料锯磨裂纹研究现状与降低措施

对国内外有关硬脆材料锯磨表面裂纹形成机理等理论进行综述,指出了锯磨裂纹的降低措施。对硬脆材料的锯磨研究集中在加工质量尤其是表面加工裂纹上。有研究表明,存在合适的加工参数可以使材料去除发生在塑性域以避免裂纹。一些研究通过锯磨过程中硬脆材料在磨粒应力场中的应力状态分析了脆性去除时裂纹产生的机理。     

碳化硅陶瓷超声振动辅助磨削材料去除特性研究

为揭示碳化硅陶瓷超声振动辅助磨削材料去除特性,开展了光滑粒子流体动力学(SPH)单颗金刚石磨粒划擦仿真模拟,同时构建了超声振动划擦试验台,进行了单点金刚石超声振动划擦试验研究。结果发现:超声振动划擦中,材料去除根据切深的不同分为断续切削模式及连续切削模式;无超声作用划擦中的材料仅存在连续切削去除模式;超声振动作用的碳化硅陶瓷延性-脆性转移深度大于无超声作用下的延性-脆性转移深度。此外,通过碳化硅陶瓷超声内圆磨削试验结果同样发现超声振动作用下的延性-脆性转移深度变大,说明超声振动辅助磨削更容易实现延性域磨削。     

基于微晶刚玉磨粒切削的20CrMnTi齿轮钢磨削机理研究

为了研究微晶刚玉砂轮对20CrMnTi低碳合金钢的磨削机制与磨削力规律,采用单颗微晶刚玉磨粒划擦实验模拟20CrMnTi钢的磨削加工过程,进而推导出了单颗磨粒划擦的磨削力数学模型公式。研究表明:20CrMnTi钢划痕呈现显著的塑性去除形式,且划擦过程伴随着显著的力值特征。法向力与切向力均随着划擦深度、进给速度的增大而增大,划擦深度对磨削力的作用更明显。单颗磨粒的磨削力源于切屑变形和摩擦,切屑变形引起的法向力和切向力之比为0.75,磨粒顶部与材料的摩擦系数为0.46。     

光学硬脆材料固结磨料研磨中的亚表面损伤预测

研磨过程中亚表面损伤层深度的正确预测是研磨工艺参数制定的重要依据。针对固结磨料的研磨特点,选择两种典型光学硬脆材料(镁铝尖晶石和石英玻璃),采用离散元仿真技术,分别建立了两种材料的二维离散元模型,分析了工艺参数对光学硬脆材料亚表面损伤(裂纹)层深度的影响。而后,采用角度抛光法测量了镁铝尖晶石和石英玻璃的亚表面损伤层深度,进行了实验验证。结果表明:采用固结磨料研磨时,磨粒粒径对光学硬脆材料亚表面损伤的影响相当显著,在相同研磨工艺条件下,随着磨粒粒径的增大,亚表面损伤层深度和微裂纹密集程度明显增加。离散元仿真结果与实验结果的对比表明:采用离散元技术可以对光学硬脆材料的亚表面损伤深度进行快速有效的预测,从而为后续的研磨抛光工艺提供参考与指导。     

硬脆材料磨削加工机理研究进展

金刚石砂轮磨削加工仍然是最有应用前景的硬脆材料高效加工途径,而弄清磨削加工机理对实现硬脆材料元器件的高效超精密加工具有重要意义。介绍硬脆材料微纳切削的静态压痕断裂力学模型与动态切削加工近似模型这两种经典模型,诠释了塑脆转变机制。深入分类探讨了硬脆材料的脆性去除、塑性域去除与粉末化去除这3项加工机理,材料去除是裂纹演化、挤压微破碎、相变与位错等因素导致而成。塑性域加工是改善硬脆材料加工损伤的重要措施,而力热耦合作用场、材料晶面晶向等因素都是影响塑性域去除机制的关键。     

不同圆角半径金刚石划擦单晶SiC过程中的材料去除机理研究

以单晶碳化硅(Si C)作为加工对象,通过不同尖端圆角半径的圆锥型金刚石磨粒划擦试验观察了单晶Si C的去除过程,并采用FEM与SPH耦合算法模拟仿真了三种不同尖端圆角半径的单颗磨粒划擦Si C过程中的材料去除过程,试验结果与模拟结果基本一致。在此基础上,采用仿真手段从最大等效应力和接触力的角度分析了三种不同尖端圆角半径对单晶碳化硅材料脆塑转变过程材料去除机理的影响。仿真结果表明:随着尖端圆角半径的增加,弹塑性变形-塑脆临界的转变点趋近于0.14μm,而且纯粹的塑性变形模式逐渐消失;脆塑临界去除模式所占的区域逐渐变长,由脆塑临界-脆性去除的转变点的深度也在不断变深;脆塑转变过程中的微裂纹的长度及粗细程度逐渐增加,材料破坏的形式也逐渐升级。     

Micro/nano Indentation and Single Grit Diamond Grinding Mechanism on Ultra Pure Fused Silica

The existing research about ductile grinding of fused silica glass was mainly focused on how to carry out ductile regime material removal for generating very smoothed surface and investigate the machining-induced damage in the grinding in order to reduce or eliminate the subsurface damage.The brittle/ductile transition behavior of optical glass materials and the wear of diamond wheel are the most important factors for ductile grinding of optical glass.In this paper,the critical brittle/ductile depth,the inf...     

石英玻璃的热辅助高效塑性域干磨削

为了提高大口径石英玻璃光学元件的加工效率,提出了热辅助塑性域超精密磨削石英玻璃的新方法。分析了石英玻璃的热辅助塑性域磨削机理,通过理论推导得出磨削深度对磨削区表面最高温升的影响规律。采用陶瓷结合剂立方氮化硼(CBN)砂轮对石英玻璃进行干磨削,利用磨削热改善磨削区石英玻璃的力学性能,实现了石英玻璃的高效塑性域磨削。通过磨削实验研究了不同磨削深度对石英玻璃表面粗糙度(Ra)和亚表面损伤深度的影响。实验结果表明,随着磨削深度的增加,Ra和亚表面损伤深度反而降低。当磨削深度为5μm,大于粗磨表面的裂纹深度时,获得了Ra值为0.07μm的光滑无裂纹的塑性域磨削表面。通过扫描电镜观察研究了砂轮的磨损机理,结果显示陶瓷结合剂CBN砂轮塑性域干磨削石英玻璃时,砂轮以磨耗磨损为主,该结果为研究新型的陶瓷结合剂CBN砂轮提供了依据。     

光学玻璃塑性模式超精密磨削加工的研究

利用超精密磨床磨削加工6种典型的光学玻璃,先从理论上研究了脆性材料脆塑转变的临界值,然后对脆性材料作了大量磨削实验,实验结果表明,超精密磨削脆性材料时存在着断裂模式,断裂与塑性模式、塑性模式,这些模式主要由砂轮磨粒的切削深度进行控制,该磨削表面粗糙度与磨粒尺寸的大小,砂轮的进给量及玻璃的材料有关,当光学玻璃在塑性模式磨削时,其表面层不会产生任何裂纹缺陷,利用超精密磨床进行磨削加工,获得的表面粗糙度Ra低于5nm。     

熔石英光学元件加工亚表面缺陷检测及抑制技术研究进展

熔石英材料因具有硬度大、热膨胀系数低、透射光谱范围广等良好的机械性能和热学、光学特性,广泛应用于国防、航天等领域中关键光学元件的制造。作为一种典型的硬脆材料,在传统的研磨抛光加工中,不可避免地会引入亚表面层的微裂纹、划痕等结构性缺陷,这些缺陷会严重降低熔石英元件在高功率激光使用环境下的激光损伤阈值,并影响其在高冲击载荷使用环境下的抗断裂损伤能力。从硬脆材料的磨削机理出发,对熔石英光学元件亚表面缺陷的产生机制、亚表面缺陷的检测技术、熔石英亚表面缺陷抑制技术的研究现状进行综述,重点对比针对加工亚表面缺陷的有损检测和无损检测技术的优缺点,探讨多种先进表面加工技术在抑制熔石英光学元件亚表面缺陷中的应用。希望为优化大口径、高精度、高质量熔石英光学元件加工工艺,并提升其在高功率激光、高冲击载荷等极端服役环境下使用性能、延缓其使用寿命提供有益参考。     

横向超声振动对金刚石线锯切割硬脆材料锯切力及临界切削深度的影响

硬脆晶体材料,如SiC、Ge和Si等,由于其临界切削深度极小,常规加工方法很难实现塑性模式加工,研究横向超声振动金刚石线锯对硬脆材料锯切力和临界切削深度的影响有重要意义。在研究线锯受迫振动的基础上,分析金刚石线锯在横向超声波激励下柔性旋转点切割硬脆材料的条件;用特征函数对超声激励下金刚石线锯的振动切割状态进行表征;应用磨削理论建立了单颗金刚石磨粒切割硬脆材料的力学模型;推导出超声振动激励下金刚石线锯锯切硬脆材料临界切削深度的计算公式。以单晶SiC为对象,进行了超声振动线锯切割和普通线锯切割对比试验。结果表明相同条件下,超声振动线锯切割SiC的锯切力比普通线锯的锯切力减少22.4%~64.2%,临界切削深度增加1倍,晶片表面粗糙度有明显的改善。试验结果与理论分析具有良好的一致性。     

DETECTION OF DUCTILE TO BRITTLE TRANSITION IN MICROINDENTATION AND MICROSCRATCHING OF SINGLE CRYSTAL SILICON USING ACOUSTIC EMISSION

Machining of brittle materials entails two modes of material removal: pure plastic deformation and brittle fracture. The mode of material removal is generally identified by surface quality observations in a scanning electron microscope (SEM) or an atomic force microscope (AFM) after machining. Hence, there is a need for the development of in-process monitoring technology in order to detect whether the mode of material removal is ductile or brittle, and thereby predict surface quality. In the present paper, acoustic emission (AE) is proposed as a means of monitoring the ductile to brittle transition. Microindentation and microscratching tests of single crystal silicon were conducted using an ultrafine-motion table with very small motion error. The obtained AE signals were correlated with crack initiation and the ductile to brittle transition. The critical force f_c defined as the force at which AE was induced during the microindentation and microscratching tests was measured to be 40 ∼ 50 mN. AFM observations revealed the critical depth of cut d_c to be 0.20 μm in the microscratching test.     

电镀金刚石砂轮高效精密修整及熔融石英磨削试验研究

大尺寸光学玻璃元件主要采用细磨粒金刚石砂轮进行精密/超精密磨削加工,但存在砂轮修整频繁、工件表面面形精度难以保证、加工效率低等缺点。采用大磨粒金刚石砂轮进行加工则具有磨削比大、工件面形精度高等优点,然而高效精密的修整是其实现精密磨削的关键技术。采用Cr12钢对电镀金刚石砂轮(磨粒粒径151 μm)进行粗修整,借助修整区域聚集的热量加快金刚石的磨损,可使砂轮的回转误差快速降至10 μm以内。结合在线电解修锐技术,采用杯形金刚石修整滚轮对粗修整后的电镀砂轮进行精修整,砂轮的回转误差可达6 μm以内,轴向梯度误差由6 μm降至2.5 μm。通过对修整前后的金刚石砂轮表面磨损形貌成像及其拉曼光谱曲线分析了修整的机理。对应于不同的砂轮修整阶段进行熔融石英光学玻璃磨削试验,结果表明,砂轮回转误差较大时,工件材料表面以脆性断裂去除为主;随着砂轮回转误差和轴向梯度误差的减小,工件表面材料以塑性去除为主,磨削表面粗糙度为Ra19.6 nm,亚表层损伤深度低至2 μm。可见,经过精密修整的大磨粒电镀金刚石砂轮可以实现对光学玻璃的精密磨削。     

Study on high-speed grinding mechanisms for quality and process efficiency

This paper focuses on the mechanism of high-speed grinding to achieve quality and efficiency for ceramics. The criterion of the brittle–ductile removal transition of ceramics is calculated and analyzed. The effects of the wheel velocity on the specific grinding forces, energy, and specific material removal rates were investigated. The influence of the wheel velocity on the surface integrity was studied in the terms of surface roughness by a 3D optical profilometer, scanning electron microscopy, respectively. The ductile removal mechanism of brittle material was validated experimentally. High quality and efficiency of grinding for SiC can been attained with high-speed grinding due to the understanding of the characteristics and mechanism for ductile grinding of brittle materials with high-speed grinding. Furthermore, based on the high-performance grinding mechanism, reasonable definitions on high-speed grinding are proposed.     

A study on the effect of tool-edge radius on critical machining characteristics in ultra-precision milling of tungsten carbide

A crack-free surface can be finished on brittle materials by a specialized but traditional machining technique known as ductile-mode machining. In ductile-mode machining of brittle material, crack propagation is suppressed by selecting a suitable combination of tool and machining parameters leading to the removal of material through plastic deformation enabled by dislocation motion. In ductile-mode machining, the tool–workpiece interaction is of critical significance for the capability of the cutting process to finish a crack-free surface on a brittle material. This interaction is largely dictated by the cutting-edge radius of the tool when the undeformed chip thickness is comparable to the edge radius as is the case of ductile-mode machining. This paper presents the experimental results of ductile-mode milling of tungsten carbide to investigate the effect of cutting-edge radius on certain critical machining characteristics associated with the ductile–brittle transition specific to milling process of brittle material. The experimental results have established that an increase in the cutting-edge radius within a certain range increases the critical feed per edge leading to the improvement of material removal rate in ductile-mode milling. An increasingly negative effective rake angle is desired during milling with larger edge-radiused tool to suppress the crack propagation in the cutting zone to achieve ductile-mode machining. The results also identify the effect of the edge radius on certain other parameters such as critical specific cutting energy, plowing effect and subsurface damage depth to comprehend the ductile–brittle transition phenomenon in ductile-mode milling.     

Grinding of brittle materials with brazed diamond grinding wheel

Brazed diamond grinding tool is the most promising tool, which is fitter for powerful and high-efficiency grinding and may be the substitute of plated one in the future. But the research of the tool on brittle material grinding is still few. In the paper, it has been proved that the tool can achieve much better surface quality than any other tools, though large grit size is used in the tool fabrication. Analysis shows that most brittle material surface quality can be improved with the decrease of depth of cut of single grit, but they cannot be improved further because of some unavoidable surface defects.