光学材料研磨亚表面损伤快速检测及其影响规律研究

基于印压断裂力学理论,针对光学材料研磨加工过程建立了亚表面损伤深度与表面粗糙度间关系的理论模型,以实现亚表面损伤深度的快速、准确和非破坏性检测。使用磁流变抛光斑点技术测量了K9玻璃在不同研磨条件下的亚表面损伤深度,对上述理论模型进行实验验证。最后,分析了研磨加工参数对亚表面损伤深度的影响规律,提出了以提高光学零件加工效率为目的的研磨加工策略。研究表明：光学材料研磨后亚表面损伤深度与表面粗糙度成单调递增的非线性关系,该幂函数的幂为4/3。磨粒粒度对亚表面损伤深度的影响最显著,研磨盘硬度的影响次之,而研磨压力和研磨盘公转速度的影响基本可以忽略。     

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。     

光学镜片亚表面损伤形成数值模拟与分析

针对当前光学镜片亚表面损伤的研究重点主要集中在加工工艺参数及磨粒粒径、分布等方面的现状,基于脆性材料压痕断裂理论,深入分析了加工过程所导致光学镜片亚表面损伤,对不同锐度角的磨粒在相同载荷不同加工速度下与光学镜片表面间的抛光过程进行了微观动态仿真。获得了在不同加工参数作用下磨头与镜片表面间的摩擦接触、应力应变分布及亚表面损伤等情况,归纳出亚表面损伤裂纹深度、亚表面损伤空穴深度、体积去除率、表面破损率、磨粒锐度角及磨抛速度等相关参数之间的关系,并得出如下结论：当磨粒锐度角为54°~58°,加工速度为7～8m/s时,加工后的镜片在保证一定加工效率的同时,产生的亚表面损伤及表面破损率最小。     

硬脆性材料用柔性磨具研磨的加工表面粗糙度建模

通过分析磨粒与工件表面的作用过程,建立了硬脆性材料柔性磨具加工表面粗糙度的理论预测模型.以橡胶结合剂金刚石研磨盘为柔性磨具、蓝宝石衬底为工件,在不同弹性模量、磨粒浓度、磨粒粒度和研磨压力下开展研磨试验,将不同研磨条件下的表面粗糙度试验值与理论预测值进行比较,发现试验结果与理论模型预测结果的趋势一致,且预测误差为7.71...     

碳化硅研抛加工过程中亚表面损伤的研究北大核心

碳化硅抛光加工中极易出现表面/亚表面损伤,使其应用受限。基于研抛加工中脆性材料去除机理,建立亚表面损伤深度(SSD)的理论模型。利用有限元仿真模拟了单颗粒抛光加工的过程,分析了不同研抛参数(抛光速度、抛光深度和磨粒顶角)对SSD的影响。结果表明,当加工深度大于脆性材料临界切削深度时,材料去除主要是脆性模式;SSD随着磨粒顶角以及抛光深度的增大而增大,随着抛光速度的增加而减小,但是抛光速度过高会不利于亚表面损伤的控制。由于抛光过程中运动学特性,抛光速度对SSD的影响大于抛光深度和磨粒顶角。     

铌酸锂晶体的研磨亚表面损伤深度

针对光学材料研磨过程引入的亚表面损伤层(SSD)深度对工件的抛光工序效率和表面质量的影响,探索了光学材料在研磨过程中的亚表面损伤规律。采用角度抛光的方法测量了软脆材料铌酸锂(LN)晶体的损伤层深度,分析了研磨方式、磨粒粒径和研磨压力对工件亚表面损伤层的影响规律。结果表明:研磨方式对损伤缺陷的影响最为显著,相同研磨条件下游离磨料研磨后的损伤层深度约为固结磨料研磨的3~4倍,游离磨料研磨后工件亚表面存在多处圆弧形裂纹,固结磨料研磨后主要显现细小裂纹和"人"字型裂纹;当磨粒粒径从W28下降到W14后,游离研磨的亚表面损伤层深度下降至原来的45%,而固结研磨的损伤层深度下降至30%;另外,研磨压力的降低有利于减小工件的亚表面损伤。该研究对LN晶体研磨方式及研磨工艺的选择具有指导意义。     

碳化硅研抛加工过程中亚表面损伤的研究

碳化硅抛光加工中极易出现表面/亚表面损伤,使其应用受限。基于研抛加工中脆性材料去除机理,建立亚表面损伤深度(SSD)的理论模型。利用有限元仿真模拟了单颗粒抛光加工的过程,分析了不同研抛参数(抛光速度、抛光深度和磨粒顶角)对SSD的影响。结果表明,当加工深度大于脆性材料临界切削深度时,材料去除主要是脆性模式;SSD随着磨粒顶角以及抛光深度的增大而增大,随着抛光速度的增加而减小,但是抛光速度过高会不利于亚表面损伤的控制。由于抛光过程中运动学特性,抛光速度对SSD的影响大于抛光深度和磨粒顶角。     

抛物面研磨的材料去除率及表面粗糙度研究

固着磨料抛物面研磨是一种新型的抛物面加工方法,文中从单个磨粒的角度出发,讨论了研磨工艺参数对材料去除率和表面粗糙度的影响,建立了理论预测模型,然后利用计算机辅助软件对不同硬度工件材料的材料去除率和表面粗糙度进行了数值模拟仿真,最后用实验验证了模型的正确性,并得出结论:理论预测模型仅能预测材料去除率和表面粗糙度的变化趋势,并不能代替实验得出具体的实验数值,即固着磨料抛物面研磨的材料去除率与主轴转速、研磨压力的5/4次方成正比,与磨粒浓度的1/4次方成反比;表面粗糙度随磨粒尺寸和研磨压力的增加而增加,随磨粒浓度的增加而减小。     

光学材料磨削的亚表面损伤预测

基于压痕断裂力学理论,建立了工件表面粗糙度与亚表层损伤深度的理论关系模型,用于预测磨削加工脆性光学材料引起的亚表层损伤深度.利用磁流变角度抛光技术检测了不同磨削加工工艺条件下亚表层的损伤深度,验证了理论模型的正确性.分析了加工工艺参数对工件表面粗糙度及亚表层损伤深度的影响规律,提出了提高材料去除率的磨削加工工艺方案.分析结果表明:脆性材料工件的亚表层损伤深度与工件的表面粗糙度呈非线性单调递增关系.工件亚表层损伤深度及工件表面粗糙度均随着切削深度和进给速度的增加而增加,随着主轴转速的增加而减小.对比实验结果与理论模型预测结果表明,提出的模型可以准确、无损伤地的预测磨削加工引起的工件亚表层损伤深度.     

固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度模型

表面粗糙度模型是研磨过程设计和工艺参数选择的重要依据,K9玻璃是应用最广泛的光学材料之一。建立研磨K9玻璃表面粗糙度模型有利于提高加工效率、节约生产成本。简化固结磨料研磨过程,基于研磨垫表面微结构,计算研磨过程中参与研磨的有效磨粒数和单颗磨粒切入工件深度,利用研磨过程中受力平衡,建立固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度模型。采用不同磨粒粒径和不同磨料浓度的固结磨料研磨垫以及不同压力研磨K9玻璃验证表面粗糙度模型。结果表明：固结磨料研磨K9玻璃的表面粗糙度与磨粒粒径、研磨压力1/3次方成正比,与研磨垫浓度2/9次方成反比。表面粗糙度理论值与试验值随研磨压力、磨粒粒径和研磨垫浓度的变化趋势吻合。利用该模型能够成功预测固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度,指导研磨过程设计及加工过程中研磨垫和工艺参数的选择,可靠性高。     

Relationship between subsurface damage and surface roughness of glass BK7 in rotary ultrasonic machining and conventional grinding processes

Subsurface damage (SSD) induced during the abrasive machining process considerably influences the technological application of the optical components. However, to date, there is no rapid and effective method to inspect the depth of SSD. For the purpose of precise and nondestructive evaluation of the SSD depth generated in rotary ultrasonic machining (RUM) and conventional grinding (CG) processes, a theoretical model, ground on indentation fracture mechanics of brittle material, was proposed by analyzing the correlation between the median and lateral crack systems aroused by a sharp indenter. It was found that the SSD depth was nonlinear monotone increasing with square of surface roughness (SR), namely, SSD?=?χSR²?+?l. Utilizing this model, the SSD depth could be quickly and precisely predicted through the SR (p–v value.) of the machined surface, geometrical features of the abrasive, and the material mechanical properties. To validate the feasibility of this method, both RUM and CG tests were conducted on the BK7 glass specimens with a Sauer Ultrasonic 20. Subsequently, the SSD of these specimens was exposed with the polishing–etching technique. The measurement results of SSD depth were consistent with the prediction values of this model, which reflected the feasibility of using this model to rapidly and accurately predict the SSD depth.     

蓝宝石衬底双面研磨亚表面损伤分布研究

在前人对硬脆性材料亚表面损伤预测理论研究的基础上,建立了蓝宝石衬底双面研磨亚表面损伤层深度与表面划痕深度之间的理论模型(DNR)。通过对双面研磨后的衬底晶片进行KOH轻度化学腐蚀并结合VK-X100/X200形状测量激光显微系统,得到了晶片表面划痕随深度的分布情况,进而得出了晶片亚表面损伤层随深度的分布情况。研究表明：亚表面损伤层随深度变化的分布规律为随着深度的增大呈递减趋势,集中分布在距离外层碎裂及划痕破坏层下方0～12.9μm深度范围内,所占比例达96.7%左右。研究结果有利于优化双面研磨工艺参数来控制亚表面损伤层的深度。     

Theoretical model of brittle material removal fraction related to surface roughness and subsurface damage depth of optical glass during precision grinding

Brittle material removal fraction (BRF) is defined as the area fraction of brittle material removed on machined surface. In the present study, a novel theoretical model of BRF was proposed based on indentation profile caused by intersecting of lateral cracks. The proposed model is related to surface roughness and the subsurface damage (SSD) depth of optical glass during precision grinding. To investigate the indentation profile, indentation tests of K9 optical glass were conducted using single random-shape diamond grains. The experimental results indicate that the indentation profile is an exponent function. To verify the proposed BRF model, BRF, surface roughness and SSD depth of K9 optical glasses were investigated by a series of grinding experiments with different cutting depths. The experimental results show that BRF is dependent on surface roughness and SSD depth. The relationship between BRF, surface roughness and SSD depth is in good accordance with the proposed theoretical model. The proposed BRF model is a reasonable approach for estimating surface roughness and SSD depth during precision grinding of optical glass.     

单晶蓝宝石的延性研磨加工

为实现单晶蓝宝石的延性研磨加工,采用纳米压痕和划痕法测试并分析了单晶蓝宝石(0001)面的微纳力学特性,建立了单颗圆锥状磨粒的压入模型并计算了延性研磨加工的受力临界条件,分析了金刚石磨粒嵌入合成锡研磨盘表面的效果.对单晶蓝宝石进行了延性研磨加工试验,采用NT9800白光干涉仪、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等方法分析了单晶蓝宝石的延性研磨表面特征.试验结果表明:采用纳米压痕和划痕法可以为单晶蓝宝石的延性研磨加工提供工艺参数,单晶蓝宝石的延性堆积的极限深度为100 nm,金刚石磨粒的嵌入及在适当载荷下可以实现蓝宝石的延性研磨加工,实验条件下的最佳载荷为21 kPa,延性研磨后单晶蓝宝石表面划痕深度的分布情况较好,分散性小,研磨后的表面发生了位错滑移变形.     

纳米孪晶立方氮化硼机械研磨机理研究

为了将新型超硬纳米孪晶立方氮化硼(nt-c BN)材料制备成能够实现铁基金属材料,特别是硬度较高材料的精密及超精密切削刀具,针对机械研磨方法,从理论和试验角度分别对纳米孪晶立方氮化硼材料的机械研磨机理进行了研究。对纳米孪晶立方氮化硼材料动态脆塑转变临界研磨深度进行了理论分析及试验验证;基于临界研磨深度,实现了对该材料的塑性域精细研磨;利用理论计算及原子力显微镜表面检测结果,针对研磨后塑性沟槽深度及宽度,分析了研磨过程中塑性沟槽形成机理。研究结果表明,纳米孪晶立方氮化硼材料动态脆塑转变临界研磨深度为23.9 nm;使用0.5μm金刚石研磨颗粒研磨材料表面粗糙度达到1.99 nm,PV值77.05 nm;研磨塑性沟槽深度理论最小值2.25 nm,与试验结果相吻合;研磨塑性沟槽宽度为固定、游离研磨颗粒共同作用的结果,宽度保持在亚微米级。因此,纳米孪晶立方氮化硼材料具有较好的可加工性,采用机械研磨方法能够实现较高精度表面的高效率加工。