磨削速度对碳化硅陶瓷磨削损伤影响机制研究

碳化硅陶瓷高速磨削过程中,磨粒对工件材料强力冲击,应变率剧增、复杂显微结构对应力波传送响应转变,材料力学行为发生变化,目前高速磨削对材料去除机制影响的物理本质认识还不清楚。为此,开展磨削速度对SiC陶瓷磨削裂纹损伤影响机制研究。通过单颗磨粒磨削SiC陶瓷试验,分析了磨削速度对SiC陶瓷磨削表面形貌、磨削亚表面裂纹损伤深度、磨削力和磨削比能的影响规律。试验结果表明,当SiC陶瓷材料以脆性方式去除时,磨削速度对裂纹损伤影响最为显著,随着磨削速度从20 m/s增加到160 m/s,磨削亚表面裂纹损伤深度从12.1μm快速降低到6μm。采用Voronoi法建立了金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型,当磨粒切厚为0.3μm,磨削亚表面损伤以微裂纹为主;当磨粒切厚为1μm时,随着磨削速度增加,磨削亚表面裂纹损伤深度从14.7μm降低到4.6μm,磨削亚表面宏观沿晶裂纹逐渐变为微观裂纹。基于位错理论和冲击动力学理论,揭示了高速磨削过程中位错密度的增加和晶界反射应力波对应力场削弱作用是高速磨削SiC陶瓷裂纹损伤“趋肤效应”产生的机理。     

KDP晶体加工表面的亚表面损伤检测与分析

采用截面显微法和择优蚀刻法分别对磷酸二氢钾(KDP)晶体从线切割样品制备到磨削、抛光亚表面损伤进行检测,利用OLYMPUS MX40光学显微镜对表面腐蚀现象与亚表面裂纹形状进行观测,并对裂纹深度进行测量。结果表明,由线切割产生的亚表面损伤裂纹形状以"斜线状"为主,裂纹深度最大值为85.59 μm;由#600砂轮磨削产生的亚表面损伤深度最大值为8.55 μm。在(001)晶面出现了四方形的分布密度较高的位错腐蚀坑;而在三倍频晶面上出现的是密度较低、形状类似梯形的位错腐蚀坑。该研究为KDP晶体亚表面损伤提供了一种检测与分析手段。     

KDP晶体磨削表面缺陷及损伤分析

在对磷酸二氢钾（KDP）晶体进行磨削加工的基础上,利用光学显微镜、ZYGO三维表面形貌仪和扫描电子显微镜对KDP晶体磨削加工表面层缺陷及损伤进行了研究,发现磨削加工后的KDP晶体表面有较大的划痕和脆性破碎现象,材料以脆性去除为主。     

KDP晶体微塑性域增强金刚石切削方法研究

针对KDP在SPDT切削过程中容易产生凹坑、划痕、裂纹等表面缺陷问题,提出利用热激励的方式增大KDP晶体塑性切削域深度,降低各向异性、机床运动误差、环境振动等因素对加工过程的影响,进而提高SPDT切削加工过程稳定性的方法。通过纳米压痕试验获得了KDP晶体表面在不同温度状态下的硬度和脆塑性转变深度变化规律,并在SPDT机床上采用金刚石刀具开展了KDP晶体飞切划痕实验,进一步验证了适当提高KDP晶体温度可以增大KDP晶体脆塑性转变临界切削深度。在此基础上,对KDP晶体开展了不同温度状态下的切削实验,实验结果表明在相同工艺参数下,随着温度的升高,表面粗糙度Sa值从3.2nm降低至1.6nm。     

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。     

晶体已加工表面频率特征对亚表层温度场的影响

为了更加准确地分析表面形貌对KH2PO4(KDP)晶体元件激光损伤和使用性能的影响，通过功率谱密度和连续小波变换对KDP晶体已加工表面存在的实际频率特征进行提取和重构。利用波动光学理论分析经入射波长1.064 μm、功率20 MW/μm2的激光束照射1 ns后，表面频率特征对KDP晶体亚表层光场及温度场的影响。结果表明，当表面频率特征的波长越接近入射光波长1.064 μm，KDP晶体亚表层的光场畸变现象越严重，会造成局部聚焦，温度越高；当波长超过20 μm时，在振幅不变的情况下，最高温度随着波长的增加基本不变。通过切削实验获得的KDP晶体已加工表面上明显存在的波长分别为14 μm、50 μm和140 μm，对KDP晶体亚表层造成的温升分别为56 K、22 K和12 K。当波长相同时，KDP晶体的最高温度与表面频率幅值成线性关系。随着表面频率波长的增加，温度最高点的位置向KDP晶体内部延伸。     

蓝宝石晶体双面研磨加工的实验研究

为了实现对蓝宝石晶体的高效低损伤研磨加工,对蓝宝石晶体的双面研磨加工表面粗糙度、研磨均匀性和亚表面损伤层的深度进行试验研究。采用280#碳化硼磨粒双面研磨(0001)面蓝宝石晶体,首先考察了研磨时间对材料去除速率、表面粗糙度的作用规律,根据蓝宝石晶体切割表面状态确定了双面研磨的加工余量,接着,通过WYKO粗糙度仪从微观上分析了蓝宝石晶体表面的研磨均匀性,最后应用纳米压入测试分析了亚表面损伤层的深度。实验结果表明：蓝宝石晶体经过120分钟的双面研磨加工后可以获得Ra0.523μm,Rt<6.0μm的表面,亚表面损伤层小于1μm。     

KDP晶体表面质量主要影响因素的研究

针对KDP晶体超精密加工过程中出现的表面波纹度和粗糙度问题,采用二次通用回归旋转组合优化设计法及单点金刚石飞刀切削(SPDT)技术,对KDP晶体进行切削实验,对加工过程进行在线监测,利用多因素交互作用分析KDP晶体表面波纹度和粗糙度的影响规律。最后利用偏最小二乘法及lingo软件获得最佳加工工艺参数组合,即当刀具圆弧半径为9mm;转速为800 r/min;进给量为9.184μm/r;背吃刀量为21μm时,加工出KDP晶体的表面波纹度值为0.020μm,表面粗糙度值为0.017μm,对后续能够加工出更大口径(400×400)mm的高质量KDP晶体以满足航空航天领域应用具有重要的实际意义。     

蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹深度检测

双面研磨作为蓝宝石衬底制备的一道重要工序,研磨表面裂纹深度将严重影响后续抛光的材料去除量,因此对研磨衬底表面裂纹特征研究及深度测量具有重要意义。本文采用截面显微观测法、聚焦离子束侧面观测法、差动蚀刻速率法、磁流变抛光法和逐层抛光法等方法观测双面研磨蓝宝石衬底表面裂纹特征和测量裂纹深度。采用截面显微观测法和聚焦离子束侧面观测法观测研磨后蓝宝石衬底亚表面裂纹形态主要有斜线状、横线状、钩状和树杈状。采用差动蚀刻速率法测得蓝宝石衬底研磨表面裂纹密集层厚度为9～10μm,而采用磁流变抛光法测得研磨衬底局部亚表面裂纹深度为25～30μm,采用逐层抛光法测得研磨衬底整体亚表面裂纹深度约为30～35μm。此外,根据不同方法所检测的裂纹特征和裂纹深度,构建了蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹模型,为后续抛光工艺的制定与优化提供依据。     

反复印压作用下光学玻璃的微裂纹交互作用研究

对超声振动辅助磨削加工中BK7光学玻璃材料表面及亚表面的微裂纹扩展过程中的交互作用进行研究,使用维氏金刚石压头进行了BK7光学玻璃二次印压实验来模拟超声振动作用影响下单颗磨粒对光学玻璃的反复印压作用,同时采用界面粘结法获得了不同印压载荷及印压距离下产生的压痕及微裂纹形态特征及分布情况。实验结果表明：在相同载荷加载情况下,第二次印压产生的亚表面中位裂纹扩展最大深度受到侧向裂纹影响减小了30μm,同时侧向裂纹闭合后在光学玻璃材料表面及内部产生破碎。基于压痕断裂力学理论,分析了准静态载荷作用下光学玻璃内部应力场的分布及应力场驱动下微裂纹的扩展机制,对超声振动效应影响下微裂纹扩展的交互作用进行研究。结果表明：磨削过程中使用轴向超声振动辅助,能够有效地降低光学玻璃材料亚表面裂纹的深度,改善亚表面及表面加工质量,同时促进了工件材料的去除。