微晶玻璃塑性超精密磨削加工的研究

本文对微晶玻璃脆性材料的超精密磨削加工作了大量的实验研究。研究结果表明，对于微晶玻璃等脆性材料，其表面粗糙度主要与砂轮的平均磨粒尺寸、砂轮速度、进给量及磨削深度等因素有关。当采用超精密磨床并在vs=1200m/min、f=0～200um/rev、ap=0.1～10um条件下磨削时，只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸低于20um，才能在塑性磨削模式下加工出高质量的光滑表面，其磨削后的表现粗糙度为rms;8.021nm、Ra:6.200nm。     

微晶玻璃塑性域超精密磨削加工的研究

本文对微晶玻璃脆性材料的超精密磨削加工作了大量的实验研究。研究结果表明 ,对于微晶玻璃等脆性材料 ,其表面粗糙度主要与砂轮的平均磨粒尺寸、砂轮速度、进给量及磨削深度等因素有关。当采用超精密磨床并在 vs=12 0 0 m/ min、f=0～2 0 0μm/ rev、ap=0 .1～ 10μm条件下磨削时 ,只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸低于 2 0μm,才能在塑性磨削模式下加工出高质量的光滑表面 ,其磨削后的表面粗糙度为 rms:8.0 2 1nm、Ra:6.2 0 0 nm。     

陶瓷材料的超精密磨削加工

对陶瓷材料超精密磨削加工的研究结果表明,陶瓷等脆性材料的磨削表面粗糙度主要与砂轮的平均磨粒尺寸、进给量等因素有关。只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸小于１８ ．５μｍ 时,才能在塑性磨削模式下加工出表面粗糙度为ｒｍｓ４ ．１５ｎｍ 、 Ｒａ３ ．０７ｎｍ 的高质量光滑表面。     

脆性材料超精密磨削时影响表面质量因素的研究

首先从理论上分析了脆性材料在超精密磨削过程中影响表面质量的各种主要因素。然后针对影响脆性材料已加工表面质量的各种主要因素作了大量的试验研究。研究结果表明，对于脆性材料，砂轮的平均磨粒尺寸对已加工表面质量的影响很大。试验证明：当采用超精密磨床并在Ｖｓ＝１２００ｍ／ｍｉｎ、ｆ＝０—２００μｍ／ｒ、ａｐ＝０．１—１０μｍ的磨削条件下进行磨削时，只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸小于 ２０μｍ，才能在塑性磨制模式下加工出高质量的超光滑表面。     

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。     

光学自由曲面反射镜模芯的镜面成型磨削

采用精密修锐修整的圆弧形粗金刚石砂轮在CNC精密磨床上进行了数控成型磨削加工,实现了高效镜面磨削。分析金刚石砂轮圆弧形轮廓的成型修整原理,建立了圆弧形修整的数控模式。通过建立曲面数控成型磨削的行走轨迹算法,实现了自由曲面的圆弧包络成型磨削加工。分析了磨削工艺参数和砂轮出刃形貌参数与超光滑表面形成的作用机制,进行了镜面磨削试验并检测表面微观形貌和粗糙度,分析实现镜面磨削的脆/塑性磨削转换机理。理论分析表明,降低砂轮行走速度,提高砂轮转速以及改善出刃形貌可以获得纳米级粗糙度的超光滑磨削表面。试验结果显示,先将砂轮修锐修整再控制砂轮行走速度小至15 mm/min时,表面粗糙度小于10 nm以下,且微观加工表面没有发生脆性破坏,形成镜面。加工高速钢自由曲面时,面形误差(PV值)可以达到10 μm以下,表面粗糙度R_a可以达到约16 nm。实验结果表明:利用数控技术和粗金刚石砂轮可以实现自由曲面模芯的高效镜面磨削加工,保证了高精度的光学自由曲面反射镜注塑模芯。     

光学玻璃的精密加工技术

对光学玻璃的高效精密特种加工技术进行了分析.对ELID法、激光加工、超声磨削以及精密铣削的最新研究进展进行了综述.介绍了采用ELID技术和控制加工工艺参数,使砂轮单个磨粒的最大切削深度小于脆性材料的临界切削厚度,实现了脆性材料的塑性加工,并得到精密光滑的表面;在加工非球曲面时,使零件的精加工抛光量降到最低.采用激光加工...     

光学玻璃的精密加工技术

光学玻璃作为一种典型的脆硬材料,采用普通的加工方法难以进行高效精密加工。本文介绍了光学玻璃的高效精密特种加工技术,对ELID法、激光加工、超声磨削以及精密铣削的最新研究进展进行了综述。采用ELID技术,通过控制加工工艺参数,使砂轮单个磨粒的最大切削深度小于脆性材料的临界切削厚度,实现了脆性材料的塑性加工,并得到精密光滑的表面;在加工非球曲面时,可使零件的精加工抛光量降到最低。最新激光加工技术通过增加预热激光束,极大降低已加工表面的热应力及拉伸应力,使得加工质量有了大幅提高。超声波磨削加工不仅改善了表面完整性,而且提高了加工效率,通过选用适当的刀具和工艺参数,使被加工工件表面粗糙度值比普通磨削降低了30%～40%。光学玻璃精密铣削技术通过优化刀具、加工方式及工艺参数,可提高加工质量和效率、降低加工成本。     

镁铝尖晶石的塑性域磨削

为了避免和减小镁铝尖晶石在研磨工艺中产生的亚表面损伤,研究了合理控制磨削参数,实现镁铝尖晶石塑性域磨削的方法。分析了镁铝尖晶石的脆塑转变机理,采用不同尺寸规格的金刚石砂轮磨粒和改变砂轮进给量等参数进行了大量实验,探索了镁铝尖晶石的塑性磨削条件及影响因素,实现了镁铝尖晶石的塑性域高精度磨削。采用VG401MKⅡ型超精密磨床和3000#金刚石砂轮,设定砂轮速度为20m/s,工件速度为0.3m/s,进给量为0.5~3μm/r进行了磨削实验。结果显示:当金刚石砂轮磨粒的平均尺寸小于8μm时可以实现镁铝尖晶石的塑性磨削,其表面粗糙度Ra可以达到2.291nm,透光率可提高17%。研究结果表明,砂轮的平均磨粒尺寸和砂轮进给量对镁铝尖晶石材料的表面加工质量影响很大,该结果为研究磨削高质量镁铝尖晶石表面提供了依据。     

应用超硬大磨粒金刚石砂轮实现BK7光学玻璃的超精密磨削

首先以91μm磨粒杯形铜基金刚石砂轮作为修整器并结合砂轮在线电解修锐技术(ELID,Electrolytic in- process dressing)对151μm磨粒电镀镍基单层金刚石砂轮进行精密高效的修整。在最佳的修整参数下,同时应用测力仪对两个砂轮间磨削力进行监测,并应用共轴光学位移检测系统对砂轮表面状态进行在位监测,151μm砂轮的回转误差被减小至1～2μm范围,同时砂轮上所有金刚石磨粒被修整出平坦表面并拥有恒定的圆周包迹,此时砂轮达到最佳工作状态。然后应用被良好修整的砂轮对光学玻璃BK7进行磨削加工。磨削试验结果和亚表层完整度评价结果表明新开发的大磨粒金刚石砂轮修整技术的可行性,也验证大磨粒金刚石砂轮只要经过精密修整是可以应用于光学玻璃的延展性超精密磨削加工的,并能实现纳米级的表面粗糙度,显示出大磨粒金刚石砂轮在加工难加工材料和硬脆材料中的良好应用前景。     

An investigation into parallel and cross grinding of BK7 glass

Conventional grinding of BK7 glass will normally result in brittle fracture at the surface, generating severe sub-surface damage and poor surface finish. The precision grinding of BK7 glass in parallel and cross grinding modes has been investigated. Grinding process, maximum chip thickness, ductile/brittle regime, surface roughness and sub-surface damage have been addressed. Special attention has been given to the condition for generating a ductile mode response on the ground surface. A polishing–etching method has been used to obtain the depth of sub-surface damage. Experiments reveal that the level of surface roughness and depth of sub-surface damage vary differently for different grinding modes. This study gives an indication of the strategy to follow to achieve high quality ground surfaces on brittle materials.     

超精密加工现状综述

超精密加工是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段.精密光学、机械、电子系统中所用的先进陶瓷或光学玻璃元件通常需要非常高的形状精度和表面精度(如0.1 nm级表面粗糙度)及较小的加工变质层.掌握超精密加工过程中材料去除规律和损伤层特性对提高加工的稳定性与经济性十分重要.对超精密加工中的超精密切削、超精密磨削和超精密研磨抛光技术进行综述,重点介绍各种典型加工方法及其材料去除机理.从加工精度和加工效率角度对上述几类超精密加工方法进行比较,介绍以实现高效精密加工为目的的半固着磨粒加工技术.对超精密加工的发展趋势进行预测.     

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。     

Ultra-precision grinding of optical glasses using mono-layer nickel electroplated coarse-grained diamond wheels. Part 2: Investigation of profile and surface grinding

After finishing the precision conditioning of mono-layer nickel electroplated coarse-grained diamond wheels with 151 μm (D151), 91 μm (D91) and 46 μm (D46) grain size, resp., profile and surface grinding experiments were carried out on a five-axis ultra-precision grinding machine with BK7, SF6 optical glasses and Zerodur glass ceramic. A piezoelectric dynamometer was used to measure the grinding forces, while an atomic force microscopy (AFM), white-light interferometer (WLI)) and scanning electron microscope (SEM) were used to characterize the ground surface quality in terms of micro-topography and subsurface damage. Moreover, the wear mechanics of the coarse-grained diamond wheels were analyzed and the grinding ratio was determined as well, in aiming to evaluate the grinding performance with the conditioned coarse-grained diamond wheels. Finally, the grinding results were compared with that of the fine-grained diamond wheels with regard to the ground specimen surface quality, process forces and wheel wear as a function of stock removal. The experimental results show that the precision conditioned coarse-grained diamond wheels can be applied in ductile mode grinding of optical glasses with high material removal rates, low wheel wear rates and no dressing requirement yielding excellent surface finishes with surface roughness in the nanometer range and subsurface damage in the micrometer range, demonstrating the feasibility and applicability of the newly developed diamond grinding technique for optical glasses.     

Predictive Modeling of Surface Roughness in Grinding of Ceramics

The surface roughness represents the quality of ground surface since irregularities on the surface may form nucleation for cracks or corrosion and thus degrade the mechanical properties of the component. The surface generation mechanism in grinding of ceramic materials could behave as a mixture of plastic flow and brittle fracture, while the extent of the mixture hinges upon certain process parameters and material properties. The resulting surface profile can be distinctively different from these two mechanisms. In this article, a physics-based model is proposed to predict the surface roughness in grinding of ceramic materials considering the combined effect of brittle and ductile material removal. The random distribution of cutting edges is first described by a Rayleigh probability function. Afterwards, surface profile generated by brittle mode grinding is characterized via indentation mechanics approach. Last, the surface roughness is modeled through a probabilistic analysis of ductile and brittle generated surface profile. The model expresses the surface finish as a function of the wheel microstructure, the process conditions, and the material properties. The predictions are compared with experimental results from grinding of silicon carbide and silicon nitride workpieces (SiC and Si₃N₄, respectively) using a diamond wheel.     

细粒度金刚石砂轮超精密磨削硅片的表面质量

为实现硅片高质量表面的超精密磨削，研究了5000目、8000目和30 000目金刚石砂轮磨削硅片的表面质量。利用数学模型预测了硅片磨削表面的粗糙度Ra并对预测结果进行了试验验证，分析了硅片磨削表面的形貌特征；通过磨床主轴电机的电流变化对比分析了5000目、8000目和30 000目砂轮磨削过程中的磨削力变化趋势。研究结果表明：8000目砂轮磨削后的单晶硅表面粗糙度Ra小于10 nm,亚表面损伤深度小于150 nm,磨削过程中的磨削力稳定，磨削质量优于5000目砂轮，磨削过程的稳定性优于30 000目砂轮。     

脆性晶体的超精密加工

用单刃金刚石车削试验研究超精密加工脆性晶体材料的机理。通过讨论加工参数和材料特性来研究脆塑性转换机理。重点研究了加工单晶材料时晶向对临界切深、微切削力和表面粗糙度的影响；还探讨了加工多晶材料时晶界台阶的形成。超精密加工各种脆性晶体都可得到各向同性的纳米级表面粗糙度的光学表面。     

光纤端面研磨加工机理研究

给出了研磨光纤时的材料去除机理,选用粒度为微米及亚微米级的金刚石磨料砂纸,在研磨压力为0.48Mpa时,在KE-OFP-12型光纤连接器研磨机上对光纤端面进行了研磨实验.结果表明:光纤研磨加工的材料去除存在脆性断裂、半脆性半延性、延性等3种模式.材料去除模式主要取决于磨料的平均粒度,磨料粒度为3μm时,为脆性断裂到延性研磨的临界转换点.并从理论上对结果进行了分析,光纤以延性模式研磨加工时,光纤表面粗糙度Ra可达到纳米级,其表面看不到任何划痕,而光纤以脆性断裂模式研磨加工时,其表面粗糙度只能达到亚微米级,证明材料以延性模式去除是提高光纤表面质量的有效方法.     

A review on ductile mode cutting of brittle materials

Brittle materials have been widely employed for industrial applications due to their excellent mechanical, optical, physical and chemical properties. But obtaining smooth and damage-free surface on brittle materials by traditional machining methods like grinding, lapping and polishing is very costly and extremely time consuming. Ductile mode cutting is a very promising way to achieve high quality and crack-free surfaces of brittle materials. Thus the study of ductile mode cutting of brittle materials has been attracting more and more efforts. This paper provides an overview of ductile mode cutting of brittle materials including ductile nature and plasticity of brittle materials, cutting mechanism, cutting characteristics, molecular dynamic simulation, critical undeformed chip thickness, brittle-ductile transition, subsurface damage, as well as a detailed discussion of ductile mode cutting enhancement. It is believed that ductile mode cutting of brittle materials could be achieved when both crack-free and no subsurface damage are obtained simultaneously.