光學(xué)玻璃磨削狀態(tài)的聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)

遲玉倫，李郝林

CHI Yu-lun, LI Hao-lin

（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

超精密磨削加工是實現(xiàn)光學(xué)玻璃高效加工的重要工藝之一，然而實現(xiàn)光學(xué)玻璃的超精密磨削是一個十分復(fù)雜的工作，機床特性、冷卻液、砂輪磨料成份、砂輪修整、磨削工藝參數(shù)等都是影響磨削質(zhì)量的重要因素。光學(xué)玻璃硬度高、脆性大, 其物理機械性能尤其是韌性和強度與金屬材料相比有很大差異。其磨削既不同于一般高脆性材料(金剛石) 的純斷裂過程,又不同于金屬材料的塑性剪切過程, 為了獲得高質(zhì)量的脆性材料產(chǎn)品,對其磨削工藝進(jìn)行研究是十分必要的，文獻(xiàn)[1-2]均對該問題進(jìn)行了研究。為了獲取磨削工藝參數(shù)對光學(xué)玻璃磨削質(zhì)量影響的信息，必須對其磨削過程進(jìn)行有效的監(jiān)測。聲發(fā)射技術(shù)是近幾年磨削狀態(tài)監(jiān)測被廣泛采用的一種方法[3]，具有靈敏度高，抗干擾能力強的特點。本文基于聲發(fā)射檢測技術(shù)，對超精密光學(xué)玻璃磨削過程中的砂輪修整、磨削工藝等狀態(tài)監(jiān)測問題進(jìn)行了試驗研究，研究結(jié)果對科學(xué)地確定光學(xué)玻璃的超精密磨削工藝參數(shù)提供了依據(jù)。

1 超精密光學(xué)玻璃磨削的技術(shù)條件

本文所研究的磨削對象為K9光學(xué)玻璃，K9光學(xué)玻璃作為高功率激光器重要的光學(xué)元件,其性能的好壞直接關(guān)系到激光器功率輸出的大小和光束質(zhì)量,K9 玻璃還是高功率激光薄膜的常用基片,它的損傷特性直接影響激光薄膜的抗激光損傷能力,特別是增透膜偏振膜等。針對光學(xué)玻璃納米級精度和磨削效率的要求，其加工一般由磨削與拋光兩道工序完成，高精度的表面磨削質(zhì)量有利于提高光學(xué)玻璃的加工效率。因此，研究K9 玻璃表面的高精度磨削工藝具有重要的意義。

由國內(nèi)外實驗研究表明，為獲得光學(xué)玻璃等脆性材料磨削后粗糙度較低的光滑表面，在合適的加工條件下仍能以塑性去除的模式進(jìn)行加工。實現(xiàn)脆性材料塑性域超精密磨削加工的條件是, 砂輪單個磨粒的最大切削深度應(yīng)小于脆性材料的臨界切削厚度dc[6]。

式中, E 為材料的彈性模量,MPa；H 為材料的顯微硬度，GPa；KC為材料的斷裂韌性，。在滿足上述切削深度實驗條件下，本文研究了光學(xué)玻璃以塑性模式磨削條件下的不同工藝參數(shù)與聲發(fā)射信號間的關(guān)系，為光學(xué)玻璃超精密磨削狀態(tài)的監(jiān)測提供了依據(jù)。

該實驗選用的磨削機床為Schleifring精密數(shù)控平面磨床K-P 48 T，磨削砂輪為SD24000M300GHG30，砂輪平均磨粒尺寸為1μm，磨削液選用水溶性研磨油CG-50P,其濃度配比為4%。

圖1 玻璃磨削試驗裝置

圖1為玻璃磨削試驗裝置，砂輪主軸上安裝了SBS公司的L-4200-5型無線聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，砂輪與光學(xué)玻璃的接觸狀態(tài)通過聲發(fā)射檢測傳感器傳送至計算機，如圖2所示。通過聲發(fā)射磨削監(jiān)測信號實現(xiàn)對磨削過程的動態(tài)實時監(jiān)測。光學(xué)玻璃磨削的粗糙度采用Mitutoyo公司的SJ-201粗糙度儀測量，如圖3所示。

圖2 聲發(fā)射磨削監(jiān)測信號

圖3 測量玻璃表面粗糙度

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 磨削過程中聲發(fā)射信號分析

光學(xué)玻璃超精密磨削中，聲發(fā)射信號可直觀反映出砂輪與工件的磨削狀態(tài)。圖4所示為光學(xué)玻璃起始磨削時聲發(fā)射信號，ab和ef段表示砂輪與工件未接觸，AE信號值為背景噪聲水平；cd段表示砂輪與工件處于磨削狀態(tài)中，AE信號有所增大并且AE信號幅值隨磨削表面質(zhì)量狀況發(fā)生變化，由于玻璃表面不平整，導(dǎo)致聲發(fā)射信號出現(xiàn)波動現(xiàn)象；bc段和de段的脈沖反映出砂輪接觸和脫離工件瞬間，聲發(fā)射信號所產(chǎn)生的突變情況。因此，聲發(fā)射信號直觀反映出砂輪與工件磨削過程中的接觸狀態(tài)。

圖4 磨削過程中的聲發(fā)射信號

2.2 不同磨削工藝參數(shù)下聲發(fā)射信號分析

實驗研究表明磨削過程中聲發(fā)射信號的變化與工藝參數(shù)的設(shè)置有關(guān)， 如圖5、圖6和圖7給出了不同工藝參數(shù)下所對應(yīng)的聲發(fā)射信號分析。

圖5表示砂輪線速度20m/s，進(jìn)給速度為120mm/min，磨削進(jìn)給量分別在1μm、2μm和4μm時的磨削過程中聲發(fā)射信號的均方根值。由圖5分析可知，磨削進(jìn)給量越大聲發(fā)射信號越強。因此，通過聲發(fā)射信號可以監(jiān)測磨削進(jìn)給量。

圖5 不同磨削進(jìn)給量下聲發(fā)射監(jiān)測信號

圖6所示為工作臺進(jìn)給速度為120mm/min，磨削進(jìn)給量為2μm，砂輪線速度分別為10m/s、15m/s和20m/s情況下聲發(fā)射信號的均方根值。由圖可以看出，AE信號隨著砂輪線速度增大而增大。

圖6 磨削砂輪不同轉(zhuǎn)速下聲發(fā)射監(jiān)測信號

圖7所示為砂輪線速度20m/s，磨削進(jìn)給量為2μm，工作臺進(jìn)給速度分別在120mm/min、360mm/min和1200mm/min時的磨削過程中聲發(fā)射信號的均方根值。由圖7可以看出，工作臺進(jìn)給速度大小對聲發(fā)射信號影響不大。其原因是在光學(xué)玻璃超精密磨削時，砂輪與工件的磨削模式為塑性磨削，且在磨削量很小的情況下，工作臺的速度對聲發(fā)射信號影響很小。

圖7 不同進(jìn)給速度下聲發(fā)射監(jiān)測信號

由上述分析可知，磨削進(jìn)給量及砂輪轉(zhuǎn)速越大，聲發(fā)射傳感器信號的均方根值越大，即磨削時磨削力釋放的AE信號越強。光學(xué)玻璃磨削過程中聲發(fā)射信號小，可以減小工件的磨削損傷。本試驗設(shè)置砂輪轉(zhuǎn)速為10m/s，磨削進(jìn)給量為1μm。考慮到工作臺進(jìn)給速度大小對聲發(fā)射信號影響不大，同時避免工作臺速度過大造成工件磨削表面劃傷，該實驗設(shè)置工作臺速度為120mm/min。

2.3 聲發(fā)射信號監(jiān)測磨削狀態(tài)及磨削玻璃表面分析

在設(shè)定工藝參數(shù)后，磨削玻璃表面起始階段，其聲發(fā)射信號如圖4所示，在磨削區(qū)域cd段信號幅值會隨著磨削玻璃表面狀況而發(fā)生上下波動，反映出玻璃表面較為粗糙。磨削4個小時后，聲發(fā)射信號如圖8所示，其磨削區(qū)域的聲發(fā)射信號已經(jīng)平穩(wěn)，表明磨削玻璃表面已經(jīng)平整，此次磨削已經(jīng)完成。

圖8 光學(xué)玻璃磨削4小時后聲發(fā)射信號

將上述超精密磨削前及磨削后玻璃表面放在175倍顯微鏡下觀測其表面質(zhì)量，如圖9所示，圖9(a)為超精密磨削前表面質(zhì)量，其粗糙度值為Ra=0.23μm。圖9(b)為超精密磨削后得到極好的光學(xué)表面，其表面完全透明，沒有任何劃痕和裂紋的痕跡，經(jīng)粗糙度儀測量，其表面粗糙度為Ra=0.02μm，滿足實際要求Ra＜0.05μm。

3 結(jié)論

1）本文建立了比較完善的光學(xué)玻璃磨削聲發(fā)射監(jiān)測實驗系統(tǒng)；

2）通過分析超精密磨削過程中不同工藝參數(shù)下的聲發(fā)射信號，得出磨削進(jìn)給量和砂輪線速度對聲發(fā)射信號影響有較大影響，工作臺進(jìn)給速度對聲發(fā)射信號強度影響不大。根據(jù)此分析結(jié)果，可通過聲發(fā)射信號監(jiān)測超精密磨削中的磨削進(jìn)給量及砂輪轉(zhuǎn)速的變化；

3）使用聲發(fā)射信號監(jiān)測光學(xué)玻璃磨削過程，可直觀有效辨別出磨削過程中被磨削玻璃表面磨削狀況，為優(yōu)化選擇磨削工藝參數(shù)提供了依據(jù)。

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