X射線望遠(yuǎn)鏡超薄玻璃鏡片的電阻絲熱應(yīng)力無(wú)損切割加工研究

王 昆 ，吳 意 ，王占山 ，張 眾

（1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092）

X射線望遠(yuǎn)鏡是一種基于二次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面的掠入射X射線成像系統(tǒng)（圖1）[1]，是研究宇宙黑洞形成、銀河系星云強(qiáng)磁場(chǎng)等重大天文問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)手段，對(duì)我國(guó)高能空間科學(xué)發(fā)展和空間戰(zhàn)略需求具有重要意義。在發(fā)射升空時(shí)，X射線望遠(yuǎn)鏡的超薄玻璃鏡片需承受數(shù)倍重力加速度的沖擊和高頻振動(dòng)。

圖1 嵌套式X射線望遠(yuǎn)鏡原理圖

目前，現(xiàn)有的玻璃切割技術(shù)分為三種：金剛石切割、水射流切割、激光切割。對(duì)于玻璃等硬脆材料，金剛石切割的邊緣質(zhì)量較粗糙[2-3]，表面留有細(xì)小裂紋等宏觀缺陷（圖2a）。水射流切割玻璃具有切割厚度大、間隙小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但加工時(shí)需嚴(yán)格控制壓力及切割速度，以達(dá)到較好的切割質(zhì)量；對(duì)于超薄曲面玻璃，水射流切割產(chǎn)生的壓力則極易導(dǎo)致玻璃崩壞，邊緣質(zhì)量也很難達(dá)到要求[4-5]。而普通激光熔融切割后的玻璃斷面較粗糙，存在表面燒蝕現(xiàn)象[6]。即使采用先進(jìn)的飛秒激光技術(shù)，選擇較小的功率密度，在切割斷面10 μm以內(nèi)仍會(huì)產(chǎn)生細(xì)小裂紋（圖2b）；如果進(jìn)行多次飛秒激光切割直至切斷材料，則切割斷面如圖2c所示。激光熱應(yīng)力切割加工斷面平整，基本無(wú)裂紋；但離激光光斑焦點(diǎn)最近的玻璃表面溫度超過(guò)玻璃材料的應(yīng)變溫度，會(huì)引起超薄曲面玻璃的局部變形。而且，由于激光熱源能量密度極高，激光光斑掃描過(guò)的表面會(huì)殘留少量的燒蝕熔融痕跡（圖2d）[7]。因此，金剛石切割、水射流切割、激光切割等加工技術(shù)由于會(huì)產(chǎn)生斷面缺陷和裂紋，均不能滿足XTP望遠(yuǎn)鏡超薄玻璃鏡片的無(wú)損切割加工需求。

圖2 現(xiàn)有玻璃切割技術(shù)的斷面或表面微觀放大圖

采用傳統(tǒng)玻璃切割技術(shù)加工玻璃鏡片，會(huì)帶來(lái)切割斷面微裂紋或表面微損傷，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)射升空時(shí)鏡片破碎。采用飛秒激光往復(fù)掃描和激光熱應(yīng)力切割所得的超薄玻璃鏡片，在衛(wèi)星發(fā)射振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中無(wú)法經(jīng)受住10g加速度的沖擊振動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)切割斷面的微裂紋擴(kuò)展，甚至斷裂等情況。本文提出了玻璃的電阻絲熱應(yīng)力加工技術(shù)，通過(guò)電阻絲熱源在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，使玻璃在內(nèi)部熱應(yīng)力作用下斷裂成所需的形狀。該方法不存在材料去除應(yīng)力，與傳統(tǒng)的機(jī)械切割和激光切割方法相比，加工的玻璃斷面平整，且無(wú)微裂紋。

1 加工機(jī)理

利用電阻絲熱應(yīng)力切割超薄玻璃鏡片的原理見(jiàn)圖3。將電阻絲固定于三軸平動(dòng)工作臺(tái)上，待加工的玻璃鏡片固定于平臺(tái)上，同時(shí)使熱絲與玻璃保持一定距離，利用運(yùn)動(dòng)控制卡調(diào)整加工參數(shù)，使熱絲與玻璃按預(yù)定軌跡保持相對(duì)移動(dòng)，在電阻絲通有電流并充分預(yù)熱的情況下，成為輻射源對(duì)玻璃板輻射傳熱。此時(shí)可認(rèn)為玻璃板預(yù)期斷裂位置附近受輻射強(qiáng)度不同，升溫的速度也不同，導(dǎo)致玻璃板垂直于熱絲的平面內(nèi)在同一時(shí)刻存在溫度梯度。當(dāng)熱電阻絲逐漸遠(yuǎn)離，其輻射傳熱功率小到一定值后，空氣對(duì)流作用對(duì)玻璃板起主導(dǎo)作用，玻璃板開(kāi)始降溫。若限制玻璃板的位移，玻璃板由于冷卻收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力。在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定變化的熱應(yīng)力作用下，若在玻璃板預(yù)期斷裂位置的附近某處拉應(yīng)力達(dá)到微裂紋擴(kuò)展條件，裂紋即萌生擴(kuò)展，從而達(dá)到切割玻璃鏡片的目的。實(shí)現(xiàn)結(jié)果驗(yàn)證了在較低的加工溫度下，通過(guò)該方法可得到傳統(tǒng)切割方法不能獲得的裂紋直線度高、方向性好且斷面光滑、無(wú)微裂紋的超薄光學(xué)玻璃鏡片。

圖3 電阻絲熱應(yīng)力切割加工原理圖

玻璃材料的斷裂行為與金屬材料截然不同，對(duì)其斷裂行為的分析需運(yùn)用脆性斷裂力學(xué)理論。在1920年首先由格里菲斯（Griffith）總結(jié)出的材料斷裂機(jī)理，解釋了玻璃材料實(shí)際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低的原因，提出了有名的脆性斷裂理論。1960年前后，人們對(duì)含裂紋試件的一些斷裂實(shí)驗(yàn)表明：在脆斷情況下，對(duì)一定的材料確實(shí)存在一個(gè)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，它只與材料有關(guān)，而與試件的幾何形狀、尺寸及外加載荷形式無(wú)關(guān)。這個(gè)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子被稱為材料的斷裂韌度，它表征材料抵抗裂紋拓展的能力。在格里菲斯理論基礎(chǔ)上，Irwin提出了新的脆性斷裂的判據(jù)：

式中：KI為應(yīng)力強(qiáng)度因子 （即推動(dòng)裂紋拓展的力）；KIC為材料的斷裂韌度。

脆性斷裂力學(xué)中，硅玻璃材料的斷裂韌度KIC為再根據(jù)脆性斷裂力學(xué)，帶雙開(kāi)口矩形板的受拉情況見(jiàn)圖4。其中，b為玻璃板半寬；l為初始裂紋長(zhǎng)度；L為玻璃板半長(zhǎng)；σ為y軸方向應(yīng)力，并已求出裂紋頂端附近微分單元應(yīng)力強(qiáng)度因子：

根據(jù)近似情況取值無(wú)關(guān)，則：

本文所做的切割試驗(yàn)中的裂紋都是基于該對(duì)稱假設(shè)模型，熱阻絲運(yùn)動(dòng)軌跡在模型中心線上。

圖4 帶雙開(kāi)口矩形板的受拉情況與裂紋頂端應(yīng)力集中現(xiàn)象

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖5是電阻絲熱應(yīng)力切割加工實(shí)驗(yàn)設(shè)備，加熱功率設(shè)定為60 W。實(shí)驗(yàn)采用一臺(tái)三維電動(dòng)平移臺(tái)，x方向平移臺(tái)推動(dòng)熱絲切割玻璃，y方向平移臺(tái)調(diào)整熱絲初始切割位置，垂直的z方向可調(diào)節(jié)熱絲到玻璃表面的距離。該平移臺(tái)的移動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，精度可達(dá)0.05 mm。步進(jìn)電機(jī)采用固高系列運(yùn)動(dòng)控制器控制，控制器一端連接步進(jìn)電機(jī)，另一端連接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)由實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行操作。

圖5 電阻絲熱應(yīng)力切割加工實(shí)驗(yàn)設(shè)備

分別以平面超薄玻璃、圓錐面超薄玻璃為研究對(duì)象，進(jìn)行切割裂紋擴(kuò)展的加工參數(shù)實(shí)驗(yàn)：

（1）由于電阻絲為電加熱，故控制電阻絲兩端電壓即可控制其溫度。為分析不同電阻絲溫度對(duì)切割質(zhì)量的影響，采用控制變量法，在電阻絲與玻璃板距離和進(jìn)給速度一定時(shí)，通過(guò)改變電壓值分別切割玻璃，比較其加工質(zhì)量。

（2）如果電阻絲與玻璃板距離不同，則玻璃板表面溫度峰值和梯度值也不同。在電阻絲溫度和進(jìn)給速度一定時(shí)，調(diào)節(jié)電阻絲表面與玻璃板距離，比較其加工質(zhì)量。

（3）進(jìn)給速度主要影響玻璃板的加熱速度和冷卻速度。通過(guò)在控制系統(tǒng)中設(shè)置電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)可改變進(jìn)給速度。

對(duì)上述3種情況進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，觀察裂紋的直線度和裂紋萌生難易程度，進(jìn)而研究工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響。通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，優(yōu)化加工參數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)厚度300 μm的平面玻璃進(jìn)行直線切割實(shí)驗(yàn)，以獲得直線度較好的切縫。用Leica顯微鏡和VFS原子力顯微鏡對(duì)加工區(qū)進(jìn)行微觀表面形貌分析，由圖6、圖7可看出，玻璃切縫附近表面和切割斷面均無(wú)損傷，且切割斷面的表面粗糙度值小于Ra0.5 nm（圖8），達(dá)到了無(wú)損切割要求。

圖6 望遠(yuǎn)鏡超薄玻璃鏡片加工表面微觀形貌

圖7 鏡片切割斷面的原子力顯微照片

圖8 鏡片邊緣處隨機(jī)樣點(diǎn)的表面粗糙度

為了驗(yàn)證使用電阻絲熱應(yīng)力切割所得的超玻璃鏡片在星箭分離、火工品爆炸等環(huán)境下的強(qiáng)度、剛度性能，避免遭受損害或失效，進(jìn)行了沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)后檢查鏡片結(jié)構(gòu)，均完好無(wú)損，驗(yàn)證了電阻絲熱應(yīng)力切割方法的有效性。

表1 沖擊實(shí)驗(yàn)條件

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要基于熱裂法原理，提出了X射線望遠(yuǎn)鏡超薄玻璃鏡片的電阻絲熱應(yīng)力切割加工技術(shù)，研究了玻璃薄壁件熱斷裂機(jī)理，設(shè)計(jì)了熱絲切割加工系統(tǒng)，進(jìn)行了切割工藝實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展的好壞與熱絲切割溫度、熱絲進(jìn)給速度及熱絲與玻璃表面距離有關(guān)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了X射線望遠(yuǎn)鏡超薄玻璃鏡片的切割加工。電阻絲熱應(yīng)力切割玻璃斷面平整、無(wú)微裂紋，所得的切割樣件在10g加速度的沖擊振動(dòng)中保持完好。

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