光學(xué)材料的磨削損傷控制試驗研究

楊應(yīng)坡, 冀永曼

(1. 許昌電氣職業(yè)學(xué)院, 河南 許昌 461000) (2. 新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453006)

現(xiàn)代光學(xué)、光電技術(shù)及信息技術(shù)在武器裝備、國防工業(yè)、高新技術(shù)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而高性能光學(xué)元件的使用是實現(xiàn)這些應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。如常用的K9光學(xué)玻璃，由于其材料脆性大、硬度高，精密和超精密加工時易出現(xiàn)微裂紋損傷等缺陷而影響其使用性能[2-3]，因此要對其加工過程進行研究，找到控制微裂紋的最佳工藝路線。

壓痕斷裂力學(xué)理論、金剛石壓頭刻劃、單顆磨粒刻劃等[3-4]方面的研究揭示了K9玻璃微裂紋損傷產(chǎn)生的機理。研究結(jié)果表明：在磨粒磨削過程中，單顆磨粒的切深決定了材料的去除模式，通常有脆性去除、塑性去除、彈性去除等方式[5-6]；當(dāng)磨粒的單次切深小于材料脆塑轉(zhuǎn)換的臨界值時，材料可實現(xiàn)塑性或彈性的無損傷去除[5-6]。但是，高效磨削和低損傷控制的過程很難兼顧，磨削過程中二者隨工藝參數(shù)的變化而變化，磨削效率越高，引起的損傷也越深[7-8]。

基于材料損傷層深度和工藝參數(shù)的映射關(guān)系，為了控制材料磨削過程的損傷，通常將其磨削過程分成粗磨和精磨等工序[2,8-9]。對于每道工序的合理材料去除量，以及對于已有的裂紋損傷在磨削過程中的變化規(guī)律，已有的研究并不夠深入。為此，試驗通過對工件磨削過程損傷層深度的動態(tài)檢測，探究K9玻璃的裂紋擴展規(guī)律，進而提出科學(xué)合理的損傷控制工藝路線。

1 不同工藝參數(shù)磨削試驗的條件及結(jié)果

K9玻璃光學(xué)材料磨削過程中，對其損傷層深度產(chǎn)生影響的主要工藝參數(shù)有砂輪粒度、單次切深、進給速度、走刀行距等[2,7-9]，因此就這些參數(shù)進行具體試驗及分析。K9玻璃磨削用砂輪固定，為金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪規(guī)格φ200 mm×10 mm，其中粗磨用金剛石砂輪的金剛石粒度基本尺寸為126 μm、半精磨砂輪用金剛石粒度基本尺寸為64 μm、精磨砂輪用金剛石粒度基本尺寸為20 μm。在三軸數(shù)控精密磨床OPG-500上，對40 mm×30 mm×20 mm的長方體K9玻璃樣件進行光柵路徑磨削試驗。磨削前的光學(xué)樣件，均經(jīng)過研磨和拋光處理，避免其對試驗過程中的損傷層深度產(chǎn)生影響。K9玻璃單因素磨削試驗工藝參數(shù)如表1所示，在表1的工藝參數(shù)條件下研究磨削參數(shù)對材料損傷層深度的影響規(guī)律，并獲取相應(yīng)條件下的損傷層深度數(shù)據(jù)。表1中研究某一影響因素時，該因素為變量，分別取參數(shù)水平1～4的值，而另2個因素均取參數(shù)水平3的值。樣件經(jīng)表1中的不同工藝參數(shù)磨削后，通過斜面拋光、10%HF酸酸洗5 min、顯微鏡觀測、三坐標(biāo)測量等工序[10-11]，得到損傷層深度數(shù)據(jù)。其中的斜面拋光損傷層深度測量原理如圖1所示。

表1 單因素磨削試驗的工藝參數(shù)

磨削后的樣件，安裝在具有傾斜角度的拋光夾具上拋光，拋光結(jié)束后，形成如圖1所示的拋光斜面。HF酸酸洗使其亞表面裂紋易于在顯微鏡下觀測。通過顯微鏡觀測，可以判斷出斜面上的損傷區(qū)域和無損傷區(qū)域，確定無損傷區(qū)域和拋光邊界的距離l。并基于圖1左圖中的三坐標(biāo)測量軌跡，通過三坐標(biāo)測量機測量，得到圖1右圖中的輪廓曲線，再通過輪廓曲線判斷拋光邊界的位置，結(jié)合距離l可獲得其損傷層深度h。

圖1 斜面拋光損傷層深度測量示意圖

不同的K9玻璃樣件分別進行粗磨、半精磨和精磨試驗，相應(yīng)工藝參數(shù)磨削后的損傷層深度結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 粗磨過程的損傷層深度變化

圖3 半精磨過程的損傷層深度變化

圖4 精磨過程的損傷層深度變化

圖2中相對于粗磨單次切深的參數(shù)組合是A1D3E3、A2D3E3、A3D3E3和A4D3E3，相對于進給速度的參數(shù)組合是A3D1E3、A3D2E3、A3D3E3和A3D4E3，相對于走刀行距的參數(shù)組合是A3D3E1、A3D3E2、A3D3E3和A3D3E4，其余圖3～圖4依次類推。

從圖2～圖4可以發(fā)現(xiàn)：針對表1的條件，單參數(shù)水平從1到4，損傷層深度均變小；從對損傷層深度的影響程度而言，工藝參數(shù)排序基本為單次切深、進給速度、走刀行距。不同工藝參數(shù)條件下，粗磨過程的損傷層深度變化范圍為102～120 μm(圖2)，半精磨過程的損傷層深度變化范圍為50～62 μm(圖3)，而精磨過程的則為11～16 μm(圖4)，粗磨、半精磨、精磨過程導(dǎo)致的損傷層深度相對變化率分別為15.0%、19.4%、31.3%(以損傷層深度最大值為計算基準(zhǔn))。或者說，粗磨的損傷層深度約為半精磨損傷層深度的2倍，半精磨的損傷層深度約為精磨損傷層深度的4倍；但粗磨砂輪用金剛石的粒度尺寸為126 μm、半精磨砂輪的為64 μm、精磨砂輪的為20 μm，與各自對應(yīng)的損傷層深度近似，因此砂輪磨料粒度對損傷層深度的影響比其他工藝參數(shù)要大得多。

當(dāng)損傷層深度、損傷分布已知時，為了去除現(xiàn)有損傷層，通常采取的方式是先用粗磨工序高效率的去除材料；再進行半精磨工序去除粗磨的損傷層，并使光學(xué)元件基本成型；然后用精磨工序去除半精磨的損傷層，控制損傷層深度，并提升元件的面形精度，為后續(xù)加工提供一個有利的輸入[8-9]。但是，既要保證工件的磨削效率又要保證其加工精度和加工表面質(zhì)量，就必須進一步優(yōu)化其加工工藝路線，尤其在高精度、高質(zhì)量、復(fù)雜光學(xué)元件的加工中工藝路線的優(yōu)化更為重要。

2 工序切換過程中的損傷變化

由于磨削加工過程中，加工效率越高的加工方式，其加工質(zhì)量往往越低，而整個加工過程中的效率差異較大，所以每個加工階段都得同時兼顧加工效率和加工質(zhì)量。但不同工序間的工藝切換過程并沒有具體的定量指導(dǎo)，因此對工序切換過程中的損傷層深度隨磨削深度的變化進行動態(tài)檢測，探索其變化規(guī)律，具有現(xiàn)實意義。

圖5為K9玻璃按照表1中A3D3E3參數(shù)進行粗磨后，再通過B3D3E3參數(shù)半精磨去除60 μm(圖5a)和100 μm(圖5b)深度后，材料表面的損傷分布特征；圖6為另一樣件通過A3D3E3和B3D3E3參數(shù)粗磨、半精磨后，其表面再通過C3D3E3參數(shù)精磨去除24 μm(圖6a)和48 μm(圖6b)深度后，材料表面的損傷分布特征。

圖5和圖6都是在顯微鏡的同一視野尺寸下觀察到的裂紋分布。從圖5可以看出：半精磨去除60 μm深度材料后，其表面主要為粗磨留下的長裂紋損傷；半精磨去除100 μm深度材料后，材料表面長裂紋繼續(xù)減少，但粗磨的損傷并沒有完全消除，而半精磨的中等長度裂紋增多。從圖6可以看出：精磨去除24 μm深度材料后，材料表面的裂紋以半精磨的中等長度裂紋為主；而精磨去除48 μm深度材料后，中等長度裂紋大為減少，主要殘留精磨特征的短裂紋。因此，粗磨后的光學(xué)材料表面主要為粗磨的長裂紋；半精磨加工后，粗磨的長裂紋逐漸消失，剩下的主要為半精磨的中等長度裂紋；而半精磨后的材料隨著精磨的進行，最終只剩下精磨的短裂紋。

(a)去除60 μm (b) 去除100 μm

(a) 去除24 μm (b) 去除48 μm

因此，前一道工序?qū)е碌膿p傷，在后續(xù)加工過程中會逐漸被去除，損傷層逐漸被去除的規(guī)律可以通過圖7和圖8來說明。圖7為粗磨后的表面經(jīng)過不同深度的B3D3E3參數(shù)半精磨磨削后材料的損傷層深度變化規(guī)律；圖8為粗磨、半精磨后的表面經(jīng)過不同深度的C3D3E3參數(shù)精磨磨削后材料的損傷層深度變化規(guī)律。

從圖7中可以看到：粗磨后的原損傷層深度約為110 μm，經(jīng)過累積磨削深度HL≥240 μm的半精磨磨削后，其損傷層深度穩(wěn)定在約55 μm，此時材料的去除量(即累積磨削深度)約為粗磨損傷層深度的2倍。也就是材料去除深度超過2倍的粗磨損傷層深度后，材料上的粗磨損傷被基本去除，而剩下的損傷層以半精磨造成的損傷層為主。

圖7 粗磨損傷去除過程

圖8 半精磨損傷去除過程

從圖8中可以看到：粗磨、半精磨后的損傷層深度約為55 μm，在累積磨削深度HL≥100 μm的精磨磨削后，其精磨損傷層深度穩(wěn)定在約12 μm，此時材料的去除量也約為半精磨損傷層深度的2倍。同樣，在材料去除超過2倍的半精磨損傷層深度后，基本去除半精磨的損傷層，而留下精磨造成的損傷層。

3 裂紋損傷的擴展規(guī)律

已有裂紋在重復(fù)磨削和后續(xù)磨削中，磨削產(chǎn)生的應(yīng)力域遠(yuǎn)大于裂紋尺寸，從而對現(xiàn)存裂紋尖點產(chǎn)生影響，導(dǎo)致現(xiàn)有裂紋在后續(xù)砂輪磨削時進一步往下擴展[12-14]。因此粗磨造成的裂紋損傷，在半精磨時是逐漸往下擴展的，同樣的情況也發(fā)生在精磨過程。圖9為粗磨后的光學(xué)材料在半精磨過程中的粗磨裂紋損傷擴展示意圖，其中圖9的左側(cè)為粗磨后的樣件表面圖，右側(cè)為該樣件經(jīng)過半精磨去除一定量材料后的表面圖。

圖9 粗磨裂紋損傷擴展示意圖

圖9中的粗磨樣件表面上，粗磨造成的損傷層深度為hc，半精磨過程去除的材料深度為h1，此時樣件表面上半精磨導(dǎo)致的裂紋深度為hb，粗磨裂紋的殘余深度為hc1，則粗磨裂紋在這個過程中的擴展量為：

hk=hc1-(hc-h1)

(1)

定義比例系數(shù)：k=hk/h1

(2)

當(dāng)k=1時，hc1=hc，則磨削過程的損傷層深度不變，磨削裂紋為穩(wěn)態(tài)擴展過程；當(dāng)01，則隨著磨削的進行，損傷層深度增加。

對圖7的數(shù)據(jù)進行處理，可計算出粗磨表面初始加工狀態(tài)對應(yīng)的k值為0.23；隨著半精磨加工量的增大，k值趨向于1，損傷去除速度越來越慢。同樣，對圖8的數(shù)據(jù)進行處理，得到半精磨表面初始加工狀態(tài)對應(yīng)的k值為0.27；隨著精磨加工量的增大，k值也趨向于1，損傷去除速度也越來越慢。

由于損傷層深度測量過程中，統(tǒng)計的深度數(shù)據(jù)往往為深度均值，且從磨削表面的局部幾個測量點獲得[10-11]；而在不同的磨削區(qū)域，由于磨削力波動、外界振動、磨粒有大顆粒等因素[15-16]，會導(dǎo)致整個磨削表面上的損傷層深度分布不均勻。所以，材料去除量僅為前道工序損傷層深度的2倍，這在實際磨削過程中往往是不夠的。為了更有效地去除前道工序的損傷，達到表面質(zhì)量的要求且兼顧加工效率，推薦的材料去除量為2～3倍前道工序的損傷層深度。

綜合起來，根據(jù)試驗結(jié)果得到磨削過程的損傷層深度變化規(guī)律如下：為了降低損傷層深度，需使用損傷層深度更小的工藝參數(shù)(圖2～圖4)，此時裂紋擴展的速度小于材料去除的速度(圖7和圖8的下降段)，也即0

4 結(jié)論

基于K9玻璃不同工藝參數(shù)的磨削試驗，根據(jù)磨削工藝參數(shù)和損傷層深度的關(guān)系，以及工序切換磨削過程中裂紋損傷擴展及損傷層深度的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)損傷層深度和工藝參數(shù)的關(guān)系，砂輪粒度對損傷層深度影響最大，所以磨削過程常分成粗磨、半精磨、精磨三道工序，用于控制材料的損傷層深度。

(2)磨削過程中，裂紋損傷是動態(tài)擴展的。工藝參數(shù)相同時，裂紋穩(wěn)態(tài)擴展，損傷層深度不變；采用損傷更小的工藝參數(shù)磨削，裂紋擴展深度小于材料的磨削去除深度，損傷層深度逐漸減小，隨著材料繼續(xù)去除，損傷的去除速度逐漸減慢直至二者間達到穩(wěn)態(tài)平衡。

(3)為了有效去除前道工序的裂紋損傷，后道工序的材料去除量需達到2～3倍前道工序的損傷層深度。