磨削動態(tài)特性對光學(xué)材料亞表面損傷機理研究

白金峰，趙惠英，朱生根，趙凌宇，班新星，趙家寧

（1.西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.北京微納精密機械有限公司，北京 101300）

在能源技術(shù)需求的牽引下，激光核聚變得到了迅猛的發(fā)展，全世界各國陸續(xù)開展了研究工作，美、日、法、中、英、俄等國先后建造了20 多臺大型激光裝置，以美國的“國家點火裝置”（NIF）為例，在其光學(xué)系統(tǒng)中，將使用數(shù)以萬計的光學(xué)元件，其中大約有80%的光學(xué)元件為平面元件。在上述平面光學(xué)元件中，以融石英、BK7、微晶等材料應(yīng)用的最多，這些光學(xué)材料具有高硬脆性，其微觀分子和原子結(jié)合的方式通常為離子鍵或共價鍵，具有熱穩(wěn)定性好、硬度高、斷裂韌性低和難加工的特點。光學(xué)材料的加工方式一般以磨削、拋光為主，采用磨削加工可以大幅度提高光學(xué)元件的成形精度和加工效率，而精磨后的拋光在于提高元件的表面質(zhì)量和輪廓精度。

1 塑性去除機理

材料的塑性變形能量Ep可以表達為屈服極限σy與材料體積Vp的乘積，即：

根據(jù)Griffith 的材料斷裂理論，材料脫落所需求的能量Ef可以表達為機械能釋放率G 與新形成斷面面積Af之積，即：

假設(shè)脫落材料體積Vp及斷面面積Af均正比于切削深度dc，即：

相應(yīng)的塑性和脆性磨削的能量比，即轉(zhuǎn)化系數(shù)可以表示為：

由式(4)可以確定硬脆材料在極小的切削深度條件下也可以實現(xiàn)塑性斷裂。根據(jù)Griffith 的斷裂理論，切削深度dc可以表示為：

通過大量的切削試驗以及數(shù)據(jù)處理擬合，得出塑性磨削的經(jīng)驗切削深度表達式，即：

根據(jù)式(6)可以確定各種材料滿足塑性切削模式的特定切削深度dc，如表1 所示。

表1 不同材料塑性磨削切削深度

2 金剛石磨粒磨削力研究

亞表面損傷層預(yù)估：亞表面損傷層為材料脫落后的殘余裂紋深度，由磨削進給軸的推力及其接觸區(qū)域的大小來確定斷裂磨削中的赫茲壓力，可由砂輪顆粒大小來確定。根據(jù)硬脆材料裂紋深度表達式，可以確定磨削力、磨削深度、砂輪磨粒尺寸與亞表面損傷層的函數(shù)，即，

當(dāng)采用磨粒尺寸小于170μm 的砂輪磨削時，磨粒與工件表面接觸將采用尖銳壓頭裂紋擴展模式處理，χ 取0.019。磨粒尺寸減小，意味著等面積上磨粒數(shù)量的增加，單個磨粒對工件表面的壓力減小，所形成的壓痕裂紋深度減小，砂輪的切削能力降低，但磨削后的殘余裂紋深度也相應(yīng)的減低，如圖1 和圖2 所示，分別為150#和1000#砂輪切削深度為0.05mm 和0.01mm 所對應(yīng)的最大裂紋深度。

由上述分析可知，磨削過程中的殘余裂紋深度取決于分配到單個磨粒上的切削力。在實際磨削過程中，由于砂輪表面磨粒分布不是絕對均勻的，極端情況為極少量的磨粒與鏡片接觸，從而造成單個磨粒上的磨削力過大，產(chǎn)生嚴(yán)重的亞表面損傷。因此，要求在精磨階段砂輪具有更好的回轉(zhuǎn)精度，以避免單個磨粒切削力過大，同時要嚴(yán)格控制磨削接觸點的位置精度。

圖1 150#金剛石磨粒磨削力VS 裂紋深度

圖2 1000#金剛石磨粒磨削力VS 裂紋深度

3 結(jié)語

根據(jù)上述對塑性磨削去除機理的分析，由于磨床運動精度和砂輪形狀精度的限制，無法在光學(xué)材料平面磨削中采用切削深度為亞微米級量級的塑性去除模式。對于特定材料的磨削，其裂紋深度即殘余亞表面損傷層深度取決于接觸區(qū)域的壓力和接觸系數(shù)，其中，接觸壓力由切削進給力和切削深度決定，而接觸系數(shù)則是由磨粒的尺寸和形狀決定的。通常亞表面損傷層應(yīng)不大于最大裂紋深度，但所建立的模型假定砂輪接觸區(qū)域為理想圓弧，且磨粒均勻分布，而在實際磨削中，由于砂輪的形狀誤差及其設(shè)備運動誤差，接觸區(qū)域不斷變化，相應(yīng)的亞表面損傷層也會不斷變化。