基于聲發(fā)射信號(hào)的多種光學(xué)玻璃特征尺寸測(cè)量的壓痕實(shí)驗(yàn)

許繼鵬，姜 晨

（上海理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，上海 200093）

基于聲發(fā)射信號(hào)的多種光學(xué)玻璃特征尺寸測(cè)量的壓痕實(shí)驗(yàn)

許繼鵬，姜 晨

（上海理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，上海 200093）

主要介紹使用聲發(fā)射信號(hào)技術(shù)對(duì)壓痕實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)每個(gè)不同壓力載荷情況下進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)的采集，建立聲發(fā)射有效監(jiān)測(cè)壓痕試件狀態(tài)的機(jī)制從而配合壓痕實(shí)驗(yàn)來提高實(shí)驗(yàn)精度和穩(wěn)定性，最終得到在所施加載荷狀態(tài)下的各種光學(xué)玻璃試件的特征尺寸值及壓痕形貌顯微照片，確定側(cè)向裂紋和中介裂紋的形核、發(fā)展過程，從而為提高光學(xué)玻璃的加工質(zhì)量和表面精度做出理論鋪墊。

聲發(fā)射信號(hào)；多種光學(xué)玻璃；壓力載荷；特征尺寸

0　引言

光學(xué)玻璃作為典型的脆硬性難加工材料廣泛應(yīng)用在望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、照相機(jī)等光學(xué)儀器中。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，不同領(lǐng)域?qū)τ诠鈱W(xué)玻璃的需求增加，在保證加工質(zhì)量的前提下，提高加工效率變成一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，目前所采用的主要加工方法是使用金剛石砂輪在磨床上對(duì)光學(xué)玻璃進(jìn)行精密磨削，但是在磨削過程中會(huì)產(chǎn)生諸多意外，如刀具的某一部分磨損嚴(yán)重；工件因裝夾不穩(wěn)造成偏移；工件表面易產(chǎn)生裂紋以及發(fā)生脆性破壞造成表面質(zhì)量降低等[1]，因而會(huì)降低加工效率?；诖朔N情況，對(duì)磨削過程中的進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)也成為一個(gè)研究的重點(diǎn)，本文也將介紹在監(jiān)控狀態(tài)下的壓痕實(shí)驗(yàn)，即基于聲發(fā)射信號(hào)的壓痕試驗(yàn)。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種無損故障監(jiān)測(cè)技術(shù)在被引入到磨削領(lǐng)域后，因其靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)極大的提高了磨削效率。雖然聲發(fā)射信號(hào)技術(shù)已經(jīng)在磨削、拋光、銑車等領(lǐng)域得到成功的運(yùn)用，但加工過程復(fù)雜，針對(duì)不同的加工方式不同的加工環(huán)境多使用的聲發(fā)射傳感器所得到的結(jié)果都不盡相同[2]。本文主要使用KISTLER公司生產(chǎn)的AE-Piezotron Coupler Type 5125型號(hào)的聲發(fā)射信號(hào)傳感器，將傳感器安裝在HXS-1000Ak維氏壓頭顯微硬度計(jì)上，從而完成對(duì)整個(gè)壓痕實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測(cè)，從而得到不同種類的光學(xué)玻璃在大小不同的載荷下的特征尺寸值及壓痕形貌顯微照片。

1　基本理論

在壓痕實(shí)驗(yàn)中，壓頭的卸載過程和單顆磨粒磨過工件加工區(qū)域相似，磨粒隨砂輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，由淺入深完成材料的去除工作，工件材料所處過程依次為：彈性接觸、塑性變形、形成微觀裂紋、發(fā)生脆性破壞（即為材料去除）。對(duì)于脆性材料來說，在較小載荷的作用下仍然會(huì)發(fā)生塑性變形，隨著載荷的增大，材料開始由塑性變形向脆性破壞的變化，同時(shí)會(huì)在材料的內(nèi)部生成脆性裂紋，并會(huì)延展到材料表面。在此過程中，脆性裂紋恰好產(chǎn)生時(shí)，此時(shí)所施加的垂直載荷稱為臨界載荷，此時(shí)壓頭壓入的深度稱為臨界壓深[3]。臨界壓深的計(jì)算公式如式(1)所示（理論值）[4]：

式中，dc為材料的臨界切削厚度（脆性材料）；ψ為與壓頭形狀有關(guān)的無量綱系數(shù)；Kc為材料的斷裂韌性；E為材料的彈性模量；Hv材料的維氏硬度。根據(jù)式(1)可知，若要計(jì)算出材料的臨界切削深度需要得到材料的維氏硬度和斷裂韌性，維氏硬度可由維氏壓頭顯微硬度計(jì)得到。材料的斷裂韌性需要下面的式(2)進(jìn)行計(jì)算。

斷裂韌性是材料抗斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)，是材料本身的性質(zhì)，用來反映材料抵抗低應(yīng)力脆斷的能力。本文主要采用Evans模型來計(jì)算脆性材料斷裂韌性，其兩個(gè)基本判據(jù)：壓痕實(shí)驗(yàn)測(cè)得（P/C）3/2是一個(gè)與壓制載荷無關(guān)的常量；壓痕裂紋的斷裂/形變參數(shù)（C/D）處于1.5～7的范圍內(nèi)。對(duì)于試件K9的斷裂韌性符合這兩個(gè)判斷依據(jù)。因此，計(jì)算K9光學(xué)玻璃的斷裂韌性選取Evans模型，Evans模型的公式表述如所示[5]。

其中x為一個(gè)常數(shù)，可由式(3)計(jì)算。

f(x)為一個(gè)常函數(shù)，可由式(4)計(jì)算。

在式(2)～式(4)中：Kc為材料的斷裂韌性；E為材料的楊氏彈性模量；Hv為材料的維氏硬度；C為徑向裂紋長(zhǎng)度；D為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度。因此在壓痕實(shí)驗(yàn)中，需要測(cè)得材料的維氏硬度、徑向裂紋的長(zhǎng)度、壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度便可以計(jì)算或者反映出工件的脆性材料臨界切削厚度，從而使塑性去除的方式成為可能。

聲發(fā)射是指材料內(nèi)部局部區(qū)域在外界環(huán)境的作用下，伴隨能量快速釋放產(chǎn)生的瞬間彈性波現(xiàn)象，在磨削過程中，切削形成、切削斷裂、彈性變形及磨粒和工件之間的摩擦等過程都會(huì)導(dǎo)致工件的工作區(qū)域產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，利用聲發(fā)射信號(hào)傳感器就可以將這些信號(hào)變成易于觀測(cè)和處理的電信號(hào)，這些信號(hào)和磨削工程中的各種參數(shù)有著密切的關(guān)系，電信號(hào)的改變也就意味著聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域和頻域的特征值發(fā)生改變，也就意味加工狀態(tài)發(fā)生改變，因此對(duì)于磨削狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)也就可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)聲發(fā)射信號(hào)的變化的監(jiān)控[6]。

2　試件標(biāo)準(zhǔn)及流程

本次實(shí)驗(yàn)的光學(xué)玻璃工件為K9光學(xué)玻璃、BK7光學(xué)玻璃、適應(yīng)光學(xué)玻璃，玻璃工件尺寸均為15mm（長(zhǎng)度）×15mm（寬度）×5mm（厚度），玻璃工件表面需經(jīng)過拋光等精加工處理，其表面粗糙度Ra值至少為12nm，同時(shí)在光學(xué)顯微鏡下放大200倍后觀察，玻璃工件表面無破損。K9玻璃試件如圖1所示。

圖1　K9玻璃試件

本次壓痕實(shí)驗(yàn)在HXS-1000Ak維氏壓頭顯微硬度計(jì)上操作，可以提供穩(wěn)定的恒定值載荷，此硬度計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)維氏金剛石壓頭，壓頭前端金剛石為四棱錐形，壓頭的頂角為136°。在實(shí)驗(yàn)過程中，為研究外加載荷的變化對(duì)材料裂紋特征尺寸的影響，不同種類的光學(xué)玻璃所加載的載荷均為：0.1N、0.25N、0.5N、1N、2N、3N、5N、10N，所加載荷垂直于工件的表面，工件水平固定在壓頭顯微硬度計(jì)的載物臺(tái)上。載荷穩(wěn)定后，壓頭在工件表面上保持至少25s。

本次壓痕實(shí)驗(yàn)主要使用KISTLER公司生產(chǎn)的AEPiezotron Coupler Type 5125型號(hào)的聲發(fā)射信號(hào)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從其顯示的波形來確定實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性從而得到在不同載荷下的特征尺寸值及壓痕形貌顯微照片。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)述

壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到不同種類的光學(xué)玻璃在不同載荷條件下的特征尺寸值。（由于壓痕存在兩條對(duì)角線，D1為水平方向上的對(duì)角線值，即為水平方向上的特征尺寸值；同理，D2為豎直方向上的特征尺寸值）圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9為K9光學(xué)玻璃的壓痕顯微照片。

圖2　0.1N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖3　0.25N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖4　0.5N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖5　1N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖6　2N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖7　3N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖8　5N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖9　10N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

最終得到不同種類的光學(xué)玻璃在各個(gè)載荷狀態(tài)下的裂紋特征尺寸如表1～表3所示。

表1　BK7光學(xué)玻璃在各個(gè)載荷狀態(tài)下的特征尺寸值表

表2　K9光學(xué)玻璃在各個(gè)載荷狀態(tài)下的特征尺寸值表

表3　石英光學(xué)玻璃在各個(gè)載荷狀態(tài)下的特征尺寸值表

不同載荷狀態(tài)下的聲發(fā)射信號(hào)的監(jiān)測(cè)如圖10、圖11、圖12所示。可以判斷隨著載荷的逐漸增大，聲發(fā)射信號(hào)也隨之逐漸增強(qiáng)，因此在實(shí)驗(yàn)中的監(jiān)測(cè)是比較穩(wěn)定的。

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圖10　K9光學(xué)玻璃在0.25N載荷下聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)圖

圖11　K9光學(xué)玻璃在0.5N載荷下聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)圖

圖12　K9光學(xué)玻璃在2N載荷下的聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)圖

4　結(jié)論

對(duì)比三種光學(xué)玻璃試件，雖然各自的性質(zhì)不同，但在施加不同的載荷后，得到每種材料的特征尺寸值和壓痕顯微照片，對(duì)比分析可知：1）當(dāng)載荷較小時(shí)，在壓頭和材料的接觸區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)塑性變形的壓坑，此階段材料是塑性變形，并沒有裂紋產(chǎn)生；2）當(dāng)載荷增加到某一臨界值時(shí)，在壓頭正下方的應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生中介裂紋，該裂紋沿著壓痕邊緣擴(kuò)展形成徑向裂紋；3）當(dāng)載荷繼續(xù)增大是，壓痕的側(cè)面上出現(xiàn)側(cè)向裂紋。進(jìn)一步分析這幾種裂紋產(chǎn)生的原因和過程：1）在初始階段，當(dāng)施加的載荷很小時(shí)，在壓頭尖端和工件接觸部分區(qū)域只產(chǎn)生塑性變形；2）持續(xù)加載，當(dāng)載荷增大到某一臨界值時(shí)，在壓頭與工件接觸的應(yīng)力集中處，所受應(yīng)力達(dá)到最大值，超過了材料的斷裂極限，中介裂紋由此產(chǎn)生，由于應(yīng)力集中的存在，中介裂紋沿著壓痕邊緣持續(xù)擴(kuò)展形成徑向裂紋，伴隨著施加載荷的增加，裂紋成比例地?cái)U(kuò)展；3）卸載過程中，載荷減小，中介裂紋逐漸閉合；4）完全扯載后，材料存在的彈性變形區(qū)域?qū)λ苄宰冃螀^(qū)域擠壓，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在此殘余應(yīng)力的作用下，在塑性變形區(qū)域產(chǎn)生側(cè)向裂紋。通過圖10、圖11、圖12分析可知，在本次壓痕實(shí)驗(yàn)中，隨著載荷的逐步增大，聲發(fā)射信號(hào)也隨之逐步增強(qiáng)，因此可以監(jiān)測(cè)處本次實(shí)驗(yàn)中，壓頭和工件表面之間的工作區(qū)域是相對(duì)穩(wěn)定的。

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Monitor indentation experiments of a variety of optical glass characteristic dimension measuredbased on acoustic emission signals

XU Ji-peng, JIANG Chen

TG580.6

A

1009-0134(2016)02-0032-04

2015-12-12

許繼鵬（1992 -），男，上海人，碩士，研究方向?yàn)榫芗庸ぁ?/p>