光學(xué)玻璃亞表面損傷深度預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)研究

高睿 姜晨 嚴(yán)廣和 張勇斌

摘要：為了進(jìn)一步揭示超聲振動(dòng)輔助磨削加工機(jī)理，建立了超聲振動(dòng)輔助磨削亞表面損傷深度與斷裂韌性的預(yù)測(cè)模型，設(shè)計(jì)幾何形狀隨機(jī)的單顆磨粒超聲振動(dòng)壓痕實(shí)驗(yàn)和超聲振動(dòng)輔助磨削實(shí)驗(yàn)，調(diào)查兩種情況下K9光學(xué)玻璃壓痕變形區(qū)域形貌特征，提出一種適用于超聲振動(dòng)和非超聲振動(dòng)兩種加載條件的等效斷裂韌性計(jì)算方法，并通過超聲振動(dòng)輔助磨削實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲振動(dòng)可以有效增加K9光學(xué)玻璃抵抗斷裂的能力，降低亞表面損傷程度，且預(yù)測(cè)模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。

關(guān)鍵詞：光學(xué)玻璃;亞表面損傷;單顆磨粒

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

近些年，光學(xué)玻璃因其穩(wěn)定的物理化學(xué)性能、高硬度等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天、軍事等領(lǐng)域。但光學(xué)玻璃的斷裂韌性低，在加工過程中易在表面及亞表面層產(chǎn)生微裂紋、崩碎等缺陷，這直接縮短了光學(xué)玻璃的使用壽命。研究光學(xué)玻璃的亞表面損傷并針對(duì)其深度建立有效的預(yù)測(cè)模型，對(duì)其高效和精密加工具有重要的意義。向勇基于壓痕斷裂力學(xué)對(duì)微晶玻璃研磨加工亞表面損傷深度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，理論值和預(yù)測(cè)值誤差控制在5.56%以內(nèi)。Li等通過Lambropoulos的中位裂紋長(zhǎng)度模型進(jìn)行了進(jìn)一步演變，得出亞表面損傷深度與工件表面粗糙度，指出亞表面損傷深度與表面粗糙度之間應(yīng)該呈非線性關(guān)系。Xiao等同樣建立了關(guān)于亞表面損傷深度與工件表面粗糙度的理論模型。

目前關(guān)于光學(xué)玻璃亞表面損傷的研究多集中于普通磨削加工方面，而關(guān)于超聲振動(dòng)輔助磨削亞表面損傷的研究有待于進(jìn)一步完善。本文以K9光學(xué)玻璃作為研究對(duì)象，首先建立了適用于超聲振動(dòng)輔助磨削條件下K9玻璃亞表面損傷深度與斷裂韌性的預(yù)測(cè)模型，然后基于單顆磨粒壓痕實(shí)驗(yàn)提出一種適用于超聲振動(dòng)和非超聲振動(dòng)兩種加載條件的等效斷裂韌性計(jì)算方法，隨后展開超聲振動(dòng)壓痕和超聲振動(dòng)輔助磨削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的可靠性。

1亞表面損傷深度預(yù)測(cè)模型

根據(jù)Li等的研究得出，亞表面損傷深度（SSD）與表面粗糙度之間應(yīng)該是非線性關(guān)系，可表示為

式（5）所示斷裂韌性計(jì)算方法僅適用于具有對(duì)稱性的標(biāo)準(zhǔn)維氏壓痕變形區(qū)域，但光學(xué)玻璃在磨削加工過程中大多選用金剛石砂輪，而金剛石砂輪磨粒是幾何形狀隨機(jī)的磨粒。在幾何形狀隨機(jī)的單顆金剛石磨粒壓痕實(shí)驗(yàn)中壓痕變形區(qū)域形貌表現(xiàn)出極大的隨機(jī)性和不對(duì)稱性，尤其在施加超聲振動(dòng)條件時(shí)壓痕變形區(qū)域形貌特征更多地表現(xiàn)出劃擦和耕犁效果。為了通過幾何形狀隨機(jī)的單顆金剛石磨粒壓痕區(qū)域計(jì)算出光學(xué)玻璃斷裂韌性，在壓痕變形區(qū)域周圍畫一虛擬圓，此虛擬圓可以包含整個(gè)變形區(qū)域，且直徑等于整個(gè)變形區(qū)域內(nèi)部最長(zhǎng)線段的長(zhǎng)度。該圓的半徑被定義為壓痕變形區(qū)域的等效特征半徑r，用來(lái)代替特征半徑d反映壓痕變形區(qū)域的幾何性質(zhì)，如圖1所示。

計(jì)算出的斷裂韌性稱為等效斷裂韌性KEIC，可表示為

3實(shí)驗(yàn)

3.1超聲振動(dòng)單顆磨粒壓痕實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的操作平臺(tái)為德國(guó)Schleifring公司制造的超精密數(shù)控平面磨床，磨床型號(hào)是K-T48P，壓痕對(duì)象為K9光學(xué)玻璃（工件尺寸：15mmxl5mmx5mm），選擇磨粒粒度為30/40目、尺寸為425～600um的幾何形狀隨機(jī)的單顆金剛石磨粒。圖2為Zeiss光學(xué)顯微鏡下的金剛石磨粒形貌。選用幾何形狀隨機(jī)的單顆金剛石磨粒不但可以研究壓痕變形區(qū)域存在的一般特性，還可以更好地模擬實(shí)際磨削加工中砂輪表面隨機(jī)磨粒對(duì)材料的去除過程。

實(shí)驗(yàn)裝置和裝置示意圖分別如圖3（a）、3㈣所示，Kistler-9257B壓電陶瓷式三向測(cè)力傳感器通過磁力吸附在Schleifring超精密數(shù)控平面磨床的工作臺(tái)上，用于采集壓痕過程中每一時(shí)刻的力信號(hào)數(shù)據(jù)，并采用計(jì)算機(jī)上的DynoWare軟件對(duì)力信號(hào)進(jìn)行記錄保存和數(shù)據(jù)處理;超聲振動(dòng)發(fā)生設(shè)備通過內(nèi)六角螺釘固定在力傳感器上，提供水平x軸方向的一維超聲振動(dòng);K9光學(xué)玻璃用石蠟粘貼在超聲振動(dòng)發(fā)生設(shè)備前端的變幅桿上，保證其表面平整;幾何形狀隨機(jī)的單顆金剛石磨粒用A/B膠粘貼在金剛石磨粒夾具的底端;實(shí)驗(yàn)時(shí)分成未施加超聲振動(dòng)條件下加載和施加超聲振動(dòng)條件下加載兩個(gè)對(duì)比組，完成對(duì)刀后，通過y軸方向施加進(jìn)給來(lái)達(dá)到預(yù)定進(jìn)給深度，壓頭在下壓過程中保持勻速并在達(dá)到指定進(jìn)給深度后停止進(jìn)給，保持10 s后卸載;其他重要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

3.2超聲振動(dòng)輔助磨削實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的操作平臺(tái)同樣為德國(guó)schleifring公司制造的超精密數(shù)控平面磨床。磨削實(shí)驗(yàn)所用工件與壓痕實(shí)驗(yàn)所用工件保持一致，為K9光學(xué)玻璃。針對(duì)其高硬脆性，磨削實(shí)驗(yàn)選擇金剛石砂輪，砂輪粒度為40um，砂輪直徑為300mm，砂輪寬度為30mm。實(shí)驗(yàn)過程中所用磨削冷卻液為水溶性研磨油CG-50P，其體積分?jǐn)?shù)為4%，采用單噴嘴供液法。磨削實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，K9光學(xué)玻璃的粘貼方法、Kistler-9257B壓電陶瓷式三向測(cè)力傳感器和一維超聲振動(dòng)裝置的安裝位置及作用與上述壓痕實(shí)驗(yàn)一致，超聲振動(dòng)輔助磨削實(shí)驗(yàn)其他參數(shù)如表2所示。

實(shí)驗(yàn)后使用石蠟專用清洗劑清洗工件表面石蠟殘余物，用去離子水在超聲波清洗設(shè)備中沖洗整個(gè)工件表面，置于通風(fēng)處晾干后，利用Zeiss光學(xué)顯微鏡測(cè)量工件表面微觀數(shù)據(jù)用于分析。

4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

4.1等效斷裂韌性

如表3和表4所示，根據(jù)等效斷裂韌性計(jì)算公式【式（6）】分別計(jì)算出施加超聲振動(dòng)和未施加超聲振動(dòng)條件下的等效斷裂韌性。已知通過式（5）計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)維氏壓痕實(shí)驗(yàn)所得K9光學(xué)玻璃標(biāo)準(zhǔn)斷裂韌性數(shù)值和未施加超聲振動(dòng)條件下幾何形狀隨機(jī)的單顆金剛石磨粒壓痕實(shí)驗(yàn)所得等效斷裂韌性數(shù)值分別為0.831MPa·m^1/2和0.819 MPa·m^-1/2，二者的數(shù)值非常接近，只有1.5%的差異，這說(shuō)明所提出的等效斷裂韌性計(jì)算方法具有一定的可行眭。而施加超聲振動(dòng)條件下，等效斷裂韌性增加至1.352MPa·m^-1/2，這說(shuō)明K9光學(xué)玻璃在施加超聲振動(dòng)情況下抵抗裂紋擴(kuò)展的能力增加，能夠獲得更好的加工表面和亞表面。

4.2亞表面損傷深度

在磨削過程中，由于砂輪上尖銳金剛石磨粒的作用，在K9光學(xué)玻璃加工表面下方會(huì)產(chǎn)生亞表面裂紋。對(duì)上述進(jìn)行的一系列施加超聲振動(dòng)和未施加超聲振動(dòng)條件下磨削實(shí)驗(yàn)所用K9光學(xué)玻璃，通過磁流變斑點(diǎn)拋光法測(cè)量其亞表面損傷深度。使用磁流變拋光裝置拋光得到一個(gè)長(zhǎng)度為2 cm、深度為100 um的斑點(diǎn)。將拋光后的工件置于體積分?jǐn)?shù)為1%HF溶液中5 min，然后用丙酮、乙醇和蒸餾水在超聲波清洗器中清洗，使用TaylorHobson輪廓儀測(cè)量該點(diǎn)輪廓并得到亞表面損傷深度數(shù)值。在光學(xué)顯微鏡500倍放大倍率下觀察工件拋光斑點(diǎn)的磨削表面和拋光表面。工件上6個(gè)觀察點(diǎn)的亞表面損傷深度取平均值，獲得每個(gè)工件在磨削中產(chǎn)生的實(shí)際亞表面損傷深度。測(cè)量出兩種加載條件下K9光學(xué)玻璃超聲振動(dòng)輔助磨削實(shí)驗(yàn)的亞表面損傷深度數(shù)值，如圖5所示。通過圖中的數(shù)值變化折線可以看出，超聲振動(dòng)有效降低了磨削過程中工件的亞表面損傷深度，其結(jié)果與超聲振動(dòng)輔助磨削亞表面損傷深度預(yù)測(cè)模型具有良好的一致性。

5結(jié)論

基于幾何形狀隨機(jī)的單顆磨粒壓痕實(shí)驗(yàn)，提出一種適用于超聲振動(dòng)和非超聲振動(dòng)兩種加載條件的等效斷裂韌性計(jì)算方法，并建立適用于超聲振動(dòng)輔助的磨削亞表面損傷深度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。

通過超聲振動(dòng)輔助磨削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施加超聲振動(dòng)可以有效增加K9光學(xué)玻璃抵抗斷裂的能力，且有效降低了亞表面損傷程度。