光学功能玻璃的研究物理学专业.doc

摘 要 为了提高光学玻璃元器件的整体加工效率，提出了将旋转超声端面铣削（ＲＵＦＭ）工艺方法应用于光学玻璃的平面加工。通过分析ＲＵＦＭ金刚石磨粒运动学、动力学特性，结合脆性材料压痕断裂力学理论及材料去除特性，建立了脆性材料ＲＵＦＭ去除模型。在此基础上，开展了ＲＵＦＭ和普通加工光学玻璃的对比试验。扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观察两种加工方式的表面形貌显示：ＲＵＦＭ以较小且均匀的贝壳状碎屑完成材料去除，具有较小的径向裂纹和侧向裂纹尺寸。亚表面损伤磁流变抛光斑点检测的结果表明：与普通加工相比，ＲＵＦＭ可以有效降低光学玻璃加工亚表面损伤深度。理论和试验研究表明，ＲＵＦＭ工艺方法是光学玻璃等脆性材料的有效加工方法。 关键词：旋转超声加工；端面铣削；光学玻璃；表面形貌；亚表面损伤 Abstract In order to improve the overall processing efficiency of optical glass components, the process of rotating ultrasonic face milling (RUFM) process to optical glass is proposed. By analyzing the kinematics and dynamics characteristics RUFM diamond grits, combining the theory of brittle material indentation fracture mechanics and material removal characteristics of brittle material RUFM removal model is established. On this basis, the comparison test of RUFM and normal processing optical glass is carried out. Scanning electron microscope (SEM) observation, according to two kinds of processing methods of surface morphology RUFM small and uniform shell debris to complete the material removal, with smaller radial crack and lateral crack size. The results show that RUFM can reduce the surface damage depth of optical glass, compared with normal processing. The theoretical and experimental research shows that the RUFM process is an effective method for the processing of brittle materials such as optical glass. Key Words: Rotary ultrasonic machining; Face milling; Optical glass; Surface topography; Subsurface damage 目 录 摘 要 I Abstract II 1.1 课题的目的和意义 4 1.1.1 课题的目的 4 1.1.2 课题的意义 4 1.2 课题背景 4 2 BUFM材料去除模型的建立 6 2.1  RUFM金刚石磨粒运动学、动力学特性 6 2.2ＲＵＦＭ材料去除模型建立 8 3.1 试验条件 9 3.2表面特征检测方法 10 参考文献 13 不要删除行尾的分节符，此行不会被打印 第 III 页 1.1 课题的目的和意义 1.1.1 课题的目的 对于光学玻璃元器件的加工，除要求满足机械尺寸精度外，还需保证零件必要的光学功能特性。已有的研究表明，由于光学玻璃硬度高、脆性大、断裂韧性低的固有特性，传统成型加工方法均会产生较严重的表面、亚表面损伤，从而降低了光学零件的强度、长期稳定性、成像质量、镀膜质量和抗激光损伤阈值等重要性能指标［１－３］。为了去除光学零件加工表面、亚表面损伤，确保其光学功能特性，目前主要采用的工艺路线是：切割、磨削、研磨和抛光。而加入中间工序“研磨”的主要原因是研磨材料去除效率高，能够快速去除磨削过程引入的较大表面、亚表面损伤，以达到减少后续抛光时间的目的。 1.1.2 课题的意义 大量的文献调研表明，光学玻璃超声振动加工可以获得较好的加工效果，但光学玻璃金刚石刀具旋转超声端面铣削加工特性的研究报道较少。本文通过分析RUFM粒运动学、动力学特性，结合脆性材料压痕断裂力学理论及材料去除特性，建立了RUFM粒材料去除模型。通过开展光学玻璃RUFM工试验，对比研究了两种加工方式的材料去除、加工表面形貌及亚表面损伤特性。 1.2 课题背景 目前也有些关于光学玻璃超声加工特性的理论和试验研究。1978ithan等［１１］利用Ｘ射线衍射技术开展了光学玻璃悬浮液超声振动孔加工对材料晶格变化及表面完整性影响的研究，首次发现悬浮液超声加工孔壁上有一层明显的结晶物质。Soundararajan等［１２］开展了自由磨粒超声振动加工光学玻璃的研究，运用剖面定位技术分析了磨粒捶击和磨粒自由运动对材料去除的交互作用，研究表明材料的去除以捶击作用为主。Moriwaki等［１３］开展了光学玻璃单晶金刚石刀具沿切削方向超声振动切削的槽加工试验，表明超声振动切削可以提高光学玻璃的临界切削深度，并可获得比传统切削更好的切槽表面轮廓ZHOU[4]超声振动切削加工金刚石刀具损伤和表面创成的研究，提出切削工艺摩擦特性改变和工件切削区域材料变形机理变化是引起超声振动切削加工金刚石刀具损伤降低的根本原因，并指出超声振动切削可以有效抑制光学玻璃脆性断裂趋势、提高其加工性能。张承龙等［１５－１６］建立了脆性材料旋转超声钻削的切削力预测数学模型，并开展了光学玻璃的旋转超声钻削试验，结果表明旋转超声加工可以有效降低切削力，减小出孔崩边尺寸，改善加工特性。 1.3文献综述 旋转超声加工是传统磨削加工和超声振动复合的加工方法，自提出以来已被大量的理论和试验研究证明是一种加工脆性材料和难加工材料的有效方法，如先进陶瓷材料、陶瓷基复合材料、钛合金和不锈钢等材料，可以提高加工效率，减小加工崩边尺寸，改善加工表面质量，降低加工成本［４－６］。PEI］的研究表明，陶瓷材料旋转超声平面铣削加工可以获得比传统加工更好的加工表面质量。ＬＩ等［８］开展了陶瓷基复合材料旋转超声钻削的可行性试验，表明旋转超声加工可以有效降低出孔崩边尺寸，并可以显著降低切削力（约５０％）、提高材料去除率（约１０％）。此外ZHANG等［１０］还分别开展了光学KDP料和不锈钢材料旋转超声加工的可行性研究。 1.4本课题主要研究内容 （1）为了提高光学玻璃元器件的整体加工效率，提出了将旋转超声端面铣削工艺方法应用于光学玻璃的平面加工。 （2）通过分析RUFM粒运动学、动力学特性，结合脆性材料压痕断裂力学理论及材料去除特性，建立了脆性材料RUFM。在此基础上，开展了RUFM工光学玻璃的对比试验。 （3）扫描电子显微镜(SEM)工方式的表面形貌显示：RUFM均匀的贝壳状碎屑完成材料去除，具有较小的径向裂纹和侧向裂纹尺寸。 2 BUFM材料去除模型的建立 2.1  RUFM金刚石磨粒运动学、动力学特性 ＲＵＦＭ是金刚石刀具传统机械旋转加工和工具轴向超声振动的复合加工，图１为ＲＵＦＭ的示意图。附有金刚石颗粒的刀具在高速旋转的同时沿轴向超声频率振动，并沿着被加工表面恒速度或恒切削力水平进给。因此，该加工方法的材料去除是金刚石磨粒磨削材料和传统超声波加工材料去除的复合，包括金刚石工具旋转运动造成的直接机械磨削、金刚石磨粒对工件的高频振动冲击以及振动、滑擦、耕犁和磨蚀作用的叠加。 结合ＲＵＦＭ原理，可以获得ＲＵＦＭ金刚石磨粒运动轨迹方程， 其中：ｒ是金刚石磨粒旋转半径；A超声振动幅值；f超声振动频率；ω是金刚石磨粒旋转运动角速度；VxVyx和y方向的水平进给速度；t加工时间。 根据RUFM粒运动轨迹方程，设定初始值，可以绘制出RUFM,粒运动轨迹示意图，如图2示 由式（１）可以得出ＲＵＦＭ金刚石磨粒的速度和加速度方程： 在端面铣削过程中，一般主轴转速n为3000~6000ｒ·min-1，刀具半径r为5~50mm，因此，主轴旋转引起的平均切削速度v1的范围为：15000~300000mm·min-1。由此可知，金刚石磨粒沿x轴或y轴方向的水平进给速度将远小于因主轴转速引起的切削速度，因此在绘制RUFM粒单周期运动学特性示意图时忽略水平进给速度产生的影响，则RUFM粒单周期运动学特性示意图如图3示 图３中，ｄｃ为轴向切削深度。由图23由于工具的周期振动，使得单颗金刚石磨粒切削过程并没有持续与工件接触，而是切削－空切－切削的周期过程。金刚石磨粒实际切削区域是由小到大的过程，切削速度是由正向切削逐渐减小并转变为负向切削逐渐变大的过程。而实际切削区域金刚石磨粒加速度特性由Ａ与ｄｃ的关系确定： １）当Ａ＞ｄｃ时，实际切削区域磨粒加速度方向始终与切削方向相反，即磨粒切削时因受超声振动影响，使得工件被加工区域无冲击载荷作用； ２）当Ａ≤ｄｃ时，实际切削区域磨粒加速度方向与切削方向是相同－相反－相同的转变过程，即磨粒实际切削区域是由超声振动引起的外载切削－无载切削－外载切削的载荷高频转变切削过程。 从上述分析ＲＵＦＭ金刚石磨粒运动轨迹及振动速度方程式（１）、式（２）和图３可知，相同的主轴转速、进给速度条件下，相同时间内ＲＵＦＭ单颗金刚石磨粒运动轨迹长度及磨粒运动速度大于普通加工，即在材料去除率相同时，ＲＵＦＭ单颗金刚石磨粒单位长度、单位时间内去除材料的体积小于普通加工的去除体积；且若铣削深度小于刀具超声振幅时，磨粒去除材料时无冲击载荷。可见，ＲＵＦＭ可以有效降低加工过程中的切削力［１７］。 2.2ＲＵＦＭ材料去除模型建立 使用金刚石刀具进行加工时，金刚石磨粒的形状一般都不规则，存在许多尖角，当金刚石磨粒作用于加工工件时，磨粒就像一个个小压头与工作表面接触。综合ＲＵＦＭ金刚石磨粒运动学、动力学特性，建立脆性材料ＲＵＦＭ材料去除模型， 如图４所示。 图４ａ表明，普通加工的实际切削深度即为轴向进给深度dc。由图4b可知，RUFM粒实际切削深度da小于轴向进给深度dc。Matsumura等［１８］的研究表明，金刚石刀具切削深度小于100，切削深度与切削力成单调递增的关系。因此可以推断，在一定轴向进给深度的切削条件下，脆性材料ＲＵＦＭ加工可以获得比普通加工较小的切削力。 脆性材料断裂去除的主要原因是磨粒压痕下方形成的横向裂纹延伸至工件表面，使得压痕被完全去除，而工件表面残留坑状缺陷和因压痕产生径向裂纹是影响加工表面粗糙度的主要因素，磨粒压痕中央裂纹深度被认为是加工表面、亚表面损伤深度［１９］。由文［２０］提出的材料尖锐压头中央裂纹和侧向裂纹深度理论计算式可知，中央裂纹深度Ｃｍ和横向裂纹深度Ch的理论计算式分别为： 其中：ＨＶ为材料硬度；ＫＩＣ为材料断裂韧性；Ｅ为材料弹性模量；Ｆｚ为压痕压制载荷，即铣削轴向力；α０为压头锐度角；ｍ为无量纲常数，取值介于１／３和１／２之间。由式（４）可知，压痕中央裂纹深度随压制载荷的增大而增大，即亚表面损伤深度将会因切削力的减小而降低。可见，在一定的切削条件下，ＲＵＦＭ可以有效降低切削力；进而，根