微纳制造外文文献翻译.docx

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微纳制造外文文献翻译

光学玻璃在微纳压痕和金刚石砂轮上的变形分析

摘要：

以往的研究精密磨削光学玻璃是采用电解修整（ELID）技术，主要集中在磨削时的电解修整和加工参数的作用，其目的是产生非常“平滑”表面来降低表面损伤。

然而，当spectrosil2000和BK7玻璃在ELID技术协助下磨削时，在材料去除机理和砂轮磨损方面还尚未有比较深入的研究。

在本文中，在本论文中，微纳米压痕技术最初应用在研究光学玻璃的机械性能，然后根据结果来评估它的可加工性。

单粗砂金刚石玻璃刮痕，根据不同的材料去除模式，刮伤的痕迹显示4种划伤的特点。

在正式的磨削实验下，根据对应的微纳米压痕口来看，spectrosil2000比BK7玻璃具有更好的可加工性。

在相同的磨削深度参数下，声波发射（AE）的原始信号的幅值较小，在该情况下得到一个更好的表面质量。

而对于这两种玻璃，随着磨削深度的增加，表面粗糙度呈现不同的变化趋势，力比与AE原始信号之间呈相反地变化趋势，这是由不同的材料去除型态造成的。

此外，砂轮表面的SEM显微照片表明，BK7玻璃研磨后的砂轮表面上的金刚石磨粒比spectrosil2000玻璃研磨后产生更严重的磨损。

本文研究分析了在不同材料去除模式的磨削过程中产生了那些变化，可以为生产高品质的光学玻璃和全面评估光学玻璃的上表面和下表面的完整性它提供一个理论基础。

关键词：

光学玻璃，微纳米压痕，单粗砂金刚石划伤，材料去除模式，表面完整性，电解修整（ELID）

1引言

一般来说，在磨削加工中去除硬脆性材料方面可分为两大类：

脆性断裂和塑性变形。

前者是由硬压头压脆性材料。

后者是类似金属研磨的切屑形成过程，其中涉及刮伤，即韧性材料去除。

在划伤和研磨脆性的材料中存在塑性变形，如硅和陶瓷，其中前者是由非晶相变引起。

后者是通过滑移运动引起的位错。

但是，对于无定形的光学玻璃中，位错不存在。

通讯作者电子邮箱：

zhao_a_ling@该项目由中国国家重点科学技术项目（批准号：

2009ZX04001-101，批准号：

2009ZX01001-151）支持，新世纪优秀人才，在中国人民大学（批准号：

NCET-07-0246），和预研项目，总装备部中国（批准号9140A18070209HT0138）2012年柏林海德堡©中国机械工程学会和施普林格出版社。

笔者认为，材料的塑性变也许是因为他们剪切位置造成的。

以前用电解修整（ELID）技术来研究精密磨削光学玻璃主要集中在以下三个方面。

首先，一些学者在研磨的效果上采用电解修整（ELID）来分析。

在刀具磨损的高昂代价下采用了高电流占空比可以得到更平滑的表面[4]。

通过选择合适的的ELID参数和磨削条件，可以使砂轮的研磨是稳定的，不会产生严重堵塞[5]。

用电解修整（ELID）使树脂粘在金刚石砂轮上，使金刚石砂轮得到休整，这样细颗粒和粗晶粒砂轮都可以产生光滑的表面。

STEPHENSON认为当砂轮与工件的接触面积大时ELID可用于有效的去除材料。

因此可以看出，ELID在磨削玻璃的质量上起着重要的作用。

其次，还可以通过优化加工参数来产生“平滑”表面。

显然砂轮表面上晶粒的平均尺寸的影响是明显的。

相比砂轮的晶粒尺寸，砂轮速度和进给速率对表面质量的影响是次要的。

三轴数控精密磨床被用于磨削大型平面和球面，光伏表面形式分别是3-4um，4-5um。

第三，由于进行了一些这方面的研究，从而减少了表面损伤。

有人指出用最大的亚表面损伤深度（SSD）的线性扩展可以看出平均裂纹长度和表面粗糙度。

这些关系可以有效地作为非破坏性来估计SSD深度和通过调查中位数和系统脆性表面的横向裂缝理论模型。

这是一种有效的识别验证法。

有了这个模型，通过测量光学元件的表面粗糙度可以准确地预测亚表面损伤深度。

然而，当在ELID技术帮助下研磨spectrosil2000和BK7玻璃时，对深入研究材料去除机理和砂轮的磨损方面的研究还没有得到相应的结论。

为了得到高质量的光学玻璃，分析在不同的材料去除模式下在磨削过程中的变化是至关重要的，以便我们能够全面评估光学玻璃的上表面和下表面的完整性。

为了实现这一目标，我们做了“微纳米压痕实验”，“单粗砂金刚石划伤”，“用ELID研磨”等研究实验。

2实验条件

Spectrosil2000是一种化学纯度超过99.9％的超纯合成石英。

BK7玻璃是制造光学组件常用的材料，因为它有很多很好的性质，如耐划伤性能，在可见光范围内高度线性化的光线的传输和化学稳定性。

然而，硬脆材料的性能和高精度的表面质量的需求就是这两种玻璃用金刚石磨削一个主要的问题，。

BK7和Spectrosil2000的某些物理特性，热特性和机械性能如表一所示

微压痕实验在MHT-1与维氏压头下进行。

NanoTest600用于2-400mN常用负载下的纳米压痕测试。

研磨刀具是Tetraform“C”，由于具有准确定位的四面体结构，它具有很高的静态刚度和动态刚度，如图1（a）所示。

另外三个支柱以类似的方式连接并支撑连接的单元。

一个垂直的空气静压磨杯形砂轮主轴，与一个驱动电机连接成一整体，合适“Z”方向的移动，最大的转速是6000转每分钟。

水平方向上滑动的“X”轴和“Y”轴都连接到基座的支柱上且各自的最大行程为220毫米和120毫米。

图1（b）是该实验的实验装置，内部的仪器和参数列在表二。

3实验结果和讨论

3.1Spectrosil2000和BK7玻璃的微纳压痕

当磨削玻璃在一个小的压痕口上研磨时压痕断裂技术的方法和磨料工件之间的相互作用的情形是一样的。

两种裂纹都源自塑性区：

中间裂纹或是径向裂纹以及横向裂纹。

中间裂纹或是径向裂纹通常与强度退化有关，横向裂缝与材料去除有关。

用100克和300克的负载维氏压头观察变形和断裂模式，结果如图2所示。

在图图2（a）spectrosil2000呈现一个不规则的“扇贝壳”裂纹形状，在一百克的缩进负载的作用下比负载增加至300g时的形成的径向裂纹更长。

在静态条件下的不规则裂纹可能暗示在动态磨削过程的可加工性不好。

在图2（b）中显示了BK7玻璃分别在100克和300克缩进负载下呈现出的图形特征。

最明显的特征是具有鲜明的边缘压头的压痕映射的图形随负载的变化产生的微小的影响。

光学研磨过程可以被视为在脆硬表面由于尖锐的压头引起的大范围压痕。

因此，通过上述压痕测试，可以推断BK7玻璃比spectrosil2000应具有较好的切削性性能。

压痕试验的结果表明，和BK7玻璃比spectrosil2000有更大的硬度和更低的弹性模量，可能是由于氧化硅的含量高的缘故（几乎接近100%）。

图三显示了随负载的改变（10-400Mn）最大的压痕深度和最大的剩余层深度。

在负载卸去后，压痕处会产生弹性恢复的现象。

在这种情况下，压痕深度被叫做

f，相对的弹性恢复率等于。

从这里可以明显看出BK7和spectrosil2000尽管是脆性材料，但在负载较小时却呈现出弹塑性。

这两种玻璃种，spectrosil2000由于hf值小，使其具有更高的弹性恢复率，产生塑性变形少，所以它的脆韧转变的临界深度较低。

这意味着，在相同的磨削参数下，当BK7玻璃是纯粹的韧性清除，spectrosil2000玻璃可能是脆性去除模式下的研磨。

因此，相对弹性恢复率在表征材料的塑性和评估研磨时材料去除的方式时起着非常重要的作用。

综上所述，微纳米压痕技术最初被用于研究光学玻璃的机加工特性，根据各种各样的缩进形态和相对弹性回复率，用这些来评估该材料的可加工性，以及材料去除模式下，动态的研磨过程中的可加工性。

3.2单粗砂金刚石划伤测试

spectrosil2000作为一个例子，单粗砂金刚石研磨显示4种不同划伤特性的区域（如图4）。

该区域主要按微裂纹的具体形式的分类。

区1示出了纯粹的韧性，即无裂纹的材料去除量，表示该脆性材料，可以实现在适当的加工条件下的延性模式研磨。

第2区主要是韧性的材料去除量，第一微裂纹出现在划痕的底部。

随后，脆性去除模式增加。

因此，区域3示出了第一微裂纹出现在伤痕的边界并延伸到基体材料中去。

区域4中所示，随着刮痕深度的增加，这些相连的裂缝使脆性材料的移除量增加，最终形成了贝壳状的屑片。

3.3规范磨削

3.31分别用原子力显微镜（AFM）和SEM来观察已磨削的上表面和下表面

在得到SEM图像前，样品的准备工作如下：

首先，磨削玻璃在横截面处用金刚石锯在磨削面和锯的表面呈135°角的地方锯开。

第二，横截面被树脂粘合、包裹，然后用三氧化二铝进行研磨和抛光，使磨粒的大小达到1-3um，第三，把样品放入HF溶液中，并蚀刻暴露的磨削裂缝，如图5。

最后，样品镀金后在高分辨率的扫描电镜下成像。

图6显示了AFM3D图像和在AE值为10um下研磨的2D玻璃表面轮廓.这些二维轮廓图反映了由AFM在三个不同的方向测得的表面粗糙度，包括微孔，这是用来估计那些小孔或是易碎部分的裂痕在玻璃内部的位置。

相反地，在3D图像中，描绘的是工件的表面，以至于工件表面凹槽能清晰地显示出来。

这个实验的结果（如图6）说明：

（a）spectrosil2000在一种脆性材料去除模式的成形表面上磨削，这与微纳压痕口所显示的结果是相近的，没有统一的裂解模式暗示着一个糟糕的加工特性。

此外，由于最初表面层的去除量只有约100纳米深，表面光洁度不好，也可能意味着更后续的抛光时间可能会更长。

考虑BK7玻璃，磨削表面显示了韧性材料去除模式明显的磨痕，尽管很少有微孔尺寸达到1-3um磨削深度也比spectrosil2000浅。

微表面上除了有个别微孔外，它非常的光滑。

图7显示了运用SEM观察到的表面形态，成锐角的表面平面的锥裂纹也低于1um。

对于BK7玻璃，其径向破裂，平行和垂直于磨削方向，都不大于1um，密度小于spectrosil2000。

有人指出，较高的屈服极限，可以得到更好的表面完整性。

实验结果证实了这一点，因为高0.5KC值（0.85兆帕•米）比spectrosil2000较低的KC值（0.74兆帕•米），BK7表现出更好的表面完整性。

3.3.2磨削力比分析

图表3基本罗列了ae等于3um或等于10um写的磨削参数，用泰勒霍普森轮廓仪测量表面粗糙度值，法向力

，切向力Ft和适当的磨削力的比

如图8和表3所示，在磨削参数相同时，BK7的法向磨削力和切向磨削力比spectrosil2000小，这是由材料特性的不同造成的。

由于不同的材料去除模式，对于这两种不同类型的玻璃，增加测量表面上AE的值与表面粗糙度值是反比例的关系。

磨削还受到尺寸的影响，即切削的越深，单位面积上的切削力就更小，但是在实验中测量的磨削力是在总的接触区域上的磨削力，它无法反映尺寸带来的影响。

当ae的值从3um变成10um时，对应表面的粗糙度值从3.09nm降到2.14nm，与此同时，由于滑动摩擦力的增大，法向力和切向力的值也随之增加。

除此之外，在延性去除模式下，当切向力比法向力大时，滑动摩擦起着更加重要的作用，这样切削力比的值比上发向力的值，导致切向力大小的宽度被减小。

关于spectrosil2000脆性去除模式，当ae的值从3um变化到10um，相应的表面粗糙度值从10.6nm增加到12.9nm。

与此同时，磨削时的切向磨削力

减小了，而

的值几乎是一个常数。

所以磨削力比（

）是增加了。

除此之外，我们明显注意到：

从力的轨迹线可以看出，BK7的磨削力波动（几乎在1.5N左右）比spectrosil2000的波动要小（1.6~2.5N）。

磨削稳定性的提高有利于Ra值的减小，使表面质量得到提高。

对于在相同ae值得不同光学玻璃来说：

不同的材料去除模式，会产生更小的磨削力和磨削力比（

），同样更加稳定的力曲线对应一个更加好的表面质量。

然而，对于这两种玻璃来说，随着ae值得增加，被测表面的粗糙度值以及力比值得变化趋势是相反的，这都是由于材料去除方式的不同造成的。

3.3.3声波发射分析

在用金刚石研磨光学玻璃的过程中，发射的声波被用来监测裂纹的形成，裂纹的扩展，以及用来减少热损伤和机械损伤。

在本文中，发射声波的幅值和均方根（RMS）值，被用来分析磨削过程的特征。

如图9所示，发射声波信号的幅值从3um变化到10um时，spectrosil2000的均方根值增大了，而BK7的减少了。

因此，ae值对这两种玻璃的均方根值得影响是相反的。

这和磨削力比的特性相同（见表3）

3.3.4砂轮磨损分析

在精密磨削时，有效地控制砂轮的磨损是很重要的，它会严重影响砂轮表面的形状和精度。

在实验的最后用显微镜观察使用过得砂轮表面，进而来确定砂轮的磨损特性。

SEM显微镜图如图10所示，该图揭示了参数ae值等于10um下，砂轮表面上的金刚石颗粒磨损断裂。

当磨削spectrosil2000时，砂轮表面有效磨料减少，单粗砂的边缘被损坏，使它的整体性能变坏。

当磨削BK7时，砂轮表面上显示明显的磨口和表面划伤，此外，磨料磨具边缘有比较良好的完整性和形态，对BK7玻璃来说，这种行为是由于摩擦时产生的低磨削力造成的，列于表3。

因此，考虑到研磨BK7时，金刚石磨粒的尖端处的温度是比较低的，导致形成的金刚石晶体石墨减少，因此它明显受磨削过程中温度的影响。

此外，其他的磨损现象也有这种倾向，随着磨削力的下降而下降。

4总结

（1）微纳米压痕技术最初被用于研究光学玻璃的机加工特性，根据各种各样的缩进形态和相对弹性回复率，用这些来评估该材料的可加工性，以及材料去除模式下，动态的研磨过程中的可加工性。

单粗砂金刚石研磨显示4种不同划伤特性的区域，该区域主要按微裂纹的具体形式的分类。

（2）在正常磨削时，不同的光学玻璃有不同的性质。

在相同的磨削参数下，spectrosil2000玻璃的磨削精度值Ra可以达到10nm且表层损伤深度小于1um，而BK7玻璃的磨削精度值Ra达到3.09nm，裂缝密度比spectrosil2000少，其结果表明BK7玻璃壁spectrosil2000具有更好的可加工性。

与此同时，实验结果证实了Ref.[11]中提出的观点，即较高的断裂韧性值，可以产生更好的表面完整性。

（3）当在ae值相同的情况下对比各种光学玻璃的磨削，因为不同的材料去除型态，AE原始信号的幅值越小，磨削力和磨削力比

曲线越稳定，对应生成的表面质量越好。

然而，随着ae值得增加，被测表面的粗糙度值也呈现不同的变化趋势，对这两种玻璃来说，力比与AE原始信号之间呈相反地变化趋势，这是由不同的材料去除型态造成的。

（4）精密磨削时，很重要的是要能够有效地控制砂轮的磨损。

使用过的砂轮表面的SEM显微图可以看出，单粗砂金刚石用于磨削spectrosil2000的磨损程度要比用于BK7玻璃严重的多。

这是由于在磨削时，单粗砂金刚石的尖端处产生高温使磨削力增加造成的。

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