光學玻璃磨削狀態的聲發射監測技術

遲玉倫，李郝林

CHI Yu-lun, LI Hao-lin

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引言

超精密磨削加工是實現光學玻璃高效加工的重要工藝之一，然而實現光學玻璃的超精密磨削是一個十分復雜的工作，機床特性、冷卻液、砂輪磨料成份、砂輪修整、磨削工藝參數等都是影響磨削質量的重要因素。光學玻璃硬度高、脆性大, 其物理機械性能尤其是韌性和強度與金屬材料相比有很大差異。其磨削既不同于一般高脆性材料(金剛石) 的純斷裂過程,又不同于金屬材料的塑性剪切過程, 為了獲得高質量的脆性材料產品,對其磨削工藝進行研究是十分必要的，文獻[1-2]均對該問題進行了研究。為了獲取磨削工藝參數對光學玻璃磨削質量影響的信息，必須對其磨削過程進行有效的監測。聲發射技術是近幾年磨削狀態監測被廣泛采用的一種方法[3]，具有靈敏度高，抗干擾能力強的特點。本文基于聲發射檢測技術，對超精密光學玻璃磨削過程中的砂輪修整、磨削工藝等狀態監測問題進行了試驗研究，研究結果對科學地確定光學玻璃的超精密磨削工藝參數提供了依據。

1 超精密光學玻璃磨削的技術條件

本文所研究的磨削對象為K9光學玻璃，K9光學玻璃作為高功率激光器重要的光學元件,其性能的好壞直接關系到激光器功率輸出的大小和光束質量,K9 玻璃還是高功率激光薄膜的常用基片,它的損傷特性直接影響激光薄膜的抗激光損傷能力,特別是增透膜偏振膜等。針對光學玻璃納米級精度和磨削效率的要求，其加工一般由磨削與拋光兩道工序完成，高精度的表面磨削質量有利于提高光學玻璃的加工效率。因此，研究K9 玻璃表面的高精度磨削工藝具有重要的意義。

由國內外實驗研究表明，為獲得光學玻璃等脆性材料磨削后粗糙度較低的光滑表面，在合適的加工條件下仍能以塑性去除的模式進行加工。實現脆性材料塑性域超精密磨削加工的條件是, 砂輪單個磨粒的最大切削深度應小于脆性材料的臨界切削厚度dc[6]。

式中, E 為材料的彈性模量,MPa；H 為材料的顯微硬度，GPa；KC為材料的斷裂韌性，。在滿足上述切削深度實驗條件下，本文研究了光學玻璃以塑性模式磨削條件下的不同工藝參數與聲發射信號間的關系，為光學玻璃超精密磨削狀態的監測提供了依據。

該實驗選用的磨削機床為Schleifring精密數控平面磨床K-P 48 T，磨削砂輪為SD24000M300GHG30，砂輪平均磨粒尺寸為1μm，磨削液選用水溶性研磨油CG-50P,其濃度配比為4%。

圖1 玻璃磨削試驗裝置

圖1為玻璃磨削試驗裝置，砂輪主軸上安裝了SBS公司的L-4200-5型無線聲發射檢測系統，砂輪與光學玻璃的接觸狀態通過聲發射檢測傳感器傳送至計算機，如圖2所示。通過聲發射磨削監測信號實現對磨削過程的動態實時監測。光學玻璃磨削的粗糙度采用Mitutoyo公司的SJ-201粗糙度儀測量，如圖3所示。

圖2 聲發射磨削監測信號

圖3 測量玻璃表面粗糙度

2 實驗結果和討論

2.1 磨削過程中聲發射信號分析

光學玻璃超精密磨削中，聲發射信號可直觀反映出砂輪與工件的磨削狀態。圖4所示為光學玻璃起始磨削時聲發射信號，ab和ef段表示砂輪與工件未接觸，AE信號值為背景噪聲水平；cd段表示砂輪與工件處于磨削狀態中，AE信號有所增大并且AE信號幅值隨磨削表面質量狀況發生變化，由于玻璃表面不平整，導致聲發射信號出現波動現象；bc段和de段的脈沖反映出砂輪接觸和脫離工件瞬間，聲發射信號所產生的突變情況。因此，聲發射信號直觀反映出砂輪與工件磨削過程中的接觸狀態。

圖4 磨削過程中的聲發射信號

2.2 不同磨削工藝參數下聲發射信號分析

實驗研究表明磨削過程中聲發射信號的變化與工藝參數的設置有關， 如圖5、圖6和圖7給出了不同工藝參數下所對應的聲發射信號分析。

圖5表示砂輪線速度20m/s，進給速度為120mm/min，磨削進給量分別在1μm、2μm和4μm時的磨削過程中聲發射信號的均方根值。由圖5分析可知，磨削進給量越大聲發射信號越強。因此，通過聲發射信號可以監測磨削進給量。

圖5 不同磨削進給量下聲發射監測信號

圖6所示為工作臺進給速度為120mm/min，磨削進給量為2μm，砂輪線速度分別為10m/s、15m/s和20m/s情況下聲發射信號的均方根值。由圖可以看出，AE信號隨著砂輪線速度增大而增大。

圖6 磨削砂輪不同轉速下聲發射監測信號

圖7所示為砂輪線速度20m/s，磨削進給量為2μm，工作臺進給速度分別在120mm/min、360mm/min和1200mm/min時的磨削過程中聲發射信號的均方根值。由圖7可以看出，工作臺進給速度大小對聲發射信號影響不大。其原因是在光學玻璃超精密磨削時，砂輪與工件的磨削模式為塑性磨削，且在磨削量很小的情況下，工作臺的速度對聲發射信號影響很小。

圖7 不同進給速度下聲發射監測信號

由上述分析可知，磨削進給量及砂輪轉速越大，聲發射傳感器信號的均方根值越大，即磨削時磨削力釋放的AE信號越強。光學玻璃磨削過程中聲發射信號小，可以減小工件的磨削損傷。本試驗設置砂輪轉速為10m/s，磨削進給量為1μm。考慮到工作臺進給速度大小對聲發射信號影響不大，同時避免工作臺速度過大造成工件磨削表面劃傷，該實驗設置工作臺速度為120mm/min。

2.3 聲發射信號監測磨削狀態及磨削玻璃表面分析

在設定工藝參數后，磨削玻璃表面起始階段，其聲發射信號如圖4所示，在磨削區域cd段信號幅值會隨著磨削玻璃表面狀況而發生上下波動，反映出玻璃表面較為粗糙。磨削4個小時后，聲發射信號如圖8所示，其磨削區域的聲發射信號已經平穩，表明磨削玻璃表面已經平整，此次磨削已經完成。

圖8 光學玻璃磨削4小時后聲發射信號

將上述超精密磨削前及磨削后玻璃表面放在175倍顯微鏡下觀測其表面質量，如圖9所示，圖9(a)為超精密磨削前表面質量，其粗糙度值為Ra=0.23μm。圖9(b)為超精密磨削后得到極好的光學表面，其表面完全透明，沒有任何劃痕和裂紋的痕跡，經粗糙度儀測量，其表面粗糙度為Ra=0.02μm，滿足實際要求Ra＜0.05μm。

3 結論

1）本文建立了比較完善的光學玻璃磨削聲發射監測實驗系統；

2）通過分析超精密磨削過程中不同工藝參數下的聲發射信號，得出磨削進給量和砂輪線速度對聲發射信號影響有較大影響，工作臺進給速度對聲發射信號強度影響不大。根據此分析結果，可通過聲發射信號監測超精密磨削中的磨削進給量及砂輪轉速的變化；

3）使用聲發射信號監測光學玻璃磨削過程，可直觀有效辨別出磨削過程中被磨削玻璃表面磨削狀況，為優化選擇磨削工藝參數提供了依據。

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