粗磨粒砂輪修整及光學(xué)玻璃平面磨削分析

趙玲玲

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

隨著對光學(xué)元件，特別是大尺寸玻璃的精密加工的需求的增加，加工成本和加工效率受到更多關(guān)注。一些文獻(xiàn)指出，光學(xué)玻璃可以通過粗磨粒金剛石砂輪進(jìn)行精密磨削，這些砂輪主要為釬焊金剛石磨粒或細(xì)粒青銅黏合金剛石磨粒。但只有少數(shù)人考慮加工成本、效率和加工質(zhì)量。本文選擇一種更有效的材料來修整粗磨粒金剛石砂輪，從而實(shí)現(xiàn)了BK7、熔凝石英和熔融石英光學(xué)玻璃的精密磨削。

1 仿真分析

AdvantEdge軟件用于仿真切削鋼材時(shí)具有負(fù)前角的單金剛石砂粒的磨損狀態(tài)，旨在選擇最有效的材料來修整電鍍金剛石砂輪。金剛石磨粒在切削速度140m/min，進(jìn)給深度0.03mm以及無磨削液的情況下切削鋼材。通過比較Usui’s磨損模型計(jì)算的磨粒磨損量，可以得出美國金屬D3級(jí)鋼更有利于提高金剛石磨粒的磨損速度。D3鋼是冷模鋼，強(qiáng)度高，淬透性好，耐磨性好。刻劃D3鋼時(shí)金剛石磨粒頂部的放大圖如圖1所示。可以看出，在加工條件下，金剛石磨粒的磨損量為0.898um。

圖1 刻劃D3時(shí)的磨粒磨損狀態(tài)

2 砂輪修整和精密磨削實(shí)驗(yàn)

2.1 儀器和參數(shù)

91um磨粒尺寸的電鍍金剛石砂輪由D3鋼塊修整。 然后對BK7，熔凝石英和熔融石英通過有效修整的砂輪進(jìn)行精密磨削（見圖2）。此外，通過聲發(fā)射（AE）傳感器和測力儀有效地監(jiān)控加工過程。加工參數(shù)列于表1中。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

表1 加工參數(shù)表

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 砂輪修整實(shí)驗(yàn)

使用D3鋼對91um磨粒尺寸電鍍金剛石砂輪進(jìn)行修整。從圖3中可以看出，由激光測微儀測得的跳動(dòng)曲線表明，砂輪跳動(dòng)誤差在6小時(shí)內(nèi)從最初的20.8μm減小到最終的5.8μm。鋼和碳之間的親和相互作用和化學(xué)反應(yīng)可能發(fā)生在接觸區(qū)域，這也增加了修整速度。

圖3 修整過程中的砂輪跳動(dòng)曲線（跳動(dòng)誤差為20.8um、11.2um、5.8um）

Malkin指出，修整涉及粘合斷裂和磨料破碎，可分為宏觀破碎和微碎裂。圖4顯示，更高突出的磨粒在磨損后顯示出宏觀斷裂和微碎片現(xiàn)象。但由于較高的結(jié)合鍵強(qiáng)度，幾乎沒有鍵斷裂，因此沒有磨料鈍化。當(dāng)突出的磨削尖端變平或破裂時(shí)，修整的砂輪的跳動(dòng)誤差將減小。

2.2.2 精密磨削實(shí)驗(yàn)

BK7，熔凝石英，熔融石英光學(xué)玻璃通過修整后的電鍍金剛石砂輪進(jìn)行平面磨削。通過輪廓儀和AFM測量工件表面粗糙度如圖5所示。可以看出，這三種光學(xué)玻璃均達(dá)到精密磨削表面，Ra值小于23nm（Talor Horbson）和30nm（AFM）。

圖5 輪廓儀測得工件Ra值及其AFM圖像

3 結(jié)語

使用D3鋼對91um磨粒尺寸的電鍍砂輪進(jìn)行了良好的修整，達(dá)到跳動(dòng)誤差小于6um。然后平面磨削光學(xué)玻璃加工表面達(dá)到納米級(jí)，可見粗磨料砂輪在精密磨削光學(xué)元件的適用性和成本效益方面的良好前景。