鈉鈣玻璃的單磨粒變切深劃擦表面完整性實驗

陳夢凱　滕琦

關鍵詞 鈉鈣玻璃；單磨粒劃擦；變切深劃擦；表面完整性

中圖分類號 TG58 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）06-0693-05

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0079

收稿日期 2022-05-26 修回日期 2022-08-25

硬脆玻璃制成的光學元件廣泛應用于天文觀測系統、激光聚變裝置、精密光學測量儀器等領域。然而，玻璃作為典型的硬脆材料，其硬度大、脆性大和斷裂韌度低等特點使其難以加工。目前，光學玻璃的加工過程包括粗磨、精磨和拋光[1]，最耗時的拋光所占加工時間往往在整個流程中占一半以上，若能在粗磨和精磨階段就通過使用合理的加工參數，提高加工效率、降低表面與亞表面損傷，獲得高表面質量的工件，就能降低拋光的時間和成本。因此，為了提高硬脆玻璃在磨削階段的加工效率，降低加工成本，有必要對其加工過程中的表面完整性進行研究，以提高加工效率并提高表面加工質量。

砂輪磨削硬脆玻璃的參數對材料去除機理的影響比較復雜，但制約這一過程的根本因素是砂輪?工件相互作用區域的應力狀態，學者常常采用單磨粒劃擦來研究此過程。了解單磨粒劃擦過程中的應力場分布，進而深入了解磨削過程中的材料去除、裂紋形成和擴展機理等[2-4]。QIU 等[5] 使用單磨粒刀具對玻璃陶瓷進行了單磨粒和雙磨粒劃擦實驗，研究了其裂紋的擴展與交織、表面形貌和材料去除的機理，發現橫向裂紋朝自由表面擴展，表面上的橫向裂紋和徑向裂紋交織是表面材料去除的2 個主要原因。FENG 等[6] 采用具有不同大小半頂角的磨粒，開展了固定載荷下的硬脆光學玻璃的單磨粒劃擦實驗，并研究了其裂紋的形成、擴展與交織。王偉[7] 通過單顆磨粒劃擦實驗，研究了磨粒與工件之間接觸區域的應力狀態，建立了柱坐標和球坐標系下單顆磨粒劃擦光學玻璃的應力場解析模型，并對石英玻璃和硬脆玻璃的裂紋形成位置與序列及其對材料去除機理的影響進行了研究。YANG 等[8]用納米壓頭對玻璃陶瓷進行了不同劃擦次序的多劃擦實驗，以研究多次劃擦相互作用對材料去除機理的影響，建立了多劃擦應力場模型來分析表面形貌與形變、裂紋擴展和切屑去除間的關系。結果表明：劃擦次序連續時，由于更高的最大主應力，其裂紋擴展比劃擦次序不連續時嚴重。

以上研究大多采用壓痕實驗與低速定切深劃擦實驗方法，并未考慮真實磨削過程中高速變切深劃擦時硬脆玻璃的塑性與脆性去除機理與低速狀態下的差異。為此，通過設計鈉鈣玻璃單磨粒高速漸變切深劃擦實驗，以實現真實磨削中單磨粒劃擦過程中的劃擦、耕犁、切削階段， 并通過研究鈉鈣玻璃表面形貌的演變與脆性去除階段表面裂紋的生成與擴展規律，探究硬脆玻璃在精密與超精密磨削加工過程中的材料去除機理。

1 實驗材料與方法

1.1 鈉鈣玻璃工件

實驗所用的鈉鈣玻璃尺寸為14 mm × 14 mm × 3 mm，通過宇舟YZXQ-2 自動單頭鑲樣機進行熱鑲樣，得到?22 mm × 15 mm 的鑲樣件。然后，使用磨拋機和240 目（棕剛玉磨粒粒度中值為61 μm）的砂紙，去除鑲樣件兩側的鑲嵌料，即圖1 中的陰影部分。研磨后對兩側面進行測量，要求兩側面保持相對平行，并與鑲樣件底部垂直，目的是將兩側面作為裝夾平面使用。然后，將工件表面分別在磨拋機上用240 目、400 目（棕剛玉磨粒粒度中值為38 μm）、800 目（棕剛玉磨粒粒度中值為18 μm）和1 200 目（棕剛玉磨粒粒度中值為12 μm）的砂紙進行研磨后， 再用磨粒粒度中值為2.5 μm 和1.0 μm 的金剛石懸浮拋光液進行拋光，拋光后的工件將應用于劃擦實驗中，其表面粗糙度約為20 nm。磨拋后的鈉鈣玻璃工件如圖2 所示。

1.2 實驗裝置與設計

實驗采用美國赫克（Hurco）公司生產的VMX42SRTi主軸偏擺式五軸加工中心進行鈉鈣玻璃的單磨粒漸變切深劃擦實驗，其中的漸變切削深度設置為0～50 μm。由于本加工中心的定位精度為0.008 mm，重復定位精度為0.004 mm，可以滿足實驗要求。

實驗中使用的定制刀盤回轉半徑為250 mm，由于其回轉半徑足夠大，形成的劃痕近似為直線。所用的刀具是型號為PCD-TPGH110302L 的正三角形單刃刀具，刀尖圓角半徑為200 μm。單磨粒PCD 刀具尖端如圖3 所示。進行前刀角為53°的單磨粒劃擦實驗，由于實驗中使用的定制刀盤的質量和轉動慣量較大，考慮實驗過程中操作的安全性，設計3 組試驗，其劃擦速度分別為1、5 和10 m/s。

實驗裝置如圖4 所示。圖4 中：定制刀盤安裝于五軸機床主軸，工件裝夾于平口鉗中，平口鉗使用夾緊機構固定于加工平臺上，使用千分表調整平口鉗使其與工作平臺平行，以保證實驗精度。

實驗完成后將工件置于酒精中超聲清洗10 min，以將其表面污染物清洗干凈。同時，對鈉鈣玻璃工件劃擦表面進行噴金處理，增加工件的導電性，便于后期的SEM 觀察。

2 實驗結果與討論

在磨粒與工件相互作用的過程中，材料去除方式經歷了塑性階段（ductile regime）、脆塑性轉變階段（ductile-brittle transition regime， DBT） 和脆性階段（brittle regime）3 個階段[9-11]。塑性階段的光學玻璃材料如同金屬材料一樣，通過塑性流動的方式去除，一部分材料形成連續的切屑通過前刀面排出，另一部分材料塑性流動后堆積在劃痕兩側，該階段幾乎不產生表面與亞表面裂紋；進入脆?塑性轉變階段后，塑性流動伴隨微破碎成為材料的主要去除方式，劃痕的表面平整性下降；而在脆性階段，材料表面和亞表面的裂紋擴展交織，導致材料以較高的去除率脆性去除，形成表面與亞表面損傷[12-13]。鈉鈣玻璃在劃擦速度為1 m/s 時的劃痕SEM 形貌和3D 形貌如圖5 所示。從圖5 可以看到：塑性階段和脆?塑轉變階段的長度占劃痕總長的比重都較小，說明在劃擦深度隨著劃擦距離增加時，材料的去除方式還是以脆性斷裂去除為主，劃痕表面的不規則裂紋逐漸增多，裂紋長度逐漸增加。

鈉鈣玻璃在不同劃擦速度與不同劃擦階段下的表面形貌細節如圖6 所示。從圖6 可以看出：

（1） 在圖6a、圖6d 、圖6g 的塑性階段，磨粒與工件之間的相互接觸作用主要以塑性劃擦為主，材料去除發生在硬脆玻璃的塑性域內，即單顆磨粒的切削深度小于材料的脆?塑轉變深度。觀察不同劃擦速度下硬脆玻璃塑性階段的劃痕表面形貌，可以比較清楚地發現：從1 m/s 到5 m/s 再到10 m/s，隨著劃擦速度的提高，工件劃痕表面質量提高；在劃擦速度為1 m/s 時，劃痕兩邊的材料隆起較明顯，5 m/s 和10 m/s 時劃痕兩邊的材料隆起較輕微； 3 種速度下的工件表面上都觀察到了塑性流動產生的連續帶狀切屑，并且隨著劃擦速度的提高，連續帶狀切屑的長度也逐漸增加。這是由于隨著劃擦速度的提高，更高的應變率和劃擦溫度有效抑制了脆性斷裂的發生和增長，促進了材料的塑性去除，從而產生了更淺的穿透深度和更加連續的切屑[4]。假定塑性劃擦階段磨粒通過工件表面后，使工件表面產生塑性材料去除，則留下的劃痕截面輪廓應該基本上與磨粒在垂直于磨粒前進方向上的截面輪廓一致。在材料彈性回彈較小的情況下，通過測量塑性階段的劃痕槽寬的最大值可以證實，硬脆玻璃隨著劃擦速度的提高，塑性區的最大寬度都呈上升趨勢，即材料的脆?塑轉變深度增大。

（2） 在圖6b、圖6e 、圖6h 的脆?塑轉變階段，劃痕表面可以同時觀察到塑性流動、大量的微裂紋和微破碎的痕跡，此時磨粒的切深正好處于硬脆玻璃的脆?塑轉變切削深度附近，切削過程將從塑性逐漸轉為脆性。觀察不同劃擦速度下的劃痕寬度可以發現：在劃擦速度為1 m/s 時，劃痕左側存在比較明顯的塑性流動痕跡，劃痕右側則為脆性斷裂去除，且劃痕兩邊存在零星的長度較短的徑向裂紋；同時，在此速度下的劃痕槽寬也明顯大于5 m/s 和10 m/s 時的劃痕寬度。

（3） 在圖6c、圖6f 、圖6i 的脆性階段，磨粒的切深大于硬脆玻璃的脆?塑轉變切削深度，加載時在塑性區底部會形成中位裂紋和徑向裂紋并擴展，卸載時又會形成橫向裂紋。且中位裂紋向工件深度方向擴展，將會導致材料強度下降；橫向裂紋向自由表面偏移后與徑向裂紋交織造成材料脆性斷裂去除。故磨粒經過的位置形成了不規則的脆性去除后留下的劃痕，劃痕的兩邊和底部都產生了明顯的破碎[14]。另外，在工件表面可以觀察到大小不一的脆性斷裂形成的切屑，且劃痕兩邊與劃擦方向成一定角度的徑向裂紋清晰可見。

3 結論

進行了鈉鈣玻璃從1 m/s 到10 m/s 的漸變切深單磨粒劃擦實驗，漸變切削深度為0～50 μm；探索了鈉鈣玻璃單磨粒劃擦過程中的表面形貌及裂紋擴展情況，得出結論如下：

（1） 在塑性去除階段，通過測量塑性階段的劃痕槽寬的最大值可以證實，鈉鈣玻璃隨著劃擦速度的提高，塑性區的最大寬度都呈現上升趨勢，即材料的脆?塑轉變深度增大。

（2） 在脆?塑轉變和脆性去去除階段，隨著劃擦速度的提高，材料的塑性可加工性能提高。因此，在實際磨削加工中，提高磨削速度，被加工材料抵抗微裂紋形成的能力增強，從而可提高被加工材料的表面完整性。

作者簡介

通信作者：滕琦，男，1993 年生，碩士研究生。主要研究方向：磨粒精密加工技術及理論。

E-mail：liwushi2022@163.com

（編輯：周萬里）