BK7光学玻璃超声振动磨削脆塑性转变及加工质量研究

摘要

光学玻璃材料凭借优异的物理和化学性能，在光学仪器、新能源、生物医疗和航空航天等领域具有广泛的应用，加工表面和亚表面质量将直接影响光学零件的透光性和折射率等性能。由于光学玻璃材料自身所具有的高脆性和低断裂韧性等特点，在磨削加工过程中极易引入裂纹甚至产生脆性断裂等缺陷。为保证实际应用对光学玻璃零件的高质量、低损伤的技术要求，光学玻璃零件的制造工艺过程一般包括精密磨削、超精密研磨和抛光等。提高磨削加工质量、减小已加工表面粗糙度和亚表面损伤程度，有助于减少后续超精密研磨和抛光工序的加工时间、提高整个制造工艺链的效率。
　　超声振动辅助磨削加工技术在一定程度上改变了加工过程中磨具的运动学特性，在改善加工质量方面具有潜在的技术优势，但目前关于光学玻璃材料超声振动辅助磨削加工中材料去除及表面和亚表面质量方面的研究还不完善。开展超声振动作用对光学玻璃超声振动辅助磨削材料去除过程及加工质量影响的研究，对实现光学玻璃低损伤超声振动精密磨削加工具有重要的理论意义与实际应用价值。
　　材料的去除模式直接影响光学玻璃的加工质量。由于高频振动的引入，使得超声振动辅助磨削加工的材料去除机制有别于普通磨削加工。为研究超声振动效应对光学玻璃磨削加工中材料去除和加工质量的影响，本文进行了BK7光学玻璃单颗磨粒金刚石变切深刻划实验，分析了超声振动对光学玻璃材料裂纹扩展及粉末化去除的影响机制，结果表明，超声振动作用在一定程度上可以减轻裂纹扩展程度及粉末化去除现象；不同加工方式下临界切削深度的实验结果表明，超声振动有助于减小切削力进而提高临界切削深度。在此基础上，通过维氏压痕实验，计算获得了BK7光学玻璃的断裂韧性。基于塑性去除模式和脆性去除模式的切削比能随切削深度变化的计算分析，建立了 BK7光学玻璃脆-塑性转变临界切削深度的预测模型，并进行了相关实验验证，为后续加工表面质量及亚表面裂纹损伤的研究与分析提供了理论依据。
　　加工表面粗糙度的影响因素及影响规律的研究是实现高表面质量加工的基础。本文进行了BK7光学玻璃材料超声振动磨削加工实验，研究了超声振动磨削已加工表面典型形貌特征及其形成机制，分析了工艺参数对BK7光学玻璃超声振动磨削表面形貌特征构成的影响程度。基于工艺参数对加工表面形貌特征的影响分析，确定了表面粗糙度的预测方法。在此基础上，通过磨削实验获得了表面粗糙度预测建模所需的基础实验数据，采用高斯过程回归方法建立了加工表面粗糙度的预测模型，并通过实验验证了该预测模型的有效性，为后续工艺参数的优选提供了基础。
　　加工过程中引入的亚表面裂纹损伤直接影响光学玻璃零件的使用性能。本文进行了BK7光学玻璃超声振动磨削加工亚表面损伤实验，采用扫描电子显微镜对光学玻璃加工亚表面裂纹微观形貌进行了检测，分析了磨粒形状和尺寸的随机性与中位裂纹扩展方向的不确定性之间的内在联系、以及弧线形亚表面裂纹的形成和亚表面裂纹发生折线偏转的原因。通过超声振动磨削亚表面裂纹损伤实验，研究了超声振动参数和加工参数对亚表面裂纹损伤最大深度的影响规律。在此基础上，建立了亚表面裂纹损伤最大深度的预测模型，并通过亚表面裂纹损伤最大深度的实测结果与预测结果的对比分析，验证了所建立的亚表面裂纹损伤最大深度预测模型的有效性，为探索减免亚表面损伤的技术措施及后续的工艺参数优选提供了依据。
　　在以上研究的基础上，通过计算获得了不同砂轮参数和工艺参数对光学玻璃超声振动精密磨削加工材料去除率的影响规律。以表面粗糙度和亚表面裂纹损伤最大深度为约束条件、材料去除率为优化目标，以加工工艺参数作为决策变量，采用多目标非支配遗传算法进行了工艺参数优化，获得了BK7光学玻璃超声振动精密磨削加工时优化的砂轮参数和加工参数，并通过磨削实验验证了工艺参数优化方法的有效性。研究结果为实现光学玻璃材料的高效低损伤超声振动精密磨削加工工艺参数的选择提供了依据。

目录

第1章 绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3国内外研究现状简析

1.4本文主要研究内容

第2章 BK7光学玻璃超声振动磨削材料去除及脆塑转变临界切削深度的研究

2.1引言

2.2超声振动对BK7光学玻璃材料去除影响的实验研究

2.3超声振动作用下BK7光学玻璃脆塑转变临界切削深度的研究

2.4本章小结

第3章 BK7光学玻璃超声振动磨削表面形貌特征及粗糙度的研究

3.1引言

3.2 BK7光学玻璃超声振动磨削表面形貌特征及其形成机制的研究

3.3工艺参数对加工表面形貌特征的影响分析

3.4工艺参数对表面粗糙度影响的预测研究

3.5本章小结

第4章 BK7光学玻璃超声振动磨削亚表面裂纹损伤的研究

4.1引言

4.2 BK7光学玻璃超声振动磨削亚表面裂纹损伤特征及其形成机理分析

4.3工艺参数对亚表面裂纹损伤最大深度影响的研究

4.4本章小结

第5章 BK7光学玻璃高效低损伤超声振动磨削加工参数优化的研究

5.1引言

5.2光学玻璃超声振动磨削材料去除率模型

5.3材料去除率模型参数的确定

5.4工艺参数对材料去除率影响的分析

5.5光学玻璃超声振动磨削工艺参数优化的研究

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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