基于微纳米划擦特性的光学玻璃磨削机理与工艺研究

摘要

光学玻璃具有稳定的物理化学性能和高度的光学均匀性，因而被广泛应用于激光技术、光电通讯、航空航天及国防工业等领域。在光学玻璃的冷加工过程中，磨削过程是决定光学玻璃加工质量和使用性能的最关键工序之一。但由于光学玻璃具有硬度高、脆性大的特点，因此，在磨削过程中极易产生表面疵病和亚表面裂纹，严重影响了光学玻璃的光学性能和机械强度。本文以典型的光学玻璃材料BK7作为研究对象，从光学玻璃微纳米划擦特性研究出发，系统分析了光学玻璃磨削材料去除机理和表面创成机理，并提出了光学玻璃磨削工艺参数优选策略。主要研究内容包括：
　　一、光学玻璃微纳米压痕试验和材料特性研究。通过与石英玻璃的对比分析，研究了光学玻璃BK7的元素成分、弹性模量、硬度以及断裂韧性等特性。研究发现，相对于石英玻璃而言，光学玻璃BK7具有较大的弹性模量、较小的微纳米硬度与断裂韧性。在相同的压痕试验条件下，光学玻璃BK7的脆性破碎区域要明显大于石英玻璃，这从某种程度上说明在磨粒加工过程（如磨削、研磨和抛光等过程）中光学玻璃BK7更容易发生脆性去除。
　　二、光学玻璃微纳米单趟划擦过程研究。（1）考虑光学玻璃弹性回复对划擦接触面积的影响，建立了光学玻璃划擦硬度模型。基于压痕断裂力学以及压入过程与划擦过程的类比关系，建立了划擦过程中亚表面裂纹深度与划擦深度之间的关系预测模型。（2）采用三维有限元法建立了光学玻璃微纳米单趟划擦过程的仿真模型，研究了划擦应力与三类划擦裂纹（中央裂纹、侧向裂纹和径向裂纹）的关系。系统分析了三类划擦裂纹主要的萌生驱动力、萌生位置和萌生先后顺序。
　　三、光学玻璃微纳米多趟划擦过程研究。（1）系统分析了双划擦过程中划擦载荷与划擦间距对材料去除机理的影响规律。研究发现，侧向裂纹-侧向裂纹相互干涉是光学玻璃材料脆性去除的最主要方式。（2）基于单趟划擦表面裂纹深度和亚表面裂纹深度的预测模型，结合双划擦过程和高速多趟划擦过程的试验数据，建立了考虑划擦干涉作用以及划擦速度影响的光学玻璃划擦表面亚表面裂纹深度预测模型。
　　四、光学玻璃磨削机理研究。（1）以微纳米划擦过程中光学玻璃材料去除机理研究为基础，考虑磨削过程中磨粒与工件之间的相对运动关系，提出光学玻璃磨削加工存在四种不同的磨削模式，即脆性模式、脆塑混合模式、准塑性模式和纯塑性模式，并建立了相应的磨削模式临界条件。（2）系统分析了不同磨削模式下光学玻璃表面形貌、亚表面裂纹深度、磨削表面压痕-载荷位移曲线、微纳米硬度以及压痕径向裂纹长度等特征。
　　五、光学玻璃磨削工艺研究。（1）基于光学玻璃微纳米划擦研究结果，系统阐述了磨削工艺参数（砂轮粒度、工件进给速度、砂轮线速度以及磨削深度）对磨削表面粗糙度和亚表面裂纹深度的影响规律。（2）考虑划擦侧向裂纹、中央裂纹与磨削表面粗糙度、亚表面裂纹深度的对应关系，建立了磨削表面粗糙度和亚表面裂纹深度的定量关系式，为通过测量表面粗糙度值对亚表面裂纹深度进行快速无损评估提供了重要方法。（3）综合分析了磨削工艺参数对磨削质量和磨削材料去除率的影响。针对不同磨削工序对加工质量和效率的要求，提出了光学玻璃磨削工艺参数的优选策略。
　　综上所述，本文从光学玻璃材料特性出发，以微纳米划擦过程分析作为切入点，结合光学玻璃磨削理论与试验研究，揭示了光学玻璃磨削过程中磨粒与材料相互作用规律、材料去除机理和表面创成机理，研究了光学玻璃磨削工艺参数对磨削质量（表面粗糙度和亚表面裂纹深度等）、磨削表面力学性能（硬度、断裂韧性等）和磨削材料去除率的影响规律，为光学玻璃磨削工艺参数的优选提供了重要依据，进一步推动了光学玻璃高效精密磨削技术的工程应用。

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目录

第一章 绪 论

1.1 课题来源及意义

1.2 硬脆材料磨削加工机理与工艺研究现状

1.3 光学玻璃磨削研究中存在的问题

1.4 论文的研究目标和主要研究内容

第二章 光学玻璃微纳米压痕试验及材料特性分析

2.1 引言

2.2 光学玻璃能谱分析

2.3 光学玻璃弹性模量与微纳米硬度的测量

2.4 光学玻璃压痕脆性断裂分析

2.5 本章小结

第三章 光学玻璃微纳米单趟划擦过程特征规律研究

3.1 引言

3.2 光学玻璃微纳米单趟划擦试验研究

3.3 光学玻璃微纳米单趟划擦仿真研究

3.4 光学玻璃微纳米单趟划擦亚表面裂纹深度预测

3.5 本章小结

第四章 光学玻璃微纳米多趟划擦过程特征规律研究

4.1 引言

4.2 光学玻璃微纳米双划擦过程研究

4.3 光学玻璃高速多趟划擦过程研究

4.4 本章小结

第五章 光学玻璃磨削模式及临界条件研究

5.1 引言

5.2 光学玻璃磨削材料去除和表面创成机理

5.3 光学玻璃磨削模式临界条件分析

5.4 光学玻璃磨削模式试验研究

5.5 本章小结

第六章 光学玻璃磨削表面亚表面微观特征及材料去除率研究

6.1 引言

6.2 光学玻璃磨削表面形貌微观特征研究

6.3 光学玻璃磨削亚表面微观特性试验研究

6.4 脆性和脆塑混合模式下表面粗糙度与亚表面裂纹深度的关系

6.5 磨削参数对光学玻璃磨削材料去除率的影响规律研究

6.6 光学玻璃磨削工艺参数优选策略与加工实例

6.7 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文主要内容及结论

7.2 主要创新点

7.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文、专利及参与科研课题情况

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