旋转超声锯切光学玻璃的表面形成机理研究

摘要

目的探究不同物理性能光学玻璃锯切加工的表面形成机理,以及旋转超声锯切过程中径向振动冲击对其表面特性的影响。方法首先通过显微压痕实验,对比K9与石英两种光学玻璃的硬度与断裂韧性,计算其各自的临界切削深度,并用LS-DYNA进行单颗磨粒切削的有限元仿真,分析不同物理性能光学玻璃的表面形成机理。然后对其进行旋转超声锯切(RotaryultrasonicsawingRUS)和普通锯切(ConventionalsawingCS)实验,分析径向超声振动对不同物理性能的光学玻璃表面特性的影响。结果 K9、石英玻璃的断裂韧性分别为5.232 MPa·m0.5和1.644 MPa·m0.5,临界切削深度为4.288μm和0.012μm。仿真结果表明,加工过程中,超声振动将单颗磨粒的最大切削厚度由1.1767μm提高为8.001μm。对石英与K9玻璃进行锯切试验的结果显示,对于K9玻璃,旋转超声锯切后,沟槽底部粗糙度Pa与峰谷值Pv相对普通锯切大幅降低,但石英玻璃下降幅度不大。结论超声振动增大了单颗磨粒切削厚度,使得K9玻璃的材料去除方式由部分塑性去除转变为完全脆性断裂去除,致使表面层产生微破碎,避免了传统加工过程中产生的大面积破碎和裂纹,进而提高表面粗糙度。石英玻璃因为临界切深小,在普通锯切中即为脆性去除,超声振动的影响效果稍小,对加工后表面粗糙度的影响不大。