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光学玻璃在微纳压痕和金刚石砂轮上的变形分析

摘要：以往的研究精密磨削光学玻璃是采用电解修整（ELID）技术，主要集
中在磨削时的电解修整和加工参数的作用，其目的是产生非常“平滑”表面来
降低表面损伤。然而，当spectrosil2000和BK7玻璃在ELID技术协助下磨削时，
在材料去除机理和砂轮磨损方面还尚未有比较深入的研究。在本文中，在本论
文中，微纳米压痕技术最初应用在研究光学玻璃的机械性能，然后根据结果
来评估它的可加工性。单粗砂金刚石玻璃刮痕，根据不同的材料去除模式，刮
伤的痕迹显示4种划伤的特点。在正式的磨削实验下，根据对应的微纳米压
痕口来看，spectrosil2000比BK7玻璃具有更好的可加工性。在相同的磨削深
度参数下，声波发射（AE）的原始信号的幅值较小，在该情况下得到一个
更好的表面质量。而对于这两种玻璃，随着磨削深度的增加，表面粗糙度呈现
不同的变化趋势，力比与AE原始信号之间呈相反地变化趋势，这是由不同的
材料去除型态造成的。
此外，砂轮表面的SEM显微照片表明，BK7玻璃研磨后的砂轮表面上的金刚石
磨粒比spectrosil2000玻璃研磨后产生更严重的磨损。本文研究分析了在不同材
料去除模式的磨削过程中产生了那些变化，可以为生产高品质的光学玻璃和全
面评估光学玻璃的上表面和下表面的完整性它提供一个理论基础。

关键词：光学玻璃，微纳米压痕，单粗砂金刚石划伤，材料去除模式，表面

完整性，电解修整（ELID）

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1引言

一般来说，在磨削加工中去除硬脆性材料方面可分为两大类：脆性断裂和塑性变
形。前者是由硬压头压脆性材料。后者是类似金属研磨的切屑形成过程，其中涉
及刮伤，即韧性材料去除。在划伤和研磨脆性的材料中存在塑性变形，如硅和陶
瓷，其中前者是由非晶相变引起。后者是通过滑移运动引起的位错。但是，对于
无定形的光学玻璃中，位错不存在。
通讯作者电子邮箱：[e-mail]该项目由中国国家重点科学技术项目
（批准号：2009ZX04001-101，批准号：2009ZX01001-151）支持，新世纪
优秀人才，在中国人民大学（批准号：NCET-07-0246），和预研项目，总装
备部中国（批准号9140A18070209HT0138）2012年柏林海德堡©中国机械工
程学会和施普林格出版社。
笔者认为，材料的塑性变也许是因为他们剪切位置造成的。以前用电解修
整（ELID）技术来研究精密磨削光学玻璃主要集中在以下三个方面。首先，一
些学者在研磨的效果上采用电解修整（ELID）来分析。在刀具磨损的高昂代价
下采用了高电流占空比可以得到更平滑的表面[4]。通过选择合适的的ELID参数
和磨削条件，可以使砂轮的研磨是稳定的，不会产生严重堵塞[5]。用电解修整
（ELID）使树脂粘在金刚石砂轮上，使金刚石砂轮得到休整，这样细颗粒和粗
晶粒砂轮都可以产生光滑的表面。STEPHENSON认为当砂轮与工件的接触面积
大时ELID可用于有效的去除材料。因此可以看出，ELID在磨削玻璃的质量上起
着重要的作用。其次，还可以通过优化加工参数来产生“平滑”表面。显然砂轮
表面上晶粒的平均尺寸的影响是明显的。相比砂轮的晶粒尺寸，砂轮速度和进给
速率对表面质量的影响是次要的。三轴数控精密磨床被用于磨削大型平面和球面，
光伏表面形式分别是3-4um，4-5um。第三，由于进行了一些这方面的研究，从
而减少了表面损伤。有人指出用最大的亚表面损伤深度（SSD）的线性扩展可
以看出平均裂纹长度和表面粗糙度。这些关系可以有效地作为非破坏性来估计
SSD深度和通过调查中位数和系统脆性表面的横向裂缝理论模型。这是一种有效
的识别验证法。有了这个模型，通过测量光学元件的表面粗糙度可以准确地预测
亚表面损伤深度。然而，当在ELID技术帮助下研磨spectrosil2000和BK7玻璃时，
对深入研究材料去除机理和砂轮的磨损方面的研究还没有得到相应的结论。为了
得到高质量的光学玻璃，分析在不同的材料去除模式下在磨削过程中的变化是至
关重要的，以便我们能够全面评估光学玻璃的上表面和下表面的完整性。为了实
现这一目标，我们做了“微纳米压痕实验”，“单粗砂金刚石划伤”，“用ELID
研磨”等研究实验。
2实验条件

Spectrosil2000是一种化学纯度超过99.9％的超纯合成石英。BK7玻璃是制造光
学组件常用的材料，因为它有很多很好的性质，如耐划伤性能，在可见光范围内
高度线性化的光线的传输和化学稳定性。然而，硬脆材料的性能和高精度的表面
质量的需求就是这两种玻璃用金刚石磨削一个主要的问题，。BK7和
Spectrosil2000的某些物理特性，热特性和机械性能