光学玻璃金刚石磨削机理.pdf

光学玻璃金刚石磨削机理查立豫(北京理工大学工程 光学 系)摘要本文通过对各类光学玻璃进行广泛的金 刚石磨削试 验,和对光学波璃及金 刚石片各种性能的测试,研究了金刚石磨具对光学玻璃磨 削效果与i者因素 间的关系,并对金 刚石加工中的三种过程一一破碎性切削、塑性变形、塑性切削进行了分析,指 出了这三种过 程的特点。作者还通过单颗粒金 刚石刻划抛光 的玻 璃表面的 实 验,验证了各个过 程的存在。据此,提 出了为减少裂纹层深度,光学玻璃的金刚石磨削应该在低压高速下进行的论点。光学 玻璃的散粒磨料研磨硬度是表征用散粒磨料研磨时光学玻璃的可磨性大小。它取 决于由硬度计(维氏)压 印所产生 的裂纹 长度,如图1所示。因而,光 学玻璃散粒磨料研磨硬度是表示光学玻璃 对于破裂的 抵 抗 性 能的大小。利用金刚石作为固着磨料加工光学玻璃在6 0年代国外已正式用于生产,国内从 6 0年代的中期开始研究,从金刚石磨轮的铣磨技术发展到金 刚石磨片的高速精磨,取得了很大的成幼。由于 金刚石磨具具有磨削量大、加工时间短、工件面形精度高、表面粗糙度细等一系列优点,现在已相 当普遍地用于铣磨和精磨。金刚石磨削是一个复杂的过程,包括破碎性切削、塑性变形、塑性切削。这 三种过程往往并不是单独出现,而是同时存在于 同一次加工中,但是由于光学玻璃 种类、磨具种类、加工条件的不同,而表现出以某一种过程为主。现分别讨论如下。一、破碎性切削当用单颗粒金刚石 刻划玻璃时,破碎性切削的特点是在刻痕的下 面出现 明显 的条纹,玻璃的切屑是由于裂纹 而产生 的。古典法散粒磨料的研磨是典型的破碎性切削。助SFZ以_一_一一_.一_J一31.4j.5一|.叶l|e s叶|l|lle s卜!|IL,1IL沁勺衷洲澎毛一详蕊咨担名尽甘粉未裂纹长度的对数图1光学玻 璃 散粒磨料研 磨硬度与由维 氏硬度计压印产 生 的裂 纹长 度(卜n I)的关系(荷软ZN)光学 玻璃散粒磨料研磨硬度与光学 玻璃组成间的关系是,网络形成氧化物含量越多,高原子价氧化物含量越多,研磨硬度就越大,如图2所示。这说明它取决于 玻璃 的强度,因为,网络形 成氧化物的单键能比 网络修饰氧化物的大。金刚石固着磨料对各种牌号光学玻璃的磨削性能否找到如图1、图2的对应关系呢?作者及其科研 组在取得大批金刚石 固着磨料磨削的数据后,企图探索光学玻璃的性能与玻确磨去量之间 的关系。首先观察弹性模最E与玻瑞剂的种类、金刚石粒度的大小、加工压强、速度等。2晚八rs凸劣zK,_Z入 1 1ZK1 0O2 K 602K7兔zK、,乙 K浮倒鉴澎畜落荞御解解名积补 1001 认 Ks.Z】lO百lalO。勺ZK:川.0k 3曰tI F川全.,Lr,.I J .L L.,.1卜e s.l.lll八.亡 口n,叮p户日U公U勺11 11 1产尸 u尸 uc.e书来睡博银OKgJzKS网络形成喊化物含旦(n、。xK l2.Z!户2.Z F4圈2光学玻璃磨科研磨硬度与网络形成权化物克分于百分数之闻的关系O代衰K,代表K F,QF,F,ZF,J代表ZK.代 表 BaK,BaF,Za BF,。代表含伙玻瑞-磨去量之间的关系,如图3所示,从图中看到了某种大体的比例关系。即弹性模量越大,玻璃的磨去量越大。对于一般材料来说,弹性模量是与物质内部质点间化学键强度有关,键力越强,变形越小,弹性模量E越大。但玻璃是一种脆性材料,根据Hil l理论,弹性模量 越大,弹性变形越小,越容易产生 塑性变形,强度越小。换言之,存在着硬度较大,但强度相对较小的玻璃。因此,对于脆性材料来说,在一定的变形时,玻璃的弹性模量越小,就越坚固,玻璃的磨去量就小。玻璃中高原子价氧化物的克分子百分数对玻璃磨去量的影 响如图4所示,虽然高价氧化物的单键能比低价的高,但没有得到明显的对应关系。这是因为散粒磨料的研磨主要是破碎性切削,但是金刚石固着磨料的研磨包括着破碎、塑性变形、塑性切削等三种过程。只有在一定的条件下,才呈现出以破碎切削为主。这些 条件包括光学玻璃的种类、金 刚石磨片结合作。.”1F 6。匕-_、_J几_56739么种光学玻璃 弹性模证刃(1。“、)图3光学玻瑞的弹性模皿与磨 去蛋的关系O代 表K,一代表K F,QF,F,ZF,代表BaK-a BF,ZBaI FJ代表ZK。结合剂牌号Q“金刚石位度W1 0,浓度50%一加工时间8 65。破碎性切削的特点是:1.光学玻璃的磨去量与加工时间成线性关系;2,金 刚石磨片结合剂的磨耗量与加工时间成线性关系,3.粗粒度金 刚石磨片的磨削比细粒度易于 出现破碎性切削。从玻璃的品种来看,易于出现破碎性切削的种类有LaK、ZK、ZBaF等类。它们 的 特点是玻璃磨去量大,磨去速度不随加工时间的延长而减少,工件表面粗糙度,不随加工时间的延长而变细,金刚石磨片的磨耗量大。从金刚石磨片的结合剂来看,表征它的磨削能力的是自锐性,它与结合剂的配方、压制过程、烧结过程密切相关,是磨片本身所固有的属性。但是,精磨片的自锐性与光学玻确牌J礴舀乙石,.乙(尸。只、晰邢签傅粼ZnaFO002卜 11rt铆se,s e e s.1 1 赶 s e IL.J!|卜,卜 曰On仁,曰,.盛洲。0OZ K10O2 K6O:、87O0卜 121;1.Z FZ_1认 K 7Z卜、3叮0 0l a IK卜K1001、,成:ll、冲Inn U月.卫,.1产。二.10。)场州乡万娜J科削一l寸1令习(.。、i,.)图5肠 附时间对玻瑞磨去t 的形响叮酬、川汀.产 三念华搜劣买布获一一J-一一_止一一一J一._-一一一-一口味60708 09 01 11|.卜.|lr|5 0高价权化物含最(m碗乡 i)田通裔 价级化物克分子百分数与磨去盘 的 关系e代表K二代表 K F,QF,F,ZF,代 表a BK-a BF,Za BF,J代表ZK。结合剂牌号为Q”金附石放度为W10 1浓 度为5 0乡,加 工时间为86.。号之间也有若重要 的依存关系,例如,LaK类玻璃的磨去量与加一时间之 间成线性关系,金刚石磨片的磨耗员与加 工时间之间也成线性关系,如图5和 图6中LaK曲线所示。这是由于磨削下来的玻璃粉对于结合剂进行磨耗,因此,只有玻璃本身可磨性大 的,才促使磨片的自锐性好,反之,也 只有磨片自锐性好的,玻瑞的可磨性才大。另外,假如加工中玻璃的磨去量与磨削时间成线性关系,玻璃加工后的袅面粗糙度往往不随加工时间的延长而变细,所以工件表面的粗糙度较细,如图7所示,这种粗的表面粗糙度对于磨片的结合剂也起 自锐作用。当金刚石磨片的粒度较粗时,例如30林m,则玻璃的去除以破碎性切削为主,玻璃的去除磨削时介I J(mln)图6磨 削时间对结合剂璐耗盘的影响ZBF_l_卫.一走二二10152众)代份)、,少户,l仁m 又n)le es e.Ls ellls e.L.s e.se.l翻7磨洲时间对工件表面粗被度R:的形响速度与屈 服 强度成正 比,如图8(a)所 示,与散粒磨料的研磨方 式和 对应。假如余刚石的粒度细,例如1 0卜m,玻璃的去除速度 与屈 服强l月.,叼!l度之间找不到简单的线性关系,如图8(b)所示,这是由于在细粒度时,塑性流动和塑性切削的影响比较明显的关系。破碎性切削所需的加工压强 比塑性 变形、塑性切削为大,但是并不是说压 强大 了一定出现破碎性切削,必须要有其它各种 条件的配合。玻璃的化学稳定性对玻璃金刚石磨削的影响是很大的,如图9所示,能够看到耐酸性越差 的玻璃磨去量越大,其中很突出的 是ZK、ZBaF、TF玻璃。当用单颗粒金刚石刻划玻璃时,这些玻璃是容易出现裂纹 的,如图1 9所示,从加工来看它们是容易出现破碎性切削的。于是,除 了这 些玻璃本身的化学稳定性差外,冷却液对于新开裂的裂纹表面的作用就会特别显著,加速 了玻璃磨去量 的提高。K、F类玻璃,从 图1 9看,是不容易出现裂纹的,以塑性切削为主,它们本身的化学稳定性又 好,所以,在相同的加工条件下,促使玻璃的磨去量小得多。从高速精磨实际生产来看,破碎性切削是不希望的,除了光学玻璃本身的性能导致破碎性切削以外,其它各因素均应避免破碎性切削的出现。二、塑性变形玻璃是典型的脆性材料,但是在一定的条件下,会出现塑性变形,例 如用显微硬度计的金 刚石棱锥状压头在低载荷下压入玻璃出现塑性变形的压痕,这就是抗压入硬度的 测量一方法。又例如用单颗粒金刚石在玻璃的抛光表画上 以适 当的压力和速度刻划时,刻槽断面形状如图16(a)所示,在刻槽与玻璃抛光表面 交界处出现 凸起的塑性变形,这就是在刻划过程中玻璃质点的塑性流动所造 成的,假如在 千涉显微镜下 观察玻璃刻划表面,可 以看到 凸起所造成的干涉条纹的变形,如图1 7所示。塑性变形在光学玻璃的金 刚石磨削中是不可能单独存在的,否则,假如磨削过程仅仅是塑性变形,那么,就不应该有玻璃的磨耗。但是,在磨削过程中,玻璃的磨去量 是始 终 存在的。我们探索了与塑性变形有关的努氏硬度与玻璃磨去量之间的关系,与工件表面粗糙度之间的关系,如图1 0和图n所示。在它们之间没有找到简单的对应关系。因为努氏硬度只代表金刚石棱锥压头压痕的大小,也就是塑性变们.月.亡f.Z|从均|1.能!n亡口.Z F忿Z naFSFl.Q卜:霓.QI,1.魂匕吓.!升|印吠t之K Z0ZK】oFl二Oz KgOZ K4TFI.2王 M l,5才汾款、叩协i U一流-.a BF4一亘讯、户.“O.OKI;2K10.K!0Kg.ZK3份2 K3标下品一一一一飞考一一z一z一产尸三奋尸,万洲一邢到脚蔡协 尸|志,ll r|I Lr!Je s卜(u.-户 xr.E勺侧侧裔解粥七匕15 0po备种光学玻璃屈服强度、昭fmf u,一一兹产一一如渝各种光学玻璃 届服强度(k多f/m。,、(a)图8玻珑磨去建变与属服强度的关系(。)金刚石粒度为8 01m,(b)金刚石拉度为10卜m.O代表K,代 表KF.QF,F,ZF,J代表ZK.代表BaF-2长9份11,lZK llO21幼】JSZ K7低,重冕类的最高。这说明玉冕类质点流动比其它两类都困难,因此,工件 表面粗糙度粗,玻璃的磨去量就大。相 反,火石类的退火 温度低,质点较易流动,工件表面粗糙度易细,磨削量 就小。这也说 明了 重冕 玻璃容易 出现彼 淬性切削,而火石类玻璃容易出现 塑性变形。OZK71巧.Q!了1-f掩.别咬仲JZK6)ZKS诊z K;。.ZKL几通,八切(.。侧嘱粥签解翻ZfZ。K12?K,厂3.B“1:忆;dF 60玫LK全O山K 6山K:合比I子8之粼:TFI不Z B一IOOZKg,JKZ毋供J.只峥KK宁Z工加二一一-二一-一一一L e s-e s_lalbZa竺b各种光学玻璃耐玖性等级乃.。、汁昨l11醉!111醉!l什e s|华|叶1 11扑|月,.,孟,立,.人,孟(口 1一0.。刊博相婆彬长.“。:了月.U奋叭性卜图9玻璃耐酸性等级与磨去 最 的关系O代表K,代表KF,QF,F,Z F,代 表BoK,BaF,ZBaF,J代表ZK。结 合剂牌号为Q:;金刚石粒度为Wl。,浓度为5 0%,加工时间为陇s。Z K弓OOft.ZKS形量的大小,实际上,单颗粒金 刚石在抛光表面上的压痕与刻划之间就是不 一样的,多顺粒金刚 石磨具在粗糙的玻璃表面上磨削,影响因素更多,也就更复杂。从图1 0上看到,F类和Z F类玻璃努民硬度是比较低的,可是它的玻璃磨去 量 反而小,这是由于此类玻璃含有较多的极化性P b么、所以,容易发生塑性变形,能够缓和 应力集中,、断裂强度大,也 即尽管不硬却不易 破裂,成为粘韧玻璃*所以,它的磨去 是小,工件表面粗糙度细。玻璃在退火温度一,通.过质点流动以消除内压力,所以退 火温度的高低在一定程度上表示质点流动的难易程度,于是想寻 找一下退火很度与玻璃磨去量的关系,其结果 如图1 2所示。虽然没有得到明确的对应关系,但从 图中可以看到火石类的退火温度比钡冕、钡火石的践lr 8.K.l竺尹卜、K7OK3K 1 0O1、tK6乙毯3份ZKI汽;匕_书O;几SU_1址K 艺 一达一归-一一J一1204605 0 0540各种光学玻璃努氏硬度(k gf/o.)图1。光学玻璃努氏硬 度与磨去t 间的关系O代 表K,代表K F,QF,F,Z F,代表a BK,玩F,ZBaF.O代 表ZK。结合剂牌号为Q,I金刚石粒度为Wl。,浓度为5 0%,加 工时间为肠t。存在塑性变形时的磨削特点是:l,光学玻璃的磨去量与加工时间之间成曲线关系,如图5中F、ZF玻璃 曲线所示,2.工件表而的粗糙度随加工时间 的延长而变细,如 图7中的Z F玻璃曲线所 示;3.金刚石磨片结合剂的磨耗量小,除开始磨削的很短一段时间外,不再磨耗,如图6中的F、ZF玻璃曲线所示,.4细粒度的金刚石、硬度小的结合剂易于 出现 塑性变形。不了I|,!叫|!夕K下O产握忿)喇粼斟协娜2加PSzK,份OZK11艺R.OK10)h aK,、.r峪从口K2田(云二月民2 FIFS抓OQFI.父F3Z卜 4-.Z FZF 3彻FSK30ZKI_止勿卜代一J一一,一J 公一一_上一一540:们一。曰一珊价扛3 4 0各种光学玻璃努氏硬度f k盯n、n 飞,)各种光学玻璃退火饭度()图1 1光 学玻瑞努氏 硬度与工件表面粗枪度R:值间的 关系O代表K,代 表KF,QF,F,ZF,代 表BaK-BaF,ZBaF,J代 表ZK。结 合荆牌号为Q;,金刚石粒度为W1 0,浓度为5 0%,加工时间为86.。图 1 2光学玻瑞退 火温度与磨去t间的关系0代表K,代表K F,QF,F,Z F,代衰a BK-BaF,ZBaF,J代表ZK。结合荆牌号为Q一金刚石粒度为Wl饥浓度为5 0%,加工时间为8性.。.J.,.,J.可.J、.J,三、纽性切削塑性切削是在低压下 出现的,与破碎性切削、塑性变形相比,它的压强 是最小的。假如用单颗粒金刚石在抛光表面 上刻划会出现边缘整齐的刻痕。塑性切削的特点与塑性变形相似。玻璃磨去速度随加工时间的延长而变小,工件表面粗糙度随加工时间 的延长而变细。所 以,玻璃 的磨去量小,表面粗糙度细,这正是光学零件高速精磨需要的。从光学 玻璃种类来说,QF、F、ZF等含PbO多 的玻 璃以及K玻璃易 于出现塑性 切 削。Z K、LaK、Z BaF、T F等易于 出现破碎性切削的玻璃,在合理控制各种加工条件后,也合孑梦在一定程度上 出现 塑性切削。首先金刚石粒度要细。由于粒度细,金刚石 压入玻璃浅,易于塑性切削。金刚石粒度与玻璃磨削之 间的关系是十分复杂的,若不加严格控制,有时细粒度的金刚石磨片反而会比粗粒度的磨削量大,因此,在研究金刚石粒度对磨削的影响时,应该有相匹配的结 合剂 和浓度,这样才能表现 出金刚石粒度对玻璃磨去量与工件表面粗糙度尺值之间的线性 关系,如图1 3所示。金刚石磨片的结合剂对玻璃磨削的影响是很重要的,结合剂硬度HRH越大,玻璃的磨去 量越大,R:值越小,如 图14所 示,当结 合剂的硬度越小时,擎性切削越明显,(z。Ero.。)解粥均谓娜(日沃留,叹咋|沈叮1.叶|、0 4 F|吟lj夕.e以.0.0八落)翻粥钩解娜金刚石堆立度(;n、)旧1 3金刚石粒度对玻确磨去量 和凡值的关系曲线-一表示金刚石粒度与R:值的关系曲线,表示金刚石粒度与玻劝磨去量间的关系曲线。图1 5玻璃磨去级与R,值的 关 系O代表K,了 七表K F,QF,F,Z F,代表BaK,BaF,ZBaF,)代表ZK。结 合剂牌号为Q:,金刚石粒度为Wl。,浓度为 5 0%,加工时闻为835。四、单颗粒金刚石刻划光学玻玻的 抛光衰面由于金 刚石磨具对光学玻璃的磨削十分复杂,所以采用简化和抽象的方法,即用单颗粒金刚石刻划抛光表面,以了解金刚石磨削机理。用维氏硬度计金刚石棱锥,以低速顺着压痕的对角线方向刻划已抛光的玻璃表面,然后用扫描电子显微镜进行观察,可以看到,在低载荷下,刻痕表面痕迹表现为完全的塑性,刻线边沿光滑,没有迹象能表明表面下存在开裂。从断面 图可以看到压头路径通过的下方,有一轮廓清晰的塑性区,由此可以说明金刚石磨削中塑性 切削存在。若加大载荷,刻痕的边沿会出现高于玻璃表面的塑性变形区,如图16(a)所示,若在干涉显微镜下,可以看到此变形区所导致的干涉条纹的变形,如图1 7所示。由此可以说 明,金刚石磨削中存在塑性变形、塑性流动。若在高载荷下,表面下微开裂的范围增加了,中位裂纹和侧向裂纹从塑性区向外延伸,侧向开裂范 围有了很大的增加,而且裂纹往往与表面相交,产生玻璃碎屑,同时,把刻痕连同塑性变形区顶起,有时甚至会使整个刻痕高孑 习内髻暇们也彬盯仆 l e e旅v l 6 F Je e e e e e|Z I|外!lL 毛乙.0.Lt.)嘴一 一一J-一一一一 L一一-_含_L一_QQsQ;O之(、田1金刚石磨片结合剂对玻璃磨去量.R值的关系曲线衰示结合荆与尸:的关系,结合荆与玻功解去 摄的 关系。玻璃磨去量与凡值之间总是存在着如图1 5所示的依存关系。磨去量与凡大的一端以破碎性切削为主,小的一端则以塑性 切削 为主。图1 5所示为较硬的结合剂Q:,假如结 合剂较软,可能都表现出塑性切削,但磨去量与.R值的依存关系仍然存在。圈16玻确表面 的刘很及其变形(o)塑性变)普(K g),载荷3N,b破碎性变形 ZK吸),叔掩SN。Z加F3(石3之拼喊个。图 1 8几种玻晌的塑性变形及其刻痕 深度,欣衡盆Nx代表翻滚深度万.0代表组性变形盆h。阳订软瑞表面划度及其变形的,=f涉图(2仙挥澎出于玻瑰的抛光表面,如图16(b)所示,由此可以说明,金刚石磨削中破碎性切削存在。:间时也证明了随着加工压 强的增加,金刚石磨具的磨郁由塑性切削,发展到塑性 变形,再发展到破碎性切削。奢树量塑性变形的高度h及其 刻 线深度万,可以发现在相 同的载荷下,不同牌号的光:一学玻翁浙得的值是不同的,如图1 8所示,所用载荷为.绷,除ZBaF3出现裂纹外,其它三,种均未出现裂纹。若侧量开始出现高出于玻璃:衷面的塑性变形的载荷和开始出现中位裂纹和侧向裂纹的载荷,也可以发现不同牌号的光学玻确所得的值是不同的,如图1 9所示。这 二摘帐腐说藕了为什么金刚石磨削中冰9、zBF3玻瑞角汇件表面粗糙度粗、磨去量大、以破碎性切留为主,而Kg、FZ玻璃则相反,工件表面粗糙度细、磨去量小、以塑性切削和塑性变形为主。但在实际加工中不 会出现没有裂纹层的研磨表面,这是由于实际的磨削是多顺粒的,玻璃上同一地点经过无数次的重复切削,而且存在着一定程度的振动,所以,总是有 裂纹 层俞一一协一劣了一协奋犷-阴玲几种玻瑞开始出现高 于玻瑞密面的勿性变形和裂纹时的载曲x代轰出现裂纹时的载荷.0代农出现商出于玻瑞表两的 塑性变形时的权稗。的。但不同玻璃、不 同的加工条件,裂纹层的大小是受到上述三种过程的制约的,为 了使裂纹层最小,应该在低压高速下加工。结束语司光学玻璃的金刚石磨 削过程是十分复杂的过程,它包括塑性切削、塑性变形、破碎性切削等三个过程?三种过程往往同时在加工过程日r中出龙,仅仅由于各种加工条件的不同,某种过 程表现得比较明显。比较容易 出现破碎性切削的光学玻璐有了z K、z BaF、T F等;容易出现塑性切削 的有I丈、F、Z F等。容易出现破碎性切削的金刚石磨片,其结台剂的硬度往往偏高(在一定的硬 度范围内)、自锐性好、加工中结合剂的磨去量大,金刚石颗粒较粗,当出现 塑性切削时,则结合 剂 较软、金刚石 粒度细。破碎性切削的特点是工件磨去量大,磨去速度不 随加 工时间的延 长而变小,工件表面粗糙度粗,并且不随加工时间 的延长而变细,塑性切削的特点则是工件磨去最小,磨去速率随加工时间的廷长而变小,工件表而祖糙度细,并随加工时间的延长而变细。考核了弹性模量、高价氧化物克 分子百分数、努氏硬度、退火温度、化学稳定性等光学玻璃的性能对玻璃瘩去歇的影响(在金 刚石粒度为W1 0时),其中化学稳定性 的影响最为明显。凡化学稳定性差 的,磨去 墩比较 大,这是由于化学稳定性差 的玻 戒,正是以破碎性 切削为主,裂纹出现 得多,新开 裂表而容易受 腐蚀,从 而磨去量 大,同时也 说明了凡塑性切削为主 的玻璃,化学 稳定性 的影响就要小些。随着压强 的增加、金 刚石磨削由塑性 切削发展到塑性变形,发展到破碎性切 削。为了减少裂纹层深度,应该采取低压高速加工。Me e;:nismof公amo nd LappngofOptie aG!a s:ZhaLiyuA bstra ct.口T li;5artleleintro:luc e:thebasier ulesoflappi:29Op tie 几19,a、。s zz rfae ewitlidiamo n(1polloto.Th。:eloa s是er ulesarebasedonv:L;10以。experimentsofdiffe-re ntkindoofoptie:、19!a s switlxvario u skindsofdiamondPe!le士a ndonpe rfo-rman e ote stofoPtie:、1glas:a:lddiamondpollet.Aotl一01oft!:15artielehadfou,ldthesep:oe e:esintll odiamondlaPpillgofoptiealgla:s,thoya refr a-g mentingstoekromoving,pla stiedeformationa 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