粗磨粒砂轮修整及光学玻璃平面磨削分析

赵玲玲

（山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255000）

随着对光学元件，特别是大尺寸玻璃的精密加工的需求的增加，加工成本和加工效率受到更多关注。一些文献指出，光学玻璃可以通过粗磨粒金刚石砂轮进行精密磨削，这些砂轮主要为钎焊金刚石磨粒或细粒青铜黏合金刚石磨粒。但只有少数人考虑加工成本、效率和加工质量。本文选择一种更有效的材料来修整粗磨粒金刚石砂轮，从而实现了BK7、熔凝石英和熔融石英光学玻璃的精密磨削。

1 仿真分析

AdvantEdge软件用于仿真切削钢材时具有负前角的单金刚石砂粒的磨损状态，旨在选择最有效的材料来修整电镀金刚石砂轮。金刚石磨粒在切削速度140m/min，进给深度0.03mm以及无磨削液的情况下切削钢材。通过比较Usui’s磨损模型计算的磨粒磨损量，可以得出美国金属D3级钢更有利于提高金刚石磨粒的磨损速度。D3钢是冷模钢，强度高，淬透性好，耐磨性好。刻划D3钢时金刚石磨粒顶部的放大图如图1所示。可以看出，在加工条件下，金刚石磨粒的磨损量为0.898um。

图1 刻划D3时的磨粒磨损状态

2 砂轮修整和精密磨削实验

2.1 仪器和参数

91um磨粒尺寸的电镀金刚石砂轮由D3钢块修整。 然后对BK7，熔凝石英和熔融石英通过有效修整的砂轮进行精密磨削（见图2）。此外，通过声发射（AE）传感器和测力仪有效地监控加工过程。加工参数列于表1中。

图2 实验装置图

表1 加工参数表

2.2 实验结果分析

2.2.1 砂轮修整实验

使用D3钢对91um磨粒尺寸电镀金刚石砂轮进行修整。从图3中可以看出，由激光测微仪测得的跳动曲线表明，砂轮跳动误差在6小时内从最初的20.8µm减小到最终的5.8µm。钢和碳之间的亲和相互作用和化学反应可能发生在接触区域，这也增加了修整速度。

图3 修整过程中的砂轮跳动曲线（跳动误差为20.8um、11.2um、5.8um）

Malkin指出，修整涉及粘合断裂和磨料破碎，可分为宏观破碎和微碎裂。图4显示，更高突出的磨粒在磨损后显示出宏观断裂和微碎片现象。但由于较高的结合键强度，几乎没有键断裂，因此没有磨料钝化。当突出的磨削尖端变平或破裂时，修整的砂轮的跳动误差将减小。

2.2.2 精密磨削实验

BK7，熔凝石英，熔融石英光学玻璃通过修整后的电镀金刚石砂轮进行平面磨削。通过轮廓仪和AFM测量工件表面粗糙度如图5所示。可以看出，这三种光学玻璃均达到精密磨削表面，Ra值小于23nm（Talor Horbson）和30nm（AFM）。

图5 轮廓仪测得工件Ra值及其AFM图像

3 结语

使用D3钢对91um磨粒尺寸的电镀砂轮进行了良好的修整，达到跳动误差小于6um。然后平面磨削光学玻璃加工表面达到纳米级，可见粗磨料砂轮在精密磨削光学元件的适用性和成本效益方面的良好前景。