钠钙玻璃的单磨粒变切深划擦表面完整性实验

陈梦凯　滕琦

关键词 钠钙玻璃；单磨粒划擦；变切深划擦；表面完整性

中图分类号 TG58 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）06-0693-05

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0079

收稿日期 2022-05-26 修回日期 2022-08-25

硬脆玻璃制成的光学元件广泛应用于天文观测系统、激光聚变装置、精密光学测量仪器等领域。然而，玻璃作为典型的硬脆材料，其硬度大、脆性大和断裂韧度低等特点使其难以加工。目前，光学玻璃的加工过程包括粗磨、精磨和抛光[1]，最耗时的抛光所占加工时间往往在整个流程中占一半以上，若能在粗磨和精磨阶段就通过使用合理的加工参数，提高加工效率、降低表面与亚表面损伤，获得高表面质量的工件，就能降低抛光的时间和成本。因此，为了提高硬脆玻璃在磨削阶段的加工效率，降低加工成本，有必要对其加工过程中的表面完整性进行研究，以提高加工效率并提高表面加工质量。

砂轮磨削硬脆玻璃的参数对材料去除机理的影响比较复杂，但制约这一过程的根本因素是砂轮?工件相互作用区域的应力状态，学者常常采用单磨粒划擦来研究此过程。了解单磨粒划擦过程中的应力场分布，进而深入了解磨削过程中的材料去除、裂纹形成和扩展机理等[2-4]。QIU 等[5] 使用单磨粒刀具对玻璃陶瓷进行了单磨粒和双磨粒划擦实验，研究了其裂纹的扩展与交织、表面形貌和材料去除的机理，发现横向裂纹朝自由表面扩展，表面上的横向裂纹和径向裂纹交织是表面材料去除的2 个主要原因。FENG 等[6] 采用具有不同大小半顶角的磨粒，开展了固定载荷下的硬脆光学玻璃的单磨粒划擦实验，并研究了其裂纹的形成、扩展与交织。王伟[7] 通过单颗磨粒划擦实验，研究了磨粒与工件之间接触区域的应力状态，建立了柱坐标和球坐标系下单颗磨粒划擦光学玻璃的应力场解析模型，并对石英玻璃和硬脆玻璃的裂纹形成位置与序列及其对材料去除机理的影响进行了研究。YANG 等[8]用纳米压头对玻璃陶瓷进行了不同划擦次序的多划擦实验，以研究多次划擦相互作用对材料去除机理的影响，建立了多划擦应力场模型来分析表面形貌与形变、裂纹扩展和切屑去除间的关系。结果表明：划擦次序连续时，由于更高的最大主应力，其裂纹扩展比划擦次序不连续时严重。

以上研究大多采用压痕实验与低速定切深划擦实验方法，并未考虑真实磨削过程中高速变切深划擦时硬脆玻璃的塑性与脆性去除机理与低速状态下的差异。为此，通过设计钠钙玻璃单磨粒高速渐变切深划擦实验，以实现真实磨削中单磨粒划擦过程中的划擦、耕犁、切削阶段， 并通过研究钠钙玻璃表面形貌的演变与脆性去除阶段表面裂纹的生成与扩展规律，探究硬脆玻璃在精密与超精密磨削加工过程中的材料去除机理。

1 实验材料与方法

1.1 钠钙玻璃工件

实验所用的钠钙玻璃尺寸为14 mm × 14 mm × 3 mm，通过宇舟YZXQ-2 自动单头镶样机进行热镶样，得到?22 mm × 15 mm 的镶样件。然后，使用磨抛机和240 目（棕刚玉磨粒粒度中值为61 μm）的砂纸，去除镶样件两侧的镶嵌料，即图1 中的阴影部分。研磨后对两侧面进行测量，要求两侧面保持相对平行，并与镶样件底部垂直，目的是将两侧面作为装夹平面使用。然后，将工件表面分别在磨抛机上用240 目、400 目（棕刚玉磨粒粒度中值为38 μm）、800 目（棕刚玉磨粒粒度中值为18 μm）和1 200 目（棕刚玉磨粒粒度中值为12 μm）的砂纸进行研磨后， 再用磨粒粒度中值为2.5 μm 和1.0 μm 的金刚石悬浮抛光液进行抛光，抛光后的工件将应用于划擦实验中，其表面粗糙度约为20 nm。磨抛后的钠钙玻璃工件如图2 所示。

1.2 实验装置与设计

实验采用美国赫克（Hurco）公司生产的VMX42SRTi主轴偏摆式五轴加工中心进行钠钙玻璃的单磨粒渐变切深划擦实验，其中的渐变切削深度設置为0～50 μm。由于本加工中心的定位精度为0.008 mm，重复定位精度为0.004 mm，可以满足实验要求。

实验中使用的定制刀盘回转半径为250 mm，由于其回转半径足够大，形成的划痕近似为直线。所用的刀具是型号为PCD-TPGH110302L 的正三角形单刃刀具，刀尖圆角半径为200 μm。单磨粒PCD 刀具尖端如图3 所示。进行前刀角为53°的单磨粒划擦实验，由于实验中使用的定制刀盘的质量和转动惯量较大，考虑实验过程中操作的安全性，设计3 组试验，其划擦速度分别为1、5 和10 m/s。

实验装置如图4 所示。图4 中：定制刀盘安装于五轴机床主轴，工件装夹于平口钳中，平口钳使用夹紧机构固定于加工平台上，使用千分表调整平口钳使其与工作平台平行，以保证实验精度。

实验完成后将工件置于酒精中超声清洗10 min，以将其表面污染物清洗干净。同时，对钠钙玻璃工件划擦表面进行喷金处理，增加工件的导电性，便于后期的SEM 观察。

2 实验结果与讨论

在磨粒与工件相互作用的过程中，材料去除方式经历了塑性阶段（ductile regime）、脆塑性转变阶段（ductile-brittle transition regime， DBT） 和脆性阶段（brittle regime）3 个阶段[9-11]。塑性阶段的光学玻璃材料如同金属材料一样，通过塑性流动的方式去除，一部分材料形成连续的切屑通过前刀面排出，另一部分材料塑性流动后堆积在划痕两侧，该阶段几乎不产生表面与亚表面裂纹；进入脆?塑性转变阶段后，塑性流动伴随微破碎成为材料的主要去除方式，划痕的表面平整性下降；而在脆性阶段，材料表面和亚表面的裂纹扩展交织，导致材料以较高的去除率脆性去除，形成表面与亚表面损伤[12-13]。钠钙玻璃在划擦速度为1 m/s 时的划痕SEM 形貌和3D 形貌如图5 所示。从图5 可以看到：塑性阶段和脆?塑转变阶段的长度占划痕总长的比重都较小，说明在划擦深度随着划擦距离增加时，材料的去除方式还是以脆性断裂去除为主，划痕表面的不规则裂纹逐渐增多，裂纹长度逐渐增加。

钠钙玻璃在不同划擦速度与不同划擦阶段下的表面形貌细节如图6 所示。从图6 可以看出：

（1） 在图6a、图6d 、图6g 的塑性阶段，磨粒与工件之间的相互接触作用主要以塑性划擦为主，材料去除发生在硬脆玻璃的塑性域内，即单颗磨粒的切削深度小于材料的脆?塑转变深度。观察不同划擦速度下硬脆玻璃塑性阶段的划痕表面形貌，可以比较清楚地发现：从1 m/s 到5 m/s 再到10 m/s，随着划擦速度的提高，工件划痕表面质量提高；在划擦速度为1 m/s 时，划痕两边的材料隆起较明显，5 m/s 和10 m/s 时划痕两边的材料隆起较轻微； 3 种速度下的工件表面上都观察到了塑性流动产生的连续带状切屑，并且随着划擦速度的提高，连续带状切屑的长度也逐渐增加。这是由于随着划擦速度的提高，更高的应变率和划擦温度有效抑制了脆性断裂的发生和增长，促进了材料的塑性去除，从而产生了更浅的穿透深度和更加连续的切屑[4]。假定塑性划擦阶段磨粒通过工件表面后，使工件表面产生塑性材料去除，则留下的划痕截面轮廓应该基本上与磨粒在垂直于磨粒前进方向上的截面轮廓一致。在材料弹性回弹较小的情况下，通过测量塑性阶段的划痕槽宽的最大值可以证实，硬脆玻璃随着划擦速度的提高，塑性区的最大宽度都呈上升趋势，即材料的脆?塑转变深度增大。

（2） 在图6b、图6e 、图6h 的脆?塑转变阶段，划痕表面可以同时观察到塑性流动、大量的微裂纹和微破碎的痕迹，此时磨粒的切深正好处于硬脆玻璃的脆?塑转变切削深度附近，切削过程将从塑性逐渐转为脆性。观察不同划擦速度下的划痕宽度可以发现：在划擦速度为1 m/s 时，划痕左侧存在比较明显的塑性流动痕迹，划痕右侧则为脆性断裂去除，且划痕两边存在零星的长度较短的径向裂纹；同时，在此速度下的划痕槽宽也明显大于5 m/s 和10 m/s 时的划痕宽度。

（3） 在图6c、图6f 、图6i 的脆性阶段，磨粒的切深大于硬脆玻璃的脆?塑转变切削深度，加载时在塑性区底部会形成中位裂纹和径向裂纹并扩展，卸载时又会形成横向裂纹。且中位裂纹向工件深度方向扩展，将会导致材料强度下降；横向裂纹向自由表面偏移后与径向裂纹交织造成材料脆性断裂去除。故磨粒经过的位置形成了不规则的脆性去除后留下的划痕，划痕的两边和底部都产生了明显的破碎[14]。另外，在工件表面可以观察到大小不一的脆性断裂形成的切屑，且划痕两边与划擦方向成一定角度的径向裂纹清晰可见。

3 结论

进行了钠钙玻璃从1 m/s 到10 m/s 的渐变切深单磨粒划擦实验，渐变切削深度为0～50 μm；探索了钠钙玻璃单磨粒划擦过程中的表面形貌及裂纹扩展情况，得出结论如下：

（1） 在塑性去除阶段，通过测量塑性阶段的划痕槽宽的最大值可以证实，钠钙玻璃随着划擦速度的提高，塑性区的最大宽度都呈现上升趋势，即材料的脆?塑转变深度增大。

（2） 在脆?塑转变和脆性去去除阶段，随着划擦速度的提高，材料的塑性可加工性能提高。因此，在实际磨削加工中，提高磨削速度，被加工材料抵抗微裂纹形成的能力增强，从而可提高被加工材料的表面完整性。

作者简介

通信作者：滕琦，男，1993 年生，硕士研究生。主要研究方向：磨粒精密加工技术及理论。

E-mail：liwushi2022@163.com

（编辑：周万里）