一種自發熱輔助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種石英玻璃的超精密加工方法，實現石英玻璃光學零件的高效延性 域超精密磨削。
【背景技術】
[0002] 石英玻璃是指高純度的二氧化硅非晶體，具有結構均勻、透光性好、可透射的光譜 頻帶寬、膨脹系數小、抗熱震性好、化學穩定性好和抗激光損傷能力強的優點。所以石英玻 璃在制造大功率激光器光學元件方面具有其他光學玻璃無法比擬的優越性。但是，石英玻 璃的斷裂韌性差，硬度高，屬于典型的硬脆材料，這給石英玻璃的加工帶來了很大的困難。
[0003] 石英玻璃鏡頭廣泛應用于精密光學系統，對鏡頭的形狀精度和表面質量都有很高 的要求。所以目前對于石英玻璃鏡頭的超精密加工，一般都是采用以下磨料加工的方法。
[0004] (1)磨削成型：用高精度的數控磨床和金剛石砂輪進行粗磨和精磨加工，高效獲 得具有微米級形狀精度自由曲面。
[0005] (2)機械研磨和拋光：應用游離磨料加工方法，利用彈性工具和懸浮液進行研磨 和拋光加工。在機械研磨階段降低裂紋深度；在機械拋光階段采用先進的確定性加工控制 手段，修正面型精度并去除磨削階段造成表面和亞表面損傷，獲得納米級光滑無損傷的自 由曲面（粗糙度Ra值達到Inm)。
[0006] (3)精密拋光：采用先進的磁流變拋光技術或者液體射流拋光技術等特種加工手 段，進一步修正尺寸精度，提高表面質量。最終可以使形狀精度達到PV值小于50nm，表面粗 糙度達到Ra值小于0. 5nm。
[0007] (4)局部修正：采用離子束拋光或等離子體化學蒸汽加工技術對曲面進行最后的 局部修正，在亞納米級尺度的對材料進行去除，已經達到原子級尺度的制造極限。PV值和 Ra值都可以達到0.1 nm以下，滿足最終的精度和質量要求。
[0008] 這種加工工藝過程存在著如下不足：粗磨精磨后石英玻璃表面存在微裂紋，無法 實現延性域磨削，可以通過后續的拋光加工去除微裂紋，但是拋光加工的材料去除量極小， 加工效率很低，拋光時間要占到整個生產周期的60%。導致生產周期長，很難滿足產量需 求。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的就是為解決現有技術生產效率低，生產周期長的問題，提出了一種 應用CBN砂輪進行自發熱輔助高效延性域超精密磨削石英玻璃的新技術，可以通過磨削直 接獲得表面粗糙度Ra〈80nm的光滑無裂紋的石英玻璃表面，從而大幅降低后續拋光工序 所需時間。
[0010] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0011]自發熱輔助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法，其特征在于，包括以下步 驟：
[0012] 步驟1對石英玻璃進行油性冷卻液輔助冷卻粗磨和精磨，獲得表面粗糙度 Ra〈300nm，裂紋深度SSD〈5um的工件表面；
[0013] 步驟2利用超細磨粒陶瓷結合劑CBN砂輪對石英玻璃進行延性域干磨削，且不添 加任何冷卻液，利用砂輪磨削過程產生的磨削熱使石英玻璃表面溫度升高，使石英玻璃的 脆塑轉變臨界砂輪半徑切入深度從亞微米增大至數微米，在微米級的砂輪半徑切入深度下 對石英玻璃進行磨削加工，實現石英玻璃的延性域高效超精密磨削，獲得光滑無裂紋的石 英玻璃表面。
[0014] 所述的超細磨粒陶瓷結合劑CBN砂輪的平均磨粒粒徑小于10um。
[0015] 所述砂輪的磨削參數如下：
[0016] 砂輪轉速：砂輪旋轉時外圓的線速度，為20~40m/s ;
[0017] 磨削深度：砂輪徑向單次進給量，為5~8um。
[0018] 所述砂輪的工作臺進給速度：與砂輪線速度平行方向工作臺進給運動的線速度， 為 100 ~1200mm/min ；
[0019] 所述砂輪的工作臺橫向進給量：工作臺相對砂輪軸向單次進給量，為0. 2~2mm。
[0020] 所述的砂輪有效磨削寬度0. 5~3mm。
[0021 ] 步驟2中最終獲得表面粗糙度Ra〈80nm的光滑無裂紋表面
[0022] 本發明的工作原理和使用方法：
[0023] 為了避免加工過程中在材料表面產生裂紋，從而獲得光滑表面，在超精密加工領 域通常采用延性域磨削的方式來加工硬脆材料。一般情況下，當磨粒切深小于材料的脆塑 轉變臨界深度時，即可以實現延性域磨削。但是石英玻璃屬于硬脆難加工材料，由于在粗磨 和精磨階段已經在表面形成微觀裂紋，在潮濕環境中裂紋極易擴展，常溫下即使磨粒切深 小于脆塑轉變臨界深度，也無法實現延性域磨削。
[0024] 本發明采用耐高溫的陶瓷結合劑CBN砂輪對石英玻璃進行干磨削，避免了水促進 裂紋擴展，同時利用磨削過程產生的磨削熱使石英玻璃表面溫度升高，改善石英玻璃的力 學性能，使石英玻璃的脆塑轉變臨界砂輪半徑切入深度從亞微米增大至數微米，在微米級 的砂輪半徑切入深度對石英玻璃進行磨削加工，實現石英玻璃的延性域高效超精密磨削， 獲得光滑無裂紋的石英玻璃表面。
[0025] 本發明的有益效果如下：
[0026] 可以對脆性域磨削后表面上存在裂紋損傷的石英玻璃進行高效延性域超精密磨 肖Ij，獲得表面粗糙度Ra〈80nm的光滑無裂紋表面。可以在微米級尺度對石英玻璃進行去除， 與在納米級尺度對材料進行去除的拋光工藝和傳統延性域磨削工藝相比，生產效率有了極 大的提高。可應用本技術直接替代機械研磨工序，并將機械拋光工序所需時間縮短至傳統 工藝的30~50%，使石英玻璃光學鏡頭的整個生產周期縮短20 %以上。同時本技術使用 的陶瓷結合劑CBN砂輪為固結磨料工具，可降低游離磨料的使用量50%以上，顯著減少光 學冷加工對環境的污染。
【附圖說明】
[0027] 圖1為具體實施例一中，對石英玻璃進行精磨后，使用掃描電鏡察到的效果圖，可 以觀察到在工件表面上存在大量裂紋。
[0028] 圖2為具體實施例一中，對石英玻璃進行延性域超精密磨削后，使用掃描電鏡觀 察到的效果圖，可以觀察到明顯的延性域磨削紋理，并且沒有引入新的裂紋損傷。
[0029] 圖3為具體實施例二中，對石英玻璃進行精磨后，使用掃描電鏡觀察到的效果圖， 可以觀察到在工件表面上存在大量裂紋。
[0030] 圖4為具體實施例二中，對石英玻璃進行延性域超精密磨削后，使用掃描電鏡觀 察到的效果圖，可以觀察到明顯的延性域磨削紋理，并且沒有引入新的亞表面裂紋損傷。
【具體實施方式】
[0031] 結合附圖發明作進一步說明。
[0032] 在專利申請號為[201410738040. 6]，名稱為"基于激光裂紋預修復的石英玻璃延 性域磨削方法"的專利中公開了一種在精磨后利用CO2激光對石英玻璃表面的微裂紋進行 修復，獲得無微裂紋的石英玻璃表面；然后在使用水基冷卻液的情況下利用超細磨料金剛 石磨料砂輪磨削工件表面，磨削深度僅為100~200nm，獲得延性域超精密磨削表面。
[0033] 本發明是對精磨后已經存在微觀裂紋的石英玻璃表面直接進行干磨削，不添加冷 卻液，利用磨削過程中的自發熱現象改變石英玻璃表面上處于磨削區的材料力學性質，從 而輔助實現石英玻璃的延性域磨削，獲得光滑無裂紋的石英玻璃表面；磨削的深度大于裂 紋的深度，可達到數微米。本發明采用干磨的方式，磨削區溫度高，因此需使用耐高溫性能 更好的CBN砂輪，具體實施例如下：
[0034] 實施例1
[0035] 自發熱輔助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法，包括以下步驟：
[0036] 1.對石英玻璃進行油性冷卻液輔助冷卻粗磨和精磨，磨削后石英玻璃表面效果如 圖1所
[0037] 示，表面粗糙度Ra = 190nm，裂紋深度SSD = 3. 2um ;
[0038] 2.利用磨料平均粒徑IOum的超細磨粒陶瓷結合劑CBN砂輪對石英玻璃進行延性 域干磨削，不添加任何冷卻液，砂輪有效磨削寬度0. 7mm，磨削參數如表1所示，獲得表面粗 糙度Ra = 53nm的光滑無裂紋表面，如圖2所示；
[0039] 表1石英玻璃超精密磨削參數
[0040]
【主權項】
1. 一種自發熱輔助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法，其特征在于，包括以下步 驟： 步驟1對石英玻璃進行油性冷卻液輔助冷卻粗磨和精磨，獲得表面粗糙度Ra〈300nm， 裂紋深度SSD〈5um的工件表面； 步驟2利用超細磨粒陶瓷結合劑CBN砂輪對石英玻璃進行延性域干磨削，且不添加任 何冷卻液，利用砂輪磨削過程產生的磨削熱使石英玻璃表面溫度升高，使石英玻璃的脆塑 轉變臨界砂輪半徑切入深度從亞微米增大至數微米，在微米級的砂輪半徑切入深度下對石 英玻璃進行磨削加工，實現石英玻璃的延性域高效超精密磨削，獲得光滑無裂紋的石英玻 璃表面。
2. 如權利要求1所述的自發熱輔助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法，其特征在 于，所述的超細磨粒陶瓷結合劑CBN砂輪的平均磨粒粒徑小于lOum。
3. 如權利要求2所述的自發熱輔助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法，其特征在 于，所述砂輪的磨削參數如下： 砂輪轉速：砂輪旋轉時外圓的線速度，為20~40m/s ; 磨削深度：砂輪徑向單次進給量，為5~8um。
4. 如權利要求2所述的自發熱輔助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法，其特征 在于，所述砂輪的工作臺進給速度：與砂輪線速度平行方向工作臺進給運動的線速度，為 100 ~1200mm/min ； 所述砂輪的工作臺橫向進給量：工作臺相對砂輪軸向單次進給量，為〇. 2~2mm。
5. 如權利要求1所述的自發熱輔助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法，其特征在 于，所述的砂輪有效磨削寬度〇? 5~3mm〇
6. 如權利要求1所述的自發熱輔助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法，其特征在 于，步驟2中最終獲得表面粗糙度Ra〈80nm的光滑無裂紋表面。
【專利摘要】本發明公開了一種自發熱輔助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法，包括以下步驟：步驟1對石英玻璃進行油性冷卻液輔助冷卻粗磨和精磨，獲得表面粗糙度Ra<300nm，裂紋深度SSD<5um的工件表面；步驟2利用超細磨粒陶瓷結合劑CBN砂輪對石英玻璃進行延性域干磨削，且不添加任何冷卻液，利用砂輪磨削過程產生的磨削熱使石英玻璃表面溫度升高，使石英玻璃的脆塑轉變臨界砂輪半徑切入深度從亞微米增大至數微米，在微米級的砂輪半徑切入深度下對石英玻璃進行磨削加工，實現石英玻璃的延性域高效超精密磨削，獲得光滑無裂紋的石英玻璃表面。
【IPC分類】B24B1-00
【公開號】CN104802043
【申請號】CN201510203214
【發明人】姚鵬, 王偉, 黃傳真, 王軍, 朱洪濤, 劉含蓮, 鄒斌, 劉增文
【申請人】山東大學
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月23日