CN104385065B - 基于激光裂纹预修复的石英玻璃延性域磨削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光裂纹预修复的石英玻璃延性域磨削方法，包括以下步骤：步骤1对石英玻璃进行粗磨和精磨，获得表面粗糙度Ra100nm，裂纹深度SSD5um的工件表面；步骤2不要改变工件位置，利用CO2激光器对石英玻璃进行原位扫描修复裂纹；选择合适的激光扫描参数，使粗磨精磨阶段造成的微观裂纹被完全修复；扫描后，石英玻璃表面微观裂纹被完全修复，获得表面粗糙度Ra20nm；步骤3不要改变工件位置，利用磨粒粒径小于5um的超细磨粒树脂结合剂金刚石砂轮对激光修复后的石英玻璃进行原位延性域超精密磨削，采用工作台双侧进给方式，最终可以获得表面粗糙度Ra5nm的超光滑无损伤表面。

Description

基于激光裂纹预修复的石英玻璃延性域磨削方法
技术领域
本发明涉及一种石英玻璃的超精密加工方法，实现石英玻璃光学零件的高效延性域超精密磨削。
背景技术
石英玻璃是指高纯度的二氧化硅非晶体，具有结构均匀、透光性好、可透射的光谱频带宽、膨胀系数小、抗热震性好、化学稳定性好和抗激光损伤能力强的优点。所以石英玻璃应用于制造大功率激光器的超精密光学元件,对其形状精度和表面质量都有很高的要求。但是，石英玻璃的断裂韧性差，硬度高，属于典型的难加工材料，这给石英玻璃的加工带来了很大的困难。目前对于石英玻璃镜头的超精密加工，一般都是采用以下磨料加工的方法:
(1)磨削成型：用高精度的数控磨床和金刚石砂轮进行粗磨和精磨加工，高效获得具有微米级形状精度的自由曲面。
(2)机械研抛：利用弹性工具和悬浮液进行抛光加工，修复磨削阶段造成表面和亚表面损伤，获得纳米级光滑无损伤的自由曲面。
(3)精密抛光：采用磁流变抛光技术或者液体射流抛光技术等特种加工手段，进一步修正尺寸精度，提高表面质量。
(4)局部修正：采用离子束抛光或等离子体化学蒸汽加工技术对曲面进行最后的局部修正，在亚纳米级尺度的对材料进行去除。
这种技术存在着如下缺陷：粗磨精磨后石英玻璃表面存在微裂纹，无法实现延性域磨削，抛光加工可以修复微裂纹，但是抛光加工的材料去除量极小，加工效率很低，抛光时间要占到整个生产周期的60％。导致生产周期长，很难满足产量需求。
发明内容
本发明的目的就是为解决现有技术生产效率低，生产周期长的问题，提出了一种利用CO2激光修复粗磨和精磨后石英玻璃表面微观裂纹后，再进行延性域超精密磨削的新技术，可以通过磨削直接获得表面粗糙度Ra<5nm的超光滑无损伤石英玻璃表面。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
基于激光裂纹预修复的石英玻璃延性域磨削方法，包括以下步骤：
步骤1对石英玻璃进行粗磨和精磨，获得表面粗糙度Ra<100nm，裂纹深度SSD<5um的工件表面；
步骤2不改变工件位置，利用CO2激光器对石英玻璃进行原位扫描修复裂纹；扫描后，石英玻璃表面微观裂纹被完全修复，获得表面粗糙度Ra<20nm；
步骤3不改变工件位置，利用磨粒粒径小于5um的超细磨粒树脂结合剂金刚石砂轮对激光修复后的石英玻璃进行原位延性域超精密磨削，采用工作台双侧进给方式，最终获得表面粗糙度Ra<5nm的超光滑无损伤表面。
所述的步骤2中激光扫描参数定义如下：
激光能量密度：单位面积激光辐射的平均能量，为100～1000J/um2；
扫描步距：两次扫描轨迹中心点之间的垂直距离，为(0.1～0.5)d，其中d表示激光光斑直径。
所述的步骤3中磨削参数定义如下：
砂轮转速：砂轮旋转时外圆的线速度，为10～40m/s；
磨削深度：砂轮径向单次进给量，为0.1～0.5um；
工作台进给速度：与砂轮线速度平行方向工作台进给运动的线速度，为100～1200mm/min；
工作台横向进给量：工作台相对砂轮轴向单次进给量，为1～8mm。
所述的步骤2扫描的方法如下：
为了保证上一次扫描后石英玻璃得到充分冷却，扫描路径为单向平行扫描，即每次按照一个方向扫描，单次扫描完成后激光停止发射，光斑位置沿原方向返回后，再沿垂直扫描方向移动一个步距，然后开始下一次扫描，如此往复。
所述的步骤2中石英玻璃吸收CO2激光器发出的激光能量后，温度升高，被加热到1600℃以上，石英玻璃逐渐软化，利用材料自身的熔融、流动填补内部缺陷裂纹。
所述的树脂结合剂金刚石砂轮在径向相对精磨后的位置移动小于临界磨削深度的进给量，继续进行超精密磨削，即可实现延性域磨削，获得超光滑无损伤的石英玻璃表面。
本发明的工作原理和使用方法：
为了避免加工过程中对材料形成亚表面损伤，获得超光滑无损伤表面，在超精密加工领域通常采用延性域磨削的方式来加工硬脆材料。一般情况下，当磨粒切深小于材料的脆塑转变临界深度时，即可以实现延性域磨削。但是石英玻璃属于硬脆难加工材料，由于在粗磨和精磨阶段已经在表面形成微观裂纹，在超精密磨削时裂纹极易扩展，即使磨粒切深小于脆塑转变临界深度，也无法实现延性域磨削。
本发明采用CO2激光对石英玻璃表面微观裂纹进行修复。石英玻璃对CO2激光吸收率可以达到85％。石英玻璃吸收激光能量后，温度升高，被加热到1600℃以上，石英玻璃逐渐软化，利用材料自身的熔融、流动填补内部缺陷裂纹。
研究表明，对于激光修复后的光滑无损伤石英玻璃表面，可以成功实现延性域磨削。所以对石英玻璃进行精磨后，将工件固定在磨床工作台上，不要改变其位置，采用原位激光扫描的方式修复完裂纹后，再将砂轮在径向相对精磨后的位置移动小于临界磨削深度的进给量，继续进行超精密磨削，即可实现延性域磨削，获得超光滑无损伤的石英玻璃表面。
可以对修复微观裂纹后的石英玻璃进行延性域超精密磨削，获得表面粗糙度Ra<5nm的超光滑无损伤表面。与传统抛光加工工艺相比，设备简单，操作方便，生产成本低，生产效率高。单位时间材料去除率提高20倍，使整个生产周期缩短30％。
附图说明
图1为本发明激光扫描石英玻璃表面路径示意图。
图中：Δ是两次扫描光斑中心轨迹之间的距离，即扫描步距。
图2为具体实施例一中，对石英玻璃进行精磨后，用HF酸对表面进行腐蚀，使用扫描电镜察到的效果图，可以观察很多亚表面裂纹。
图3为具体实施例一中，对石英玻璃进行激光裂纹修复后，用HF酸对表面进行腐蚀，使用扫描电镜观察到的效果图，可以观察到亚表面裂纹被完全修复。
图4为具体实施例一中，对石英玻璃进行延性域超精密磨削后，用HF酸对表面进行腐蚀，使用扫描电镜观察到的效果图，可以观察到明显的延性域磨削纹理，并且没有引入新的亚表面裂纹损伤。
图5为具体实施例二中，对石英玻璃进行精磨后，用HF酸对表面进行腐蚀，使用扫描电镜观察到的效果图，可以观察很多亚表面裂纹。
图6为具体实施例二中，对石英玻璃进行激光裂纹修复后，用HF酸对表面进行腐蚀，使用扫描电镜观察到的效果图，可以观察到亚表面裂纹被完全修复。
图7为具体实施例二中，对石英玻璃进行延性域超精密磨削后，用HF酸对表面进行腐蚀，使用扫描电镜观察到的效果图，可以观察到明显的延性域磨削纹理，并且没有引入新的亚表面裂纹损伤。
具体实施方式
结合附图发明作进一步说明。
实施例1
基于激光裂纹预修复的石英玻璃延性域磨削方法，包括以下步骤：
1.对石英玻璃进行精磨，具体磨削参数如表1所示，磨削后石英玻璃表面效果如图2所示，表面粗糙度Ra＝78nm，裂纹深度SSD＝1.2um；
表1石英玻璃精磨参数
2.利用波长为10.6um的CO2激光器对石英玻璃进行扫描修复裂纹，激光能量密度Q＝375J/um2，扫描步距Δ＝0.15d。扫描后石英玻璃表面效果如图3所示，微观裂纹被完全修复，表面粗糙度Ra＝15nm。
3.利用磨粒粒径5um的超细磨粒树脂结合剂金刚石砂轮对激光修复后的石英玻璃进行延性域超精密磨削，磨削参数如表2所示，获得表面粗糙度Ra＝2nm的超光滑无损伤表面，如图4所示。
表2石英玻璃超精密磨削参数
实施例2
基于激光裂纹预修复的石英玻璃延性域磨削方法，包括以下步骤：
1.对石英玻璃进行精磨，具体磨削参数如表3所示，磨削后石英玻璃表面效果如图5所示，表面粗糙度Ra＝90nm，裂纹深度SSD＝1.6um；
表1石英玻璃精磨参数
2.利用波长为10.6um的CO2激光器对石英玻璃进行扫描修复裂纹，激光能量密度Q＝430J/um2，扫描步距Δ＝0.2d。扫描后石英玻璃表面效果如图6所示，微观裂纹被完全修复，表面粗糙度Ra＝20nm。
3.利用磨粒粒径5um的超细磨粒树脂结合剂金刚石砂轮对激光修复后的石英玻璃进行延性域超精密磨削，磨削参数如表2所示，获得表面粗糙度Ra＝3nm的超光滑无损伤表面，如图7所示。
表2石英玻璃超精密磨削参数
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.基于激光裂纹预修复的石英玻璃延性域磨削方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1对石英玻璃进行粗磨和精磨，获得表面粗糙度Ra<100nm，裂纹深度SSD<5um的工件表面；
步骤2不要改变工件位置，利用CO2激光器对石英玻璃进行原位扫描修复裂纹；使粗磨精磨阶段造成的微观裂纹被完全修复；扫描后，石英玻璃表面微观裂纹被完全修复，获得表面粗糙度Ra<20nm的工件表面；
步骤3不改变工件位置，利用磨粒粒径小于5um的超细磨粒树脂结合剂金刚石砂轮对激光修复后的石英玻璃进行原位延性域超精密磨削，采用工作台双侧进给方式，最终可以获得表面粗糙度Ra<5nm的超光滑无损伤表面。
2.如权利要求1所述的基于激光裂纹预修复的石英玻璃延性域磨削方法，其特征在于，所述的步骤3的磨削参数如下：
砂轮转速：砂轮旋转时外圆的线速度，为10～40m/s；
磨削深度：砂轮径向单次进给量，为0.1～0.5um；
工作台进给速度：与砂轮线速度平行方向工作台进给运动的线速度，为100～1200mm/min；
工作台横向进给量：工作台相对砂轮轴向单次进给量，为1～8mm。
3.如权利要求1所述的基于激光裂纹预修复的石英玻璃延性域磨削方法，其特征在于，所述的步骤2的扫描修复方法如下：
扫描路径为单向平行扫描，即每次按照一个方向扫描，单次扫描完成后激光停止发射，光斑位置沿原方向返回后，再沿垂直扫描方向移动一个步距，然后开始下一次扫描，如此往复。
4.如权利要求3所述的基于激光裂纹预修复的石英玻璃延性域磨削方法，其特征在于，所述的步骤2中激光能量密度：单位面积激光辐射的平均能量，为100～1000J/um2；扫描步距：两次扫描轨迹中心点之间的垂直距离，为(0.1～0.5)d，其中d表示激光光斑直径。
5.如权利要求1所述的基于激光裂纹预修复的石英玻璃延性域磨削方法，其特征在于，所述的步骤2中石英玻璃吸收CO2激光器发出的激光能量后，温度升高，被加热到1600℃以上，石英玻璃逐渐软化，利用材料自身的熔融、流动填补内部缺陷裂纹。
6.如权利要求1所述的基于激光裂纹预修复的石英玻璃延性域磨削方法，其特征在于，所述的树脂结合剂金刚石砂轮在径向相对精磨后的位置移动小于临界磨削深度的进给量，继续进行超精密磨削，即可实现延性域磨削，获得超光滑无损伤的石英玻璃表面。
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