CN104802043B - 一种自发热辅助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自发热辅助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法，包括以下步骤：步骤1对石英玻璃进行油性冷却液辅助冷却粗磨和精磨，获得表面粗糙度Ra＜300nm，裂纹深度SSD＜5μm的工件表面；步骤2利用超细磨粒陶瓷结合剂CBN砂轮对石英玻璃进行延性域干磨削，且不添加任何冷却液，利用砂轮磨削过程产生的磨削热使石英玻璃表面温度升高，使石英玻璃的脆塑转变临界砂轮半径切入深度从亚微米增大至数微米，在微米级的砂轮半径切入深度下对石英玻璃进行磨削加工，实现石英玻璃的延性域高效超精密磨削，获得光滑无裂纹的石英玻璃表面。

Description

一种自发热辅助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法
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。所以石英玻璃在制造大功率激光器光学元件方面具有其他光学玻璃无法比拟的优越性。但是，石英玻璃的断裂韧性差，硬度高，属于典型的硬脆材料，这给石英玻璃的加工带来了很大的困难。
石英玻璃镜头广泛应用于精密光学系统，对镜头的形状精度和表面质量都有很高的要求。所以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自由曲面。
(2)机械研磨和抛光：应用游离磨料加工方法，利用弹性工具和悬浮液进行研磨和抛光加工。在机械研磨阶段降低裂纹深度；在机械抛光阶段采用先进的确定性加工控制手段，修正面型精度并去除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(粗糙度Ra值达到1nm)。
(3)精密抛光：采用先进的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。最终可以使形状精度达到PV值小于50nm，表面粗糙度达到Ra值小于0.5nm。
(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，已经达到原子级尺度的制造极限。PV值和Ra值都可以达到0.1nm以下，满足最终的精度和质量要求。
这种加工工艺过程存在着如下不足：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，可以通过后续的抛光加工去除微裂纹，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，提出了一种应用CBN砂轮进行自发热辅助高效延性域超精密磨削石英玻璃的新技术，可以通过磨削直接获得表面粗糙度Ra<80nm的光滑无裂纹的石英玻璃表面，从而大幅降低后续抛光工序所需时间。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
自发热辅助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1对石英玻璃进行油性冷却液辅助冷却粗磨和精磨，获得表面粗糙度Ra<300nm，裂纹深度SSD<5um的工件表面；
步骤2利用超细磨粒陶瓷结合剂CBN砂轮对石英玻璃进行延性域干磨削，且不添加任何冷却液，利用砂轮磨削过程产生的磨削热使石英玻璃表面温度升高，使石英玻璃的脆塑转变临界砂轮半径切入深度从亚微米增大至数微米，在微米级的砂轮半径切入深度下对石英玻璃进行磨削加工，实现石英玻璃的延性域高效超精密磨削，获得光滑无裂纹的石英玻璃表面。
所述的超细磨粒陶瓷结合剂CBN砂轮的平均磨粒粒径小于10um。
所述砂轮的磨削参数如下：
砂轮转速：砂轮旋转时外圆的线速度，为20～40m/s；
磨削深度：砂轮径向单次进给量，为5～8um。
所述砂轮的工作台进给速度：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；
所述砂轮的工作台横向进给量：工作台相对砂轮轴向单次进给量，为0.2～2mm。
所述的砂轮有效磨削宽度0.5～3mm。
步骤2中最终获得表面粗糙度Ra<80nm的光滑无裂纹表面
本发明的工作原理和使用方法：
为了避免加工过程中在材料表面产生裂纹，从而获得光滑表面，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，在潮湿环境中裂纹极易扩展，常温下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。
本发明采用耐高温的陶瓷结合剂CBN砂轮对石英玻璃进行干磨削，避免了水促进裂纹扩展，同时利用磨削过程产生的磨削热使石英玻璃表面温度升高，改善石英玻璃的力学性能，使石英玻璃的脆塑转变临界砂轮半径切入深度从亚微米增大至数微米，在微米级的砂轮半径切入深度对石英玻璃进行磨削加工，实现石英玻璃的延性域高效超精密磨削，获得光滑无裂纹的石英玻璃表面。
本发明的有益效果如下:
可以对脆性域磨削后表面上存在裂纹损伤的石英玻璃进行高效延性域超精密磨削，获得表面粗糙度Ra<80nm的光滑无裂纹表面。可以在微米级尺度对石英玻璃进行去除，与在纳米级尺度对材料进行去除的抛光工艺和传统延性域磨削工艺相比，生产效率有了极大的提高。可应用本技术直接替代机械研磨工序，并将机械抛光工序所需时间缩短至传统工艺的30～50％，使石英玻璃光学镜头的整个生产周期缩短20％以上。同时本技术使用的陶瓷结合剂CBN砂轮为固结磨料工具，可降低游离磨料的使用量50％以上，显著减少光学冷加工对环境的污染。
附图说明
图1为具体实施例一中，对石英玻璃进行精磨后，使用扫描电镜察到的效果图，可以观察到在工件表面上存在大量裂纹。
图2为具体实施例一中，对石英玻璃进行延性域超精密磨削后，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，并且没有引入新的裂纹损伤。
图3为具体实施例二中，对石英玻璃进行精磨后，使用扫描电镜观察到的效果图，可以观察到在工件表面上存在大量裂纹。
图4为具体实施例二中，对石英玻璃进行延性域超精密磨削后，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。
在专利申请号为[201410738040.6],名称为“基于激光裂纹预修复的石英玻璃延性域磨削方法”的专利中公开了一种在精磨后利用CO2激光对石英玻璃表面的微裂纹进行修复，获得无微裂纹的石英玻璃表面；然后在使用水基冷却液的情况下利用超细磨料金刚石磨料砂轮磨削工件表面，磨削深度仅为100～200nm，获得延性域超精密磨削表面。
本发明是对精磨后已经存在微观裂纹的石英玻璃表面直接进行干磨削，不添加冷却液，利用磨削过程中的自发热现象改变石英玻璃表面上处于磨削区的材料力学性质，从而辅助实现石英玻璃的延性域磨削，获得光滑无裂纹的石英玻璃表面；磨削的深度大于裂纹的深度，可达到数微米。本发明采用干磨的方式，磨削区温度高，因此需使用耐高温性能更好的CBN砂轮，具体实施例如下：
实施例1
自发热辅助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法，包括以下步骤：
1.对石英玻璃进行油性冷却液辅助冷却粗磨和精磨，磨削后石英玻璃表面效果如图1所示，表面粗糙度Ra＝190nm，裂纹深度SSD＝3.2um；
2.利用磨料平均粒径10um的超细磨粒陶瓷结合剂CBN砂轮对石英玻璃进行延性域干磨削，不添加任何冷却液，砂轮有效磨削宽度0.7mm，磨削参数如表1所示，获得表面粗糙度Ra＝53nm的光滑无裂纹表面，如图2所示；
表1石英玻璃超精密磨削参数
实施例2
自发热辅助高效延性域超精密磨削石英玻璃的方法，包括以下步骤：
1.对石英玻璃进行油性冷却液辅助冷却粗磨和精磨，磨削后石英玻璃表面效果如图3所示，表面粗糙度Ra＝280nm，裂纹深度SSD＝3.6um；
2.利用平均磨粒粒径10um的超细磨粒陶瓷结合剂CBN砂轮对石英玻璃进行延性域干磨，不添加任何冷却液，砂轮有效磨削宽度3mm，磨削参数如表2所示，获得表面粗糙度Ra＝77nm的光滑无裂纹表面，如图4所示；
表2石英玻璃超精密磨削参数
上述两个实施例中，均采用耐高温的陶瓷结合剂CBN砂轮对石英玻璃进行干磨削，避免了水促进裂纹扩展，同时利用磨削过程产生的磨削热使石英玻璃表面温度升高，改善石英玻璃的力学性能，使石英玻璃的脆塑转变临界砂轮半径切入深度从亚微米增大至数微米，在微米级的砂轮半径切入深度下对石英玻璃进行磨削加工，实现石英玻璃的延性域高效超精密磨削，获得光滑无裂纹的石英玻璃表面。
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 (4)

1.一种自发热辅助延性域磨削石英玻璃的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1对石英玻璃进行油性冷却液辅助冷却粗磨和精磨，获得表面粗糙度Ra<300nm，裂纹深度SSD<5um的工件表面；
步骤2利用陶瓷结合剂CBN砂轮对石英玻璃进行延性域干磨削，且不添加任何冷却液，利用砂轮磨削过程产生的磨削热使石英玻璃表面温度升高，使石英玻璃的脆塑转变临界砂轮半径切入深度从亚微米增大至数微米，在微米级的砂轮半径切入深度下对石英玻璃进行磨削加工，实现石英玻璃的延性域磨削，获得光滑无裂纹的石英玻璃表面；
所述的陶瓷结合剂CBN砂轮的平均磨粒粒径小于10um；
步骤2中最终获得表面粗糙度Ra<80nm的光滑无裂纹表面。
2.如权利要求1所述的自发热辅助延性域磨削石英玻璃的方法，其特征在于，所述砂轮的磨削参数如下：
砂轮转速：砂轮旋转时外圆的线速度为20～40m/s；
磨削深度：砂轮径向单次进给量为5～8um。
3.如权利要求1所述的自发热辅助延性域磨削石英玻璃的方法，其特征在于，
所述砂轮的工作台进给速度：在与砂轮线速度平行方向上，工作台进给运动的线速度为100～1200mm/min；
所述砂轮的工作台横向进给量：工作台相对砂轮轴向单次进给量为0.2～2mm。
4.如权利要求1所述的自发热辅助延性域磨削石英玻璃的方法，其特征在于，所述的砂轮有效磨削宽度为0.5～3mm。
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