石英玻璃的高效可控精密磨削机理研究

发布时间：2018-06-09 15:58

本文选题：石英玻璃 + 力学响应机理　；参考：《山东大学》2017年博士论文

【摘要】：本文针对目前石英玻璃光学元件加工效率低,塑性域磨削难以实现的问题,研究了石英玻璃的高效可控精密磨削机理。从材料力学响应机理及磨粒与工件接触区的应力状态入手,研究了石英玻璃磨削过程中的材料去除机理。分析了石英玻璃的力学响应机理,通过室温和高温纳米压痕实验研究了石英玻璃的室温、高温变形机理与裂纹扩展机理。建立了单颗磨粒划擦光学玻璃的弹性应力场解析模型,分析了石英玻璃的裂纹成核位置与序列及其对材料去除机理的影响。建立了磨削过程中单颗磨粒划擦原始损伤石英玻璃表面的裂纹失稳扩展临界函数,并基于该临界函数研究了石英玻璃表面微裂纹损伤的可控磨削机理。提出了低裂纹损伤全脆性域磨削和塑性域干磨削石英玻璃的高效可控磨削工艺。对石英玻璃进行了低损伤全脆性域精密磨削,降低了石英玻璃的微裂纹损伤深度;进行了高效可控塑性域超精密磨削,获得了光滑无裂纹的石英玻璃表面。分析了石英玻璃的力学响应机理,石英玻璃的微观结构不致密,在应力球张量作用下会发生致密化变形,不容易发生塑性流动,且断裂韧度低,裂纹容易成核扩展。因此石英玻璃的塑性域加工极为困难。通过室温纳米压痕实验,研究了石英玻璃和对比材料苏打玻璃的变形机理与裂纹扩展机理。结果表明,石英玻璃的压痕周围形成了塌陷,塌陷区原子空穴数量增加,微观缺陷密度大,边界裂纹极易成核扩展;在压痕实验中石英玻璃发生了较大的致密化变形和较小的塑性流动,因此Blister应力场强度小,不容易产生径向裂纹;苏打玻璃的分子结构致密且容易沿剪切面滑动,其塑性流动性好,在压痕周围形成了隆起,且Blister应力场强度大,容易产生径向裂纹。通过高温纳米压痕实验,研究了温度对石英玻璃变形机理和裂纹扩展机理的影响。结果表明,在高温下石英玻璃的分子结构致密,塑性流动性好,Blister应力场强度大,裂纹成核扩展的临界载荷增大,因此在高温下石英玻璃容易实现塑性域加工。建立了单颗磨粒划擦光学玻璃的弹性应力场解析模型,分析了单颗磨粒划擦实验中,石英玻璃和对比材料BK7硅酸盐玻璃的裂纹成核位置与序列及其对材料去除机理的影响。对石英玻璃和BK7玻璃进行了单颗磨粒划擦实验。在划擦过程中,中央裂纹最先成核,因此中央裂纹成核的临界划擦深度即是材料的脆塑转变临界深度。中央裂纹扩展的深度决定了材料的裂纹损伤深度。随后成核的侧向裂纹、赫兹裂纹和径向裂纹交织扩展,引起材料的脆性域去除。石英玻璃具有开放的网状分子结构,在外部应力作用下容易成核扩展成为裂纹损伤,因此石英玻璃的脆塑转变临界划擦深度只有32 nm。金属离子填补了 BK7玻璃二氧化硅网状结构中的原子空穴,使其更容易沿剪切面滑动,因此BK7玻璃的塑性流动性优于石英玻璃,BK7玻璃的脆塑转变临界划擦深度为98 nm。建立了磨削过程中单颗磨粒划擦原始损伤石英玻璃表面的裂纹失稳扩展临界函数,基于该临界函数研究了石英玻璃表面微裂纹损伤的可控磨削机理。在磨削过程中,随着单颗磨粒磨削深度的增加,材料的磨削机理依次是塑性域去除、低载半脆性域去除、全脆性域去除和高载半脆性域去除。当工件进给速度低至1mm/min时,单颗磨粒磨削深度仅为1～2 nm,实现了石英玻璃的塑性域磨削,获得了无裂纹损伤的光滑表面。但是磨削效率极低。对石英玻璃进行全脆性域磨削时,磨削力低,砂轮自锐性好,能获得材料去除率较高、表面粗糙度较低、微裂纹损伤深度较小的加工表面,是一种较理想的精密磨削工艺。采用耐高温陶瓷结合剂CBN砂轮和大磨削深度干磨削了石英玻璃,利用磨削热改善了石英玻璃的塑性加工性能,提高了石英玻璃的塑性域磨削深度,获得了光滑无裂纹的石英玻璃表面,实现了高效塑性域磨削。提出了实现石英玻璃塑性域干磨削的必要条件,即磨削区温度高且单颗磨粒磨削深度小于对应磨削温度下的脆塑转变临界深度;磨削深度大于前一道工序形成的微裂纹损伤深度。建立了石英玻璃的干磨削温度场理论模型,通过红外透射测温法在线测量了石英玻璃的干磨削温度,验证了该理论模型的正确性。
[Abstract]:The mechanical response mechanism of quartz glass is studied . The mechanical response mechanism of quartz glass is analyzed . The critical function of brittle - plastic transition of quartz glass is studied by using high temperature resistant ceramic bonding agent CBN grinding wheel and large grinding depth .
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ171.731

【参考文献】