超硬微結(jié)構(gòu)表面的超聲振動(dòng)精密磨削加工基礎(chǔ)研究.pdf

1、微結(jié)構(gòu)表面光學(xué)功能元件是制造微小型光電子系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，其具有質(zhì)量輕以及使系統(tǒng)小型化等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)普通光學(xué)元件難以達(dá)到的微小、陣列、集成和波面轉(zhuǎn)換等新功能。因此，無論是在民用工業(yè)產(chǎn)品還是在現(xiàn)代國(guó)防科技領(lǐng)域，微結(jié)構(gòu)表面光學(xué)功能元件都愈加顯示出重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
　　玻璃模壓技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度、低成本、集成化的大批量生產(chǎn)，因此成為最具潛力的微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件加工技術(shù)。但在微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的模壓成形過程中，具有微結(jié)構(gòu)表面模具

2、的超精密加工質(zhì)量對(duì)最終的產(chǎn)品性能和成本控制起著決定性的作用。碳化硅、氮化硅和碳化鎢等超硬材料由于其質(zhì)量輕、硬度大、熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性高，是玻璃模壓模具材料的最佳選擇。對(duì)于這些超硬材料模具的高效加工是超精密加工領(lǐng)域亟待解決的問題。超聲振動(dòng)輔助磨削加工是在砂輪或工件上沿一定方向施加超聲振動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)在固著磨粒與超聲振動(dòng)復(fù)合作用下的材料去除。與傳統(tǒng)的磨削加工技術(shù)相比，振動(dòng)輔助磨削加工不但可以有效提高材料去除率、降低加工亞表層損傷，還可以顯著減

3、少砂輪堵塞和磨削燒傷等不利現(xiàn)象。
　　本文從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)實(shí)施到數(shù)據(jù)分析處理等方面，系統(tǒng)研究了超硬微結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)超精密磨削加工機(jī)理及加工工藝的整個(gè)過程。通過碳化硅、碳化鎢和氮化硅的壓痕試驗(yàn)，得到了這幾種材料的微觀硬度、斷裂韌性等基本性能參數(shù)，計(jì)算出了材料的臨界切深，發(fā)現(xiàn)材料在亞微米尺度上所表現(xiàn)出的基本性能與材料宏觀性能相比硬度偏小，斷裂韌性偏大。分別在無超聲傳統(tǒng)磨削加工和超聲振動(dòng)輔助條件下，對(duì)碳化硅、氮化硅和碳化鎢進(jìn)行了劃痕試驗(yàn)

4、，使用掃描電子顯微鏡對(duì)劃痕形貌進(jìn)行了觀察分析，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)條件下的劃痕塑性耕犁現(xiàn)象更為明顯；用原子力顯微鏡對(duì)劃痕深度進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)無超聲振動(dòng)條件下進(jìn)行的劃痕由材料的擠壓碎裂轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄愿绲纳疃扰c壓痕試驗(yàn)所計(jì)算的深度基本吻合，而超聲振動(dòng)輔助條件下的這一深度有所增加；使用三向測(cè)力儀對(duì)刻劃力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)相同深度的刻劃，碳化硅的刻劃力與碳化鎢差距不大，但明顯大于氮化硅?？虅澚Ρ龋创怪眽毫退侥Σ亮χ龋╇S刻畫深度的變化明顯，超聲振動(dòng)輔

5、助條件下的刻劃力小于無超聲振動(dòng)條件下的，而刻劃力比（Fz/Fy）較無超聲振動(dòng)條件下的大。說明：這幾種超硬材料在進(jìn)行金剛石砂輪磨削時(shí)，控制適當(dāng)?shù)哪ハ魃疃仁强蓪?shí)現(xiàn)塑性域磨削的；刻劃力與材料硬度有直接關(guān)系；超聲振動(dòng)輔助可以改善磨削性能。
　　在無超聲振動(dòng)件下和超聲振動(dòng)輔助條件下，采用不同的砂輪轉(zhuǎn)速和工件進(jìn)給速度，在碳化硅、氮化硅和碳化鎢上進(jìn)行了階梯光柵這種典型微結(jié)構(gòu)表面的磨削實(shí)驗(yàn)，磨削采用了大切深緩進(jìn)給一次走刀成形的加工方法，使用掃描電

6、子顯微鏡對(duì)磨削表面進(jìn)行了觀察分析，發(fā)現(xiàn)材料的去除為塑性耕犁，所加工的微結(jié)構(gòu)頂角形貌完整性很好，頂角圓弧半徑也很??；使用表面輪廓儀對(duì)所加工的微結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)新砂輪加工時(shí)微結(jié)構(gòu)頂角和底角形貌都比較規(guī)整，當(dāng)砂輪使用一段時(shí)間后，頂角形貌保持較好，而底角出現(xiàn)較大圓角，且在底面出現(xiàn)不規(guī)則凹槽；使用共聚焦顯微鏡對(duì)所加工微結(jié)構(gòu)表面粗糙度進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在其他參數(shù)不變時(shí)，砂輪轉(zhuǎn)速越高，表面質(zhì)量越好，而砂輪轉(zhuǎn)速不變時(shí)，工件進(jìn)給速度越快，表面質(zhì)量越