超硬微結(jié)構(gòu)表面的超聲振動精密磨削加工基礎(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，并且能夠?qū)崿F(xiàn)普通光學(xué)元件難以達到的微小、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)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
　　玻璃模壓技術(shù)可實現(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從而實現(xiàn)在固著磨粒與超聲振動復(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。
　　本文從實驗準(zhǔn)備、實驗實施到數(shù)據(jù)分析處理等方面，系統(tǒng)研究了超硬微結(jié)構(gòu)表面的振動超精密磨削加工機理及加工工藝的整個過程。通過碳化硅、碳化鎢和氮化硅的壓痕試驗，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輔助條件下，對碳化硅、氮化硅和碳化鎢進行了劃痕試驗

4、，使用掃描電子顯微鏡對劃痕形貌進行了觀察分析，發(fā)現(xiàn)超聲振動條件下的劃痕塑性耕犁現(xiàn)象更為明顯；用原子力顯微鏡對劃痕深度進行了測量，發(fā)現(xiàn)無超聲振動條件下進行的劃痕由材料的擠壓碎裂轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄愿绲纳疃扰c壓痕試驗所計算的深度基本吻合，而超聲振動輔助條件下的這一深度有所增加；使用三向測力儀對刻劃力進行了監(jiān)測，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。刻劃力比（即垂直壓力和水平摩擦力之比）隨刻畫深度的變化明顯，超聲振動輔

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

6、子顯微鏡對磨削表面進行了觀察分析，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??；使用表面輪廓儀對所加工的微結(jié)構(gòu)形貌進行了觀察，發(fā)現(xiàn)新砂輪加工時微結(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所加工微結(jié)構(gòu)表面粗糙度進行了測量，發(fā)現(xiàn)在其他參數(shù)不變時，砂輪轉(zhuǎn)速越高，表面質(zhì)量越好，而砂輪轉(zhuǎn)速不變時，工件進給速度越快，表面質(zhì)量越