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第一作者：杨发展，博士研究生，山东大学机械工程学院,250061济南市
3
数字电视接收器高等学校博士学科点专项科研基金项目(项目编号:20060213001)国家高技术研究发展专项(863计划)项目(项目编号:2006AA04Z 314)收稿日期:2007年8月
修树东1 周 明2 李 敏2
1浙江林学院 2
哈尔滨工业大学
摘 要：通过显微压痕和纳米压痕试验，研究了S oda 2lime 光学玻璃在微/纳米尺度下的材料去除机理，发现外加载荷的幅值对脆性材料变形方式有直接影响。对光学玻璃的金刚石普通切削和超声振动切削试验结果表明，超声振动切削的实际有效切削深度与名义切削深度有着较好的一致性，合理选择金刚石超声振动切削参数可实现光学玻璃的塑性域切削。 关键词：金刚石切削, 光学玻璃, 超声振动切削, 微/纳米压痕
R esearch on Material R emoval Mechanism and Surface Q uality
in Micro 2cutting of Optical G lasses
X iu Shudong Zhou Ming Li Min
Abstract :The material rem oval mechanism in micro 2cutting of s oda 2lime optical glass was analyzed by micro and nano in 2dentations.The magnitudes of applied loads were found to exert a considerable in fluence on material deformation m ode.C onven 2tional and ultras onic vibration assi轮胎胶粉技术
sted diam ond cutting tests of s oda 2lime glass were per formed.Real depths of cut in ultras onic vi 2bration cutting correspond well with the nominal ones.Ductile regime cutting of the optical glass can be realized by selecting pro 2cess parameters properly.
K eyw ords :diam ond cutting , optical glass , ultras onic vibration cutting , micro/nano indentation
1 引言
随着国防工业和尖端技术的发展，脆性材料(如
光学玻璃、陶瓷等)超精密加工的需求日益增多。在常规加工条件下切削脆性材料时，由于材料易发生脆性断裂和产生裂纹，限制了加工表面质量的提高。过去，高精度脆性材料零件一般采用磨削→研磨→抛光工艺来加工。但是，这种工艺加工效率很低，尤其对于非球曲面，采用传统研抛工艺加工周期长、加
工成本高，且加工精度难以保证[1～4]。
实现脆性材料的塑性加工是获得高质量加工表面的关键。关于脆性材料的塑性域超精密磨削加工，已有一些相关研究报道[5～6]，但对于高硬度脆性材料(如光学玻璃)的超精密切削，目前仍处于对切削机
理与工艺的探索阶段。国外曾有学者研究采用金刚石超声振动切削技术切削玻璃[7]，取得了一定进展，实现了光学玻璃的塑性域切削，但刀具磨损仍较严重，对脆性材料超声振动切削机理的认识也不够完善，有待进一步进行深入系统的研究。本文通过显微压痕和纳米压痕试验以及金刚石切削试验，研究了S oda 2lime 光学玻璃在微/纳米尺度下的材料去除机理以及
5
12008年第42卷№4
切削方式对加工精度和表面质量的影响。 2 试验条件
显微和纳米压痕试验分别在维氏显微硬度计和美国Micro Materials 公司的Nanotest 500纳米硬度检测仪上进行。切削试验在一台双坐标金刚石超精密车床(Precitech Optimum2800)上进行。该机床采用空气静压轴承主轴和液体静压油导轨结构，主轴回转
精度为0105μm ，进给系统分辨率为816nm 。自制的
超声波振动切削刀具系统的振动频率为40kH z 。工件材料为S oda 2lime 光学玻璃。切削试验采用天然
单晶金刚石刀具(前角为0°，后角为8°
)。用原子力显微镜(AFM )对压痕微观形貌进行观测分析；用Wyko 表面形貌检测仪和光学显微镜检测切削试样的已加工表面质量。 3
试验结果与分析
3.1 印压载荷对材料变形方式的影响
在玻璃等脆性材料的精密加工中，实现以塑性变形方式去除材料是获得高表面质量、高加工精度的前提。用金刚石压头对脆性材料进行印压试验是研究脆性材料在外力作用下变形方式的常用手段。图1为加载载荷为320mN 时获得的纳米压痕AFM 图像。可以看出，玻璃试样表面残留压痕的几何形状与压头形状十分相近，未观测到任何裂纹，表明由于外加载荷较小，在金刚石压头压入过程中材料仅发生了弹、塑性变形，并未产生脆性破坏。
图1 Sod a 2lime
玻璃在载荷为320mN 时
的纳米压痕AFM 图像
由于纳米硬度仪的加载范围较小,
为了研究外加载荷的幅值对脆性材料变形方式的影响，进行了S oda
2lime 玻璃的显微印压试验。图2为载荷分别为
300g 、100g 、50g 和25g 时在材料
表面残留压痕的AFM 图像。当载荷为50g 和25g 时，在压痕表面观测不到裂纹及崩碎等破坏现象，试样表面只有塑性变形压坑。这就表明，当载荷小于50g 时，这种材料
仅产生弹、塑性变形。通过测量，外加载荷为50g 时
该玻璃的塑性变形压痕深度为0188μm 。当载荷分
别为300g 和100g 时，在压痕棱角处存在辐射状的微细径向裂纹，表明材料已发生脆性破坏，在载荷为50～100g 之间时，存在一个脆塑转变的过渡阶段。上述试验结果表明，脆性材料具有塑性的一面，只要控制切削单位小于某一临界值，就有可能实现脆性材料的塑性域微去除。
(a )300g (b )100g
(c )50g (d )25g
图2 Sod a 2lime 玻璃在不同载荷下的显微压痕图像
3.2 切削条件对材料去除过程的影响
在切削过程中，实际有效切削深度常常与名义切削深度不一致。为了提高加工精度，应通过选择合理的工艺方法和工艺参数减小两者的差距。
lcm液晶显示模块图3为在切削速度1.1～4.2m/min 、进给量5μm/rev 条件下进行普通切削，改变切削深度时端面切削玻璃表面轮廓的检测结果。虽然从试件的外
缘到中心处设定的名义切削深度不同(从0.2μm 依
窑炉技术
次递增到1.0μm )，但实际获得的切削表面几乎是一
平面，并不是阶梯面，表明实际有效切削深度很小,
材料去除率很低。在切削深度达0.8μm 时，切削过
程中材料发生了脆性破坏，切削表面较粗糙。上述试验结果表明，采用普通切削方式难以实现玻璃的塑性域切削。
图4为采用超声振动切削方式，改变切削深度时端面切削玻璃表面轮廓的检测结果(试验采用的切削速度和进给量与普通切削时相同)。从测量结果可以看出，玻璃切削表面呈阶梯面，实际有效切削深度与名义切削深度有着较好的一致性。由于超声
6
1工具技术
(a )
名义切削深度
(b )切削表面轮廓实测结果
图3 玻璃变切深普通切削表面轮廓
振动切削是一种脉冲切削，在切削过程中刀具与工件周期性地分离与接触，降低了切削过程的切削力，提高了切削系统刚度，同时由于切削力减小，使整个切削过程易于在塑性域中进行，提高了切削过程的平稳性，有益于提高加工精度和表面质量。
(a )
名义切削深度
(b )切削表面轮廓实测结果
图4
玻璃变切深超声振动切削表面轮廓
3.3 超声振动切削表面质量
图5是用光学显微镜拍摄的超声振动端面切削
S oda 2lime 玻璃的已加工表面形貌。切削深度为1μm ，进给量为5μm/rev ，实测的切削加工表面粗糙度值为R a 19nm 。从图中可以清楚看到刀具切削刃在工件表面残留的分布规则的走刀痕迹。用Wyko 表面形貌检测仪对走刀痕迹的间距进行检测，实测
值为4.9μm (见图6)，与切削进给量5μm/rev 相近,
表明切削表面是在塑性域切削状态下形成的。 4 结语
(1)从S oda 2lime 光学玻璃的显微压痕和纳米压
痕试验结果可以看出：外加载荷的幅值对脆性材料
图5 超声振动切削已加工表面微观形貌(200×)
图6 超声振动切削试样进给方向的表面轮廓
变形方式有直接影响。当施加的载荷较大时，材料表面会产生脆性破坏；当施加的载荷足够小时，脆性材料会产生塑性变形。
(2)与普通切削相比，超声振动切削的实际有效切削深度与名义切削深度有着较好的一致性，有益于提高加工精度。
(3)采用超声振动削技术实现了S oda 2lime 光学玻璃的塑性域切削，获得了粗糙度值为R a 19nm 的加工表面。
管式中空纤维膜参考文献
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第一作者：修树东，工学硕士，副教授，浙江林学院工程
学院,311300浙江省临安市
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12008年第42卷№4
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