石英玻璃是由二氧化硅單一成分構(gòu)成的特種玻璃，具有化學(xué)性能穩(wěn)定、透光性好、耐高溫、耐輻射和抗激光損傷能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，被廣泛用于半導(dǎo)體、光通訊、太陽(yáng)能、航空航天和軍事設(shè)備等領(lǐng)域光學(xué)元器件的制造[2-4]。隨著元器件制造水平的不斷發(fā)展，對(duì)石英玻璃的表面/亞表面質(zhì)量要求也越來(lái)越高，但石英玻璃的硬度高、脆性大，屬于典型的硬脆難加工材料，如何實(shí)現(xiàn)石英玻璃的高效率高質(zhì)量加工成為先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向[5]。在石英玻璃高精度高質(zhì)量表面的超精密加工中，超精密磨削技術(shù)由于其磨粒利用率高、加工成本低、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)成為石英玻璃的重要加工方法之一[6-8]。然而，超精密磨削是利用硬質(zhì)磨粒的微切削作用去除工件表面的材料，磨削過(guò)程中的力、熱作用不可避免地會(huì)在工件的表面/亞表面形成損傷，進(jìn)而影響器件的使用性能，必須進(jìn)一步使用拋光工藝去除磨削產(chǎn)生的損傷層，磨削工件的表面/亞表面質(zhì)量極大地影響后續(xù)拋光工藝的加工效率[9-12]。因此，研究石英玻璃超精密磨削的表面完整性對(duì)于分析其材料去除機(jī)理、優(yōu)化磨削工藝和確定后續(xù)拋光工藝的材料去除量都具有重要的指導(dǎo)意義。

　　1 試驗(yàn)研究方案

　　1.1 磨削試驗(yàn)?zāi)ハ髟囼?yàn)在基于工件旋轉(zhuǎn)磨削原理的 VG401MKII 型超精密磨床(Okamoto，日本)上進(jìn)行，如圖 1 所示，工件通過(guò)真空吸盤(pán)固定在工作臺(tái)上，磨削過(guò)程中，砂輪和工件分別繞各自的軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)砂輪沿軸向勻速進(jìn)給。加工的試件為 Φ100×5 mm 的 ZS1 型高純度石英玻璃基片，其彈性模量 E=72.5 GPa，斷裂韌性 Kc=0.633 MPa·m1/2，硬度 H=9.48 GPa。使用的砂輪為 400#、1 500#、2 000# 和 5 000#陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪。磨削過(guò)程中，采用去離子水作為冷卻液。由于工件旋轉(zhuǎn)法磨削時(shí)，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增大、砂輪軸向進(jìn)給速度和工件轉(zhuǎn)速的減小，磨削工件的表面/亞表面質(zhì)量越好[18-19]，因此，為了獲得最好的石英玻璃磨削表面/亞表面質(zhì)量，試驗(yàn)采用的砂輪轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速分別為各自主軸能夠穩(wěn)定工作的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速，砂輪軸向進(jìn)給速度為砂輪能夠穩(wěn)定切削工件的最小進(jìn)給速度，具體加工參數(shù)如表 1 所示。

　　1.2 表面/亞表面質(zhì)量檢測(cè)石英玻璃樣件完成磨削后，采用 VHX-600E 超景深光學(xué)顯微鏡(KEYENCE，日本)和 Q45 型掃描電鏡(FEI，美國(guó))觀測(cè)石英玻璃的表面微觀缺陷，使用 Newview5022 型白光干涉 3D 表面輪廓儀(ZYGO，美國(guó))檢測(cè)石英玻璃的表面微觀形貌和表面粗糙度。磨削石英玻璃的亞表面損傷主要采用角度截面顯微觀測(cè)法檢測(cè)，原理如圖 2 所示。首先用線切割機(jī)將磨削的石英玻璃基片切割成 8 mm×12 mm 的樣件，并切割同樣大小的拋光硅片作陪片，將陪片的拋光表面粘在石英玻璃樣件的磨削表面上;然后，將粘好的樣件固定在角度夾具上，使用研磨/拋光機(jī)對(duì)其進(jìn)行角度截面的研磨和拋光加工，本試驗(yàn)中加工截面的角度為5.7°，亞表面損傷放大倍數(shù)為10倍;最后，使用濃度 20%的氫氟酸溶液對(duì)角度截面進(jìn)行腐蝕，使樣品亞表面的微裂紋顯露出來(lái)，并借助于超景深顯微鏡對(duì)其進(jìn)行觀察和測(cè)量。此外，對(duì)于角度截面顯微觀測(cè)法難以觀測(cè)到的具有極小亞表面損傷的磨削樣品，本文將進(jìn)一步借助于透射電子顯微鏡觀測(cè)其亞表面損傷。

　　1.3 亞表面損傷預(yù)測(cè)模型磨削過(guò)程中砂輪表面磨粒切削工件材料的過(guò)程可以看成是大量尖銳的壓頭對(duì)工件表面的劃擦過(guò)程。根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)的理論可知，當(dāng)尖銳壓頭以較大的載荷印壓脆性材料的表面時(shí)，會(huì)在其亞表面產(chǎn)生中位裂紋(也稱為徑向裂紋)和橫向裂紋[20-21]，如圖 3 所示。中位裂紋產(chǎn)生于壓頭印壓脆性材料的加載階段，并隨著壓頭載荷的增加向材料基體延伸，造成亞表面損傷，因此中位裂紋擴(kuò)展的深度對(duì)應(yīng)的就是亞表面損傷的深度。橫向裂紋一般出現(xiàn)在卸載階段，產(chǎn)生于彈塑性變形區(qū)底部，沿著近乎平行于材料表面的方向延伸，當(dāng)橫向裂紋延伸至工件表面或與其它裂紋相交時(shí)，使工件表面材料以崩碎的脆性斷裂方式被去除，并在工件表面留下不同程度的凹坑，形成表面微觀輪廓，因此橫向裂紋的深度對(duì)應(yīng)的就是工件表面微觀輪廓的最大高度，即表面粗糙度 PV 值[9, 22]。根據(jù)上述分析可知，如果能夠找到中位裂紋擴(kuò)展深度與橫向裂紋深度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，就能夠建立起亞表面裂紋深度與表面粗糙度 PV 之間的關(guān)系。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 石英玻璃磨削加工的表面特性圖 4 采用超景深光學(xué)顯微鏡觀測(cè)的不同粒度金剛石砂輪磨削石英玻璃的表面。從圖 4 可以明顯地看出，隨著砂輪粒度的減小，石英玻璃磨削表面的缺陷也隨之得到改善，400#金剛石砂輪磨削表面可以觀測(cè)到大量的破碎坑和深劃痕，1 500#砂輪磨削表面的破碎坑變小，劃痕也相應(yīng)地變淺變細(xì)，2 000# 砂輪磨削表面開(kāi)始變得光滑，但仍然能夠觀測(cè)到較小的破碎坑和磨痕，5 000#砂輪磨削表面變得非常光滑，已看不到類(lèi)似于 400#、1 500#和 2 000#砂輪磨削表面上的破碎坑，只能觀測(cè)到非常細(xì)的磨痕。

　　2.2 石英玻璃磨削加工的亞表面損傷圖 8 為采用超景深光學(xué)顯微鏡觀測(cè)的不同粒度金剛金剛石砂輪磨削石英玻璃亞表面的角度截面圖。從圖中可以看出，與表面質(zhì)量的變化規(guī)律相同，隨著磨粒粒徑的減小，磨削石英玻璃的亞表面損傷深度也隨之明顯地減小，400#、1 500#和 2 000#金剛石砂輪磨削石英玻璃的亞表面損傷深度分別為 5.73 µm、3.64 µm 和 0.98 µm，如圖 8a、8b 和 8c 所示。5 000#砂輪磨削石英玻璃的亞表面損傷最小，以至于本試驗(yàn)中采用的角度截面顯微觀測(cè)法已經(jīng)不能夠觀測(cè)到 5 000#砂輪磨削石英玻璃的亞表面損傷情況，如圖 8d 所示。需要注意的是，試驗(yàn)中采用超景深光學(xué)顯微鏡觀測(cè) 1 500#、2 000#和 5 000#砂輪磨削石英玻璃的亞表面損傷時(shí)，顯微鏡的放大倍數(shù)為 2 000 倍，而觀測(cè) 400#砂輪磨削石英玻璃的亞表面損傷時(shí)，顯微鏡的放大倍數(shù)為 1 000 倍。這是由于 400#砂輪磨削石英玻璃的亞表面損傷深度過(guò)大，當(dāng)顯微鏡的放大倍數(shù)為 2 000 倍時(shí)，觀測(cè)的視場(chǎng)范圍過(guò)小，難以觀測(cè)到亞表面損傷微裂紋的最大深度，因此，為了能夠在視場(chǎng)范圍內(nèi)觀測(cè)到整個(gè)亞表面微裂紋，顯微鏡的放大倍數(shù)選擇 1 000 倍。

　　2.3 材料去除機(jī)理分析石英玻璃是典型的脆性材料，其磨削加工的材料去除方式包括脆性斷裂去除和塑性流動(dòng)去除兩種，主要與砂輪表面參與切削的有效磨粒的切削深度有關(guān)[25-26]。當(dāng)磨粒切削深度較大時(shí)，工件表面材料主要以脆性斷裂的方式被去除，加工表面損傷嚴(yán)重，會(huì)形成破碎、凹坑、微裂紋、劃痕等缺陷，亞表面也會(huì)產(chǎn)生一定深度的微裂紋;當(dāng)砂輪表面磨粒的切削深度均小于某一臨界切削深度時(shí)，工件表面材料會(huì)發(fā)生脆—塑性轉(zhuǎn)變，以塑性流動(dòng)的方式被去除，獲得光滑的塑性域加工表面，表面/亞表面均沒(méi)有微裂紋產(chǎn)生[27]。根據(jù)圖 4～8 所示的不同粒度金剛石砂輪磨削石英玻璃的表面缺陷、表面微觀形貌以及亞表面損傷的特征可推斷，400#和 1 500#金剛石砂輪磨削石英玻璃的材料去除方式為脆性域去除，2 000#金剛石砂輪磨削的材料去除方式同時(shí)包括脆性域去除和塑性域去除，但主要為塑性域去除， 5 000#金剛石砂輪磨削石英玻璃的材料去除方式為塑性域去除，但僅根據(jù)石英玻璃的表面/亞表面特性分析不同粒度砂輪磨削時(shí)的材料去除方式還不完全準(zhǔn)確，為了揭示磨削石英玻璃時(shí)的材料去除方式，還需要進(jìn)一步計(jì)算不同粒度金剛石砂輪磨削時(shí)的磨粒切削深度，并與石英玻璃塑性域磨削的臨界切削深度相比較。

　　3 結(jié)論

　　(1) 隨著磨粒粒徑的減小，石英玻璃磨削表面/ 亞表面質(zhì)量隨之變好，400#、1 500#、2 000#和 5 000# 砂輪磨削石英玻璃的表面粗糙度 Ra 分別為 274.0 nm、69.6 nm、3.4 nm 和 1.4 nm，亞表面損傷損傷深度分別為 5.73 µm、3.64 µm、0.98 µm 和 0.004 µm。 (2) 400#和 1 500#砂輪磨削石英玻璃的材料去除方式為脆性斷裂去除，2 000#砂輪磨削石英玻璃的材料去除方式同時(shí)包括脆性斷裂去除和塑性流動(dòng)去除，但以塑性流動(dòng)去除為主，5 000#砂輪磨削石英玻璃的材料去除方式為塑性流動(dòng)去除。 (3) 脆性域磨削石英玻璃的表面損傷形式為脆性崩碎產(chǎn)生的凹坑、微裂紋、深磨痕，亞表面損傷形式為微裂紋;塑性域磨削石英玻璃的表面損傷形式為微磨痕，亞表面損傷形式為靠近加工表面的材料的塑性變形。 (4) 脆性域磨削石英玻璃的表面粗糙度 PV 和亞表面損傷深度 SSD 之間滿足 SSD=(0.627～1.356) PV4/3 的數(shù)學(xué)關(guān)系，在本文 400#和 1 500#砂輪磨削試驗(yàn)中，SSD=0.638 PV4/3。

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　[1] 郭曉光，翟昌恒，張亮，等. 光學(xué)石英玻璃納米級(jí)加工性能[J]. 光學(xué)精密工程，2014，22(11)：2959-2966. GUO Xiaoguang，ZHAI Changheng，ZHANG Liang， et al. Nano-processing performance of optical glass[J]. Optics and Precision Engineering ， 2014 ， 22(11) ： 2959-2966.

　　[2] 仇中軍，周立波，房豐洲，等. 石英玻璃的化學(xué)機(jī)械磨削加工[J]. 光學(xué)精密工程，2010，18(7)：1554-1561. QIU Zhongjun，ZHOU Libo，F(xiàn)ANG Fengzhou，et al. Chemical mechanical grinding for quartz glass[J]. Optics and Precision Engineering，2010，18(7)：1554-1561.

　　《石英玻璃超精密磨削加工的表面完整性研究》來(lái)源：《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》，作者：高 尚 1 耿宗超 1 吳躍勤 2 王紫光 1 康仁科 1