摘要
为了探究红外光学材料多光谱CVD硫化锌的磨削加工去除机理,对抛光后的多光谱CVD硫化锌材料进行显微压痕和金刚石单颗粒刻划实验研究,并采用金刚石砂轮对材料进行磨削加工。实验研究表明,多光谱CVD硫化锌材料在机械去除过程中出现了弹性和塑性变形现象,萌生的裂纹和破碎主要沿晶界、刻划方向、磨削纹理方向扩展,小的压力可抑制裂纹的萌生和扩展,采用尖头金刚石颗粒可获得破碎和裂纹更少的表面,采用垂直磨削法,磨削后形成了自中心至外缘呈周期性、散射状的磨削纹理。本研究可为多光谱CVD硫化锌红外透镜的精密、超精密加工提供技术依据。
关键词
硫化锌是目前最主要的多光谱红外光学材料,属于功能性红外透射材料,具有有优良光学和力学性能,是多晶、各向同性、无色透明材
美国Texas Optical Technologiesgo公司的JOHN SCHAEFER
多光谱CVD硫化锌的磨削加工去除机理尚不明晰,且抛光和切削去除材料去除率较低,在应对尺寸较大的红外透镜时,加工时间周期长。因此,本文针对多光谱CVD硫化锌材料,采用压痕、单颗粒刻划实验及磨削加工实验探究其磨削加工去除机理。
显微压痕和单颗粒刻划实验金刚石压头在材料表面的某些区域压入深度很小,因此,实验前需要对硫化锌材料进行抛光预处理。分别采用粒度为9、3、1 μm的金刚石抛光液和100 nm的二氧化铈抛光剂对硫化锌材料进行超精抛光表面处
图1 抛光后的多光谱CVD硫化锌表面
Fig.1 Surface of multispectral CVD zinc sulfide after polishing
压痕实验利用HVS-1000Z型数显显微硬度计进行,数显显微硬度计采用的是金刚石维氏压头。显微硬度压痕试验力采用50、100、200、300、500、1 000 gf级别,载荷保载时间为10 s,每种载荷压制4个试验点。
多光谱CVD硫化锌材料的单颗粒金刚石刻划实验是Moore Nanotech 350FG 上进行的。直线轴进给分辨率1 nm,定位精度1 nm,垂直方向最大行程分别为300 mm。为了模拟砂轮的磨削过程,将单颗磨粒固定在机床上,由固定在直线运动轴上的工件匀速运动,工件略微倾斜,以确保刻划后存在划出痕迹,模拟砂轮上磨粒划擦工件留下的磨削痕迹,刻划的硫化锌工件表面同样经过抛光处理,表面粗糙度达到15 nm以下,满足刻划要求,金刚石颗粒选用尖头和钝头,刻划速度为1 000 mm/s,初始刻划深度为10 μm,实验系统如
图2 金刚石单颗粒刻划实验系统
Fig.2 Experimental system of diamond single scratching
磨削实验设备平台如
图3 硫化锌磨削加工实验系统
Fig.3 Grinding system of zinc sulfide
图4 显微压痕实验结果
Fig.4 Results of microscopic indentation experiment
图5 100 gf和200 gf显微压痕实验结果
Fig.5 Results of microscopic indentation experiment with 100 gf and 200 gf
隆起现象,表明材料在压痕过程中出现了弹性和塑性变形现象。同时,在同样的压痕实验力的作用下,工件上不同的位置处,压痕裂纹的扩展方式也不一样,几乎所有图片中均存在压痕沿着晶界扩展的裂纹,在部分图片中出现了沿着压痕的对角线方向扩展延伸的裂纹,如
图6 金刚石单颗粒刻划线实验结果
Fig.6 Results of diamond single scratching
由
图7 磨削后表面共聚焦显微镜结果
Fig.7 Confocal microscopy detection results of grinding surface
图8 磨削表面粗糙度
Fig.8 Roughness of grinding surface
(1)显微压痕实验表明,多光谱CVD硫化锌材料在压痕过程中出现了弹性和塑性变形现象,裂纹主要沿晶界处扩展,由于晶粒生长方向的杂乱无章,在相同的作用力下,工件表面的不同位置处的裂纹扩展走向各不相同,小的压力可抑制裂纹的萌生和扩展。
(2)金刚石单颗粒刻划实验表明,多光谱CVD硫化锌材料与磨粒相互作用下,材料以脆性去除为主,切屑将以粉末状呈现,划擦后留在工件表面为存在弹塑性变形的磨削沟槽,破碎及裂纹同样容易出现在晶界处,且裂纹沿与刻划方向成锐角的方向扩展,采用尖头可获得破碎和裂纹更少的表面。
(3)采用垂直磨削法磨削多光谱CVD硫化锌后,形成了自中心至外缘呈周期性、散射状的磨削纹理,并且在磨削后的表面上分布着相对均匀、沿纹理方向分布的破碎点,破碎仍以晶界为边缘、以晶粒为单元的特征,与刻划产生的现象一致。磨削纹理存在波峰和波谷,在波峰区域多表现为塑性变形,在波谷区域多为破碎点。
参考文献
罗贞礼. 红外光学材料硫化锌概览[J]. 新材料产业, 2012 (8):41-44.
杨海,霍承松,余怀之,等. 红外用 CVD ZnS 多晶材料的研制[J]. 应用光学,2008 (1):57-61.
陈冰. 红外材料非球面透镜的超精密磨削加工关键技术研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2016.
黄建东. 硫化锌晶体固结磨料抛光研究[D]. 南京航空航天大学, 2016.
SCHAEFER J P, EICHHOLTZ R A. ,SULZBACH F C. Fabrication challenges associated with conformal optics[C]. Proceedings of SPIE,2001,4375:128-137.
陈琦,付秀华,贾宗合,等. 硫化锌晶体加工工艺技术研究[J]. 长春理工大学学报,自然科学版,2013(3):120-123.
曹志民. 硫化锌晶体的超精密车削加工技术研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2015.
ZONG W J, CAO Z M, HE C L, et al. Theoretical modelling and FE simulation on the oblique diamond turning of ZnS crystal[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2016, 100: 55-71.
宋雨欣,银恺,董欣然. 飞秒激光加工ZnS晶体沟槽形貌及其疏水性能研究[J]. 应用激光, 2017(03):94-98.
邢静,蔡长龙. 工艺参数对电感耦合等离子体刻蚀ZnS速率及表面粗糙度的影响[J]. 西安工业大学学报, 2013, 33(2):103-107.
姚光. 非球面透镜的材料可加工性及其磨削加工的实验研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2013.
陈冰,李时春,邓朝晖,等. 单晶硅非球面超精密磨削砂轮的性能参数优选[J]. 兵器材料科学与工程, 2017(4):5-10.
陈冰,王各,刘建明,等. 圆弧形砂轮精密修整及其声发射在线监测技术[J]. 中国机械工程, 2017, 28(18):2242-2249.
CHEN B, GUO B, ZHAO Q. An investigation into parallel and cross grinding of aspheric surface on monocrystal silicon[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 80(5-8): 737-746.
CHEN B, LI S, DENG Z, et al. Grinding marks on ultra-precision grinding spherical and aspheric surfaces[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, 2017, 4(4):419-429.
