BK7G18光学玻璃磨削过程中表面粗糙度与亚表面损伤关系：理论与实验结合研究

《Materials Today Communications》：Surface Roughness and Subsurface Damage Relationship in BK7G18 Optical Glass Grinding: A Combined Theoretical and Experimental Study

　　

研究人员针对脆性光学材料精密加工中表面质量与力学性能控制的需求，开展了BK7G18光学玻璃磨削过程的综合研究。通过全因子实验设计，采用树脂结合剂金刚石砂轮，系统考察主轴转速与切削深度对表面完整性及亚表面裂纹形态的影响。利用轮廓仪测量表面粗糙度(SR)，扫描电子显微镜(SEM)分析亚表面裂纹形貌，并同步采集磨削力数据。基于断裂力学理论，建立了以法向磨削力为核心的SR与亚表面损伤(SSD)定量关联模型。研究发现二者呈非线性幂律关系，其敏感性较弱，主要受控于磨削法向力。该力基模型实现了宏观表面特征与微观裂纹演化的跨尺度关联，为SSD的无损评估提供了物理依据。实验表明，采用细粒度树脂结合剂金刚石砂轮、中高主轴转速及浅切削深度可有效降低SR与SSD，为精密光学玻璃加工的表面质量控制提供了机理参考与工艺优化方向。

论文解读：《Materials Today Communications》发表BK7G18光学玻璃磨削中表面粗糙度与亚表面损伤的力基关联研究

研究背景与意义

脆性光学玻璃（如BK7G18）是航空航天光学系统的核心材料，其表面粗糙度(SR)与亚表面损伤(SSD)直接决定元件的光学透过率、机械强度及长期可靠性。当前精密磨削面临核心挑战：传统经验认为SR与SSD存在简单关联，但实际加工中因多颗粒交互、动态载荷等因素导致二者离散性显著，且SSD的直接检测依赖破坏性方法（如化学腐蚀、截面显微观察），无法实现在线监控。现有模型多孤立考虑材料属性或单一工艺参数，缺乏将可测物理量（磨削力、SR）与微观裂纹演化相耦合的统一框架。因此，建立基于力学机制的SR-SSD定量预测模型，对实现光学元件高效低损伤加工具有重要科学意义与工程价值。

关键技术方法

研究人员采用BK7G18光学玻璃试样（宽4 mm × 厚5 mm × 长46 mm），在Fumagalli Linea-80精密平面磨床上进行湿式磨削实验。选用两种树脂结合剂金刚石砂轮：粗粒度DIABOR C100 B46（Wheel 1）与细粒度DIABOR D126–140（Wheel 2）。通过全因子实验设计(Minitab软件规划)，系统改变主轴转速(1500–3000 rpm)、切削深度(75–300 μm)及砂轮类型，共执行32组实验。采用Kistler 9119AA2测力仪同步采集三向磨削力；Freutek TR200轮廓仪测量SR(Ra值)；通过HF-HNO?混合酸化学腐蚀暴露SSD后，使用ZEISS EVO 40扫描电子显微镜(SEM)表征最大裂纹深度。基于断裂力学理论推导单磨粒接触模型，结合实验数据回归分析，建立力基SR-SSD预测方程。

研究结果

1. 磨削参数对表面形貌的影响

低主轴转速(1500 rpm)或大切削深度(300 μm)下，表面呈现显著脆性断裂特征（犁沟、微坑）；当转速升至3000 rpm且切深≤75 μm时，表面趋于平滑，表明材料去除模式向半延性域转变。细粒度砂轮(Wheel 2)产生的表面沟槽更均匀，裂纹密度低于粗粒度砂轮(Wheel 1)，后者因临近寿命末期，结果需结合磨粒磨损定性分析。

2. 表面粗糙度随磨削参数的变化

SR总体随切削深度增加而上升（75–300 μm范围内Ra≈1.02–4.35 μm），符合SR ∝ (P/H)^1/2的力学关系（P为磨削力，H为硬度）。细粒度砂轮(Wheel 2)在不同切深下均保持稳定且较低的SR(≈0.8–1.0 μm)；粗粒度砂轮因磨损导致切削能力下降，SR呈现非单调变化。

3. 磨削参数与力的交互作用

磨削力分量表现为法向力(F_z) > 横向力(F_y) > 进给力(F_x)，总力(F_total)范围为23–404 N。F_z随切削深度近似线性增长，细粒度砂轮比粗粒度砂轮的F_z低25–35%。提高主轴转速可降低F_y与F_z，表明高速利于提升材料去除效率。

4. 表面粗糙度与亚表面损伤的关系

SR与SSD呈弱非线性幂律关系(SSD = 274.56·SR^0.25)，低指数证实SR单独无法可靠预测SSD。细粒度砂轮在相同SR下可对应极宽的SSD范围(100–700 μm)，说明SSD主要由磨削力驱动的裂纹扩展控制，而非表面形貌本身。

5. 磨削参数与SSD的交互作用

切削深度是SSD的主导因素，300 μm切深下SSD可达500 μm以上；细粒度砂轮较粗粒度砂轮降低SSD达40%。主轴转速在≤2500 rpm时可抑制SSD，但3000 rpm时可能因热-力耦合效应导致SSD回升。

6. 磨削力与SSD的关联

SSD与总磨削力(F_total)相关性弱(R2≈0.03)，因其掩盖了法向力(F_z)的主导作用。F_z与SSD呈显著正相关，粗粒度砂轮在高力区(>300 N)产生SSD超700 μm，而细粒度砂轮在相同力下SSD<250 μm。

7. 宏观建模与验证

基于断裂力学建立宏观预测模型：F_z∝ a_p^0.82·v_s^-0.47·d_g^0.35（a_p切深，v_s砂轮线速度，d_g磨粒直径），拟合结果与实测力一致。进一步导出SSD = K₁·F_z^2/3·(E/H)^1/3·K_c^-2/3（E弹性模量，K_c断裂韧性），模型预测值与SEM实测SSD趋势吻合。

讨论与结论

本研究通过融合断裂力学理论与全因子实验，首次建立了BK7G18玻璃磨削中“工艺参数→磨削力→SR/SSD”的跨尺度定量关联。核心结论包括：(1) 切削深度是SSD的首要控制参数，法向磨削力(F_z)是连接宏观工艺与微观裂纹演化的物理枢纽；(2) SR可作为SSD的无损间接指标，但必须置于力基框架下解读；(3) 最优工艺窗口为：细粒度树脂金刚石砂轮(D126–140)+主轴转速2500–3000 rpm+切深≤75 μm，可实现SR与SSD同步最小化。该模型为光学制造领域提供了可替代破坏性检测的SSD在线预测新范式，未来可通过集成原位力监测与数据驱动算法进一步提升工业适用性。

（作者：?aban ?tenkaya | Rahmi ünal，土耳其TüB?TAK空间技术研究所）