石英玻璃是由二氧化硅单一成分构成的特种玻璃，具有化学性能稳定、透光性好、耐高温、耐辐射和抗激光损伤能力强等特点[1]，被广泛用于半导体、光通讯、太阳能、航空航天和军事设备等领域光学元器件的制造[2-4]。随着元器件制造水平的不断发展，对石英玻璃的表面/亚表面质量要求也越来越高，但石英玻璃的硬度高、脆性大，属于典型的硬脆难加工材料，如何实现石英玻璃的高效率高质量加工成为先进制造技术领域的重要研究方向[5]。在石英玻璃高精度高质量表面的超精密加工中，超精密磨削技术由于其磨粒利用率高、加工成本低、加工精度高等优点成为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质磨粒的微切削作用去除工件表面的材料，磨削过程中的力、热作用不可避免地会在工件的表面/亚表面形成损伤，进而影响器件的使用性能，必须进一步使用抛光工艺去除磨削产生的损伤层，磨削工件的表面/亚表面质量极大地影响后续抛光工艺的加工效率[9-12]。因此，研究石英玻璃超精密磨削的表面完整性对于分析其材料去除机理、优化磨削工艺和确定后续抛光工艺的材料去除量都具有重要的指导意义。
1 试验研究方案
1.1 磨削试验磨削试验在基于工件旋转磨削原理的 VG401MKII 型超精密磨床(Okamoto，日本)上进行，如图 1 所示，工件通过真空吸盘固定在工作台上，磨削过程中，砂轮和工件分别绕各自的轴线旋转，同时砂轮沿轴向匀速进给。加工的试件为 Φ100×5 mm 的 ZS1 型高纯度石英玻璃基片，其弹性模量 E=72.5 GPa，断裂韧性 Kc=0.633 MPa·m1/2，硬度 H=9.48 GPa。使用的砂轮为 400#、1 500#、2 000# 和 5 000#陶瓷结合剂金刚石砂轮。磨削过程中，采用去离子水作为冷却液。由于工件旋转法磨削时，随着砂轮转速的增大、砂轮轴向进给速度和工件转速的减小，磨削工件的表面/亚表面质量越好[18-19]，因此，为了获得最好的石英玻璃磨削表面/亚表面质量，试验采用的砂轮转速和工件转速分别为各自主轴能够稳定工作的最高转速和最低转速，砂轮轴向进给速度为砂轮能够稳定切削工件的最小进给速度，具体加工参数如表 1 所示。
1.2 表面/亚表面质量检测石英玻璃样件完成磨削后，采用 VHX-600E 超景深光学显微镜(KEYENCE，日本)和 Q45 型扫描电镜(FEI，美国)观测石英玻璃的表面微观缺陷，使用 Newview5022 型白光干涉 3D 表面轮廓仪(ZYGO，美国)检测石英玻璃的表面微观形貌和表面粗糙度。磨削石英玻璃的亚表面损伤主要采用角度截面显微观测法检测，原理如图 2 所示。首先用线切割机将磨削的石英玻璃基片切割成 8 mm×12 mm 的样件，并切割同样大小的抛光硅片作陪片，将陪片的抛光表面粘在石英玻璃样件的磨削表面上;然后，将粘好的样件固定在角度夹具上，使用研磨/抛光机对其进行角度截面的研磨和抛光加工，本试验中加工截面的角度为5.7°，亚表面损伤放大倍数为10倍;最后，使用浓度 20%的氢氟酸溶液对角度截面进行腐蚀，使样品亚表面的微裂纹显露出来，并借助于超景深显微镜对其进行观察和测量。此外，对于角度截面显微观测法难以观测到的具有极小亚表面损伤的磨削样品，本文将进一步借助于透射电子显微镜观测其亚表面损伤。
1.3 亚表面损伤预测模型磨削过程中砂轮表面磨粒切削工件材料的过程可以看成是大量尖锐的压头对工件表面的划擦过程。根据压痕断裂力学的理论可知，当尖锐压头以较大的载荷印压脆性材料的表面时，会在其亚表面产生中位裂纹(也称为径向裂纹)和横向裂纹[20-21]，如图 3 所示。中位裂纹产生于压头印压脆性材料的加载阶段，并随着压头载荷的增加向材料基体延伸，造成亚表面损伤，因此中位裂纹扩展的深度对应的就是亚表面损伤的深度。横向裂纹一般出现在卸载阶段，产生于弹塑性变形区底部，沿着近乎平行于材料表面的方向延伸，当横向裂纹延伸至工件表面或与其它裂纹相交时，使工件表面材料以崩碎的脆性断裂方式被去除，并在工件表面留下不同程度的凹坑，形成表面微观轮廓，因此横向裂纹的深度对应的就是工件表面微观轮廓的最大高度，即表面粗糙度 PV 值[9, 22]。根据上述分析可知，如果能够找到中位裂纹扩展深度与横向裂纹深度之间的数学关系，就能够建立起亚表面裂纹深度与表面粗糙度 PV 之间的关系。
2 结果与讨论
2.1 石英玻璃磨削加工的表面特性图 4 采用超景深光学显微镜观测的不同粒度金刚石砂轮磨削石英玻璃的表面。从图 4 可以明显地看出，随着砂轮粒度的减小，石英玻璃磨削表面的缺陷也随之得到改善，400#金刚石砂轮磨削表面可以观测到大量的破碎坑和深划痕，1 500#砂轮磨削表面的破碎坑变小，划痕也相应地变浅变细，2 000# 砂轮磨削表面开始变得光滑，但仍然能够观测到较小的破碎坑和磨痕，5 000#砂轮磨削表面变得非常光滑，已看不到类似于 400#、1 500#和 2 000#砂轮磨削表面上的破碎坑，只能观测到非常细的磨痕。
2.2 石英玻璃磨削加工的亚表面损伤图 8 为采用超景深光学显微镜观测的不同粒度金刚金刚石砂轮磨削石英玻璃亚表面的角度截面图。从图中可以看出，与表面质量的变化规律相同，随着磨粒粒径的减小，磨削石英玻璃的亚表面损伤深度也随之明显地减小，400#、1 500#和 2 000#金刚石砂轮磨削石英玻璃的亚表面损伤深度分别为 5.73 µm、3.64 µm 和 0.98 µm，如图 8a、8b 和 8c 所示。5 000#砂轮磨削石英玻璃的亚表面损伤最小，以至于本试验中采用的角度截面显微观测法已经不能够观测到 5 000#砂轮磨削石英玻璃的亚表面损伤情况，如图 8d 所示。需要注意的是，试验中采用超景深光学显微镜观测 1 500#、2 000#和 5 000#砂轮磨削石英玻璃的亚表面损伤时，显微镜的放大倍数为 2 000 倍，而观测 400#砂轮磨削石英玻璃的亚表面损伤时，显微镜的放大倍数为 1 000 倍。这是由于 400#砂轮磨削石英玻璃的亚表面损伤深度过大，当显微镜的放大倍数为 2 000 倍时，观测的视场范围过小，难以观测到亚表面损伤微裂纹的最大深度，因此，为了能够在视场范围内观测到整个亚表面微裂纹，显微镜的放大倍数选择 1 000 倍。
2.3 材料去除机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断裂去除和塑性流动去除两种，主要与砂轮表面参与切削的有效磨粒的切削深度有关[25-26]。当磨粒切削深度较大时，工件表面材料主要以脆性断裂的方式被去除，加工表面损伤严重，会形成破碎、凹坑、微裂纹、划痕等缺陷，亚表面也会产生一定深度的微裂纹;当砂轮表面磨粒的切削深度均小于某一临界切削深度时，工件表面材料会发生脆—塑性转变，以塑性流动的方式被去除，获得光滑的塑性域加工表面，表面/亚表面均没有微裂纹产生[27]。根据图 4～8 所示的不同粒度金刚石砂轮磨削石英玻璃的表面缺陷、表面微观形貌以及亚表面损伤的特征可推断，400#和 1 500#金刚石砂轮磨削石英玻璃的材料去除方式为脆性域去除，2 000#金刚石砂轮磨削的材料去除方式同时包括脆性域去除和塑性域去除，但主要为塑性域去除， 5 000#金刚石砂轮磨削石英玻璃的材料去除方式为塑性域去除，但仅根据石英玻璃的表面/亚表面特性分析不同粒度砂轮磨削时的材料去除方式还不完全准确，为了揭示磨削石英玻璃时的材料去除方式，还需要进一步计算不同粒度金刚石砂轮磨削时的磨粒切削深度，并与石英玻璃塑性域磨削的临界切削深度相比较。
3 结论
(1) 随着磨粒粒径的减小，石英玻璃磨削表面/ 亚表面质量随之变好，400#、1 500#、2 000#和 5 000# 砂轮磨削石英玻璃的表面粗糙度 Ra 分别为 274.0 nm、69.6 nm、3.4 nm 和 1.4 nm，亚表面损伤损伤深度分别为 5.73 µm、3.64 µm、0.98 µm 和 0.004 µm。 (2) 400#和 1 500#砂轮磨削石英玻璃的材料去除方式为脆性断裂去除，2 000#砂轮磨削石英玻璃的材料去除方式同时包括脆性断裂去除和塑性流动去除，但以塑性流动去除为主，5 000#砂轮磨削石英玻璃的材料去除方式为塑性流动去除。 (3) 脆性域磨削石英玻璃的表面损伤形式为脆性崩碎产生的凹坑、微裂纹、深磨痕，亚表面损伤形式为微裂纹;塑性域磨削石英玻璃的表面损伤形式为微磨痕，亚表面损伤形式为靠近加工表面的材料的塑性变形。 (4) 脆性域磨削石英玻璃的表面粗糙度 PV 和亚表面损伤深度 SSD 之间满足 SSD=(0.627～1.356) PV4/3 的数学关系，在本文 400#和 1 500#砂轮磨削试验中，SSD=0.638 PV4/3。
参 考 文 献
[1] 郭晓光，翟昌恒，张亮，等. 光学石英玻璃纳米级加工性能[J]. 光学精密工程，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] 仇中军，周立波，房丰洲，等. 石英玻璃的化学机械磨削加工[J]. 光学精密工程，2010，18(7)：1554-1561. QIU Zhongjun，ZHOU Libo，FANG 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》来源：《机械工程学报》，作者：高 尚 1 耿宗超 1 吴跃勤 2 王紫光 1 康仁科 1
