声发射的ELID超精密磨削光学玻璃技术研究_光学零件的超精密磨削

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声发射的ELID超精密磨削光学玻璃

技术研究

A study on ELID ultra precision grinding of optical gla

with acoustic emiion

D.J.Stephenson*, X.Sun, C.Zervos

摘要

BK7玻璃和微晶玻璃的ELID磨削是用声发射进行研究的。实验结果表明，在磨削过程砂轮和工件之间的接触面积是对精细粒度的树脂结合剂砂轮的承载能力至关重要。ELID可用于当砂轮和工件接触面积大时材料去除的高效性。ELID砂轮的敷料强度之间的与检测到的AE信号之间的相关性进行了观察。更细的粒度砂轮磨削的进取ELID修整参数对应于一个较低的AE水平。当ELID砂轮的处理时间增加时，低而稳定的AE振幅由于砂轮磨削的恶化变得大而波动。结果表明，声发射检测技术有潜力被采纳为超精密磨削过程监测，确定砂轮的条件和调查ELID磨削机制的有效方法。Q 2005 Elsevier公司保留所有产权。关键词：ELID磨削玻璃；声发射； 1.引言

在精密磨削，实现高质量的表面最实用的方法是使用一个细磨粒尺寸砂轮。然而，随着粒度的减小，用于存储碎屑的空间变小，承载容易冲突[ 1 ]。当碎屑填充在砂轮表面的活性颗粒的孔隙间时砂轮受到负载。当去除率超过碎屑存储可用率，碎屑会积聚在碎屑存储空间[ 2 ]。磨屑粘附在砂轮表面减少了磨粒出刃的层次和存储新的碎屑的空间由此产生了砂轮和工件之间沉闷的摩擦行为。因此，表面光洁度差，严重损伤都将在加载条件下出现。车轮负载可以限制加工效率甚至使磨削变得不可能。树脂和金属结合剂砂轮是精密磨削常用的。他们有相对较少的空隙当敷料、整形后，修整表面太光滑、致密，活动构件间不足的空间来容纳芯片[ 2 ]。当钝的磨粒和树脂粘结材料被磨损是精细粒度的树脂结合剂砂轮光学玻璃的精密磨削可能发生自我修正过程。使用树脂结合剂砂轮的自我修整效果仍需被研究。在线电解修整（ELID）技术被用来减轻精细粒度的金属结合剂砂轮的负载。ELID电化学技术是通过原位电解来持续修整金属结合剂砂轮[ 3–7 ]。电解化学修饰了磨削砂轮的表面，在磨削过程中磨削砂轮的层数也被改善以此来提供必要的磨粒出刃和芯片存储空间。在精密磨削中，保持最佳的砂轮面貌是实现高质量的质地表面必不可少的。实时过程监控或检测方法来确保所需的砂轮状态和部分质量[ 8 ]。无损评价（NDE）传感器的应用可以在实时监控磨削过程中发挥重要的作用。在超精密加工光学玻璃，材料以非常低的材料去除率从工件去除，未切割的切屑厚度通常是在纳米水平以使表面/亚表面损伤打到最低。小的切削深度下功耗，振动和力信号具有很低的灵敏度和信噪比（ANR），这是因为在切削过程中的低层次的力。一些在传统的加工操作常用的传感器来监测切削过程精度是很困难的。然而，声发射（AE）信号已被证明是足够敏感的来监测精密磨削，并更适合用于监测非常快的事件，例如力的测量[9–11 ]。由于声发射波的传播频率从100千赫到1兆赫，远高于多数结构固有频率，机械振动不会影响的AE信号[ 10 ]。因此声发射作为理想方法来表征材料去除活性，提供工具条件和零件质量信息。声发射波可以由一个声发射传感器（压电换能器）检测，它安装在靠近地表的位置。声发射源包括弹性碰撞，摩擦，压痕裂纹，键的断裂，切屑断裂，断口，和车轮/工件界面除砂[8,9]。先前的研究已经表明，磨损颗粒，砂轮负荷，沉重的摩擦，和硬的粘结材料可能会导致较大的声发射能量[ 11–13 ]。车轮荷载，耕，和滑动是声发射能量的主要来源。耕的特征为无材料去除工件的塑性变形，由于这种变形而消耗能量。滑动由于磨粒和工件之间的滑动摩擦而消耗能量。扩展的磨削操作过程中砂轮负载的影响降低了磨粒切削作用的效率，由于砂工作的互动组件产生打的耕和滑动（摩擦）部件。这预计将增加过程中声发射能量。已经做出许多努力来发展状态监测系统来利用声发射信号中提取的特征。工业应用一个比较可靠的方法均方根（RMS），来评价声发射信号。均方根评价AE信号被定义为：

其中v（t）是AE原始信号，T是整合期。

在过去的二十年里中ELID技术已深入研究。对ELID的原理，据作者所知，据大森的描述以前的文献中没有先进的明显。为了了解和提高ELID技术，金属基体修整砂轮的的电化学行为应进行彻底调查。为了研磨过程的监测，力在以前的研究通常被用于评估磨削工艺和探讨ELID机制。据报道，ELID可以磨削开始阶段提供降低和几乎恒定的磨削力。Lim研究了ELID参数的影响，表明磨削力随着修整电流的占空比的增加而下降。Fathima指出，对于粗粒度的砂轮修，低占空比修整是可取的，而较高的易磨性和更高的占空比被推荐用于精细粒度的砂轮以达到高质量的表面。在这项研究中，声发射法被用于评估ELID为减轻砂轮轮负载的有效性和确定砂轮的条件。结论建立采用刚性机床tetraform C，磨削BK7玻璃和微晶玻璃测试的基础上。本研究的目的是评估铸铁结合剂砂轮ELID磨削的性能并将之与不经ELID的树脂结合剂砂轮磨削想比较。声发射的等级对应于不同的电修整参数是基于声发射的测量研究。这项研究还调查了ELID机制，提供了最佳的磨削条件如何实现的预测。2.实验设置

ELID和没有ELID的磨削试验是在精密平面磨床tetraform C上进行[ 6 ]。使用了2到7mm的粒度尺寸，124毫米直径和4毫米表面宽度的铸铁结合剂（CIB）和树脂结合剂金刚石砂轮。工件的材料是微晶玻璃和BK7玻璃，或者长方形（16×10毫米）或圆形（直径50毫米）。ELID系统采用不锈钢作为阴极，用220毫米的敷料覆盖缺口1 / 6的轮面。一种水基磨削液CEM，富士模具，日本，作为冷却液和电解质。ELID应用的电源是一个ed-921（富士模具，日本）。AE信号采集系统的流程图如图1所示。使用压电传感器的传感器采集声发射信号。传感器1，图1所示，是一个宽带100–1000千赫的物理声学有限公司的模型。该传感器使用凡士林连接到工件表面。声发射信号经传感器转换成电信号，通过前置放大器放大到可用的电压水平并转移到aedsp-32 / 16卡，它有16位分辨率的数据记录。前置放大器（1220A）提供了100的收益（40分贝）和使用100–1200 kHz带宽的带宽滤波器来消除机械和声学背景噪声，优先在低频率。每秒2百万的采样率频率进行信号采集。声发射设施被用来短时间内获得AE原始信号和快速傅立叶变换（FFT）分析。另一个声发射系统，AE4000-1，沃尔特凯利公司，与“S”型传感器——图1-2的传感器，用于收集的被纠正的AE信号来监测在一个完整的磨削循环声发射的变化。

3.结果与讨论

3.1.树脂结合剂和铸铁结合剂（ELID）砂轮的声发射

如图2所示杯形砂轮的研磨材料去除区分主要和次要。一般来说，主要的材料去除区可以考虑进行大多数材料去除，而二级材料去除工艺去除地面材料一个很小的比例，可以考虑作为一个加工区。超精密磨削，如切削深度相对于砂轮的边缘的半径非常小时，主去除区域和次区域以及他们之间的边界都很难区分（图2）。因此，本文并不试图区分声发射来自不同的材料去除区的贡献。对树脂结合剂砂轮磨削产生的声发射信号（无ELID）和CIB轮（ELID）进行了研究。初步试验是用BK7玻璃样品使用7毫米粒度砂轮在39米/秒的轮速，6毫米/分钟进给速度，5毫米深度进行切割。加工过程中砂轮和工件之间的接触面积是40平方毫米。图3为一些通过AErms磨削的结果，它表明铸铁结合剂砂轮ELID磨削比树脂结合剂砂轮产生更高的AErms和表现更大的散射。没有摩擦的痕迹或地面严重损坏表面。进一步实验是用表面直径50毫米的BK7玻璃样品以39米/秒轮的转速，2 mm切削深度，和3毫米/分钟进给率进行切割。在磨削过程中砂轮和工件之间接触面积的变化范围在0–200平方毫米。图4显示了树脂结合剂和金属结合剂砂轮表面和工件接触面积变化相对应的声发射信号。每个砂轮总的材料去除量低于75毫米。在图4中，当砂轮和工件的接触面积小于150平方毫米时，树脂结合剂砂轮的声发射水平普遍低于金属结合剂砂轮。然而，树脂结合剂砂轮的砂轮和工件接触面积扩大时AE水平增加一个相当大的速率。图4表明，声发射信号的振幅达到在B点峰值，比达到最高的轮/工件接触面积200平方毫米更早。显然，轮/工件接触区在很大程度上影响了树脂结合剂砂轮磨削的AE振幅。对声发射信号的峰值的位置被认为与表面质量差相关联。在图4中的ELID轮产生的声发射信号具有较低的AE水平相对于相同的磨削参数下的树脂结合剂砂轮。轮/工件接触区并没有对ELID磨削的AE水平表现出的一个显着的影响。

图5显示了在当砂轮与工件接触面积为180平方毫米时树脂结合剂和技术结合剂砂轮磨削时声发射信号的时间域和频率域。采用树脂结合剂砂轮产生的声发射信号比金属结合剂砂轮产生的信号更大的振幅。树脂结合剂砂轮产生的锯齿状的AE信号可能是由于钝砂轮与工件之间摩擦或滑动作用。对于树脂结合剂砂轮磨削在频率成分的振幅的增加与ELID磨削在图（a）和（b）中做了一个整体比较。由两个砂轮产生的频率分量之间明显的差异可以在图5中观察到的。图6显示了两个车轮产生的表面。在ELID磨削和树脂结合剂砂轮磨削中，样品都经过了十次磨削过程，为了观察长时间的进程中砂轮状态的稳定性在，并增加轮和工件的接触面积。

图7显示了树脂结合剂砂轮的SEM照片。该照片是在两个不同的地方，一个远离和一个在砂轮的前缘的附近，它磨削时经历了最积极的条件。从这两幅图画的比较，很明显，该轮已在基体材料中裂纹扩展过程中损坏。前缘附近的光学显微镜在图8（a）表明，活动的金刚石磨粒的数量相比于图8（b）所示的卸载砂轮表面显著下降。影响轮式装载期间延长磨削操作降低了磨粒切削产生大的春耕行动和滑动的效率（摩擦）的磨粒工件的相互作用组件。随着砂轮的磨损，由于能源消耗翻耕和滑动部件负载的能源消耗增加，从而声发射也增加。研究结果表明，砂轮/工件接触面积是影响轮树脂结合剂砂轮加载的一个关键因素。严重的轮装载是为精细粒度的树脂结合剂砂轮所发展的，当轮/工件接触面积增加时。从中可以得出结论，当砂轮与工件之间的接触面积大时，一个经过ELID磨削的精细粒度的CIB的杯形砂轮比树脂结合剂砂轮能更好的克服车轮荷载。在这样的条件下，ELID方法有望成为更适合高效精密磨削的材料去除。

3.2.利用声发射检测车轮状态

ELID砂轮在修整后能迅速进入一个稳定的切削过程。然而，随着材料去除或处理时间的增加，ELID轮可能不良的砂轮地貌最终无法进行适当的切割。由于砂轮具有粗糙的表面和许多不导电磨料颗粒嵌入，电解质的散乱和金属表面之间会产生不均匀的电流分布，如图9所示（a）。在金属结合剂中电解质的流动和分布是由图中的等高线表示。可以看出，磨料颗粒和腔干扰了电流的流动。他们使其周边周围的电流密度的局部增加。该区暴露了碎屑去除表面氧化物的摩擦产生的金属键，如图9（b），也是修整电流的密集区域。这表明，金属基体的砂轮表面不均匀的电化学反应将由不均匀的电流分布产生而导致在金属表面的电解作用产生不同。图10显示了在一系列的磨削循环中BK7玻璃声发射信号的变化。当砂轮的材料去除量低于75立方毫米，声发射信号是稳定的，表现出相对小的值。在材料去除量的增加，声发射幅值增加并变得不稳定。CIB砂轮表面的光学显微照片如图11（a）所示，当去除材料后有裂缝的存在，砂轮表面有大的空隙和严重锈蚀的地区。长的裂缝可能来自短裂纹或缺陷，并被工件在车轮工作接口处的周期力下扩大。电解腐蚀电化学行为可以集中在这些位置促进裂化过程。探讨轮表面裂纹的形态，聚焦离子束（FIB）技术被用于监测砂轮表面的地下横段铣。图11（b）显示了离子束加工产生的沟槽，在纵向和横向裂纹的砂轮表面下观察。横向裂纹扩展与垂直裂缝连接。随着裂缝数量和严重程度的增加，破坏和粘结材料的去除是可能发生的，会导致砂轮面貌变坏，最后砂轮报废。图10中大振幅的AE信号随机分布可能对应于粘结材料的断裂。在磨削循环中逐渐增加的AE水平可能表明了砂轮的恶化。

3.3.ELID参数

电解对ELID轮表面的氧化物层的形成起着至关重要的作用。法拉第定律已被用于开展粘结材料的理论体积转化的表达，就是：

其中M是反应离子的原子量；I是电流；T是反应时间；Z是反应离子的价态；F法拉第常数；

是金属粘结的密度。

根据式（2），车轮表面的电解活性是受施加在砂轮和阴极电极之间电解电流的影响。有两个参数可用来确定应用于ELID的电源的修整电解的用量，是占空比和峰值电压。占空比定义为用于ELID方波时间的百分比。峰值电压是从ELID电源波形输出的振幅。从理论上讲，这两个参数可以影响砂轮表面腐蚀层产生的速度。实验结果表明，ELID强度更可能影响地面的质量，当研磨很细的磨料粒度的金刚石砂轮是。图12显示了光学显微镜下使用不同组合的占空比和峰值电压的ELID的2毫米粒度的CIB杯金刚石砂轮所产生的BK7质地表面。图12中的照片（a）显示了在10%的占空比和60 V峰值电压下一些质地上的严重摩擦损伤。摩擦损伤被认为是由一些在砂轮表面产生的钝的区域。在图12（a）中一个较大的放大倍率的光学显微镜表明了裂纹运行正常的滑动方向。随着占空比从10%增加到70%，摩擦作用在一定程度上缓解如图12（b），其中在摩擦损伤无裂纹。当应用70%占空比和90 V电压时，在表面的摩擦标记减少，如图12（c）。这些试验表明，高占空比和/或峰值电压可以为这些磨削条件提供足够的砂轮修整。图12（a）中地表的裂缝可通过砂轮和工件之间的摩擦产生的热效应产生。因为BK7具有的导热性差，当精细粒度的砂轮修整不够时热裂纹发生。

修整参数对声发射的影响进行了研究。试验通过16×10毫米的微晶玻璃样品和使用39米/秒的轮速，5毫米切割深度，6毫米/分钟进给速度的7毫米粒度砂轮进行。在测试系列之前先进行砂轮的整形和预修整。AE记在每个样品的表面被磨平几次之后开始。图13显示了利用10% / 60 V和70% / 90 V ELID参数的声发射原始信号和功率谱图。当使用更积极的ELID参数时，原始信号在时间域的AE幅值有所减少。AE振幅在频率域的频率成分也减少，当修整参数变得更积极时，如图13(a)和(b)所示。频率成分的下降率是比较大，在240和300千赫频率。图14和图15分别显示了占空比和峰值电压对AERMS的影响。结果表明，声发射能量的增加时占空比和峰值电压减少。占空比参数对声发射的能量的影响比峰值电压更为显著。ELID磨削涉及砂轮表面氧化层的去除和再生[ 3–5 ]。当在电解环境中应用大剂量的电时，砂轮表面氧化膜的形成是快速。在磨削过程中氧化物层的去除可以在车轮表面产生新的磨粒凸出和更多的碎屑存储空间，减少车轮荷载和颤振。平缓的修整参数可以导致不充足的修整，导致大的暗区，使砂轮和工件之间的切割效果较差。低效率的磨削和焊接金属和工件之间大的接触面积造成大的AE水平。

4.结论

声发射检测可用于识别砂轮装载和评估一个砂轮的磨削状态。本次调查表明，声发射能量随这砂轮荷载的发生而增加。当转动装置有长接触弧时精细粒度的杯形砂轮的ELID磨削不太可能遇到的轮装载，相比于树脂砂轮。因此，ELID磨削是高效精密磨削推荐使用的，组件都是比较大的。树脂结合剂砂轮的AE振幅显着增加对应了砂轮便面的剧烈摩擦。这表明，磨粒加工弧长时树脂结合剂砂轮无法进行有效的自我修整。然而，当轮和工件的接触面积小的时树脂结合剂砂轮容易产生较低的AE振幅。更温和的修整参数的ELID磨削可以为7毫米的细磨轮产生高的声发射能量。更细的粒度砂轮建议密集的修整过程和更具侵略性的修整参数来减小车轮负载和提高切削效率。修整参数的应用应考虑轮配置，磨削工艺参数和工件材料的性能，因此，依赖于一套复杂的多变量之间的相互作用。声发射检测技术有潜力被采用来监测复杂的ELID磨削过程并确保保持最佳的磨削条件的有效方法。

致谢

这项工作是由EC project—NanoGrind(GRD1-2001-40538)部分赞助。