聲發(fā)射的ELID超精密磨削光學(xué)玻璃技術(shù)研究

聲放射的ELID超精密磨削光學(xué)玻璃技術(shù)探討AstudyonELIDultraprecisiongrindingofopticalglasswithacousticemissionD.J.Stephenson*,X.Sun,C.Zervos摘要BK7玻璃和微晶玻璃的ELID磨削是用聲放射進行探討的。試驗結(jié)果表明，在磨削過程砂輪和工件之間的接觸面積是對精細(xì)粒度的樹脂結(jié)合劑砂輪的承載實力至關(guān)重要。ELID可用于當(dāng)砂輪和工件接觸面積大時材料去除的高效性。ELID砂輪的敷料強度之間的與檢測到的AE信號之間的相關(guān)性進行了視察。更細(xì)的粒度砂輪磨削的進取ELID修整參數(shù)對應(yīng)于一個較低的AE水平。當(dāng)ELID砂輪的處理時間增加時，低而穩(wěn)定的AE振幅由于砂輪磨削的惡化變得大而波動。結(jié)果表明，聲放射檢測技術(shù)有潛力被接受為超精密磨削過程監(jiān)測，確定砂輪的條件和調(diào)查ELID磨削機制的有效方法。Q2005Elsevier公司保留全部產(chǎn)權(quán)。關(guān)鍵詞：ELID磨削玻璃；聲放射；1.引言在精密磨削，實現(xiàn)高質(zhì)量的表面最好用的方法是運用一個細(xì)磨粒尺寸砂輪。然而，隨著粒度的減小，用于存儲碎屑的空間變小，承載簡單沖突[1]。當(dāng)碎屑填充在砂輪表面的活性顆粒的孔隙間時砂輪受到負(fù)載。當(dāng)去除率超過碎屑存儲可用率，碎屑會積聚在碎屑存儲空間[2]。磨屑粘附在砂輪表面削減了磨粒出刃的層次和存儲新的碎屑的空間由此產(chǎn)生了砂輪和工件之間沉悶的摩擦行為。因此，表面光滑度差，嚴(yán)峻損傷都將在加載條件下出現(xiàn)。車輪負(fù)載可以限制加工效率甚至使磨削變得不行能。樹脂和金屬結(jié)合劑砂輪是精密磨削常用的。他們有相對較少的空隙當(dāng)敷料、整形后，修整表面太光滑、致密，活動構(gòu)件間不足的空間來容納芯片[2]。當(dāng)鈍的磨粒和樹脂粘結(jié)材料被磨損是精細(xì)粒度的樹脂結(jié)合劑砂輪光學(xué)玻璃的精密磨削可能發(fā)生自我修正過程。運用樹脂結(jié)合劑砂輪的自我修整效果仍需被探討。在線電解修整（ELID）技術(shù)被用來減輕精細(xì)粒度的金屬結(jié)合劑砂輪的負(fù)載。ELID電化學(xué)技術(shù)是通過原位電解來持續(xù)修整金屬結(jié)合劑砂輪[3–7]。電解化學(xué)修飾了磨削砂輪的表面，在磨削過程中磨削砂輪的層數(shù)也被改善以此來供應(yīng)必要的磨粒出刃和芯片存儲空間。在精密磨削中，保持最佳的砂輪面貌是實現(xiàn)高質(zhì)量的質(zhì)地表面必不行少的。實時過程監(jiān)控或檢測方法來確保所需的砂輪狀態(tài)和部分質(zhì)量[8]。無損評價（NDE）傳感器的應(yīng)用可以在實時監(jiān)控磨削過程中發(fā)揮重要的作用。在超精密加工光學(xué)玻璃，材料以特別低的材料去除率從工件去除，未切割的切屑厚度通常是在納米水平以使表面/亞表面損傷打到最低。小的切削深度下功耗，振動和力信號具有很低的靈敏度和信噪比（ANR），這是因為在切削過程中的低層次的力。一些在傳統(tǒng)的加工操作常用的傳感器來監(jiān)測切削過程精度是很困難的。然而，聲放射（AE）信號已被證明是足夠敏感的來監(jiān)測精密磨削，并更適合用于監(jiān)測特別快的事務(wù)，例如力的測量[9–11]。由于聲放射波的傳播頻率從100千赫到1兆赫，遠(yuǎn)高于多數(shù)結(jié)構(gòu)固有頻率，機械振動不會影響的AE信號[10]。因此聲放射作為志向方法來表征材料去除活性，供應(yīng)工具條件和零件質(zhì)量信息。聲放射波可以由一個聲放射傳感器（壓電換能器）檢測，它安裝在靠近地表的位置。聲放射源包括彈性碰撞，摩擦，壓痕裂紋，鍵的斷裂，切屑斷裂，斷口，和車輪/工件界面除砂[8,9]。從前的探討已經(jīng)表明，磨損顆粒，砂輪負(fù)荷，沉重的摩擦，和硬的粘結(jié)材料可能會導(dǎo)致較大的聲放射能量[11–13]。車輪荷載，耕，和滑動是聲放射能量的主要來源。耕的特征為無材料去除工件的塑性變形，由于這種變形而消耗能量。滑動由于磨粒和工件之間的滑動摩擦而消耗能量。擴展的磨削操作過程中砂輪負(fù)載的影響降低了磨粒切削作用的效率，由于砂工作的互動組件產(chǎn)生打的耕和滑動（摩擦）部件。這預(yù)料將增加過程中聲放射能量。已經(jīng)做出很多努力來發(fā)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測系統(tǒng)來利用聲放射信號中提取的特征。工業(yè)應(yīng)用一個比較牢靠的方法均方根（RMS），來評價聲放射信號。均方根評價AE信號被定義為：其中v（t）是AE原始信號，T是整合期。在過去的二十年里中ELID技術(shù)已深化探討。對ELID的原理，據(jù)作者所知，據(jù)大森的描述以前的文獻中沒有先進的明顯。為了了解和提高ELID技術(shù)，金屬基體修整砂輪的的電化學(xué)行為應(yīng)進行徹底調(diào)查。為了研磨過程的監(jiān)測，力在以前的探討通常被用于評估磨削工藝和探討ELID機制。據(jù)報道，ELID可以磨削起先階段供應(yīng)降低和幾乎恒定的磨削力。Lim探討了ELID參數(shù)的影響，表明磨削力隨著修整電流的占空比的增加而下降。Fathima指出，對于粗粒度的砂輪修，低占空比修整是可取的，而較高的易磨性和更高的占空比被舉薦用于精細(xì)粒度的砂輪以達到高質(zhì)量的表面。在這項探討中，聲放射法被用于評估ELID為減輕砂輪輪負(fù)載的有效性和確定砂輪的條件。結(jié)論建立接受剛性機床tetraformC，磨削BK7玻璃和微晶玻璃測試的基礎(chǔ)上。本探討的目的是評估鑄鐵結(jié)合劑砂輪ELID磨削的性能并將之與不經(jīng)ELID的樹脂結(jié)合劑砂輪磨削想比較。聲放射的等級對應(yīng)于不同的電修整參數(shù)是基于聲放射的測量探討。這項探討還調(diào)查了ELID機制，供應(yīng)了最佳的磨削條件如何實現(xiàn)的預(yù)料。2.試驗設(shè)置ELID和沒有ELID的磨削試驗是在精密平面磨床tetraformC上進行[6]。運用了2到7mm的粒度尺寸，124毫米直徑和4毫米表面寬度的鑄鐵結(jié)合劑（CIB）和樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪。工件的材料是微晶玻璃和BK7玻璃，或者長方形（16×10毫米）或圓形（直徑50毫米）。ELID系統(tǒng)接受不銹鋼作為陰極，用220毫米的敷料覆蓋缺口1/6的輪面。一種水基磨削液CEM，富士模具，日本，作為冷卻液和電解質(zhì)。ELID應(yīng)用的電源是一個ed-921（富士模具，日本）。AE信號采集系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。運用壓電傳感器的傳感器采集聲放射信號。傳感器1，圖1所示，是一個寬帶100–1000千赫的物理聲學(xué)有限公司的模型。該傳感器運用凡士林連接到工件表面。聲放射信號經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，通過前置放大器放大到可用的電壓水平并轉(zhuǎn)移到aedsp-32/16卡，它有16位辨別率的數(shù)據(jù)記錄。前置放大器（1220A）供應(yīng)了100的收益（40分貝）和運用100–1200kHz帶寬的帶寬濾波器來消退機械和聲學(xué)背景噪聲，優(yōu)先在低頻率。每秒2百萬的采樣率頻率進行信號采集。聲放射設(shè)施被用來短時間內(nèi)獲得AE原始信號和快速傅立葉變換（FFT）分析。另一個聲放射系統(tǒng)，AE4000-1，沃爾特凱利公司，與“S”型傳感器——圖1-2的傳感器，用于收集的被訂正的AE信號來監(jiān)測在一個完整的磨削循環(huán)聲放射的改變。3.結(jié)果與探討3.1.樹脂結(jié)合劑和鑄鐵結(jié)合劑（ELID）砂輪的聲放射如圖2所示杯形砂輪的研磨材料去除區(qū)分主要和次要。一般來說，主要的材料去除區(qū)可以考慮進行大多數(shù)材料去除，而二級材料去除工藝去除地面材料一個很小的比例，可以考慮作為一個加工區(qū)。超精密磨削，如切削深度相對于砂輪的邊緣的半徑特別小時，主去除區(qū)域和次區(qū)域以及他們之間的邊界都很難區(qū)分（圖2）。因此，本文并不試圖區(qū)分聲放射來自不同的材料去除區(qū)的貢獻。對樹脂結(jié)合劑砂輪磨削產(chǎn)生的聲放射信號（無ELID）和CIB輪（ELID）進行了探討。初步試驗是用BK7玻璃樣品運用7毫米粒度砂輪在39米/秒的輪速，6毫米/分鐘進給速度，5毫米深度進行切割。加工過程中砂輪和工件之間的接觸面積是40平方毫米。圖3為一些通過AErms磨削的結(jié)果，它表明鑄鐵結(jié)合劑砂輪ELID磨削比樹脂結(jié)合劑砂輪產(chǎn)生更高的AErms和表現(xiàn)更大的散射。沒有摩擦的痕跡或地面嚴(yán)峻損壞表面。進一步試驗是用表面直徑50毫米的BK7玻璃樣品以39米/秒輪的轉(zhuǎn)速，2mm切削深度，和3毫米/分鐘進給率進行切割。在磨削過程中砂輪和工件之間接觸面積的改變范圍在0–200平方毫米。圖4顯示了樹脂結(jié)合劑和金屬結(jié)合劑砂輪表面和工件接觸面積改變相對應(yīng)的聲放射信號。每個砂輪總的材料去除量低于75毫米。在圖4中，當(dāng)砂輪和工件的接觸面積小于150平方毫米時，樹脂結(jié)合劑砂輪的聲放射水平普遍低于金屬結(jié)合劑砂輪。然而，樹脂結(jié)合劑砂輪的砂輪和工件接觸面積擴大時AE水平增加一個相當(dāng)大的速率。圖4表明，聲放射信號的振幅達到在B點峰值，比達到最高的輪/工件接觸面積200平方毫米更早。明顯，輪/工件接觸區(qū)在很大程度上影響了樹脂結(jié)合劑砂輪磨削的AE振幅。對聲放射信號的峰值的位置被認(rèn)為與表面質(zhì)量差相關(guān)聯(lián)。在圖4中的ELID輪產(chǎn)生的聲放射信號具有較低的AE水平相對于相同的磨削參數(shù)下的樹脂結(jié)合劑砂輪。輪/工件接觸區(qū)并沒有對ELID磨削的AE水平表現(xiàn)出的一個顯著的影響。圖5顯示了在當(dāng)砂輪與工件接觸面積為180平方毫米時樹脂結(jié)合劑和技術(shù)結(jié)合劑砂輪磨削時聲放射信號的時間域和頻率域。接受樹脂結(jié)合劑砂輪產(chǎn)生的聲放射信號比金屬結(jié)合劑砂輪產(chǎn)生的信號更大的振幅。樹脂結(jié)合劑砂輪產(chǎn)生的鋸齒狀的AE信號可能是由于鈍砂輪與工件之間摩擦或滑動作用。對于樹脂結(jié)合劑砂輪磨削在頻率成分的振幅的增加與ELID磨削在圖（a）和（b）中做了一個整體比較。由兩個砂輪產(chǎn)生的頻率重量之間明顯的差異可以在圖5中視察到的。圖6顯示了兩個車輪產(chǎn)生的表面。在ELID磨削和樹脂結(jié)合劑砂輪磨削中，樣品都經(jīng)過了十次磨削過程，為了視察長時間的進程中砂輪狀態(tài)的穩(wěn)定性在，并增加輪和工件的接觸面積。圖7顯示了樹脂結(jié)合劑砂輪的SEM照片。該照片是在兩個不同的地方，一個遠(yuǎn)離和一個在砂輪的前緣的旁邊，它磨削時經(jīng)驗了最主動的條件。從這兩幅圖畫的比較，很明顯，該輪已在基體材料中裂紋擴展過程中損壞。前緣旁邊的光學(xué)顯微鏡在圖8（a）表明，活動的金剛石磨粒的數(shù)量相比于圖8（b）所示的卸載砂輪表面顯著下降。影響輪式裝載期間延長磨削操作降低了磨粒切削產(chǎn)生大的春耕行動和滑動的效率（摩擦）的磨粒工件的相互作用組件。隨著砂輪的磨損，由于能源消耗翻耕和滑動部件負(fù)載的能源消耗增加，從而聲放射也增加。探討結(jié)果表明，砂輪/工件接觸面積是影響輪樹脂結(jié)合劑砂輪加載的一個關(guān)鍵因素。嚴(yán)峻的輪裝載是為精細(xì)粒度的樹脂結(jié)合劑砂輪所發(fā)展的，當(dāng)輪/工件接觸面積增加時。從中可以得出結(jié)論，當(dāng)砂輪與工件之間的接觸面積大時，一個經(jīng)過ELID磨削的精細(xì)粒度的CIB的杯形砂輪比樹脂結(jié)合劑砂輪能更好的克服車輪荷載。在這樣的條件下，ELID方法有望成為更適合高效精密磨削的材料去除。3.2.利用聲放射檢測車輪狀態(tài)ELID砂輪在修整后能快速進入一個穩(wěn)定的切削過程。然而，隨著材料去除或處理時間的增加，ELID輪可能不良的砂輪地貌最終無法進行適當(dāng)?shù)那懈?。由于砂輪具有粗糙的表面和很多不?dǎo)電磨料顆粒嵌入，電解質(zhì)的散亂和金屬表面之間會產(chǎn)生不勻稱的電流分布，如圖9所示（a）。在金屬結(jié)合劑中電解質(zhì)的流淌和分布是由圖中的等高線表示?？梢钥闯?，磨料顆粒和腔干擾了電流的流淌。他們使其周邊四周的電流密度的局部增加。該區(qū)暴露了碎屑去除表面氧化物的摩擦產(chǎn)生的金屬鍵，如圖9（b），也是修整電流的密集區(qū)域。這表明，金屬基體的砂輪表面不勻稱的電化學(xué)反應(yīng)將由不勻稱的電流分布產(chǎn)生而導(dǎo)致在金屬表面的電解作用產(chǎn)生不同。圖10顯示了在一系列的磨削循環(huán)中BK7玻璃聲放射信號的改變。當(dāng)砂輪的材料去除量低于75立方毫米，聲放射信號是穩(wěn)定的，表現(xiàn)出相對小的值。在材料去除量的增加，聲放射幅值增加并變得不穩(wěn)定。CIB砂輪表面的光學(xué)顯微照片如圖11（a）所示，當(dāng)去除材料后有裂縫的存在，砂輪表面有大的空隙和嚴(yán)峻銹蝕的地區(qū)。長的裂縫可能來自短裂紋或缺陷，并被工件在車輪工作接口處的周期力下擴大。電解腐蝕電化學(xué)行為可以集中在這些位置促進裂化過程。探討輪表面裂紋的形態(tài)，聚焦離子束（FIB）技術(shù)被用于監(jiān)測砂輪表面的地下橫段銑。圖11（b）顯示了離子束加工產(chǎn)生的溝槽，在縱向和橫向裂紋的砂輪表面下視察。橫向裂紋擴展與垂直裂縫連接。隨著裂縫數(shù)量和嚴(yán)峻程度的增加，破壞和粘結(jié)材料的去除是可能發(fā)生的，會導(dǎo)致砂輪面貌變壞，最終砂輪報廢。圖10中大振幅的AE信號隨機分布可能對應(yīng)于粘結(jié)材料的斷裂。在磨削循環(huán)中漸漸增加的AE水平可能表明白砂輪的惡化。3.3.ELID參數(shù)電解對ELID輪表面的氧化物層的形成起著至關(guān)重要的作用。法拉第定律已被用于開展粘結(jié)材料的理論體積轉(zhuǎn)化的表達，就是：其中M是反應(yīng)離子的原子量；I是電流；T是反應(yīng)時間；Z是反應(yīng)離子的價態(tài)；F法拉第常數(shù)；是金屬粘結(jié)的密度。依據(jù)式（2），車輪表面的電解活性是受施加在砂輪和陰極電極之間電解電流的影響。有兩個參數(shù)可用來確定應(yīng)用于ELID的電源的修整電解的用量，是占空比和峰值電壓。占空比定義為用于ELID方波時間的百分比。峰值電壓是從ELID電源波形輸出的振幅。從理論上講，這兩個參數(shù)可以影響砂輪表面腐蝕層產(chǎn)生的速度。試驗結(jié)果表明，ELID強度更可能影響地面的質(zhì)量，當(dāng)研磨很細(xì)的磨料粒度的金剛石砂輪是。圖12顯示了光學(xué)顯微鏡下運用不同組合的占空比和峰值電壓的ELID的2毫米粒度的CIB杯金剛石砂輪所產(chǎn)生的BK7質(zhì)地表面。圖12中的照片（a）顯示了在10%的占空比和60V峰值電壓下一些質(zhì)地上的嚴(yán)峻摩擦損傷。摩擦損傷被認(rèn)為是由一些在砂輪表面產(chǎn)生的鈍的區(qū)域。在圖12（a）中一個較大的放大倍率的光學(xué)顯微鏡表明白裂紋運行正常的滑動方向。隨著占空比從10%增加到70%，摩擦作用在肯定程度上緩解如圖12（b），其中在摩擦損傷無裂紋。當(dāng)應(yīng)用70%占空比和90V電壓時，在表面的摩擦標(biāo)記削減，如圖12（c）。這些試驗表明，高占空比和/或峰值電壓可以為這些磨削條件供應(yīng)足夠的砂輪修整。圖12（a）中地表的裂縫可通過砂輪和工件之間的摩擦產(chǎn)生的熱效應(yīng)產(chǎn)生。因為BK7具有的導(dǎo)熱性差，當(dāng)精細(xì)粒度的砂輪修整不夠時熱裂紋發(fā)生。修整參數(shù)對聲放射的影響進行了探討。試驗通過16×10毫米的微晶玻璃樣品和運用39米/秒的輪速，5毫米切割深度，6毫米/分鐘進給速度的7毫米粒度砂輪進行。在測試系列之前先進行砂輪的整形和預(yù)修整。AE記在每個樣品的表面被磨平幾次之后起先。圖13顯示了利用10%/60V和70%/90VELID參數(shù)的聲放射原始信號和功率譜圖。當(dāng)運用更主動的ELID參數(shù)時，原始信號在時間域的AE幅值有所削減。AE振幅在頻率域的頻率成分也削減，當(dāng)修整參數(shù)變得更主動時，如圖13(a)和(b)所示。頻率成分的下降率是比較大，在240和300千赫頻率。圖14和圖15分別顯示了占空比和峰值電壓對AERMS的影響。結(jié)果表明，聲放射能量的增加時占空比