許繼鵬，姜 晨

（上海理工大學(xué) 機械學(xué)院，上海 200093）

基于聲發(fā)射信號的多種光學(xué)玻璃特征尺寸測量的壓痕實驗

許繼鵬，姜 晨

（上海理工大學(xué) 機械學(xué)院，上海 200093）

主要介紹使用聲發(fā)射信號技術(shù)對壓痕實驗過程進行監(jiān)測。在實驗過程中，對每個不同壓力載荷情況下進行聲發(fā)射信號的采集，建立聲發(fā)射有效監(jiān)測壓痕試件狀態(tài)的機制從而配合壓痕實驗來提高實驗精度和穩(wěn)定性，最終得到在所施加載荷狀態(tài)下的各種光學(xué)玻璃試件的特征尺寸值及壓痕形貌顯微照片，確定側(cè)向裂紋和中介裂紋的形核、發(fā)展過程，從而為提高光學(xué)玻璃的加工質(zhì)量和表面精度做出理論鋪墊。

聲發(fā)射信號；多種光學(xué)玻璃；壓力載荷；特征尺寸

0　引言

光學(xué)玻璃作為典型的脆硬性難加工材料廣泛應(yīng)用在望遠鏡、顯微鏡、照相機等光學(xué)儀器中。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，不同領(lǐng)域?qū)τ诠鈱W(xué)玻璃的需求增加，在保證加工質(zhì)量的前提下，提高加工效率變成一個新的研究熱點，目前所采用的主要加工方法是使用金剛石砂輪在磨床上對光學(xué)玻璃進行精密磨削，但是在磨削過程中會產(chǎn)生諸多意外，如刀具的某一部分磨損嚴重；工件因裝夾不穩(wěn)造成偏移；工件表面易產(chǎn)生裂紋以及發(fā)生脆性破壞造成表面質(zhì)量降低等[1]，因而會降低加工效率?；诖朔N情況，對磨削過程中的進行有效的監(jiān)測也成為一個研究的重點，本文也將介紹在監(jiān)控狀態(tài)下的壓痕實驗，即基于聲發(fā)射信號的壓痕試驗。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種無損故障監(jiān)測技術(shù)在被引入到磨削領(lǐng)域后，因其靈敏度高、抗干擾能力強的特點極大的提高了磨削效率。雖然聲發(fā)射信號技術(shù)已經(jīng)在磨削、拋光、銑車等領(lǐng)域得到成功的運用，但加工過程復(fù)雜，針對不同的加工方式不同的加工環(huán)境多使用的聲發(fā)射傳感器所得到的結(jié)果都不盡相同[2]。本文主要使用KISTLER公司生產(chǎn)的AE-Piezotron Coupler Type 5125型號的聲發(fā)射信號傳感器，將傳感器安裝在HXS-1000Ak維氏壓頭顯微硬度計上，從而完成對整個壓痕實驗的監(jiān)測，從而得到不同種類的光學(xué)玻璃在大小不同的載荷下的特征尺寸值及壓痕形貌顯微照片。

1　基本理論

在壓痕實驗中，壓頭的卸載過程和單顆磨粒磨過工件加工區(qū)域相似，磨粒隨砂輪被動旋轉(zhuǎn)，由淺入深完成材料的去除工作，工件材料所處過程依次為：彈性接觸、塑性變形、形成微觀裂紋、發(fā)生脆性破壞（即為材料去除）。對于脆性材料來說，在較小載荷的作用下仍然會發(fā)生塑性變形，隨著載荷的增大，材料開始由塑性變形向脆性破壞的變化，同時會在材料的內(nèi)部生成脆性裂紋，并會延展到材料表面。在此過程中，脆性裂紋恰好產(chǎn)生時，此時所施加的垂直載荷稱為臨界載荷，此時壓頭壓入的深度稱為臨界壓深[3]。臨界壓深的計算公式如式(1)所示（理論值）[4]：

式中，dc為材料的臨界切削厚度（脆性材料）；ψ為與壓頭形狀有關(guān)的無量綱系數(shù)；Kc為材料的斷裂韌性；E為材料的彈性模量；Hv材料的維氏硬度。根據(jù)式(1)可知，若要計算出材料的臨界切削深度需要得到材料的維氏硬度和斷裂韌性，維氏硬度可由維氏壓頭顯微硬度計得到。材料的斷裂韌性需要下面的式(2)進行計算。

斷裂韌性是材料抗斷裂的力學(xué)性能指標，是材料本身的性質(zhì)，用來反映材料抵抗低應(yīng)力脆斷的能力。本文主要采用Evans模型來計算脆性材料斷裂韌性，其兩個基本判據(jù)：壓痕實驗測得（P/C）3/2是一個與壓制載荷無關(guān)的常量；壓痕裂紋的斷裂/形變參數(shù)（C/D）處于1.5～7的范圍內(nèi)。對于試件K9的斷裂韌性符合這兩個判斷依據(jù)。因此，計算K9光學(xué)玻璃的斷裂韌性選取Evans模型，Evans模型的公式表述如所示[5]。

其中x為一個常數(shù)，可由式(3)計算。

f(x)為一個常函數(shù)，可由式(4)計算。

在式(2)～式(4)中：Kc為材料的斷裂韌性；E為材料的楊氏彈性模量；Hv為材料的維氏硬度；C為徑向裂紋長度；D為壓痕對角線長度。因此在壓痕實驗中，需要測得材料的維氏硬度、徑向裂紋的長度、壓痕對角線的長度便可以計算或者反映出工件的脆性材料臨界切削厚度，從而使塑性去除的方式成為可能。

聲發(fā)射是指材料內(nèi)部局部區(qū)域在外界環(huán)境的作用下，伴隨能量快速釋放產(chǎn)生的瞬間彈性波現(xiàn)象，在磨削過程中，切削形成、切削斷裂、彈性變形及磨粒和工件之間的摩擦等過程都會導(dǎo)致工件的工作區(qū)域產(chǎn)生聲發(fā)射信號，利用聲發(fā)射信號傳感器就可以將這些信號變成易于觀測和處理的電信號，這些信號和磨削工程中的各種參數(shù)有著密切的關(guān)系，電信號的改變也就意味著聲發(fā)射信號在時域和頻域的特征值發(fā)生改變，也就意味加工狀態(tài)發(fā)生改變，因此對于磨削狀態(tài)進行監(jiān)測也就可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷β暟l(fā)射信號的變化的監(jiān)控[6]。

2　試件標準及流程

本次實驗的光學(xué)玻璃工件為K9光學(xué)玻璃、BK7光學(xué)玻璃、適應(yīng)光學(xué)玻璃，玻璃工件尺寸均為15mm（長度）×15mm（寬度）×5mm（厚度），玻璃工件表面需經(jīng)過拋光等精加工處理，其表面粗糙度Ra值至少為12nm，同時在光學(xué)顯微鏡下放大200倍后觀察，玻璃工件表面無破損。K9玻璃試件如圖1所示。

圖1　K9玻璃試件

本次壓痕實驗在HXS-1000Ak維氏壓頭顯微硬度計上操作，可以提供穩(wěn)定的恒定值載荷，此硬度計使用標準維氏金剛石壓頭，壓頭前端金剛石為四棱錐形，壓頭的頂角為136°。在實驗過程中，為研究外加載荷的變化對材料裂紋特征尺寸的影響，不同種類的光學(xué)玻璃所加載的載荷均為：0.1N、0.25N、0.5N、1N、2N、3N、5N、10N，所加載荷垂直于工件的表面，工件水平固定在壓頭顯微硬度計的載物臺上。載荷穩(wěn)定后，壓頭在工件表面上保持至少25s。

本次壓痕實驗主要使用KISTLER公司生產(chǎn)的AEPiezotron Coupler Type 5125型號的聲發(fā)射信號傳感器進行監(jiān)測，從其顯示的波形來確定實驗的穩(wěn)定性從而得到在不同載荷下的特征尺寸值及壓痕形貌顯微照片。

3　實驗結(jié)果簡述

壓痕實驗結(jié)果，得到不同種類的光學(xué)玻璃在不同載荷條件下的特征尺寸值。（由于壓痕存在兩條對角線，D1為水平方向上的對角線值，即為水平方向上的特征尺寸值；同理，D2為豎直方向上的特征尺寸值）圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9為K9光學(xué)玻璃的壓痕顯微照片。

圖2　0.1N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖3　0.25N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖4　0.5N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖5　1N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖6　2N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖7　3N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖8　5N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

圖9　10N載荷下的K9玻璃壓痕顯微照片

最終得到不同種類的光學(xué)玻璃在各個載荷狀態(tài)下的裂紋特征尺寸如表1～表3所示。

表1　BK7光學(xué)玻璃在各個載荷狀態(tài)下的特征尺寸值表

表2　K9光學(xué)玻璃在各個載荷狀態(tài)下的特征尺寸值表

表3　石英光學(xué)玻璃在各個載荷狀態(tài)下的特征尺寸值表

不同載荷狀態(tài)下的聲發(fā)射信號的監(jiān)測如圖10、圖11、圖12所示?？梢耘袛嚯S著載荷的逐漸增大，聲發(fā)射信號也隨之逐漸增強，因此在實驗中的監(jiān)測是比較穩(wěn)定的。

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圖10　K9光學(xué)玻璃在0.25N載荷下聲發(fā)射信號監(jiān)測圖

圖11　K9光學(xué)玻璃在0.5N載荷下聲發(fā)射信號監(jiān)測圖

圖12　K9光學(xué)玻璃在2N載荷下的聲發(fā)射信號監(jiān)測圖

4　結(jié)論

對比三種光學(xué)玻璃試件，雖然各自的性質(zhì)不同，但在施加不同的載荷后，得到每種材料的特征尺寸值和壓痕顯微照片，對比分析可知：1）當載荷較小時，在壓頭和材料的接觸區(qū)域產(chǎn)生一個塑性變形的壓坑，此階段材料是塑性變形，并沒有裂紋產(chǎn)生；2）當載荷增加到某一臨界值時，在壓頭正下方的應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生中介裂紋，該裂紋沿著壓痕邊緣擴展形成徑向裂紋；3）當載荷繼續(xù)增大是，壓痕的側(cè)面上出現(xiàn)側(cè)向裂紋。進一步分析這幾種裂紋產(chǎn)生的原因和過程：1）在初始階段，當施加的載荷很小時，在壓頭尖端和工件接觸部分區(qū)域只產(chǎn)生塑性變形；2）持續(xù)加載，當載荷增大到某一臨界值時，在壓頭與工件接觸的應(yīng)力集中處，所受應(yīng)力達到最大值，超過了材料的斷裂極限，中介裂紋由此產(chǎn)生，由于應(yīng)力集中的存在，中介裂紋沿著壓痕邊緣持續(xù)擴展形成徑向裂紋，伴隨著施加載荷的增加，裂紋成比例地擴展；3）卸載過程中，載荷減小，中介裂紋逐漸閉合；4）完全扯載后，材料存在的彈性變形區(qū)域?qū)λ苄宰冃螀^(qū)域擠壓，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在此殘余應(yīng)力的作用下，在塑性變形區(qū)域產(chǎn)生側(cè)向裂紋。通過圖10、圖11、圖12分析可知，在本次壓痕實驗中，隨著載荷的逐步增大，聲發(fā)射信號也隨之逐步增強，因此可以監(jiān)測處本次實驗中，壓頭和工件表面之間的工作區(qū)域是相對穩(wěn)定的。

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Monitor indentation experiments of a variety of optical glass characteristic dimension measuredbased on acoustic emission signals

XU Ji-peng, JIANG Chen

TG580.6

A

1009-0134(2016)02-0032-04

2015-12-12

許繼鵬（1992 -），男，上海人，碩士，研究方向為精密加工。