王 昆 ，吳 意 ，王占山 ，張 眾

（1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 200092；2.同濟大學物理科學與工程學院，上海200092）

X射線望遠鏡是一種基于二次旋轉對稱曲面的掠入射X射線成像系統(tǒng)（圖1）[1]，是研究宇宙黑洞形成、銀河系星云強磁場等重大天文問題的關鍵技術手段，對我國高能空間科學發(fā)展和空間戰(zhàn)略需求具有重要意義。在發(fā)射升空時，X射線望遠鏡的超薄玻璃鏡片需承受數(shù)倍重力加速度的沖擊和高頻振動。

圖1 嵌套式X射線望遠鏡原理圖

目前，現(xiàn)有的玻璃切割技術分為三種：金剛石切割、水射流切割、激光切割。對于玻璃等硬脆材料，金剛石切割的邊緣質量較粗糙[2-3]，表面留有細小裂紋等宏觀缺陷（圖2a）。水射流切割玻璃具有切割厚度大、間隙小、效率高等優(yōu)點，但加工時需嚴格控制壓力及切割速度，以達到較好的切割質量；對于超薄曲面玻璃，水射流切割產(chǎn)生的壓力則極易導致玻璃崩壞，邊緣質量也很難達到要求[4-5]。而普通激光熔融切割后的玻璃斷面較粗糙，存在表面燒蝕現(xiàn)象[6]。即使采用先進的飛秒激光技術，選擇較小的功率密度，在切割斷面10 μm以內仍會產(chǎn)生細小裂紋（圖2b）；如果進行多次飛秒激光切割直至切斷材料，則切割斷面如圖2c所示。激光熱應力切割加工斷面平整，基本無裂紋；但離激光光斑焦點最近的玻璃表面溫度超過玻璃材料的應變溫度，會引起超薄曲面玻璃的局部變形。而且，由于激光熱源能量密度極高，激光光斑掃描過的表面會殘留少量的燒蝕熔融痕跡（圖2d）[7]。因此，金剛石切割、水射流切割、激光切割等加工技術由于會產(chǎn)生斷面缺陷和裂紋，均不能滿足XTP望遠鏡超薄玻璃鏡片的無損切割加工需求。

圖2 現(xiàn)有玻璃切割技術的斷面或表面微觀放大圖

采用傳統(tǒng)玻璃切割技術加工玻璃鏡片，會帶來切割斷面微裂紋或表面微損傷，進而導致發(fā)射升空時鏡片破碎。采用飛秒激光往復掃描和激光熱應力切割所得的超薄玻璃鏡片，在衛(wèi)星發(fā)射振動測試實驗中無法經(jīng)受住10g加速度的沖擊振動，會出現(xiàn)切割斷面的微裂紋擴展，甚至斷裂等情況。本文提出了玻璃的電阻絲熱應力加工技術，通過電阻絲熱源在玻璃內部產(chǎn)生不均勻的溫度場，使玻璃在內部熱應力作用下斷裂成所需的形狀。該方法不存在材料去除應力，與傳統(tǒng)的機械切割和激光切割方法相比，加工的玻璃斷面平整，且無微裂紋。

1 加工機理

利用電阻絲熱應力切割超薄玻璃鏡片的原理見圖3。將電阻絲固定于三軸平動工作臺上，待加工的玻璃鏡片固定于平臺上，同時使熱絲與玻璃保持一定距離，利用運動控制卡調整加工參數(shù)，使熱絲與玻璃按預定軌跡保持相對移動，在電阻絲通有電流并充分預熱的情況下，成為輻射源對玻璃板輻射傳熱。此時可認為玻璃板預期斷裂位置附近受輻射強度不同，升溫的速度也不同，導致玻璃板垂直于熱絲的平面內在同一時刻存在溫度梯度。當熱電阻絲逐漸遠離，其輻射傳熱功率小到一定值后，空氣對流作用對玻璃板起主導作用，玻璃板開始降溫。若限制玻璃板的位移，玻璃板由于冷卻收縮產(chǎn)生拉應力。在玻璃內部產(chǎn)生穩(wěn)定變化的熱應力作用下，若在玻璃板預期斷裂位置的附近某處拉應力達到微裂紋擴展條件，裂紋即萌生擴展，從而達到切割玻璃鏡片的目的。實現(xiàn)結果驗證了在較低的加工溫度下，通過該方法可得到傳統(tǒng)切割方法不能獲得的裂紋直線度高、方向性好且斷面光滑、無微裂紋的超薄光學玻璃鏡片。

圖3 電阻絲熱應力切割加工原理圖

玻璃材料的斷裂行為與金屬材料截然不同，對其斷裂行為的分析需運用脆性斷裂力學理論。在1920年首先由格里菲斯（Griffith）總結出的材料斷裂機理，解釋了玻璃材料實際強度比理論強度低的原因，提出了有名的脆性斷裂理論。1960年前后，人們對含裂紋試件的一些斷裂實驗表明：在脆斷情況下，對一定的材料確實存在一個臨界應力強度因子，它只與材料有關，而與試件的幾何形狀、尺寸及外加載荷形式無關。這個臨界應力強度因子被稱為材料的斷裂韌度，它表征材料抵抗裂紋拓展的能力。在格里菲斯理論基礎上，Irwin提出了新的脆性斷裂的判據(jù)：

式中：KI為應力強度因子 （即推動裂紋拓展的力）；KIC為材料的斷裂韌度。

脆性斷裂力學中，硅玻璃材料的斷裂韌度KIC為再根據(jù)脆性斷裂力學，帶雙開口矩形板的受拉情況見圖4。其中，b為玻璃板半寬；l為初始裂紋長度；L為玻璃板半長；σ為y軸方向應力，并已求出裂紋頂端附近微分單元應力強度因子：

根據(jù)近似情況取值無關，則：

本文所做的切割試驗中的裂紋都是基于該對稱假設模型，熱阻絲運動軌跡在模型中心線上。

圖4 帶雙開口矩形板的受拉情況與裂紋頂端應力集中現(xiàn)象

2 實驗研究

2.1 實驗設備

圖5是電阻絲熱應力切割加工實驗設備，加熱功率設定為60 W。實驗采用一臺三維電動平移臺，x方向平移臺推動熱絲切割玻璃，y方向平移臺調整熱絲初始切割位置，垂直的z方向可調節(jié)熱絲到玻璃表面的距離。該平移臺的移動采用步進電機進行控制，精度可達0.05 mm。步進電機采用固高系列運動控制器控制，控制器一端連接步進電機，另一端連接計算機，計算機由實驗人員進行操作。

圖5 電阻絲熱應力切割加工實驗設備

分別以平面超薄玻璃、圓錐面超薄玻璃為研究對象，進行切割裂紋擴展的加工參數(shù)實驗：

（1）由于電阻絲為電加熱，故控制電阻絲兩端電壓即可控制其溫度。為分析不同電阻絲溫度對切割質量的影響，采用控制變量法，在電阻絲與玻璃板距離和進給速度一定時，通過改變電壓值分別切割玻璃，比較其加工質量。

（2）如果電阻絲與玻璃板距離不同，則玻璃板表面溫度峰值和梯度值也不同。在電阻絲溫度和進給速度一定時，調節(jié)電阻絲表面與玻璃板距離，比較其加工質量。

（3）進給速度主要影響玻璃板的加熱速度和冷卻速度。通過在控制系統(tǒng)中設置電機的運動參數(shù)可改變進給速度。

對上述3種情況進行工藝實驗，觀察裂紋的直線度和裂紋萌生難易程度，進而研究工藝參數(shù)對加工質量的影響。通過重復實驗的統(tǒng)計結果，優(yōu)化加工參數(shù)。

2.2 實驗結果分析

對厚度300 μm的平面玻璃進行直線切割實驗，以獲得直線度較好的切縫。用Leica顯微鏡和VFS原子力顯微鏡對加工區(qū)進行微觀表面形貌分析，由圖6、圖7可看出，玻璃切縫附近表面和切割斷面均無損傷，且切割斷面的表面粗糙度值小于Ra0.5 nm（圖8），達到了無損切割要求。

圖6 望遠鏡超薄玻璃鏡片加工表面微觀形貌

圖7 鏡片切割斷面的原子力顯微照片

圖8 鏡片邊緣處隨機樣點的表面粗糙度

為了驗證使用電阻絲熱應力切割所得的超玻璃鏡片在星箭分離、火工品爆炸等環(huán)境下的強度、剛度性能，避免遭受損害或失效，進行了沖擊實驗，實驗條件見表1。實驗后檢查鏡片結構，均完好無損，驗證了電阻絲熱應力切割方法的有效性。

表1 沖擊實驗條件

3 結束語

本文主要基于熱裂法原理，提出了X射線望遠鏡超薄玻璃鏡片的電阻絲熱應力切割加工技術，研究了玻璃薄壁件熱斷裂機理，設計了熱絲切割加工系統(tǒng)，進行了切割工藝實驗研究，發(fā)現(xiàn)裂紋擴展的好壞與熱絲切割溫度、熱絲進給速度及熱絲與玻璃表面距離有關。該技術實現(xiàn)了X射線望遠鏡超薄玻璃鏡片的切割加工。電阻絲熱應力切割玻璃斷面平整、無微裂紋，所得的切割樣件在10g加速度的沖擊振動中保持完好。

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