石英玻璃是由二氧化硅單一成分構成的特種玻璃，具有化學性能穩定、透光性好、耐高溫、耐輻射和抗激光損傷能力強等特點[1]，被廣泛用于半導體、光通訊、太陽能、航空航天和軍事設備等領域光學元器件的制造[2-4]。隨著元器件制造水平的不斷發展，對石英玻璃的表面/亞表面質量要求也越來越高，但石英玻璃的硬度高、脆性大，屬于典型的硬脆難加工材料，如何實現石英玻璃的高效率高質量加工成為先進制造技術領域的重要研究方向[5]。在石英玻璃高精度高質量表面的超精密加工中，超精密磨削技術由于其磨粒利用率高、加工成本低、加工精度高等優點成為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質磨粒的微切削作用去除工件表面的材料，磨削過程中的力、熱作用不可避免地會在工件的表面/亞表面形成損傷，進而影響器件的使用性能，必須進一步使用拋光工藝去除磨削產生的損傷層，磨削工件的表面/亞表面質量極大地影響后續拋光工藝的加工效率[9-12]。因此，研究石英玻璃超精密磨削的表面完整性對于分析其材料去除機理、優化磨削工藝和確定后續拋光工藝的材料去除量都具有重要的指導意義。

　　1 試驗研究方案

　　1.1 磨削試驗磨削試驗在基于工件旋轉磨削原理的 VG401MKII 型超精密磨床(Okamoto，日本)上進行，如圖 1 所示，工件通過真空吸盤固定在工作臺上，磨削過程中，砂輪和工件分別繞各自的軸線旋轉，同時砂輪沿軸向勻速進給。加工的試件為 Φ100×5 mm 的 ZS1 型高純度石英玻璃基片，其彈性模量 E=72.5 GPa，斷裂韌性 Kc=0.633 MPa·m1/2，硬度 H=9.48 GPa。使用的砂輪為 400#、1 500#、2 000# 和 5 000#陶瓷結合劑金剛石砂輪。磨削過程中，采用去離子水作為冷卻液。由于工件旋轉法磨削時，隨著砂輪轉速的增大、砂輪軸向進給速度和工件轉速的減小，磨削工件的表面/亞表面質量越好[18-19]，因此，為了獲得最好的石英玻璃磨削表面/亞表面質量，試驗采用的砂輪轉速和工件轉速分別為各自主軸能夠穩定工作的最高轉速和最低轉速，砂輪軸向進給速度為砂輪能夠穩定切削工件的最小進給速度，具體加工參數如表 1 所示。

　　1.2 表面/亞表面質量檢測石英玻璃樣件完成磨削后，采用 VHX-600E 超景深光學顯微鏡(KEYENCE，日本)和 Q45 型掃描電鏡(FEI，美國)觀測石英玻璃的表面微觀缺陷，使用 Newview5022 型白光干涉 3D 表面輪廓儀(ZYGO，美國)檢測石英玻璃的表面微觀形貌和表面粗糙度。磨削石英玻璃的亞表面損傷主要采用角度截面顯微觀測法檢測，原理如圖 2 所示。首先用線切割機將磨削的石英玻璃基片切割成 8 mm×12 mm 的樣件，并切割同樣大小的拋光硅片作陪片，將陪片的拋光表面粘在石英玻璃樣件的磨削表面上;然后，將粘好的樣件固定在角度夾具上，使用研磨/拋光機對其進行角度截面的研磨和拋光加工，本試驗中加工截面的角度為5.7°，亞表面損傷放大倍數為10倍;最后，使用濃度 20%的氫氟酸溶液對角度截面進行腐蝕，使樣品亞表面的微裂紋顯露出來，并借助于超景深顯微鏡對其進行觀察和測量。此外，對于角度截面顯微觀測法難以觀測到的具有極小亞表面損傷的磨削樣品，本文將進一步借助于透射電子顯微鏡觀測其亞表面損傷。

　　1.3 亞表面損傷預測模型磨削過程中砂輪表面磨粒切削工件材料的過程可以看成是大量尖銳的壓頭對工件表面的劃擦過程。根據壓痕斷裂力學的理論可知，當尖銳壓頭以較大的載荷印壓脆性材料的表面時，會在其亞表面產生中位裂紋(也稱為徑向裂紋)和橫向裂紋[20-21]，如圖 3 所示。中位裂紋產生于壓頭印壓脆性材料的加載階段，并隨著壓頭載荷的增加向材料基體延伸，造成亞表面損傷，因此中位裂紋擴展的深度對應的就是亞表面損傷的深度。橫向裂紋一般出現在卸載階段，產生于彈塑性變形區底部，沿著近乎平行于材料表面的方向延伸，當橫向裂紋延伸至工件表面或與其它裂紋相交時，使工件表面材料以崩碎的脆性斷裂方式被去除，并在工件表面留下不同程度的凹坑，形成表面微觀輪廓，因此橫向裂紋的深度對應的就是工件表面微觀輪廓的最大高度，即表面粗糙度 PV 值[9, 22]。根據上述分析可知，如果能夠找到中位裂紋擴展深度與橫向裂紋深度之間的數學關系，就能夠建立起亞表面裂紋深度與表面粗糙度 PV 之間的關系。

　　2 結果與討論

　　2.1 石英玻璃磨削加工的表面特性圖 4 采用超景深光學顯微鏡觀測的不同粒度金剛石砂輪磨削石英玻璃的表面。從圖 4 可以明顯地看出，隨著砂輪粒度的減小，石英玻璃磨削表面的缺陷也隨之得到改善，400#金剛石砂輪磨削表面可以觀測到大量的破碎坑和深劃痕，1 500#砂輪磨削表面的破碎坑變小，劃痕也相應地變淺變細，2 000# 砂輪磨削表面開始變得光滑，但仍然能夠觀測到較小的破碎坑和磨痕，5 000#砂輪磨削表面變得非常光滑，已看不到類似于 400#、1 500#和 2 000#砂輪磨削表面上的破碎坑，只能觀測到非常細的磨痕。

　　2.2 石英玻璃磨削加工的亞表面損傷圖 8 為采用超景深光學顯微鏡觀測的不同粒度金剛金剛石砂輪磨削石英玻璃亞表面的角度截面圖。從圖中可以看出，與表面質量的變化規律相同，隨著磨粒粒徑的減小，磨削石英玻璃的亞表面損傷深度也隨之明顯地減小，400#、1 500#和 2 000#金剛石砂輪磨削石英玻璃的亞表面損傷深度分別為 5.73 µm、3.64 µm 和 0.98 µm，如圖 8a、8b 和 8c 所示。5 000#砂輪磨削石英玻璃的亞表面損傷最小，以至于本試驗中采用的角度截面顯微觀測法已經不能夠觀測到 5 000#砂輪磨削石英玻璃的亞表面損傷情況，如圖 8d 所示。需要注意的是，試驗中采用超景深光學顯微鏡觀測 1 500#、2 000#和 5 000#砂輪磨削石英玻璃的亞表面損傷時，顯微鏡的放大倍數為 2 000 倍，而觀測 400#砂輪磨削石英玻璃的亞表面損傷時，顯微鏡的放大倍數為 1 000 倍。這是由于 400#砂輪磨削石英玻璃的亞表面損傷深度過大，當顯微鏡的放大倍數為 2 000 倍時，觀測的視場范圍過小，難以觀測到亞表面損傷微裂紋的最大深度，因此，為了能夠在視場范圍內觀測到整個亞表面微裂紋，顯微鏡的放大倍數選擇 1 000 倍。

　　2.3 材料去除機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斷裂去除和塑性流動去除兩種，主要與砂輪表面參與切削的有效磨粒的切削深度有關[25-26]。當磨粒切削深度較大時，工件表面材料主要以脆性斷裂的方式被去除，加工表面損傷嚴重，會形成破碎、凹坑、微裂紋、劃痕等缺陷，亞表面也會產生一定深度的微裂紋;當砂輪表面磨粒的切削深度均小于某一臨界切削深度時，工件表面材料會發生脆—塑性轉變，以塑性流動的方式被去除，獲得光滑的塑性域加工表面，表面/亞表面均沒有微裂紋產生[27]。根據圖 4～8 所示的不同粒度金剛石砂輪磨削石英玻璃的表面缺陷、表面微觀形貌以及亞表面損傷的特征可推斷，400#和 1 500#金剛石砂輪磨削石英玻璃的材料去除方式為脆性域去除，2 000#金剛石砂輪磨削的材料去除方式同時包括脆性域去除和塑性域去除，但主要為塑性域去除， 5 000#金剛石砂輪磨削石英玻璃的材料去除方式為塑性域去除，但僅根據石英玻璃的表面/亞表面特性分析不同粒度砂輪磨削時的材料去除方式還不完全準確，為了揭示磨削石英玻璃時的材料去除方式，還需要進一步計算不同粒度金剛石砂輪磨削時的磨粒切削深度，并與石英玻璃塑性域磨削的臨界切削深度相比較。

　　3 結論

　　(1) 隨著磨粒粒徑的減小，石英玻璃磨削表面/ 亞表面質量隨之變好，400#、1 500#、2 000#和 5 000# 砂輪磨削石英玻璃的表面粗糙度 Ra 分別為 274.0 nm、69.6 nm、3.4 nm 和 1.4 nm，亞表面損傷損傷深度分別為 5.73 µm、3.64 µm、0.98 µm 和 0.004 µm。 (2) 400#和 1 500#砂輪磨削石英玻璃的材料去除方式為脆性斷裂去除，2 000#砂輪磨削石英玻璃的材料去除方式同時包括脆性斷裂去除和塑性流動去除，但以塑性流動去除為主，5 000#砂輪磨削石英玻璃的材料去除方式為塑性流動去除。 (3) 脆性域磨削石英玻璃的表面損傷形式為脆性崩碎產生的凹坑、微裂紋、深磨痕，亞表面損傷形式為微裂紋;塑性域磨削石英玻璃的表面損傷形式為微磨痕，亞表面損傷形式為靠近加工表面的材料的塑性變形。 (4) 脆性域磨削石英玻璃的表面粗糙度 PV 和亞表面損傷深度 SSD 之間滿足 SSD=(0.627～1.356) PV4/3 的數學關系，在本文 400#和 1 500#砂輪磨削試驗中，SSD=0.638 PV4/3。

　　參 考 文 獻

　　[1] 郭曉光，翟昌恒，張亮，等. 光學石英玻璃納米級加工性能[J]. 光學精密工程，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] 仇中軍，周立波，房豐洲，等. 石英玻璃的化學機械磨削加工[J]. 光學精密工程，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》來源：《機械工程學報》，作者：高 尚 1 耿宗超 1 吳躍勤 2 王紫光 1 康仁科 1