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石英玻璃管内表面的复合光整试验研究

   日期:2021-11-25     来源:51水晶网    作者:www.51crystal.com    浏览:276    评论:0    
核心提示:石英玻璃管内表面的复合光整试验研究
 石英玻璃管是一种硬、脆材料,具有热膨胀系数小、化学稳定性好、耐高温性好、透光性优良等综合性能,广泛应用于冶金、电光源、轻工、半导体、国防装备化工等领域[1-2]。石英玻璃管质量的优劣对可靠性以及寿命有一定的影响,所以人们对其表面质量提出了很高的技术要求[3]。
马力等人[4]根据石英玻璃管抛光特点,建立了超声抛光数学模型,并开发了抛光的硬件系统,通过实验验证了其可靠性。贺新升[5]、赵云伟[6]博士研究了电流变抛光技术,研制了五轴电流变抛光设备,通过建立材料去除模型、表面粗糙度模型,得到了各工艺参数对表面粗糙度的关系。侯永振等人[7]对磨料气射流的冲蚀原理进行了研究,建立了石英玻璃管与表面粗糙度的关系模型,通过实验得到经验公式。李兆泽[8]博士研究了磨料水射流抛光技术对石英玻璃管的去除机理,并成功地将此技术应用于超精密光学镜面加工。目前对于石英玻璃管的抛光主要采用传统研磨加工方法,即化学机械抛光方法(聚氨酯+氧化铈),由于其本身加工方法的局限性以及材料材质的限制,抛光效率较低[9]。
磁粒研磨技术(MAF)具有自适应性好、自锐性强、无污染等优点,在复杂曲面、平面、内外圆等方面得到很好的应用[10]。但传统磁粒研磨技术对玻璃管内表面的法向压力与切向压力较小,导致研磨效率较低。通过超声磁粒复合研磨可以解决这个问题,即在玻璃管内表面添加径向充磁辅助磁极,与外部磁极形成新的磁闭合回路,增大了对玻璃管内表面的压力[11]。
另外在辅助磁极一端添加轴向超声振动,加快了研磨粒子的翻滚与更新,从而提高了研磨效率[12]。文中以φ15 mm×200 mm 的JGS2 石英玻璃管为研究对象,针对目前的化学机械抛光方法,提出了两个阶段研磨石英玻璃管的方法。第一阶段(40 min)采用超声磁粒复合研磨提高研磨效率,通过响应面法针对主轴转速、振动频率、磨粒粒径的交互作用,得出最优的工艺组合;第二阶段(5 min)采用超声振动复合抛光提高抛光质量。超声振动复合抛光是在超声磁粒复合研磨和化学抛光基础上,在辅助磁极外表面包裹一层聚氨酯,通过注射氧化铈溶液完成抛光。通过试验分析了抛光玻璃管后的表面粗糙度值与微观形貌的变化。
1 试验
1.1 复合光整试验装置
石英玻璃管内表面复合光整试验装置如图1 所示,采用杭州精浩机械有限公司生产的JH1000W-20超声波发生器,超声波振子通过四个螺栓固定在支撑座上[13]。振子前端通过联轴器连接筒夹长杆,超声振动通过筒夹前端的细铜管作用在辅助磁极上[14],超声波振子随磁极同步轴向移动,从而完成对管内表面的抛光[15]。

两个阶段分别使用的辅助磁极实物如图2 所示,尺寸均为φ10 mm×20 mm。图2a 为第一阶段使用的辅助磁极,外部包裹一层研磨粒子,形成具有一定切削作用的“磁粒刷”,其材料构成为m(Fe)∶m(Al2O3)=2∶1,经混合烧结后筛分而成。图2b 为第二阶段使用的辅助磁极,外部包裹一层聚氨酯,抛光过程中通过注射氧化铈溶液实现对玻璃管的抛光。
1.2 试验条件
第一阶段、第二阶段具体的试验条件见表1 和表2。使用广州市广精精密仪器有限公司生产的JB-8E触针式表面粗糙度测量仪测定表面粗糙度值,使用日本基恩士生产的VHX-500F 超景深3D 电子显微镜观测表面微观形貌。
表1
2 响应面交互作用分析
对试验第一阶段进行响应面优化,根据响应面法机理,基于Box-Behnken 试验设计,选取主要影响因素振动频率(A)、主轴转速(B)、磨粒粒径(C)进行试验研究。试验具体设计见表3。
表3
表面粗糙度拟合程度很高,重合度高,得到的结果可满足试验要求。由表4 可知,A、B、C 三个的影响因素的影响程度显著性为A>B>C,在交互项中,AB、AC、BC 的值均大于0.05。相比于B^2、C^2,A^2 对玻璃管内表面粗糙度的影响显著。表面粗糙度的模型F=18.60>F0.01,说明这个模型在0.01 的水平显著,证明方程的试验设计有一定的可靠性。模型的失拟度P=0.0849,不显著,说明试验无失拟度要求。
根据各因素交互作用作出三维立体响应面。其中某个因素固定在中心值不变,考虑其余两个因素交互作用对表面粗糙度值的影响,结果如图3 所示。保持粒径为250 μm 不变,主轴转速与振动频率的交互作用对表面粗糙度值的影响如图3a 所示。随着转速的提高,表面粗糙度值呈先减小后增大的趋势,当转速在1000 r/min 时,表面粗糙度值达到最小。当振动频率增加到20 kHz 时,表面粗糙度值最小。
这是因为当主轴转速提高,一方面增大了研磨粒子的离心力,使单位面积上作用在玻璃管内表面的压应力增大;另一方面,转速的提高有利于磨粒的翻滚与更新;综合两方面因素,使表面粗糙度值下降。转速过高,单位面积上作用在玻璃管内表面上的压力过大,磨粒的切削刃刮擦玻璃管内壁,使玻璃管内表面划痕严重,表面粗糙度值升高。
保持振动频率为20 kHz 不变,粒径与主轴转速的交互作用对表面粗糙度值的影响如图3b 所示。随着粒径的增大,表面粗糙度值呈先减小后增大的趋势。当粒径在250 μm 时,表面粗糙度值达到最小。转速稳定在1000 r/min 时,粗糙度值趋于最小。随着粒径的增大,切削刃更加锋利,对内表面的刻划作用增大,使内表面的去除量增大,表面粗糙度值下降。研磨粒子粒径过大,一方面较大的切削刃对内表面的划痕较深;另一方面,单位面积上的研磨粒子数量减少,作用在内表面上的切削力不均匀;综合两方面因素,使表面粗糙度值上升。
表4图3
保持主轴转速为1000 r/min 不变,粒径与振动频率的交互作用对表面粗糙度值的影响如图3c 所示。随着振动频率的增大,表面粗糙度值呈先减小后增大的趋势。当振动频率增大到20 kHz 时,表面粗糙度值达到最小。因为随着频率的增大,间接作用在研磨粒子上的振动加剧,对内表面的作用力更加均匀、细密。过大的频率使吸附在辅助磁极上的磨粒脱落,不利于对内表面的研磨,同时使管内壁上的划痕加剧,使表面粗糙度值上升。
经以上响应面分析,得出最优的工艺组合:主轴转速为1000 r/min,粒径为250 μm,振动频率为20 kHz。
3 结果及分析
3.1 表面粗糙度分析
选用以上最优参数组合作为试验第一阶段的工艺参数。第一阶段(超声磁粒复合研磨)研磨40 min,记录研磨过程中表面粗糙度值的变化,每隔5 min 记录一次数据。第二阶段(超声振动复合抛光)抛光5 min,每隔1 min 记录一次数据。结果如图4 所示。
由图 4a 可以看出,研磨前5 min,表面粗糙度值下降较快,从原始的4.40 μm 下降到1.80 μm。研磨5 min 后,表面粗糙度值下降较为缓慢,最终下降到0.19 μm。通过响应面优化得到的最优参数组合,锋利的切削刃刮擦玻璃管内壁,使表面去除量较大。辅助磁极带动表面包裹的研磨粒子翻滚,加上轴向超声振动同时使研磨粒子沿轴向“窜动”,促进了磨粒切削刃的更新,使研磨更加均匀。
由图 4b 可以看出,抛光1 min,表面粗糙度值在第一阶段的基础上下降到0.12 μm。抛光1 min 后,表面粗糙度下降逐渐缓慢,并趋于平缓,最终下降到0.07 μm。通过第一阶段的研磨,表面粗糙度达到超声磁粒复合研磨的极限,而氧化铈溶液中更细小的抛光粒子使表面粗糙度值进一步下降。包裹在辅助磁极外的聚氨酯既随着辅助磁极旋转,又在超声振动下沿着轴向运动,使抛光更加均匀,效果更理想。
3.2 表面形貌分析
利用超景深电子显微镜观测石英玻璃管内表面的微观形貌变化,如图5 所示。通过对比可得,经抛光后的表面形貌质量达到最好。经过40 min 超声磁粒复合研磨,表面的凸起、缺陷得到大部分去除,表面平整度从原始的95.3 μm 下降到46.4 μm,去除比较均匀,表面较平整;但表面缺陷仍然存在,还存在部分划痕、沟槽缺陷。经5 min 超声振动复合抛光后,表面的划痕等缺陷得到全部去除,平整度进一步下降到35.2 μm,去除更加均匀,表面更加平整。
05-
石英玻璃管表面质量实物对比如图6 所示。由图6a 得知,表面存在大量缺陷,透过玻璃管的字比较模糊,表面光泽度比较低。经研磨(图6b)后,表面缺陷得到部分去除,透过玻璃管的字较为清晰,表面变得较为光滑。经抛光(图6c)后,透过玻璃管可以清晰地看到工件下的“石英玻璃管”字样,加工后表面划痕完全去除,表面质量更加均匀。

4 结论
1)对石英玻璃管内表面进行光整试验时,采用超声磁粒复合研磨与超声振动复合抛光两个阶段进行光整加工效果最好,表面粗糙度从原始的4.40 μm下降到0.07 μm,加工质量明显提高。
2)采用响应面分析了粒径、转速、频率因素对表面粗糙度的影响,得出优化后的最优工艺组合:转速为1000 r/min,粒径为250 μm,频率为20 kHz。
3)经过两个阶段加工后,玻璃管内表面存在的凹坑、突起及沟状划痕均得到了有效的去除,表面质量达到最优。





作者:刘顺,韩冰,马学冬,陈永君,解志文,许召宽,陈燕(辽宁科技大学 辽宁省复杂工件表面特种加工重点实验室,辽宁 鞍山 114051)
 
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