光学石英玻璃磨削加工多尺度损伤演化机制与高效低损伤加工方法

According to the requirements of precision, quality and efficiency when machining the optical quartz glass component in the fields of nuclear fusion, military guidance, the multi-scale damage formation mechanism in the process of grinding quartz glass has been studied, and a novel process with high efficiency and low damage which integrates diamond grinding with soft abrasive chemical mechanical grinding has been put forward aiming at the existing problems in the machining process, such as low efficiency, high cost and hard to control the damage. A molecular dynamics (MD) model based on the choice of optical distribution and melting-quenching of the optical glass is set up to simulate the optical quartz glass. In order to verify the optical quartz glass MD model, such parameters of MD model as the density of the material, hardness are calculated to compare with the real quartz glass. By combining SPH and MD simulation with experiment, multi-scale damage microstructure evolution of the quartz glass in the grinding process is researched. The damage model of surface/ subsurface under different conditions is established. Damage control principle related to chemical action is introduced to weaken the negative impact of force and heat of the machining process is studied. The low damage processing method of the soft abrasive machinery chemical synergism is proposed and the special grinding wheel is developed. According to machining requests of diamond wheel and soft abrasive grinding wheel in grinding stage and the damage of quartz glass in different grinding conditions, reasonable processing parameters for efficient and low damage processing are put forward to provide advanced processing theory and techniques in efficient and low damage processing of optical quartz glass with independent intellectual property rights.

根据核聚变、精密制导等领域对光学石英玻璃元件加工精度、质量和效率的要求，针对目前加工中存在的效率低、成本高、损伤难控制等问题，研究石英玻璃磨削加工多尺度损伤演化机制，提出金刚石砂轮磨削和软磨料砂轮机械化学磨削集成的高效低损伤加工新工艺。提出基于最优分布选择和熔融-淬火方法构建石英玻璃MD仿真模型的新方法，提出从材料密度、硬度等方面验证仿真模型的准确性。将SPH和MD仿真与实验相结合，研究石英玻璃磨削加工多尺度损伤微观组织演变规律，建立不同条件下石英玻璃表面/亚表面损伤模型，探索磨削加工中引入化学作用，弱化力、热等因素负面影响的损伤控制原理，提出软磨料机械化学协同作用的低损伤加工方法，并研制其专用砂轮。根据金刚石砂轮和软磨料砂轮磨削阶段的加工要求和不同磨削条件下的石英玻璃损伤情况，提出合理的高效低损伤加工工艺参数，为实现具有自主知识产权的光学玻璃高效低损伤加工提供先进加工理论和技术。

本项目针对目前光学玻璃磨削加工中存在的效率低、成本高、损伤难控制等问题，将SPH和MD仿真方法引入到光学玻璃的压痕、划痕、切削、磨削以及化学机械协同过程的机理研究中，提出了基于JH-2的光学玻璃SPH仿真模型和基于光学玻璃制备过程的MD仿真模型以及基于ReaxFF反应力场的光学玻璃化学机械协同作用过程MD仿真模型的构建方法，以及仿真模型的优化和验证方法。从微观、纳观角度分析了光学玻璃的机械加工性能、切削/磨削/化学机械协同作用加工过程中的微观和纳观力学行为、力、热、化学等多场耦合作用，揭示了光学玻璃多尺度下材料去除机理和表面/亚表面损伤演化机制，发现了光学玻璃的纳观状态下以原子团簇的去除形式、微观状态下以块状去除形式，在此基础上提出了通过光磨减少磨削损伤和获得高质量表面的方法，实验表明有光磨加工下石英玻璃亚表面损伤减少50%以上，并将此方法应用到其他硬脆材料加工，获得同样加工效果。研究超精密加工过程中的工具状态、工艺参数等对加工质量的影响规律、加工界面间作用机理和界面特性调控，建立了光学玻璃不同条件下损伤演化模型和裂纹形成/扩展模型。提出了在线观测单颗金刚石变切深划擦试验方法，在超精密车床上搭建了的在线观测单颗金刚石变切深划擦试验台，发现了光学玻璃的裂纹延迟扩展现象，揭示光学玻璃裂纹产生和扩展机制，提出利用尖锐、小尺度磨粒实现微元无损伤加工的方法，实现了光学玻璃的塑性域去除，为硬脆材料的塑性域加工提供了理论依据和技术支撑。. 本项目发表/录用21篇文章，其中SCI收录/刊源13篇（中科院TOP期刊3篇，JCR分区Q1区3篇，Q2区7篇），EI收录/刊源19篇，一篇会议论文在2019中国半导体国际会议（CSTIC 2019）上获得BSET paper奖，研究成果得到Wear期刊主编、加拿大Ryerson大学Marcello Papini教授、俄罗斯Alexander Gouskov‘s Lab实验室主任A. Gouskov教授、美国Alfred大学Alastair N. Cormack教授、天津大学长江学者、CIRP fellow房丰洲教授等引用和正面评价。培养硕士研究生5名，目前在读博士1人，硕士研究生2人，其中2人获得大连理工大学优秀硕士学位论文（项目负责人获得优秀硕士论文指导教师），4人次获得硕士研究生国家奖学金。