王 盛，趙清亮，王 生，王金虎，戚春亮，王建勇

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001；2.浙江工業(yè)大學(xué)超精密加工研究中心，杭州 310014）

單晶藍(lán)寶石（α–Al2O3）因其高硬度（莫氏硬度9，僅次于金剛石）、高溫穩(wěn)定性、耐腐蝕性等卓越機(jī)械性能和良好紅外、可見(jiàn)光波段透過(guò)率的光學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于航空航天和民用光學(xué)等領(lǐng)域[1–3]，尤其適合作為紅外窗口元件在惡劣環(huán)境中服役。此外，藍(lán)寶石光學(xué)元件在國(guó)防工業(yè)等高科技領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色，如激光系統(tǒng)增益介質(zhì)、強(qiáng)激光武器的光路元件和半導(dǎo)體晶圓等[4–6]。

復(fù)雜表面光學(xué)元件是指具有復(fù)雜拓?fù)鋷缀涡螤畹墓鈱W(xué)元件，主要包括非球面、非對(duì)稱非旋轉(zhuǎn)的自由曲面等[7–8]。與平面光學(xué)元件相比，復(fù)雜表面光學(xué)元件的成像性能和可集成化程度更好，但成形精度與表面質(zhì)量要求也更高，從而限制其廣泛應(yīng)用。高硬脆材料藍(lán)寶石復(fù)雜表面光學(xué)元件的加工屬于極端制造領(lǐng)域，對(duì)機(jī)械加工能力提出了很大考驗(yàn)。

藍(lán)寶石因其高硬度、高脆性、高耐磨性及力學(xué)性能的各向異性導(dǎo)致其機(jī)械加工過(guò)程中往往伴隨著各種表面損傷和亞表面損傷，這些損傷會(huì)嚴(yán)重影響光學(xué)元件的壽命和光學(xué)性能[9–10]。光學(xué)元件機(jī)械加工技術(shù)主要包括切削、磨削與拋光，顯然對(duì)于尖晶石、氮氧化鋁、藍(lán)寶石等高硬脆材料而言，切削由于刀具極易磨損從而不被考慮[11]。金剛石磨粒磨削技術(shù)是一項(xiàng)古老但非常實(shí)用的加工技術(shù)，在應(yīng)對(duì)高硬脆材料方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[12–13]。

拋光是光學(xué)元件加工的最后一道工序，但高硬材料的拋光效率極低，使得拋光去除藍(lán)寶石表面損傷和亞表面損傷的難度很大。因此，藍(lán)寶石光學(xué)元件拋光前的磨削成形與損傷抑制技術(shù)非常關(guān)鍵[14]。藍(lán)寶石磨削后表面產(chǎn)生的脆性斷裂、磨削紋路及亞表面損傷對(duì)于拋光的時(shí)間和成本是災(zāi)難性的[15]。另一方面，拋光通常被用來(lái)獲得光滑的表面，但是如果拋光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)很難保證光學(xué)元件的面形精度[16]。

復(fù)雜表面光學(xué)元件通常要求微米/亞微米級(jí)的面形精度與納米級(jí)的表面粗糙度，而傳統(tǒng)的磨削技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)這兩點(diǎn)[17–19]。同時(shí)，為了防止硬脆材料磨削裂紋和脆性斷裂的產(chǎn)生，在光學(xué)元件的加工中通常采用納米尺度的切削深度來(lái)獲得塑性域光滑表面和微米級(jí)的面形精度，即超精密磨削加工技術(shù)[20–22]。超精密磨削技術(shù)應(yīng)對(duì)藍(lán)寶石等高硬脆材料復(fù)雜表面光學(xué)元件具有很大優(yōu)勢(shì)，但是由于藍(lán)寶石的材料特性、復(fù)雜曲面曲率變化引起的工具干涉、工具磨損和加工軌跡限制等問(wèn)題給藍(lán)寶石復(fù)雜表面光學(xué)元件的超精密磨削加工工藝帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

本研究主要針對(duì)航空航天中廣泛服役的高硬脆材料藍(lán)寶石的磨削與超精密磨削機(jī)理及其復(fù)雜表面光學(xué)元件精密–超精密磨削技術(shù)進(jìn)行綜述，同時(shí)對(duì)藍(lán)寶石復(fù)雜表面光學(xué)元件的加工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 藍(lán)寶石磨削與超精密磨削機(jī)理研究

藍(lán)寶石材料的高硬脆性和各向異性使得其磨削機(jī)理較為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用單磨?？虅澓湍ハ骰A(chǔ)試驗(yàn)的方式來(lái)研究藍(lán)寶石磨削材料去除機(jī)理。藍(lán)寶石磨削機(jī)理的研究主要集中在以下方面：磨削材料去除機(jī)理的各向異性、磨削表面和亞表面特征、磨削工具及工具磨損機(jī)理、能場(chǎng)輔助磨削機(jī)理、表面殘余應(yīng)力等。

1.1 材料去除機(jī)理各向異性

藍(lán)寶石所有晶面都是相對(duì)于C面定義，C面（0001）是物理和光學(xué)性能對(duì)稱的平面，如圖1所示[23]，A面（110）和M面（100）互成30°角分布，且均垂直于C面，而R面和N面分別位于C面57.6°和61.2°的位置。晶面空間位置的不同引起材料力學(xué)性能的不同，從而導(dǎo)致沿不同晶向加工材料去除機(jī)理不同。

圖1 藍(lán)寶石各晶面空間位置關(guān)系示意圖[23]Fig.1 Crystal geometry showing crystal planes of sapphire[23]

Wang等[23]采用單顆金剛石磨粒在超精密級(jí)機(jī)床上對(duì)藍(lán)寶石C面和M面進(jìn)行不同方向的刻劃試驗(yàn)，如圖2和3所示，結(jié)果表明，在藍(lán)寶石C面上沿不同晶向刻劃時(shí)，主導(dǎo)脆性斷裂的裂紋類型不同，而M面的刻劃溝槽表面裂紋較少，但是橫向裂紋的影響區(qū)域更寬。實(shí)際上，在金剛石磨粒的刻劃沖擊作用下，裂紋萌生擴(kuò)展與不同晶面的孿生積累密切相關(guān)。

圖2 藍(lán)寶石C面沿不同晶向刻劃溝槽形貌[23]Fig.2 Scratching patterns along various crystal orientation on C-plane of sapphire [23]

圖3 藍(lán)寶石M面刻劃溝槽表面形貌[23]Fig.3 Scratching patterns along various directions on M-plane of sapphire[23]

藍(lán)寶石晶面刻劃材料去除機(jī)理的各向異性也在其磨削表面的特征差異得到了驗(yàn)證，藍(lán)寶石C面和M面垂直磨削試驗(yàn)的典型特征差異如圖4所示[24]，C面磨削后的表面特征形貌呈3倍對(duì)稱，而M面磨削后的表面特征只有一個(gè)對(duì)稱軸[24]。此外，從表面粗糙度也可以看出2個(gè)晶面的磨削表面質(zhì)量也不一致。

圖4 藍(lán)寶石C面和M面磨削表面宏觀形貌及粗糙度分布[24]Fig.4 Crystal orientation dependence of ground surface quality on C- and M-planes of sapphire [24]

Gu等[25]采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)了沿藍(lán)寶石不同晶向刻劃的損傷演化過(guò)程，當(dāng)沿[100]、[010]和[010]晶向刻劃時(shí)，損傷表現(xiàn)為嚴(yán)重脆性斷裂去除，而沿另外3個(gè)晶向刻劃時(shí)，損傷處于裂紋交叉擴(kuò)展階段，如圖5所示。

圖5 沿不同方向刻劃藍(lán)寶石的損傷形貌[25]Fig.5 Damages in different scratching directions [25]

圖6[25]為藍(lán)寶石沿不同晶向刻劃的聲發(fā)射原始信號(hào)，不同刻劃方向的聲發(fā)射信號(hào)的波形不同，且聲發(fā)射信號(hào)的各向異性與具體損傷行為有明顯聯(lián)系。

圖6 不同方向刻劃獲得的原始聲發(fā)射信號(hào)[25]Fig.6 Raw AE signals obtained from different direction scratching[25]

Zhao等[26]通過(guò)藍(lán)寶石的正交磨削試驗(yàn)研究磨削方向?qū)λ{(lán)寶石磨削表面質(zhì)量的影響，如圖7所示，分析了藍(lán)寶石晶面與磨削方向共同作用下的磨削力及表面質(zhì)量的差異。結(jié)果表明，沿c軸的磨削力、表面損傷和表面畸變程度均大于沿m軸和a軸磨削，因此沿m軸或a軸磨削更適合加工藍(lán)寶石。

圖7 不同磨削方向的藍(lán)寶石工件截面空間結(jié)構(gòu)[26]Fig.7 Workpiece section of sapphire with different grinding directions [26]

Wang[27]和Luo[28]等采用精密磨拋機(jī)對(duì)藍(lán)寶石不同晶面進(jìn)行磨削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同晶面材料去除率和表面粗糙度不同，造成這種差異的主要原因是藍(lán)寶石不同晶面的楊氏模量、斷裂韌性和表面能不同。

藍(lán)寶石不同晶面和晶向磨削材料去除機(jī)理不同，主要表現(xiàn)在磨削損傷特征、磨削力、表面粗糙度、材料去除率等方面。在磨削過(guò)程中，由于藍(lán)寶石材料微觀結(jié)構(gòu)不同和磨削方向差異，使不同力學(xué)性能的藍(lán)寶石在不同角度金剛石磨粒切削應(yīng)力作用下產(chǎn)生的損傷演化規(guī)律不同[9，29–30]。磨削表面的形成主要是裂紋萌生和擴(kuò)展的結(jié)果，各晶面與晶向發(fā)生裂紋孿生的概率也不相同，而且金剛石磨粒作用下的藍(lán)寶石產(chǎn)生的裂紋類型和規(guī)模也不相同，從而導(dǎo)致磨削表面質(zhì)量不同。

1.2 表面和亞表面損傷特征

光學(xué)元件制造工藝中的拋光主要有3個(gè)目標(biāo)：去除磨削和超精磨造成的表面與亞表面損傷、獲得極低的表面粗糙度（～1nm RMS）、保持或修正面形PV[31]。實(shí)際上，在光學(xué)元件制造過(guò)程中，元件的面形精度達(dá)到要求，但表面或亞表面存在損傷，光學(xué)元件也無(wú)法正常使役。光學(xué)元件制造表面質(zhì)量理想的情況是表面和亞表面損傷層的厚度要小于或等于面形PV精度。藍(lán)寶石作為一種高硬脆材料，在金剛石磨粒的作用下易產(chǎn)生損傷[32–33]。磨削表面產(chǎn)生的脆性斷裂凹坑會(huì)極大增加后續(xù)的拋光難度[34–36]，拋光是去高點(diǎn)的過(guò)程，為了去除藍(lán)寶石表面部分凹坑，同時(shí)要保證光學(xué)元件的面形PV質(zhì)量，需要拋光完成去除的材料量非常大。而藍(lán)寶石拋光的材料去除率非常低[37–38]，從而導(dǎo)致去損傷保面形的過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)。因此，探索精密–超精密磨削機(jī)理和工藝來(lái)抑制藍(lán)寶石加工產(chǎn)生的損傷層是必要的。

顧興士[14]研究了藍(lán)寶石磨削裂紋演化和損傷機(jī)理，并通過(guò)超精密磨削實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷塑性域的表面，指出藍(lán)寶石脆性磨削狀態(tài)下的亞表面損傷層達(dá)24μm（表面粗糙度Sa=60nm），如圖8所示。

圖8 不同磨削模式下工件的亞表面損傷情況[14]圖8 Subsurface damage of workpiece under different grinding modes [14]

Zhao等[26]采用KOH熔融刻蝕法研究了藍(lán)寶石磨削表面的微觀特征，如圖9所示，刻蝕后原始表面凹坑周圍會(huì)出現(xiàn)新的損傷坑，不同磨削方向的損傷區(qū)域在刻蝕后都有所擴(kuò)大。此外，刻蝕坑的形狀取決于藍(lán)寶石晶體結(jié)構(gòu)，磨削方向?qū)ξ诲e(cuò)分布的形貌有很大影響。

圖9 KOH腐蝕5min后M面藍(lán)寶石的形貌[26]Fig.9 Topography of M-plane sapphire after KOH etching for 5min [26]

Wang等[27]指出藍(lán)寶石雙面行星磨削后不同晶面的表面凹坑尺寸不同，這與材料表面剝落程度有關(guān)。Wang等[39]采用干脈沖電火花修整粗金剛石砂輪對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行高效、精密磨削加工，研究了磨削參數(shù)（砂輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度）對(duì)表面微觀結(jié)構(gòu)的影響。Lu等[16]主要對(duì)磨粒和工件之間的軌跡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，提高了藍(lán)寶石雙面行星磨削表面的均勻性。Cheng等[40]采用橫截面拋光法研究了藍(lán)寶石不同晶面微磨削的亞表面損傷形態(tài)，如圖10所示[27]，（110）、（0001）和（102）晶面的損傷形態(tài)分別是矩形、三角形和菱形，損傷層的厚度在70μm以下。

圖10 不同取向的亞表面刻蝕尺寸變化（ ap =10μm；腐蝕時(shí)間：10min；溫度：350℃）[27]Fig.10 Subsurface etch size variation of different orientation（ ap =10μm; corrosion time: 10min; temperature:350℃）[27]

Gao等[41]采用陶瓷基金剛石砂輪磨削藍(lán)寶石，并采用濃硫酸和磷酸配比進(jìn)行刻蝕，研究表明隨著金剛石粒度的減小，亞表面損傷層的厚度降低，當(dāng)采用2.5μm粒度的金剛石磨粒時(shí)觀察不到亞表面損傷。Wan等[42]指出A面藍(lán)寶石的亞表面損傷裂紋主要為橫向裂紋和徑向裂紋，而C面的損傷裂紋主要為橫向裂紋。

藍(lán)寶石磨削亞表面損傷的研究主要集中在基礎(chǔ)試驗(yàn)損傷機(jī)理研究，受制于亞表面損傷層的檢測(cè)方法，工程應(yīng)用上的復(fù)雜表面藍(lán)寶石光學(xué)元件的亞表面損傷研究鮮有報(bào)道，曲率變化對(duì)亞表面損傷層的研究也需要進(jìn)一步探索。

1.3 磨削工具及工具磨損機(jī)理

由于人造金剛石磨料和藍(lán)寶石的硬度非常接近，因此藍(lán)寶石磨削過(guò)程中砂輪磨損是劇烈的。Liang等[43]研究了樹(shù)脂基金剛石砂輪在藍(lán)寶石超聲振動(dòng)輔助磨削狀態(tài)下的磨損機(jī)理，指出超聲振動(dòng)有利于砂輪鋒利度的保持，且砂輪穩(wěn)定磨損狀態(tài)的時(shí)間增加了20%。Wang等[44]采用分形分析方法研究了樹(shù)脂基金剛石砂輪在藍(lán)寶石橢圓超聲輔助磨削（EUAG）過(guò)程中的磨損行為，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石磨削過(guò)程中砂輪磨損的監(jiān)測(cè)。Luo等[13]研究了金屬基砂輪的磨損行為，如圖11所示，當(dāng)磨削深度小于120μm時(shí)，磨料的磨損形式為磨粒尖角磨平。此外，磨粒表面出現(xiàn)許多不規(guī)則的斷裂，如圖11（b）～（d）所示。當(dāng)磨削深度為160～240μm時(shí)，磨損主要表現(xiàn)為尖端磨損和宏觀破碎，并伴有部分磨粒脫落。金屬基砂輪磨削藍(lán)寶石磨損機(jī)理為裂紋在磨粒中萌生、不斷傳播、相交，最終導(dǎo)致磨粒宏觀破碎，而這種破碎主要發(fā)生在磨粒的棱角處，如圖11（e）～（g）所示。

圖11 不同磨削深度下砂輪上的磨料形貌[13]Fig.11 Morphology of abrasives on grinding wheel after different depths of grinding [13]

金剛石磨粒磨削藍(lán)寶石砂輪磨損機(jī)理主要集中在磨粒磨損形貌，而砂輪輪廓磨損的研究較少，但針對(duì)復(fù)雜表面的磨削，砂輪輪廓的磨損會(huì)直接影響到工件的面形質(zhì)量[45]。因此，在藍(lán)寶石復(fù)雜表面磨削過(guò)程中，要及時(shí)進(jìn)行砂輪修整，使砂輪經(jīng)常保形和保銳，也可以通過(guò)軌跡優(yōu)化補(bǔ)償砂輪磨損造成的面形誤差[46]。此外，通過(guò)聲發(fā)射等手段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)砂輪狀態(tài)也是一種有效辦法[47]。

1.4 藍(lán)寶石能場(chǎng)與化學(xué)輔助磨削機(jī)理

為了提高藍(lán)寶石的機(jī)械加工效率，Wan[42]和Liang[48]等進(jìn)行了藍(lán)寶石超聲振動(dòng)輔助磨削試驗(yàn)，與傳統(tǒng)磨削方式相比，超聲振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)是降低磨削力，抑制砂輪磨損和表面損傷。此外，為研究超聲振動(dòng)對(duì)藍(lán)寶石脆塑轉(zhuǎn)變行為的影響，Liang等[49]進(jìn)行了單顆金剛石磨粒的橢圓超聲振動(dòng)輔助刻劃試驗(yàn)，結(jié)果表明，較大的振幅有利于實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石的延性磨削，振幅值與切削深度的關(guān)系會(huì)導(dǎo)致切削過(guò)程中材料去除模式不同。圖12[49]為單磨?？虅澦{(lán)寶石的脆塑轉(zhuǎn)變深度區(qū)域的橫截面，其中施加超聲振動(dòng)輔助的脆塑轉(zhuǎn)變深度明顯提高。

圖12 刻劃溝槽脆塑轉(zhuǎn)變區(qū)域橫截面[49]Fig.12 Section profiles of groove in ductile to brittle transition region [49]

Feng等[50]在不同液體環(huán)境下采用金剛石涂層磨具對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行磨削，藍(lán)寶石材料去除是機(jī)械和化學(xué)共同作用，采用堿性溶液可與藍(lán)寶石反應(yīng)生成一層軟質(zhì)層，利于材料的去除。然而，化學(xué)機(jī)械磨削很難應(yīng)用于復(fù)雜曲面，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)層機(jī)械去除速率導(dǎo)致工件表面不均勻，因此面形難以控制[51]。

1.5 藍(lán)寶石磨削殘余應(yīng)力

藍(lán)寶石磨削過(guò)程中，在金剛石磨粒作用下，材料發(fā)生晶格滑動(dòng)或?qū)\晶行為，晶格滑動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量位錯(cuò)。處于高能量激活狀態(tài)的位錯(cuò)區(qū)原子會(huì)導(dǎo)致表面層應(yīng)力發(fā)生變化，而這種變化體現(xiàn)在材料的表面應(yīng)力上。Zhao等[26]采用X射線搖擺曲線技術(shù)對(duì)表層殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，檢測(cè)過(guò)程的原理如圖13所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沿c軸加工的磨削表面的內(nèi)應(yīng)力都大于沿m軸加工的磨削表面的內(nèi)應(yīng)力，也高于沿a軸加工的磨削表面的內(nèi)應(yīng)力，與磨削力的規(guī)律一致。王金虎[52]則采用拉曼光譜測(cè)量了藍(lán)寶石磨削的表面應(yīng)力，指出表面應(yīng)力與亞表面損傷層有一定聯(lián)系。

圖13 X射線搖擺曲線示意圖[26]Fig.13 Schematic diagram of X–ray rocking curve [26]

綜上所述，藍(lán)寶石磨削材料去除機(jī)理的研究為藍(lán)寶石光學(xué)元件的精密–超精密磨削提供一定指導(dǎo)，但磨削機(jī)理的研究多集中于藍(lán)寶石平片，面向曲面藍(lán)寶石的磨削機(jī)理鮮有報(bào)道。

2 藍(lán)寶石復(fù)雜表面磨削與超精密磨削技術(shù)研究

藍(lán)寶石復(fù)雜曲面光學(xué)元件往往需要微米級(jí)甚至是亞微米級(jí)的面形精度和納米級(jí)的表面粗糙度，因此設(shè)備和加工工藝成本非常高。受制于應(yīng)用背景、加工工藝復(fù)雜性、機(jī)床裝備的限制，藍(lán)寶石復(fù)雜曲面的磨削技術(shù)研究鮮有報(bào)道。哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙清亮課題組針對(duì)高硬脆材料復(fù)雜曲面光學(xué)元件的磨削加工已形成獨(dú)特的技術(shù)積累，尤其是在高陡度保形整流罩和自由曲面磨削的領(lǐng)域取得了一系列研究成果。

2.1 高陡度藍(lán)寶石保形整流罩內(nèi)外表面精密磨削加工技術(shù)

高陡度保形整流罩的空氣性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)球形整流罩，而藍(lán)寶石材料具有良好的光學(xué)性能和惡劣環(huán)境適應(yīng)性，但高陡度保形輪廓和高硬脆性給光學(xué)加工帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)[52–53]。此外，保形整流罩服役對(duì)面形和表面質(zhì)量要求非常高，且內(nèi)外表面面形輪廓不同，因此探索和完善高硬脆材料高陡度保形整流罩內(nèi)外表面磨削加工技術(shù)迫在眉睫。

藍(lán)寶石保形整流罩磨削加工是在超精密機(jī)床上進(jìn)行的，如圖14所示[52]，內(nèi)外表面均采用球頭砂輪磨削，磨削過(guò)程中砂輪要進(jìn)行在位修整和測(cè)量，將實(shí)時(shí)砂輪半徑補(bǔ)償?shù)綑C(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡中，同時(shí)采用機(jī)床自帶的LVDT測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行在位對(duì)心和面形測(cè)量與補(bǔ)償。磨削過(guò)程是砂輪修整–磨削–檢測(cè)不斷迭代的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了高陡度保形整流罩在線砂輪修整和檢測(cè)、面形在線檢測(cè)和補(bǔ)償技術(shù)，最終面形測(cè)量結(jié)果如圖15所示[52]，在50mm口徑的范圍內(nèi)，內(nèi)外表面的面形PV精度分別是2.47μm和1.7μm，磨削完成后的藍(lán)寶石保形整流罩如圖16所示[52]。

圖14 藍(lán)寶石保形整流罩精磨[52]Fig.14 Fine grinding of conformal sapphire dome [52]

圖15 原位檢測(cè)藍(lán)寶石保形整流罩面形誤差[52]Fig.15 On-machine measured form accuracy of conformal sapphire dome [52]

圖16 精磨后的藍(lán)寶石整流罩[52]Fig.16 Sapphire dome after fine grinding [52]

2.2 藍(lán)寶石非球面（165mm口徑）超精密磨削加工技術(shù)

在超精密機(jī)床上，采用金剛石圓弧砂輪進(jìn)行了藍(lán)寶石非球面（165mm口徑）的垂直磨削試驗(yàn)，磨削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖17所示。磨削過(guò)程圓弧砂輪需要進(jìn)行在位修整和測(cè)量以進(jìn)行非球面的編程，同時(shí)優(yōu)化砂輪轉(zhuǎn)速與工件轉(zhuǎn)速來(lái)抑制磨削紋路，最終超精密磨削的面形精度采用LVDT進(jìn)行在位測(cè)量，結(jié)果如圖18所示，PV<0.85μm，RMS<0.135μm。超精密磨削后的藍(lán)寶石非球面如圖19所示，表面均勻沒(méi)有磨削紋路且表面粗糙度Sa<10nm，為后續(xù)的拋光節(jié)省大量時(shí)間和成本。

圖17 藍(lán)寶石非球面超精密磨削試驗(yàn)Fig.17 Ultra-precision grinding experiment of sapphire aspheric surface

圖18 超精密磨削后的面形精度Fig.18 Profile accuracy after ultra-precision grinding

圖19 超精密磨削后的藍(lán)寶石非球面（165mm口徑）Fig.19 Sapphire aspherical surface after ultra-precision grinding （diameter=165mm）

2.3 單晶硅自由曲面超精密磨削加工技術(shù)

受成本、加工技術(shù)和設(shè)備的限制，藍(lán)寶石自由曲面的加工鮮有報(bào)道。課題組探索了單晶硅自由曲面超精密磨削與檢測(cè)工藝[20–22]。首先研究了砂輪在位修整補(bǔ)償策略，采用光柵式超精密磨削加工220mm×105mm尺寸的雙錐自由曲面，最終面形PV誤差為6.0μm，X方向表面粗糙度Ra<10.3nm，Y方向表面粗糙度Ra<8.4nm，如圖20所示[20]。然后對(duì)自由曲面超精密磨削過(guò)程中的誤差源進(jìn)行分析，建立輪廓面形誤差評(píng)估模型，開(kāi)發(fā)了自由曲面面形在位檢測(cè)和評(píng)價(jià)補(bǔ)償策略。消除誤差源后，沿工件長(zhǎng)度（220mm）和工件高度（105mm）的面形誤差分別由15.425μm和18.6μm降低到1.678μm和1.695μm。在220mm×105mm的測(cè)量范圍內(nèi)，面形誤差補(bǔ)償后的加工表面PV值由21.6μm減小到1.549μm，說(shuō)明本研究所提出的方法對(duì)自由曲面面形誤差補(bǔ)償?shù)挠行?，如圖21所示[21]。

圖20 單晶硅雙錐自由曲面光學(xué)精密磨削的光滑表面[20]Fig.20 Surface finish of precision ground monocrystalline silicon biconical free-form optics [20]

圖21 Y方向的輪廓誤差補(bǔ)償[21]Fig.21 Profile error compensation results in Y-direction [21]

圖22 雙錐自由曲面[22]Fig.22 Biconical free-form surface[22]

自由曲面的超精密磨削加工是砂輪修整、軌跡規(guī)劃、在位測(cè)量等工藝的集成，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)被反映到面形誤差上。藍(lán)寶石高硬脆材料自由曲面的光學(xué)加工技術(shù)更為棘手，其磨削加工技術(shù)尚不成熟，還需進(jìn)一步探索。

2.4 藍(lán)寶石復(fù)雜表面磨削工藝中的挑戰(zhàn)

（1）材料的高硬脆性導(dǎo)致砂輪極易磨損從而影響面形精度。復(fù)雜表面磨削的每一次進(jìn)給需要很長(zhǎng)時(shí)間，而且隨著進(jìn)給時(shí)間的增加，砂輪磨損加劇，因此每次進(jìn)給都會(huì)使表面不均勻，優(yōu)化和選擇磨削工具及探究砂輪磨損和表面質(zhì)量之間的映射關(guān)系非常關(guān)鍵。

（2）材料高硬脆性導(dǎo)致磨削深度累積。藍(lán)寶石磨削過(guò)程中，材料并不能完全去除，隨著進(jìn)給次數(shù)的增加，磨削深度發(fā)生累積，導(dǎo)致磨削力增加，影響磨削質(zhì)量。

（3）復(fù)雜表面連續(xù)曲率變化導(dǎo)致的磨削系統(tǒng)空間剛度變化。任何磨削系統(tǒng)都有剛度最薄弱的環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)曲率變化復(fù)雜軌跡，磨削過(guò)程必然避不開(kāi)機(jī)床運(yùn)動(dòng)剛度最弱環(huán)節(jié)。此外，機(jī)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的加速度不斷變化產(chǎn)生的沖擊力對(duì)機(jī)床剛度也是一個(gè)極大考驗(yàn)。

（4）工藝參數(shù)不匹配和磨削系統(tǒng)剛度不足產(chǎn)生的磨削紋路和振紋。光學(xué)元件磨削過(guò)程中產(chǎn)生的磨削紋路為后續(xù)拋光帶來(lái)額外挑戰(zhàn)，而藍(lán)寶石磨削過(guò)程中除了磨削紋路，更容易產(chǎn)生振紋，選擇合適的工藝和工具來(lái)抑制紋路的產(chǎn)生也是一門藝術(shù)。

（5）復(fù)雜表面在位檢測(cè)與誤差補(bǔ)償技術(shù)。不同于回轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面，復(fù)雜曲面的檢測(cè)更為復(fù)雜，常規(guī)測(cè)量設(shè)備一般沒(méi)有檢測(cè)復(fù)雜表面的功能。此外，復(fù)雜表面必須進(jìn)行在位檢測(cè)，一旦拆下工件，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度重復(fù)裝夾，而裝夾誤差遠(yuǎn)大于加工誤差。自由曲面在位檢測(cè)是算法和工藝的集成，除了以高精度運(yùn)動(dòng)機(jī)床和高精度測(cè)量設(shè)備為基礎(chǔ)，需要開(kāi)發(fā)可靠性、確定性的評(píng)價(jià)算法，而測(cè)量后的在位補(bǔ)償技術(shù)更為復(fù)雜，還需進(jìn)一步探索。

3 結(jié)論

（1）由于藍(lán)寶石材料性能的各向異性和磨削加工方向的不同，其磨削材料去除機(jī)理不同，主要表現(xiàn)為表面微觀特征、裂紋擴(kuò)展類型和磨削力等方面的差異。藍(lán)寶石磨削產(chǎn)生的表面、亞表面損傷通過(guò)拋光難以去除，抑制高硬脆材料的磨削加工過(guò)程中的脆性斷裂行為和亞表面損傷是一個(gè)重要的方向。

（2）藍(lán)寶石磨削過(guò)程中金剛石砂輪極易磨損，選擇合適的金剛石砂輪工具、監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償砂輪磨損行為是高硬脆材料復(fù)雜曲面光學(xué)元件磨削工藝的關(guān)鍵。此外，能場(chǎng)輔助磨削技術(shù)有益于降低磨削力、抑制砂輪磨損、提高脆塑轉(zhuǎn)變深度，但復(fù)雜表面的能場(chǎng)輔助磨削技術(shù)尚不成熟。

（3）研究了藍(lán)寶石高陡度保形整流罩精密磨削工藝，實(shí)現(xiàn)了整流罩磨削過(guò)程中的在位砂輪修整測(cè)量、在位對(duì)心、在位面形檢測(cè)補(bǔ)償技術(shù)，最終整流罩內(nèi)外表面的面形（50mm口徑）PV分別是2.47μm和1.7μm，為深腔薄壁光學(xué)元件的光學(xué)制造技術(shù)提供一定借鑒。此外，超精密磨削后藍(lán)寶石非球面（165mm口徑）面形PV<0.852μm，RMS<0.135μm，Sa<10nm，為后續(xù)光學(xué)拋光鑒定基礎(chǔ)。

（4）探索了硬脆材料自由曲面超精密磨削加工技術(shù)，研究了自由曲面磨削過(guò)程中的誤差源、砂輪磨損補(bǔ)償及在位面形檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了基于金剛石砂輪慢刀伺服的自由曲面超精密磨削技術(shù)，最終超精密磨削后的雙錐自由曲面（220mm×105mm）面形PV<1.549μm，Sa<10nm，但藍(lán)寶石等高硬脆材料自由曲面光學(xué)元件的超精密磨削技術(shù)還需要進(jìn)一步探索。

4 展望

隨著光學(xué)設(shè)計(jì)的需求和機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，紅外系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、超高聲速光學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)λ{(lán)寶石等高硬脆材料復(fù)雜曲面光學(xué)元件極端需求，面向高硬脆材料的超精密磨削加工技術(shù)極為關(guān)鍵。設(shè)計(jì)制造高剛度、高精度的超精密磨削加工裝備與系統(tǒng)，探索復(fù)雜曲面高效超精密磨削加工工藝及檢測(cè)補(bǔ)償技術(shù)是國(guó)防工業(yè)的一個(gè)重要課題。