光学玻璃磨削机理的仿真研究

工， 但研抛技术生产周期长 ， 产品成本高。近年来 ， 超
精 密磨削技 术 的进步 ， 得 磨削 表 面 的质 量 等 同甚 至 使 优 于研 抛 表 面¨２， 且 加 工 效 率 得 以 大 幅 度 提 高 。 Ｉ 并 Ｊ 因此 ， 研究 玻璃 等脆 性 材 料超 精 密 磨 削过 程 中的磨 削
ｗ ｒ ｎ ｌ ｚ ｄ ｆ ｍ ｈ ｓ ｅ ｔ ｆｔ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｅ ｓ ｅ ｓ ｅ ｓ ｒｎ ｉ ｇ ｆ ｒ ｅ ａ ｄ ｇ ｉ ｄ ｎ ｏ ｃ ａｉ ， ｅ ｅ ａ ａｙ ｅ ｒ ｔ ｅ ａ ｐ ｃｓ ｏ ｘｍｕ ｔｎ ｉ ｔ ｓ ，ｇ ｉ ｄ ｎ ｏ ｃ ｎ ｒ ｉ ｇ ｆ ｒ ｅ ｒ ｔ ｏ ｈ ｌ ｒ ｎ ｏ ｗ ｉｈ ｌｉ ｏ ｎ ａｉｎ ｆｒ ｐ ｏ ｅ ｓ ｐ ｒｍｅｅ ｓ ｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ａ ｄ ｐ ｏ ｅ ｐ ａ ｎ ｎ ｒ ｇ ｎ ｉ ｇ ｏ ｔ ａ ｈ ｃ ａｄ ａ ｆｕ ｄ ｔ ｏ ｒ ｃ ｓ ａ ａ ｔｒ ｐ ｉ ａｉ ｎ ｒ ｃ ｓ ｌ ｎ ｉ ｇ ｆ ｒ ｄ ｎ ｐ ｉ ｌ ｏ ｍｉ ｏ ｏ ｉ ｃ
特性是很有必要的， 这将对脆性材料的超精密加工提 供一定的科学参考价值。 由于实际加工过程中的切削温度 、 应力 、 应变等的
测量 极其 困难 ， 单纯 依 靠 实验 很 难 对磨 削 机 理进 行 深
入的研究。计算机仿真方法能够揭示实验很难获得的 物理力学现象 ， 而为深入研究磨削机理奠定基础 。 从
工艺与检测 ｎｇ ｎ ０ｙ ｄ １ ａ ０
光学玻璃磨削机理 的仿真研究
沈琳燕 李蓓智 杨建 国
（ 东华 大学机械 工程 学院 ， 上海 ２ １２ ） ０６０ 摘 要： 采用有 限元仿 真分析 方法 ， 利用有 限元增 量理 论建 立 了玻璃 材料 的 弹塑 性本 构 关 系 ， 单颗 金 刚石 对 磨 粒的磨 削过 程进行 了仿真 ， 最后从 最大拉 应 力、 削 力 、 磨 磨削 力 比 ３个方 面对仿 真结果 进行 了分 析 研究， 为玻 璃磨 削加 工的工 艺参数优 化和 工艺规 划奠定 了基础 。
关键 字 ： 高速磨 削 光学 玻璃 仿真 磨 削力
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机理研 究 ， 通过 分析单 颗磨 粒 的理 想磨削 过程 ， 立 了 建 单 颗磨粒 磨削 的仿 真模 型 。基 于该模 型 ， 用 有 限元 利
行精密及超精密加工。这些材料虽然用处十分广泛 ， 但其硬度高 ， 脆性大 ， 其物理机械性能尤其是韧性和强 度与金属材料相比有很大差异。由于玻璃等脆性材料
用 于切削仿 真 的数 值 模拟 计 算 方法 主 要有 两 种 ， 即欧拉方 法及拉 格 朗 日方法 。欧拉 方法 中有限元 网格 描述 空 间域 ， 材料 可 以在 网格 间流动 。欧拉 方法 可 以 模 拟稳态 切削过 程 ， 但无 法模 拟 切 屑 的形成 。拉格 朗 日方 法是 固体分 析方法 ， 限元 网格紧紧 贴在材料 上 ， 有 随着 工件 的变形 而变形 ， 此方 法可 以模拟 切屑 的形成 ， 但必 须定义 切屑 的分离 准则 。本文采 用拉格 朗 日方法
软件对不同磨削条件下 的磨削过程进行仿真， 分析 了 砂轮线速度、 磨削深度同应力 、 磨削力之 间的关系 ， 并
得 出磨 削过程 中玻璃 的变 形 ， 而可 对磨 削过 程 的参 进 数进 行优 化 ， 削过 程 的研 究更加 快捷 、 使磨 有效 Ｊ 。
１ 有 限元分析模 型
１ １ 三维 几何模 型的 建立 ．
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Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ：Ｈｉｈ Ｓ ｅ ｉｄｉｇ；Ｏｐｔ ａ ａ ｓ ｉ ｌ ｔ ｎ；Ｇｒｎ ｉ ｇ Ｆｏｃ ｇ ｐｅ ｄ Ｇｒｎ ｎ ｉ ｌＧｌ ｓ ；Ｓ ｍｕ ａ ｉ ｃ ｏ ｉ ｄｎ ｒｅ
随着尖端科学技术 的不断发展 ， 高质量 的玻璃等
脆 性材 料产 品的需 求 大 大增 加 。 因此 ， 需要 对 它 们进
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（ ｃｏｌ ｆ ｃａ ｉ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｄ ｎ ｈ ａＵ ｉ ｒ ｔ， ｈ ｎｈ ｉ ０ ６ ０ ＨＮ Ｓｈ ｏ ｏ ｈ ｎ ａ Ｅ ｇｎｅ ｎ ， ｏｇ ｕ ｎｖ ｓｙ Ｓ ａ ｇ ａ ２ １２ ，Ｃ ） Ｍｅ ｃ ｉ ｅｉ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｎ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｅ ａ ｔ － ｌ ｓ ｃ ｃ ｎ ｔ ｕ ｉｅ ｒ ｌｔ ｎ ｏ ｌ ｓ ａ ｓａ ｌ ｈ ｄ ｂ ｈ ｓ ｆ ｉ ｉ ｌｍｅ ｔ ｎ ｓ ｒ ｃ ：Ｉ ｓ ａ ｅ ， ｌｓｉ ｐ ａ ｔ ｏ ｓｉ ｔ ｅ ａｉ ｆ ａ ｓｗ ｓｅ ｔｂ ｉ ｅ ｙ ｔ ｅｕ ｅ ｏ ｎ ｔ ｅ ｅ ｎ — ｈ ｃ ｉ ｔ ｖ ｏ ｇ ｓ ｆ ｅ ｉ
在韧性 和强度 方面相 互 之 间差 异 较 大 ， 以玻 璃 材料 所 的磨削 既不 同 于一 般 高 脆 性 材料 （ 如金 刚石 ） 的纯 断 裂 过程 ， 又不 同于金 属 材料 的塑性 剪切 过 程 。为 了获 得 高质量 的玻璃 材料 产 品 ， 现在 一 般 采用 研 抛技 术 加