超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测

敖萌灿; 黄金星; 曾毓贤; 吴跃勤; 康仁科; 高尚

doi:10.37188/OPE.20243201.0084

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超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2024-01-13

- 超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测
- Prediction of brittle-to-ductile transition depth in ultra-precision grinding YAG crystals
- 光学精密工程 2024年32卷第1期页码：84-94
- 作者机构：
  
  1.大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室，辽宁大连 116024
  2.华侨大学制造工程研究院，福建厦门 361021
- 作者简介：
  
  [ "敖萌灿（1999-），男，重庆人，硕士研究生，2021年于大连理工大学获得学士学位，主要研究方向为硬脆材料超精密磨削技术。E-mail： 32104027@mail.dlut.edu.cn" ]
  [ "高尚（1982-），男，辽宁沈阳人，博士，副教授，博士生导师，2005年、2007年、2014年于大连理工大学分别获得学士、硕士和博士学位，主要研究方向为难加工材料精密与超精密加工技术、半导体制造技术与设备。E-mail： gaoshang@dlut.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2022YFB3605902);国家自然科学基金资助项目(51975091;51991372)
- DOI：10.37188/OPE.20243201.0084
  中图分类号：
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敖萌灿,黄金星,曾毓贤等.超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测[J].光学精密工程,2024,32(01):84-94.

AO Mengcan,HUANG Jinxing,ZENG Yuxian,et al.Prediction of brittle-to-ductile transition depth in ultra-precision grinding YAG crystals[J].Optics and Precision Engineering,2024,32(01):84-94.
敖萌灿,黄金星,曾毓贤等.超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测[J].光学精密工程,2024,32(01):84-94. DOI： 10.37188/OPE.20243201.0084.

AO Mengcan,HUANG Jinxing,ZENG Yuxian,et al.Prediction of brittle-to-ductile transition depth in ultra-precision grinding YAG crystals[J].Optics and Precision Engineering,2024,32(01):84-94. DOI： 10.37188/OPE.20243201.0084.

摘要

钇铝石榴石（YAG）晶体是制造固体激光器的重要材料，超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法，研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工，获得高质量表面，基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学，通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程，考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应，建立了脆塑转变临界深度的预测模型，并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上，通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证，并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明，磨粒切深高于脆塑转变临界深度时，YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除，磨削表面损伤严重；磨粒切深低于脆塑转变临界深度时，磨削表面材料以塑性方式被去除，能够获得高质量磨削表面，加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。

Abstract

Yttrium aluminum garnet （YAG） crystals are widely used for manufacturing solid-state lasers， and ultraprecision grinding is critical for machining hard and brittle material parts， such as YAG crystals. The investigation of microdeformation and brittle-to-ductile transition mechanisms of hard and brittle material-machined surfaces is necessary for ultraprecision grinding. Based on the elastic-plastic contact theory and indentation fracture mechanics， a model for predicting the critical depth of brittle-to-ductile transitions was established to achieve low-damage grinding of YAG crystals and obtain high-quality surfaces. The deformation process of the material surface under the action of a single abrasive scratch was analyzed， considering the elastic recovery of the material and the size effect of micromechanical properties. The critical depth of the brittle-to-ductile transition of the YAG crystal is 66.7 nm. The proposed prediction model of the critical depth of the brittle-to-ductile transition was verified by ultraprecision grinding of YAG crystals with grinding wheels of different grain sizes. In addition， the grit-cutting depths of different grain-size grinding wheels under the corresponding process conditions were calculated. The results show that when the grit-cutting depth is more extended than the critical depth of the brittle-to-ductile transition， the surface material of the YAG crystal is removed in a brittle manner， and the grinding surface is severely damaged. However， when the grit-cutting depth is less than the critical depth of the brittle-to-ductile transition， the grinding surface material is removed in a ductile manner， high-quality grinding surface can be obtained， and the machined surface roughness can reach 1 nm. The proposed model for predicting the critical depth of the brittle-to-ductile transition provides theoretical guidance for low-damage ultraprecision grinding of YAG crystals.

关键词

超精密磨削YAG晶体纳米压痕纳米划痕脆塑转变

Keywords

YAG crystalnano-indentationnano-scratchbrittle-to-ductile transitionultra-precision grinding

references

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