固结磨料研磨硫化锌的亚表面损伤预测分析.docx
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2022-12-15
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0. 引 言
硫化锌是目前最主要的多光谱红外光学材料，因其良好的红外透明性与较宽的投射波
段被广泛应用于制造透镜、棱镜、窗口片、滤光片、整流罩等光学部件
[1-2]
。大部分硫化锌
部件是多晶体，具有立方相闪锌矿和六方相纤锌矿两种稳定的结晶形态，且具有优良的光
学和力学性能
[3]
。硫化锌晶体硬度低、脆性大，因此在研抛加工过程中产生脆性崩坏，极
易在工件亚表面产生损伤。
脆性光学材料研磨加工所导致的亚表面损伤主要包括近表层区域存在的微裂纹、残余
应力、相变、非晶化等，其中微裂纹为影响最大的损伤方式，直接决定硫化锌器件的性能
和使用寿命。亚表面微裂纹主要分为横向裂纹和中位裂纹，加工过程中材料的去除主要由
横向裂纹的扩展导致，而中位裂纹则是引发残余应力的主要因素
[4]
。目前，常见的亚表面
损伤检测方法主要有截面显微法、差动腐蚀法
[5]
、磁流变抛光斑点法等破坏性检测方法以
及偏振激光散射检测
[6]
、全反射显微技术、光学相干层析技术等非破坏性检测方法
[7]
。破坏
性检测过程会导致试件损坏，且容易对试件造成新的损伤，影响检测结果。而非破坏性检
测成本较高，检测需要经过图像采集和处理，且间接测量精度较低，存在较大的局限性
[8]
。利用数值模拟方法对软脆材料亚表面损伤进行预测，可以在加工前对表面和亚表面损
伤的大小、类型、位置和空间分布信息进行一定的评估，能够降低软脆材料亚表面损伤检
测的成本，节省检测时间，有助于优化加工工艺参数，降低加工成本。
离散元法（Discrete Element Method, DEM）是颗粒动力学常用的方法之一，起源于分
子动力学，是一种用于研究非连续体力学问题的数值模拟方法。离散元法在模拟和预测材
料碎裂过程以及亚表面损伤研究方面已有一定应用。谭援强等
[9-10]
对单晶硅超精密切削裂纹
扩展过程进行了离散元仿真。王建彬等
[11]
利用离散元法预测单晶蓝宝石亚表面损伤。朱永
伟等
[12]
等利用离散元法进行了光学硬脆材料固结磨料研磨中的亚表面微裂纹分布预测。但
这些研究主要集中在硬脆材料的微裂纹分布和扩展方面，离散元法在对软脆材料亚表面损
伤情况的预测领域还处于空白阶段。文中选择合适的固结磨料垫参数，将固结磨料研磨时
不同磨粒粒径转化为单颗磨粒切入深度，仿真探究磨粒粒径对硫化锌亚表面微裂纹分布情
况的影响规律，为固结磨料研抛软脆材料后的亚表面损伤预测提供依据。
1. 离散元仿真模型
1.1 模型建立
DEM 模型中的基本单元为刚性球体，为模拟脆性材料，可将材料近似为大量颗粒胶
结而成的颗粒聚集体。刚性球体间的连接可用能传递力和扭矩的线性的 BPM （Bonded-
Particle Model）模型表示。
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