润滑剂特性的激光干涉法测量

摩擦与润滑在工业金属薄板形成工艺中起着重要的作用。摩擦决定着金属薄板的变形类型和无撕裂情况下的变形程度。
　　适当地润滑可以避免金属间的直接接触，减少了模具和工件不必要的磨损，降低了成本。同时，润滑减少了由于粘附作用引起的工件表面的损伤，提高了产品质量，延长了模具寿命。金属薄板成型的精确塑性分析，常依据一种含糊而使人误解的摩擦条件假设。其分析结果几乎无任何实用意义，尤其对那些工艺结构性能较差的工件，更是如此。
　　在简单的拉伸成型工艺中，广泛采用的流体润滑理论是由Wilson和Waog提出的。该理论认为，润滑膜是由在冲头和薄板结合处的边缘所形成的楔形入口带产生的。在冲头接触中心薄膜最厚，在连接边缘附近，则逐渐变薄。正是在这个区域，以后会出现破裂。这里冲头与薄板的接触，与齿轮和滚珠轴承中的情况类似，为了测量这种接触中的润滑薄膜的厚度，已开发了几项实验技术。其中，分割入射光振幅的光干涉测量法最为成功。在类似钢球和光学平面形成的弹性流体接触中，用光干涉测量技术能稳定精确地测量出油膜厚度。
　　为了研究金属薄板成型的润滑过程，我们将讨论光干涉的应用。特别要阐述用球形冲模在有润滑的条件下，轴对称拉伸工艺的油膜厚度的局部、瞬时测量。我们研究的主要目的是验证Wilson一Wang理论的正确性，从而加深我们对该理论的理解。
　　光干涉法测量
　　于涉曾经广泛地用于固态薄膜处理技术的研究和抛光效率、抛光平面度的测量中。在润滑特性研究中，把入射光波长作为润滑薄膜厚度的测量标准，通过光干涉进行精密测量。干涉是由于视频波的波动性而形成的。当两列或两列以上的光波相遇时，会产生与这些光波的叠加结果不同的合波。这种差异是由一个光源发出的两种或两种以上光波间的相位差引起的。由于润滑薄膜的存在，诸光波间产生了误差。当两种光波再次相遇时，它们便形成了明暗交替的波带，统称为干涉条纹。
　　这里所用的主光源是功率为5毫瓦、辐射波长为0.6微米鲜红色光的He一N。激光。此束光直射到空间频率滤光片上，产生一种呈高斯幅射分布的发散激光束，此时，光强几乎降　　低了一半。
　　用激光产生的干涉条纹比普通白色或单色光形成的条纹清晰和高级得多。氦氖激光能分辨小到0.10微米厚的薄膜。为观察干涉条纹，我们设计、制造并专门镀制了两个作为透明光学冲头的平凸透镜。透镜材料是非常耐用且精细退火的Schott玻璃(BK7一A)。在每个透镜的平l可侧镀四分之一波长厚的氟化镁以降低反射。
　　在透镜凸面，镀四分之一波长厚的Hfo2介质层研究双束干涉。HfO:在较大的负荷下相当耐用。此膜的物理厚度为0.07微米，折射　率为2.10。用这些参数调谐到玉le一Ne激光波长，而四分之一波长厚度则确保来自该层的反射光在相位上变化180度。射到HfO:层上的这些光，14多被反射，5形被吸收，81拓透射到油膜。当透射光射到抛光片表面时，其中60厂被反射。反射部分从油膜方射到HfO:镀层上，其大部分透过HfO2层返回冲头，只有很少部分被返回油膜中。后一种光线由于强度大减，不会再引起任何附加的干涉，仅在两束光线间生产干涉。位于窄环中所有干涉点的总和形成一种干涉带。当光正常地入射到冲头一薄板结合面时，在Hf02层附近形成干涉带。
　　第二块冲头镀厚度为四分之一波长的介质二氧化钦(TIO2)，以利于多束干涉条纹的形成。TIO2层的物理厚度为0.06微米，折射率为2.67。这两个量也都能调谐到He一Ne激光的波长。
　　在射到TIO2层的光中，30%被反射，70%被透射到油膜中，吸收部分可忽略不计。由于TIO2层的反射率高，加之薄板表面的反射，透射光在油膜内经过一系列的反射。经薄板表面最初反射的光线，部分透射返回冲头，部分反射到油膜中，振幅进一步发生了变化。这样，多束光线在上述薄板与冲头结合面上某一点的叠加便产生了干涉。
　　该点的光强约为双光束在同点强度的二倍。光强的增加使多束干涉条纹中的明带变宽，暗带变窄。双束条纹中的明带比多束条纹中的略暗略窄一些。
　　样品制备
　　试验样品是由直径为3英寸的3003一H14熟铝合金毛坏制成的。每个样品的厚度是0.02英寸。屈服应力为21千磅/英寸“。为了控制来自薄板表面的反射光量，必须调整工件的表面反射率，使其大体上等于冲头凹面的反射率。为此，研究了一种金相加工法，经七次抛光，达到镜面光洁度。然后，把抛光样品在48多氟化氢溶液中腐蚀2~4分钟，便可得到所需的反射率。在靠近正常入射的地方，用激光功率表测量样品表面对He一Ne激光的反射率。看来30%~48%的反射率已够用了。
薄膜厚度计算
　　根据冲头和薄板表面的反射率，便能导出确定润滑膜厚度的简单公式。这个公式可用于双束和多束干涉。