KDP晶體臥式飛刀切削加工表面質量影響因素及其規律的實驗研究*

關佳亮 汪文昌 朱生根 陳志德

(①北京工業大學機電學院，北京 100124;②北京工研精機股份有限公司，北京 101312)

1 問題的提出

KDP(Potassium Dihydrogen Phosphate，簡稱 KH2PO4)晶體由于同時具有較大的非線性光學系數、較高的激光損傷閾值和易于生長大尺寸的單晶體等優良光學性能而在強激光武器和激光受控熱核聚變反應等高科技領域被廣泛使用［1－4］。然而，KDP晶體所具有的質軟、脆性高、易潮解和易開裂等物理特性又決定了它不能使用光學元件的傳統加工方法來加工制造［5］。在KDP晶體的巨大社會經濟效益和加工制造技術屏障面前，SPDT(單晶金剛石飛刀切削加工)技術于上世紀80年代初被逐步發展起來，它是一種利用天然單晶金剛石作為刀具、在計算機控制下飛刀銑削加工光學表面的新興技術［6］。

目前，用SPDT技術加工KDP晶體多以立式切削加工方式來實現，經過學者們的多年探索，該加工技術現已取得了較大研究成果，但與實現高精度、大口徑KDP晶體零件的批量生產間仍有很大差距。影響KDP晶體表面粗糙度的主要因素包括刀具前角、進給量和背吃刀量，而影響表面波紋度的主要因素是工作臺與進給絲杠之間的誤差和機床主軸的軸向微小顫動［7］。對比立式機床，由于臥式機床主軸水平安裝，重力方向與進刀方向垂直，這樣便能有效減小主軸帶動刀具在進刀方向的微小顫動，同時臥式切削加工的進刀通過機床上獨立電動機直接帶動工作臺作亞微米移動來實現，相對立式機床通過差動螺旋來實現進刀，其精度和穩定性都會更好。因此，本文主要通過臥式飛刀切削加工實驗，比較分析了各加工工藝參數對KDP晶體表面質量的影響規律。

2 實驗條件及其加工原理

2.1 實驗條件

本實驗以臥式數控車床CJK－1630為平臺，參考立式飛刀切削加工條件，開發了一套臥式飛刀切削加工KDP晶體的實驗裝置，包括刀盤、刀具工作角度調節裝置和工作臺。刀具采用無斷屑槽的硬質合金圓弧銑刀。工件表面粗糙度和表面波紋度均采用“TR300粗糙度形狀測量儀”進行檢測。

2.2 加工原理

如圖1所示，刀具安裝在裝有刀具角度調節裝置的刀盤上，而刀盤裝卡在機床主軸上，刀具工作時以一定的工作半徑繞主軸高速旋轉;KDP晶體安裝在一個平行于切削平面的工作臺面上，切削加工時工作臺先在主軸方向直線運動一段距離以保證所需的背吃刀量，進給前整個工件都在飛刀旋轉所在的環線外，然后工作臺垂直于機床主軸向飛刀旋轉所在環線內作水平直線進給，此時，高速旋轉的飛刀對工件進行切削加工。當整個工件都穿過并進入飛刀旋轉所在的環線時，切削加工結束，這時工作臺停止進給，主軸停止轉動。圖1為KDP晶體臥式飛刀切削加工機床結構示意圖。圖2為KDP晶體切削加工原理及表面輪廓生成示意圖。

3 實驗研究

KDP晶體的飛刀切削加工實驗采用硬質合金圓弧刀具，以北京工業大學臥式數控車床為平臺、根據實驗需要自行設計安裝配套工藝裝備來完成。為減小因KDP晶體裝卡后內部應力再分布對加工精度造成的不良影響，加工前對KDP晶體作了一天時效處理。針對此機床，我們選取了其工作狀態最好、振動最小時的主軸轉速s=950 r/min。

3.1 刀具前角對KDP晶體表面粗糙度的影響

對于KDP晶體這種各向異性的脆性材料，同樣的切削角將引起晶格不同程度的破壞，形成異常的切削效果，導致晶體表面的深劃痕破壞［8］。文獻［7］指出，加工KDP晶體時，刀具前角在－25°～－45°范圍內切削效果最佳，而文獻［6］已通過立式切削加工實驗驗證了上述結論的正確性。

本實驗將進一步驗證文獻［7］的結論在臥式飛刀切削加工中的適用性。采用單一變量法分別對不同刀具前角進行切削對比試驗，試驗參數及結果如圖3所示。結果表明，KDP晶體臥式飛刀切削加工時最佳切削效果的刀具前角確實在－25°～－45°范圍內，而且超出該范圍時，工件表面粗糙度對刀具前角的變化十分敏感(一個數量級以上的變化幅度)。

3.2 進給量對KDP晶體表面粗糙度的影響

從切削原理推算的工件加工表面理論粗糙度值Ra=f2/(8πr)×cos45°可以看出，進給量f越小 KDP晶體表面粗糙度值越小，而且影響較大。本實驗采用單一變量法分別對不同進給量進行切削對比試驗，試驗參數及結果如圖4所示?？梢钥闯?，KDP晶體臥式飛刀切削加工時，進給量對加工表面粗糙度的影響趨勢與理論及立式飛刀切削加工均相符，但實際數值要比它們大。筆者認為，這種規律偏差主要是由刀具材質不如單晶金剛石鋒利和機床精度不夠所造成的。

3.3 背吃刀量對KDP晶體表面粗糙度的影響

文獻［6］指出，背吃刀量對KDP晶體表面粗糙度的影響不大。本實驗采用單一變量法分別對不同背吃刀量進行對比試驗，試驗參數及結果如圖5所示。結果顯示，KDP晶體臥式切削加工時表面粗糙度值隨背吃刀量減小而減小，但這種影響效果很小。這一規律與立式飛刀切削加工完全相同，驗證了文獻［6］結論的適用性。分析認為，其主要原因為兩種切削加工方式都是以脆塑轉變機理來實現的，而在其他參數滿足條件的情況下，只要背吃刀量達到KDP晶體切削加工時脆塑轉變的臨界最小切削厚度并實現塑性域切削，它便對晶體表面粗糙度影響甚微。

3.4 各工藝參數對KDP晶體表面波紋度的影響

大量文獻(如文獻［6］)表明，KDP晶體表面波紋度與各個工藝參數間沒有必然聯系，其受由機床—刀具—工件構成的工藝系統綜合影響，即與機床工作狀態關系很大。圖6～8為上述切削加工實驗中KDP晶體表面波紋度的測量結果。從圖中可以看出，本實驗結果吻合上述結論。

4 結語

通過以上實驗，對比分析KDP晶體臥式與立式兩種飛刀切削加工方式及其切削加工結果的異同，可以得出以下結論:

(1)加工面表面粗糙度值隨進給量和背吃刀量的減小而減小，而在最佳刀具前角－25°～－45°區域內變化極小，并且越過該區域時，其值急劇增大;表面波紋度與上述工藝參數間沒有必然聯系，只跟機床工作狀態有關，這都與立式切削加工規律完全吻合。

(2)在各工藝參數變化下，臥式飛刀切削加工KDP晶體的表面質量變化不如立式變化明顯，這主要與硬質合金刀具材質不如單晶金剛石鋒利及機床精度不夠高有關。

(3)立式飛刀切削加工的優勢在于刀盤水平安裝時微小不平衡質量的重力始終與離心力成一恒定夾角，相比臥式飛刀切削加工時的交變夾角，能有效地減小機床振動;而臥式切削加工優勢在于主軸的水平安裝，因能減小機床振動下刀盤在進刀方向的微小顫動而有效改善工件表面波紋度，同時進給精度和穩定性都要優于立式。

［1］謝英明，李新政，鄭濱，等.KDP(KH2PO4)晶體材料的研究進展［J］.河北工業科技，2006，23(6):377 －380.

［2］孫希威，張飛虎，董申.單點金剛石銑削KDP晶體實驗研究［J］.航空精密制造技術，2006，42(4):18 －20.

［3］王景賀，陳明君，董申，等.KDP晶體光學零件超精密加工技術研究的新進展［J］.工具技術，2004，38(9):56 －59.

［4］張文生，張飛虎，董申.光學脆性材料的金剛石切削加工［J］.光學精密工程，2003，11(2):139 －143.

［5］董申，張新洲，王景賀.KDP晶體超精密切削各向異性的理論研究［J］.工具技術，2005，39(11):19 －21.

［6］姜維，陳明君，李明全.KDP晶體飛刀銑削加工參數對表面質量影響的實驗研究［J］.航空精密制造技術，2009，45(5):4 －7.

［7］楊福興.激光核聚變光學元件超精密加工技術的研究［J］.光學技術，2003，29(6):649 －651.

［8］楊力著.先進光學制造技術［M］.北京:科學出版社，2001:235－286.