超精密徑向調刀飛刀盤研制及弧形微結構的飛切實驗

石廣豐，朱可可，史國權,2，蔡洪彬，肖建國

（1.長春理工大學，長春 103322；2.中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所，蘇州 215163；3.云南北方馳宏光電有限公司，昆明 650000）

0 引言

單點金剛石超精密飛切技術廣泛應用于光學晶體元件的超精密加工，在工業、國防、科研等領域得到了廣泛的應用[1]。隨著應用技術的發展，具有微結構表面特征的光學元件的加工種類越來越多，加工精度的要求也越來越高[2,3]。而單點金剛石超精密飛切技術一定要依托于超精密加工裝備來實現。

目前的超精密機床以美國、日本等發達國家的超精密機床系列產品為主，國內也普遍引進并采用。這類機床往往通過在超精密切削機床上增加豎直移動軸，來實現飛切加工時工件和金剛石飛刀之間的靠近、進給[4]。這種配置需求的機床成本較高，精度穩定性不好，國內用戶一般并不配置。當然，也可通過對工件施加墊塊來實現定量位移量調節，但是這種方式對工件相對于刀具的位移調節不具有連續可調性，精度無法保證。此外，現有的金剛石刀具微調功能廣泛應用于超精密車削的可調刀架上，在超精密飛切過程中（金剛石刀具由飛刀盤在主軸固定夾持）無法采用。在超精密切削機床飛刀盤上設計出調刀裝置，增加單點飛切加工的功能和精度可以在一定程度解決這方面的問題。

因此，本文開發了一種具有自主知識產權的超精密飛刀盤[5]，該飛刀盤具有徑向微調刀功能，能夠在簡化控制方法的情況下達到極高的定位精度和分辨率實現徑向調節，來提高超精密切削機床飛刀盤調刀裝置的精度和方便性，降低設備成本，提高加工效率。

1 弧形微結構超精密飛切原理

在超精密車削機床上采用天然金剛石圓弧刀飛切的加工方法來實現弧形槽微結構環形陣列的加工，原理如圖1所示。將飛刀盤安裝在機床主軸上，金剛石刀具裝夾在飛切刀盤上，繞主軸軸線做回轉運動，刀具圓弧刃口幾何圓心和機床B軸回轉中心保持一致。將單晶鍺工件居中安裝在超精密金剛石車削機床的B軸回轉工作臺的臺面上，并隨B軸做旋轉運動。根據弧形槽微結構環形陣列的具體尺寸關系合理安排B軸的回轉速度和主軸的回轉速度之間的對應關系，一經刀具對中、對刀和落刀后，即可在單晶鍺工件表面飛切出環狀弧形槽。通過主軸X軸進給步進距離，可以實現不同半徑處的弧形槽微結構環形陣列的加工。

為了防止飛切后的弧形槽彼此之間的幾何干涉現象，可針對具體運動、幾何關系在三維建模軟件里面進行仿真分析，合理設置相關加工工藝參數，以取得理想加工結果。

圖1 超精密飛切弧形槽微結構示意圖

2 徑向調刀飛刀盤設計

所設計飛切刀盤采用盤面徑向可微調方式，徑向微調采用差動螺桿帶動連接機構來實現傳遞力矩和傳遞精準的直線運動。刀具微調量調好后，可進行金剛石車刀刀柄的鎖緊制動。為了保證整個刀盤系統的穩定性實現飛刀盤的旋轉動平衡調節，在飛刀盤上進行了動平衡的粗調和精調機構設計，刀盤中設置有配重系統，它的位置和刀具的位置是相對應的，并且能固定在飛刀盤上，其中銅塊配重設計實現飛刀盤的動平衡粗調，微調飛刀盤周圍上均布的螺桿，即平衡釘實現飛刀盤的動平衡精調。配重塊抵消掉大部分因加刀具后引起的不平衡，然后調節平衡釘來微調，使質心與旋轉中心重合。

飛刀盤主體材料為LY12，長度為120mm，盤面口徑為φ110mm。刀具微調量調好后，可進行金剛石刀具刀柄的鎖緊制動，其中刀夾采用鋼制結構。差動螺桿進給的微調最大距離為0.15mm，差動螺桿旋轉每度進給0.055um。為了實現飛刀盤的旋轉動平衡調節，在飛刀盤上進行了動平衡的粗調和精調機構設計。其中銅塊配重設計可進行飛刀盤的動平衡粗調，飛刀盤圓周上均布的微調螺桿可實現飛刀盤的動平衡精調（主體結構如圖2所示）。

圖2 徑向可調飛刀盤結構設計

3 超精密飛刀盤動平衡調整和對刀測試

圖3 徑向可調飛刀盤實物及其安裝測試

圖4 飛刀盤動平衡測試

根據飛刀盤的結構設計，經過制造裝調（如圖3所示），安裝金剛石圓弧飛切刀具后可以進行在超精密車削機床上的動平衡測試，測試過程如圖3、圖4所示。采用超精密機床配套的杠桿觸針式高分辨率電子拷表（分辨率為125nm）對飛刀盤圓周表面進行動平衡測試，機床配套數控軟件可以給出環形動不平衡的圓周位移量跟蹤測試信號。根據信號曲線圓周方向上的象限分布特征微調飛刀盤上帶彈簧預緊的平衡釘來進行動平衡精調，最終使得測試信號曲線達到要求偏差范圍內。

根據加工過程中所需要的主軸轉速范圍，在變速情況下進行動平衡測試和調整，以滿足具體使用要求。

4 弧形槽微結構的超精密飛切加工實驗

在美國進口超精密機床Nanoform 250 Ultra上開展弧形槽微結構陣列的超精密飛切加工實驗。采用的圓弧金剛石刀具的幾何參數為：刀尖圓弧半徑為2.5mm，前角為-15°，后角為10°。超精密機床主軸轉速為120rpm，B軸工作臺轉速1.2rpm，切深為6μm。為了準確測試對刀信號及針對切削力進行測試研究，可以在被加工工件底下設置Kistler三向微力測試儀進行飛切過程的同步測試，如圖5所示。

圖5 弧形槽微結構陣列的超精密飛切加工

飛切加工實驗前，首先將單晶鍺工件表面（（111）晶面）在塑性域車削成鏡面，無各向異性粗糙度花瓣分區特征[6]。圖6(a)為該工件表面不同晶向上飛切弧形槽的整體情況，圖6(b)為單個槽形的顯微照片，從圖中可以觀察到明顯的脆性破壞區、脆-塑轉變區和塑性變形區。采用觸針式輪廓儀沿槽的長度方向進行測量，縱向槽深方向測量時所測弧形槽表面特征如圖7所示，可以明顯的觀察到在弧形槽切入和切出區域存在著局部的塑性變形區，在槽的中部存在著明顯的脆性破壞區，并產生了明顯的中心裂紋。這種弧形槽的脆塑變形特征在工件表面成周期性變化特征，跟各向異性的花瓣分區特征是對應的。

圖6 飛切過程中的弧形槽微結構陣列及單晶鍺弧形槽微觀形貌特征

當調整切深大小時，弧形槽內部L2區間的脆性斷裂現象明顯改善，這也可以反映出徑向可調飛刀盤的重要作用?？梢酝ㄟ^減小切深h來獲得良好的弧形槽形貌，但是根據脆塑轉變的最小切削厚度理論可知這時的弧形槽尺寸大小將受限。當然，如果將單晶鍺工件換成塑性金屬材料（如銅、鋁等），將不會收到脆塑轉變的影響，能夠實現良好塑性弧形槽微結構的加工。

圖7 單晶鍺槽形的脆塑轉變區特征

5 結論

所設計的徑向微調刀式飛刀盤能夠方便在無豎直進給Y軸的超精密機床上使用并實現超精密飛切過程中的對刀和切深微調功能，同時粗、微調動平衡調整功能

【】【】可以很好地保證飛刀盤的加工精度和穩定性。應用該飛刀盤實現了針對單晶鍺表面的弧形槽微結構陣列加工實驗，獲得了獲得塑性區域內的良好槽形的必要條件。飛刀盤的徑向可調功能對于把握脆塑轉變臨界切深范圍內的塑性域弧形槽加工至關重要。應該指出的是，相關技術的應用研究工作仍在開展當中。

[1]王潤興.金剛石飛切硅片微槽表面創成機理研究[D].河南理工大學,2015.

[2]Weule H,Hüntrup V,Tritschler H. Micro-cutting of steel to meet new requirements in miniaturization[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2001,50(1):61-64.

[3]石廣豐,薛常喜,史國權.基于圖像處理反求法的微結構FTS超精密加工[J].制造業自動化,2017,(04):35-37.

[4]閆艷燕,王潤興,趙波.金剛石飛切單晶硅的切削力模型及試驗研究[J].中國機械工程,2016,(04):507-512.

[5]史國權,肖建國,石廣豐,謝啟明,木銳,苗實,蔡洪彬.超精密切削機床飛刀盤徑向調刀裝置:中國,201320773692.4[P].2014.

[6]苗實,史國權,石廣豐,蔡洪彬.單晶鍺各向異性對加工表面粗糙度的影響[J].機械科學與技術,2017,(01):89-94.