KDP晶體微塑性域增強金剛石切削方法研究

李兆中，岳曉斌，陽 紅

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900）

1 引言

在高功率固體激光器中，急需大量可工程化應用的超精密磷酸二氫鉀（KH2PO4，KDP）晶體光學元件。KDP 晶體的表面加工質量將直接影響激光打靶的光束質量以及光斑位置的準確度［1］。近年來，采用單點金剛石切削（Single Point Diamond Turning，SPDT）進行KDP晶體等脆性光學元件的超精密加工得到了重點關注［2］。KDP晶體SPDT切削過程可描述為：彈性變形→剪切應力增大，達到屈服點→產生塑性變形，滑移→剪切應力與滑移量繼續增大，達到斷裂強度→切屑與母體脫離［3］。但由于KDP晶體斷裂韌度較低（0.74-0.8MPam1/2），即材料的彈性極限和強度極限非常接近。由此，當KDP晶體所承受的載荷稍稍超過其彈性極限時就會發生斷裂破壞。在切削過程中表現為被加工材料表面出現凹坑、劃痕、裂紋等缺陷，甚至整體斷裂造成整個工件的報廢，一直是困擾KDP晶體超精密切削的一個難題［4］。

為了在KDP晶體SPDT加工時提高表面質量，使其具有更好的加工表面完整性。文獻［5］在PNEUMO精密機床上對KDP晶體的SPDT加工工藝進行了優化研究。通過改變加工參數和刀具刃口半徑的方法，獲得了表面粗糙度為0.8nm（RMS）、面形精度為3.6μm（PV）的光滑表面。文獻［6］通過試驗研究了KDP 晶體在SPDT加工時，刀具圓弧半徑、主軸轉速、進給量和背吃刀量對表面波紋度、粗糙度的影響規律，根據試驗結果求出了二次回歸模型，進而得出KDP晶體切削的最優工藝參數，獲得了表面波紋度為0.020μm、表面粗糙度為0.017μm的光滑表面。文獻［7］發現當在KDP晶體的某一晶面上選擇一定的晶向對其進行加工時，晶體表面質量會有所改善。上述實驗結果表明在KDP晶體的SPDT加工過程中，若刀具刃口半徑、背吃刀量、晶向等因素發生變化，SPDT的切削狀態也將隨之產生變化，從而改變KDP晶體表面的加工質量。為了揭示其中的原因，研究人員采用壓痕、劃痕和螺旋刻劃等方法分別對KDP晶體SPDT加工的臨界切削厚度、晶體各向異性對切削力的影響、脆塑轉變等方面進行了研究［8］。如文獻［9］采用維氏壓痕法獲得了KDP晶體不同晶向硬度、斷裂韌度的變化規律，并指出當壓痕實驗所加載荷很小時（0.02N，0.04N），KDP 晶體表面只留下塑性變形壓坑，沒有脆性裂紋的產生。文獻［10］采用金剛石球形壓頭對KDP晶體進行了納米劃痕實驗，并利用掃描電子顯微鏡對劃痕形貌進行觀察，獲取得到了各劃痕方向脆塑去除比例和脆塑轉換位置。

根據上述研究結果可知，KDP晶體存在一個微小的塑性變形區域，是可以進行塑性域加工的。但要實現該晶體材料的超精密、無損傷SPDT加工，必須嚴格控制實現塑性域加工的臨界切削厚度，即必須使切削厚度始終控制在KDP晶體材料的塑性域內。但由KDP晶體的壓痕實驗可知：室溫條件下，該材料不同晶向的臨界壓痕深度僅在（20～44）nm這一微小范圍內變化［9］，而KDP晶體SPDT加工過程受機床運動精度、溫度、振動等多種因素的影響切削厚度很可能超出該范圍，導致加工表面發生損傷。

為了提高KDP晶體SPDT表面加工質量。這里提出一種采用熱激勵的方式來增大KDP晶體微塑性域，進而提高切削加工過程的穩定性來改善KDP晶體加工質量的方法。首先研究采用納米壓痕的方法開展不同溫度狀態下的KDP晶體表面力學特性測試，明確KDP晶體表面硬度、塑性臨界切削深度隨溫度的變化規律。然后在自主研制的飛切機床上開展不同溫度下的KDP晶體的劃痕實驗和切削工藝實驗，探索不同溫度狀態下KDP晶體SPDT加工的脆塑轉變過程。最終，通熱激勵的方式使KDP晶體SPDT加工表面粗糙度Sq值獲得一定程度降低。

2 KDP晶體微塑性域隨溫度變化規律的實驗研究

納米壓痕實驗和劃痕實驗是檢測材料力學性能的常用評價方法，這里分別通過納米壓痕實驗和劃痕實驗研究KDP晶體表面溫度對KDP晶體微塑性域的影響規律。

2.1 不同溫度下KDP晶體納米壓痕實驗

壓痕試驗通過壓頭對材料表面加載，然后測出壓痕區域，以此來確定材料的彈塑性性能。在壓頭壓入的過程中，有彈性變形也有塑性變形；當卸載時，彈性恢復，因此壓痕深度會發生改變。壓痕試驗可用于測定材料的硬度、斷裂韌度、彈性模量等力學性能指標，是研究KDP晶體在熱激勵作用的材料力學性能變化的重要實驗手段。

基于壓痕試驗的脆塑轉變的臨界深度公式如下：

式中：φ—無量綱系數，取決于加工參數和刀具的幾何參數；E—KDP晶體材料彈性模量（38.7GPa）；HV—維氏硬度；KJC—斷裂韌度。

維氏硬度HV、斷裂韌度KJC的計算公式，如式（2）、式（3）所示：

式中：P—加載載荷；D—壓痕角線；C—壓痕裂紋半長。

將式（3）代入式（1）中得到式（4），可知hmin值與硬度成反比，HV是決定hmin的關鍵因素。

為明確KDP 晶體的表面硬度隨溫度的變化情況，分別對（20～55）℃溫度狀態下的KDP晶體開展納米壓痕實驗，如圖1所示。通過實驗獲得的KDP晶體表面硬度Hv和脆塑轉變深度hmin隨溫度的變化規律，如圖2所示?？梢钥闯?，隨著KDP晶體表面溫度從20℃升高至55℃，KDP晶體表面硬度Hv先從2370MPa增大至2400MPa，后減小至1980MPa，脆塑轉變深度hmin先從40nm減小至38nm后增大至62nm，極值點都出現在25℃左右。這說明在（25～55）℃溫度范圍內，適當提高KDP 晶體溫度有助于降低KDP晶體表面硬度和增大脆塑轉變深度。

圖1 KDP晶體表面納米壓痕實驗Fig.1 Nanoindentation Test on KDP Crystal Surface

圖2 硬度和脆塑轉變深度隨溫度變化規律曲線Fig.2 Curves of Hardness and Brittle-Ductile Transition Depth at Different Temperature

2.2 不同溫度下KDP晶體飛切劃痕實驗

在KDP晶體表面納米壓痕實驗基礎上，開展了不同溫度狀態下的納米劃痕實驗。實驗設備采用自主研制的單點金剛石飛切機床DFC600A，如圖3所示。

圖3 單點金剛石飛切機床DFC600AFig.3 SPDT Fly-Cutting Machine Tool DFC600A

實驗中設計了專用工裝，可將KDP晶體呈一定角度傾斜安裝，并通入加熱氣流預熱KDP晶體，如圖4所示。在飛切機床上采用同一把金剛石刀具進行飛切劃痕實驗，飛切加工時從材料中間部分開始切，主軸轉速265r/min，進給速度3mm/min，劃痕長度控制在100μm 左右。對晶體表面溫度為30℃、40℃和50℃的KDP晶體表面的劃痕實驗效果圖，如圖5所示。

圖4 KDP晶體飛切劃痕實驗示意圖Fig.4 KDP Crystal Fly-Cutting Scratch Experiment

圖5 KDP晶體飛切劃痕實驗效果Fig.5 Results of KDP Crystal Fly-Cutting Scratch Experiment

通過光學顯微鏡對圖5 所示劃痕進行觀察和分析可知，整個劃痕明顯分為三個區域：摩擦系數較小且不穩定的彈性區域、摩擦系數逐漸緩慢增大的塑性區域、摩擦系數出現躍變后穩定的脆性區域。其中，彈性區域在相應的劃痕圖像上具有不清晰磨痕，塑性區域具有清晰磨痕，脆性區域邊緣出現明顯開裂現象。

同時，由圖5可知，隨著溫度的逐步提高，KDP晶體表面在出現脆性裂紋的位置逐漸遠離起始點，即脆塑轉變深度hmin隨溫度升高逐漸增大，進一步驗證了適當提高KDP晶體溫度有助于增大SPDT塑性域切削深度。

3 熱激勵下KDP晶體SPDT實驗

采用圖3所示自主研制的超精密單點金剛石飛切機床開展的不同溫度狀態下KDP晶體的加工實驗。通過設計專用的加熱裝置來改變KDP晶體在切削過程中溫度。

在同一切削工藝參數（主軸轉速800rpm，切深3μm，進給速度2mm/min）下，對晶體表面溫度在20℃到60℃的KDP晶體進行切削加工實驗，如圖6所示。加工完成后，采用白光干涉儀對被加工表面粗糙度進行測量，取三個點的粗糙度測量平均值作為該KDP晶體表面的粗糙度值。加工后KDP晶體表面粗糙度的測量結果，如圖7所示。實驗結果表明，適當提高KDP晶體表面溫度，晶體表面粗糙度Sa值從3.2nm降低至1.6nm。

圖6 KDP晶體加工表面粗糙度隨溫度變化曲線Fig.6 Curves of Surface Roughness of KDP Crystal at Different Temperature

圖7 KDP晶體表面粗糙度Fig.7 Surface Roughness of KDP Crystal

4 結論

（1）提出了一種利用熱激勵的方式增強KDP 晶體塑性切削域深度，降低晶體各向異性、機床運動誤差、環境振動等因素對加工過程的影響，進而改善KDP晶體SPDT加工表面質量的方法。

（2）測試了不同溫度狀態下KDP晶體表面力學性能參數，獲得了KDP晶體塑性切削域深度變化規律。

（3）對KDP晶體完成了不同溫度狀態下的切削實驗，結果表明在相同工藝參數下，隨著溫度的升高，表面粗糙度可得到較大程度的改善。