一种软脆材料镜面加工的超精密斜角车削方法

摘要

一种软脆材料镜面加工的超精密斜角车削方法，它属于精密和超精密切削加工方法，具体涉及一种适合于软脆材料的车削方法。本发明的目的是要解决现有软脆材料镜面加工过程中材料表层很容易发生破碎和崩裂，并造成严重的亚表面损伤和表面粗糙度的问题。超精密斜角车削方法：一、前期准备；二、机床预热；三、抛光预处理；四、安装；五、粗切；六、半精切；七、斜角车削；八、精切，得到镜面多晶ZnS材料。本发明优点：软脆材料镜面加工表面粗糙度S

说明书

技术领域

本发明属于精密和超精密切削加工方法，具体涉及一种适合于软脆材料的车削方法。

背景技术

近年来，由于空间技术的进步、国防尖端科技的发展以及军事科学领域的迫切需求， 有关红外光学材料的特性研究及相应光学元器件的加工问题，备受世界各国的关注。该材 料能使红外光线发生折射、反射和透射效应，改变其强度、相位或光谱成分，乃至传播方 向等，从而可达到按预设要求控制红外光束在其中传输规律的目的。因此，在现代化武器 装备的迅猛发展过程中红外光学材料得到了更为广泛的应用，如军用小型激光器、大功率 激光器窗口、热像仪的透镜窗口、各种先进武器的光电系统窗口、导弹整流罩以及新型隐 身战机的表面涂层等，尤其在精确制导武器领域其已成为不可缺少的关键材料。同时，在 民用科技领域，该材料的应用也十分广泛，如各种民用半导体材料、红外探测器、微型制 冷机(器)、微型杜瓦、红外光学镜片以及全系列红外光学系统等。此外，在计算机和光 纤通讯产业中，红外光学材料器件的应用则更为普遍，如高集成度的微电子芯片材料，高 传输率、低耗能的红外光学纤维，多种长波红外光学元件，以及超音速飞机、导弹、卫星 等各类跟踪、遥感和远程通讯设备的核心光学器件等。由此可见，红外光学材料的研究将 给现代科技、国防工业以及国民经济带来为广泛的实用价值和巨大的经济效益。

在红外成像、红外制导技术领域中，CVDZnS多晶材料因具备优良的光学和力学性 能而成为大多数长波红外窗口、整流罩和光学透镜元件制造的关键材料。尤其是覆盖了全 波段的多光谱ZnS晶体，可以用来实现光电探测系统的多波段共口径透射功能，这也预示 了该领域未来发展的新方向。因此，对ZnS材料制备工艺的研究、物理和化学特性的研究 及其加工性能和方法的研究等相关问题，已逐渐成为世界各国学者们追逐的热点内容。然 而，在优质ZnS晶体材料的制备工艺及加工方面，人们均已取得了一定的研究成果。对于 ZnS多晶材料制备方法，现在主要采用化学气相沉积工艺(CVD)获取，所生成的CVD-ZnS 具有两种规格：一种是通过“CVD生长-热等静压(HIP)处理”的加工工序而获得外观清澈 透明、光学性能优异的ZnS晶体，称为多光谱ZnS晶体或M-ZnS；另一种则因未采取HIP 处理而呈现橘黄色，其光学性能相对较弱但机械特性良好，称为标准ZnS晶体或S-ZnS。 M-ZnS晶体具有0.35～14.0μm全波段的红外透射能力，而S-ZnS晶体则通常用来制备长波红 外8.0～12.0μm波段的光学窗口和器件。通过分析ZnS晶体的加工特性可知，其属于软脆多 晶材料，难于进行机械加工。国内对该材料采取的加工工艺，以借鉴光学玻璃的镜面加工 方法为主，即按照“缺陷检测—切割—粗磨—精磨—抛光”的工艺路线进行加工，再根据 ZnS材料的特殊性能(如晶体各向异性、材料的软脆特性等)进行相应的经验调整，进而 能够实现简单元器件的制造，但工艺较为复杂，生产效率低，且工件亚表层损伤问题显著。 此外，在ZnS多晶材料的SPDT加工过程中，往往在切削表面上形成大量的麻点或凹坑等 微缺陷，使得其表面粗糙度和面型精度难以保证，这些均给ZnS光学镜面的车削加工带来 了很大困难。

近几年，随着单点金刚石超精密车削技术(SPDT)的日趋成熟，人们对红外光学元 件使用需求的迅速增加，尤其是对一些具有微结构的光学元件(如菲涅尔透镜、光栅阵列 及波导光学衍射元件等)的特殊需求，使得常规加工工艺不能满足其制作要求，迫切需要 一种高精度、高效率、低成本、工艺简单的方法来实现其加工目标。目前国内也有多家单 位在从事ZnS材料的SPDT超精密车削加工技术研究，但限于加工技术水平和加工经验 的不足，尚未获得较为理想的镜面加工效果，其存在的典型问题为在车削后ZnS光学镜 面的表面存在较多的麻点和随机突显的表面凹坑，导致其不能达到光学镜面加工质量要 求。多晶ZnS材料脆性大、硬度低，采用金刚石车削技术加工复杂曲而时，虽然能够保 证形状精度的要求，但由于该晶体的高脆性，在车削过程中材料表层很容易发生破碎和崩 裂，并造成严重的亚表面损伤，表面粗糙度较难控制。

发明内容

本发明的目的是要解决现有软脆材料镜面加工过程中材料表层很容易发生破碎和崩 裂，并造成严重的亚表面损伤和表面粗糙度的问题；而提供一种软脆材料镜面加工的超精 密斜角车削方法。

一种软脆材料镜面加工的超精密斜角车削方法，具体是按以下步骤完成的：

一、前期准备：严控超精密加工机床周围的环境温度、湿度和洁净度，温度控制 23℃±0.1℃，湿度控制45％±5％，洁净度达到1000级以上；

二、机床预热：启动超精密加工机床，待机预热至超精密加工机床的性能稳定为止；

三、抛光预处理：对多晶ZnS材料进行抛光预处理，得到抛光预处理后的多晶ZnS 材料；

四、安装：通过高精度气浮主轴吸盘安装抛光预处理后的多晶ZnS材料，然后安装 天然金刚石刀具Ⅰ，所述的天然金刚石刀具Ⅰ的前角γ＝-30°，刀尖圆弧半径R>2000μm， 并完成对刀和主轴动平衡调整；

五、粗切：开启切削液喷头，采用高纯度酒精喷雾加工；设置参数：a_p1＝6.0μm，f₁＝2μm/r， n＝2000r/min，a_p1为切削深度，f₁为走刀量，n为超精密加工机床主轴转速，在a_p1＝6.0μm、 f₁＝2μm/r和n＝2000r/min条件下对抛光预处理后的多晶ZnS材料进行粗切，得到表面粗糙度 为S_a＝30nm±5nm的多晶ZnS材料；

六、半精切：设置参数：a_p1＝4.0μm，f₁＝2μm/r，n＝2000r/min，a_p1为切削深度，f₁为走 刀量，n为超精密加工机床主轴转速，在a_p1＝4.0μm、f₁＝2μm/r和n＝2000r/min条件下对表面 粗糙度为Sa＝30nm±5nm的多晶ZnS材料进行半精切，得到表面粗糙度为S_a＝20nm±5nm的 多晶ZnS材料；

七、斜角车削：关闭切削液喷头，拆下前角γ＝-30°、刀尖圆弧半径R>2000μm的天然 金刚石刀具，采用精密分度卡具紧固天然金刚石刀具Ⅱ，所述的天然金刚石刀具Ⅱ的刀尖 圆弧半径R＝750μm，前角γ＝-30°，在λ＝0°～-50°之间调整天然金刚石刀具Ⅱ刃口的倾斜角 度，λ为天然金刚石刀具Ⅱ刃口的斜切角度，实现后续的斜角车削加工，得到斜角车削后 多晶ZnS材料，定义天然金刚石刀具Ⅱ偏转方向朝向表面粗糙度为S_a＝20nm±5nm的多晶 ZnS材料的待加工表面为负值；

八、精切：首先完成天然金刚石刀具Ⅱ的对刀操作和主轴动平衡调整，然后设置参数： a_p1＝1.0μm，f₁＝2μm/r，n＝2000r/min，a_p1为切削深度，f₁为走刀量，n为超精密加工机床主 轴转速，开启切削液喷头，采用高纯度酒精喷雾加工，在a_p1＝1.0μm、f₁＝2μm/r和n＝2000r/min 条件下斜角车削后多晶ZnS材料进行精切，精切过程中应特别注意各种振动反馈信号， 尤其是沿主轴轴向的工件与刀具接触振动，至加工完成，关闭切削液喷头，停机取件，用 酒精清洗并保存，即完成软脆材料镜面加工，得到镜面多晶ZnS材料。

本发明与现有抛光技术相比具有以下的有益效果：一、本发明提供了一种软脆材料镜 面加工的超精密斜角车削工艺，基于实际加工要求调整圆弧刃金刚石刀具的刃口朝着待加 工表面方向偏转一个小角度，这不仅对改善加工中的排屑和散热条件十分有益，而且还有 利于刀具寿命和加工质量的提高。二、本发明采用精密卡具改变刀具的斜切角度完成了对 软脆ZnS晶体的车削加工，发现随着刀具刃口斜切角度的逐渐增加(λ＝0°到-50°)，工件的 加工表面质量显著得到改善，即加工表面粗糙度S_a从18.2nm降到了7.5nm，尤其当斜切角 度λ超过-30°以后，其加工过程很少形成较大粒度的粉末切屑，且有效抑制了加工表面的 凹坑和微裂纹，能够满足光学镜面使用要求。本发明的超精密车削工艺方法加工效率明显 提升，有利于实现ZnS晶体试件的批量加工。三、本发明还可抑制金刚石刀具磨损，提高 工件表面完整性，有效降低工件亚表层损伤深度等优点，可以应用于其他同类材料的实际 加工。

本发明主要适用于对软脆材料的镜面加工，如多晶ZnS材料。

附图说明

图1是具体实施方式一的超精密斜角车削加工原理示意图；

图2是实施例1制备的镜面多晶ZnS材料的AFM图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1，本实施方式是一种软脆材料镜面加工的超精密斜角车削 方法，具体是按以下步骤完成的：

一、前期准备：严控超精密加工机床周围的环境温度、湿度和洁净度，温度控制 23℃±0.1℃，湿度控制45％±5％，洁净度达到1000级以上；

二、机床预热：启动超精密加工机床，待机预热至超精密加工机床的性能稳定为止；

三、抛光预处理：对多晶ZnS材料进行抛光预处理，得到抛光预处理后的多晶ZnS 材料；

四、安装：通过高精度气浮主轴吸盘安装抛光预处理后的多晶ZnS材料，然后安装 天然金刚石刀具Ⅰ，所述的天然金刚石刀具Ⅰ的前角γ＝-30°，刀尖圆弧半径R>2000μm， 并完成对刀和主轴动平衡调整；

五、粗切：开启切削液喷头，采用高纯度酒精喷雾加工；设置参数：a_p1＝6.0μm，f₁＝2μm/r， n＝2000r/min，a_p1为切削深度，f₁为走刀量，n为超精密加工机床主轴转速，在a_p1＝6.0μm、 f₁＝2μm/r和n＝2000r/min条件下对抛光预处理后的多晶ZnS材料进行粗切，得到表面粗糙度 为S_a＝30nm±5nm的多晶ZnS材料；

六、半精切：设置参数：a_p1＝4.0μm，f₁＝2μm/r，n＝2000r/min，a_p1为切削深度，f₁为走 刀量，n为超精密加工机床主轴转速，在a_p1＝4.0μm、f₁＝2μm/r和n＝2000r/min条件下对表面 粗糙度为Sa＝30nm±5nm的多晶ZnS材料进行半精切，得到表面粗糙度为S_a＝20nm±5nm的 多晶ZnS材料；

七、斜角车削：关闭切削液喷头，拆下前角γ＝-30°、刀尖圆弧半径R>2000μm的天然 金刚石刀具，采用精密分度卡具紧固天然金刚石刀具Ⅱ，所述的天然金刚石刀具Ⅱ的刀尖 圆弧半径R＝750μm，前角γ＝-30°，在λ＝0°～-50°之间调整天然金刚石刀具Ⅱ刃口的倾斜角 度，λ为天然金刚石刀具Ⅱ刃口的斜切角度，实现后续的斜角车削加工，得到斜角车削后 多晶ZnS材料，定义天然金刚石刀具Ⅱ偏转方向朝向表面粗糙度为S_a＝20nm±5nm的多晶 ZnS材料的待加工表面为负值；

八、精切：首先完成天然金刚石刀具Ⅱ的对刀操作和主轴动平衡调整，然后设置参数： a_p1＝1.0μm，f₁＝2μm/r，n＝2000r/min，a_p1为切削深度，f₁为走刀量，n为超精密加工机床主 轴转速，开启切削液喷头，采用高纯度酒精喷雾加工，在a_p1＝1.0μm、f₁＝2μm/r和n＝2000r/min 条件下斜角车削后多晶ZnS材料进行精切，精切过程中应特别注意各种振动反馈信号， 尤其是沿主轴轴向的工件与刀具接触振动，至加工完成，关闭切削液喷头，停机取件，用 酒精清洗并保存，即完成软脆材料镜面加工，得到镜面多晶ZnS材料。

本实施方式探寻一种新型的、适于ZnS等软脆多晶材料的超精密车削加工工艺，将 具有很重要的实际意义和科研价值。本实施方式主要从研究ZnS材料的加工特性入手， 结合相应材料的加工经验，采用超精密斜角车削的加工方法来抑制工件表面微缺陷的产 生。更进一步地，基于脆-塑耦合加工机理和超精密斜角切削过程，探寻出一种适合于ZnS 等软脆多晶材料镜面车削的最佳工艺方案，为打破国外的技术壁垒、提升我国红外光学元 器件的加工水平，迈出了探究性的一步。

利用原子力显微镜AFM(NanosurfNanite_B)对镜面多晶ZnS材料表面70μm×70μm 范围内的表面三维形貌进行检测与分析，以评价加工表面是否满足光学应用要求。

本实施方式刀具(天然金刚石刀具Ⅰ或天然金刚石刀具Ⅱ)和待加工试件安装要十分 牢固，避免在刀具和试件之间引入微振动。

本实施方式所述的超精密加工机床为Nanoform700ultra。

图1是具体实施方式一的超精密斜角车削加工原理示意图，图中1表示刀具(具体为天 然金刚石刀具Ⅰ或天然金刚石刀具Ⅱ)，图中2表示待加工试件(具体为抛光预处理后的多 晶ZnS材料、表面粗糙度为Sa＝30nm±5nm的多晶ZnS材料、表面粗糙度为S_a＝20nm±5nm 的多晶ZnS材料或斜角车削后多晶ZnS材料)，图1中设工件坐标系为C₁：O-X₁Y₁Z₁，其X₁轴正方向与刀具进给量f₁的方向相反，Y₁轴正方向与刀具切削速度V₁方向相同，而Z₁轴正 方向与刀具切削深度a_p1的方向则相反。此外，基于刀具的几何特征，我们可建立位于前 刀面上的刀具坐标系C₂：O-X₂Y₂Z₂，其X₂轴与刀具切削刃位于同一平面内，且与之相切 于刀尖点处O，Y₂轴过刀尖点且垂直于前刀面，而Z₂轴与刀具切削刃位于同一平面内，且 与X₂轴相互垂直交于刀尖点处O。刀具坐标系C₂各坐标轴的方向可以由工件坐标系C₁进行 坐标变换而确定。另外，两坐标系的坐标原点重合于刀尖点，即切削深度最低点。为建立 工件坐标系C₁：O-X₁Y₁Z₁与刀具坐标系C₂：O-X₂Y₂Z₂之间的定量变换关系，可引入中间 坐标系C₀：O-X₀Y₀Z₀。

它们之间具体变换过程为：先将工件坐标系C₁：O-X₁Y₁Z₁按右手法则绕Z₁轴逆时针旋 转一个斜切角度λ，得到中间坐标系C₀：O-X₀Y₀Z₀，然后将中间坐标系C₀：O-X₀Y₀Z₀再按 右手法则绕X₀轴逆时针旋转一个刀具前角-γ，得刀具坐标系C₂：O-X₂Y₂Z₂即可。该过程的 变换关系可由下式表示：

C₂＝M₂₀×M₀₁×C₁＝M₂₁×C₁(1)

其中，矩阵M₂₁为工件坐标系C₁到刀具坐标系C₂的坐标变换矩阵。

矩阵M₂₁可由以下公式求得：

$\begin{array}{c}{M}_{21}=M_{20}\times M_{\mathrm{01}}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \gamma & \sin \gamma & 0\\ 0& -\sin \gamma & \cos \gamma & 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\times \left(\begin{array}{cccc}\cos \lambda & -\sin \lambda & 0& 0\\ \sin \lambda & \cos \lambda & 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\\ =\left(\begin{array}{cccc}\cos \lambda & -\sin \lambda & 0& 0\\ \sin \lambda \cos \gamma & \cos \lambda \cos \gamma & \sin \gamma & 0\\ -\sin \lambda \sin \gamma & -\cos \lambda \sin \gamma & \cos \gamma & 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\end{array}.$

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤四中所述的天然金 刚石刀具Ⅰ的切削钝圆半径应小于30nm。其他与具体实施方式一相同。

本实施方式所述的天然金刚石刀具Ⅰ的刃口一致性较好。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤七中所述的 天然金刚石刀具Ⅱ的切削钝圆半径应小于30nm。其他与具体实施方式一或二相同。

本实施方式所述的天然金刚石刀具Ⅱ的刃口一致性较好。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤七中所述的 精密分度卡具的分度误差在±0.5°以内。其他与具体实施方式一至三相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同 样也可以实现发明的目的。

采用下述试验验证本发明效果

实施例1：结合图1，一种软脆材料镜面加工的超精密斜角车削方法，具体是按以下 步骤完成的：

一、前期准备：严控超精密加工机床周围的环境温度、湿度和洁净度，温度控制 23℃±0.1℃，湿度控制45％±5％，洁净度达到1000级以上；

二、机床预热：启动超精密加工机床，待机预热至超精密加工机床的性能稳定为止；

三、抛光预处理：对多晶ZnS材料进行抛光预处理，得到抛光预处理后的多晶ZnS 材料；

四、安装：通过高精度气浮主轴吸盘安装抛光预处理后的多晶ZnS材料，然后安装 天然金刚石刀具Ⅰ，所述的天然金刚石刀具Ⅰ的前角γ＝-30°，刀尖圆弧半径R>2000μm， 并完成对刀和主轴动平衡调整；

五、粗切：开启切削液喷头，采用高纯度酒精喷雾加工；设置参数：a_p1＝6.0μm，f₁＝2μm/r， n＝2000r/min，a_p1为切削深度，f₁为走刀量，n为超精密加工机床主轴转速，在a_p1＝6.0μm、 f₁＝2μm/r和n＝2000r/min条件下对抛光预处理后的多晶ZnS材料进行粗切，得到表面粗糙度 为S_a＝30±5nm的多晶ZnS材料；

六、半精切：设置参数：a_p1＝4.0μm，f₁＝2μm/r，n＝2000r/min，a_p1为切削深度，f₁为走 刀量，n为超精密加工机床主轴转速，在a_p1＝4.0μm、f₁＝2μm/r和n＝2000r/min条件下对表面 粗糙度为Sa＝30nm±5nm的多晶ZnS材料进行半精切，得到表面粗糙度为S_a＝20nm±5nm的 多晶ZnS材料；

七、斜角车削：关闭切削液喷头，拆下前角γ＝-30°、刀尖圆弧半径R>2000μm的天然 金刚石刀具，采用精密分度卡具紧固天然金刚石刀具Ⅱ，所述的天然金刚石刀具Ⅱ的刀尖 圆弧半径R＝750μm，前角γ＝-30°，调整天然金刚石刀具Ⅱ刃口的倾斜角度λ＝-50°，λ为天 然金刚石刀具Ⅱ刃口的斜切角度，实现后续的斜角车削加工，得到斜角车削后多晶ZnS材 料，定义天然金刚石刀具Ⅱ偏转方向朝向表面粗糙度为S_a＝20nm±5nm的多晶ZnS材料的待 加工表面为负值；

八、精切：首先完成天然金刚石刀具Ⅱ的对刀操作和主轴动平衡调整，然后设置参数： a_p1＝1.0μm，f₁＝2μm/r，n＝2000r/min，a_p1为切削深度，f₁为走刀量，n为超精密加工机床主 轴转速，开启切削液喷头，采用高纯度酒精喷雾加工，在a_p1＝1.0μm、f₁＝2μm/r和n＝2000r/min 条件下斜角车削后多晶ZnS材料进行精切，精切过程中应特别注意各种振动反馈信号， 尤其是沿主轴轴向的工件与刀具接触振动，至加工完成，关闭切削液喷头，停机取件，用 酒精清洗并保存，即完成软脆材料镜面加工，得到镜面多晶ZnS材料。

本实施例刀具(天然金刚石刀具Ⅰ或天然金刚石刀具Ⅱ)和待加工试件安装要十分牢 固，避免在刀具和待加工试件之间引入微振动。

本实施例所述的超精密加工机床为Nanoform700ultra。

本实施例步骤四中所述的天然金刚石刀具Ⅰ的切削钝圆半径应小于30nm；且所述的 天然金刚石刀具Ⅰ的刃口一致性较好。

本实施例步骤七中所述的天然金刚石刀具Ⅱ的切削钝圆半径应小于30nm；且所述的 天然金刚石刀具Ⅱ的刃口一致性较好。

本实施例步骤七中所述的精密分度卡具的分度误差在±0.5°以内。

利用原子力显微镜AFM(NanosurfNanite_B)对实施例1制备的镜面多晶ZnS材料表 面70μm×70μm范围内的表面三维形貌进行检测与分析，分析结果如图2所示，图2是实施 例1制备的镜面多晶ZnS材料的AFM图；由图2可知，采用本发明提出的超精密斜角车削的 加工方法，有效抑制了多晶ZnS材料加工表面微缺陷的产生，实现了镜面多晶ZnS材料表 面的高效加工。

通过原子力显微镜扫描方法检测实施例1制备的镜面多晶ZnS材料的表面粗糙度S_a，可 知表面粗糙度S_a＝7.5nm。