KDP晶體臥式飛刀切削加工表面質(zhì)量影響因素及其規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究*

關(guān)佳亮 汪文昌 朱生根 陳志德

(①北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100124;②北京工研精機(jī)股份有限公司，北京 101312)

1 問題的提出

KDP(Potassium Dihydrogen Phosphate，簡(jiǎn)稱 KH2PO4)晶體由于同時(shí)具有較大的非線性光學(xué)系數(shù)、較高的激光損傷閾值和易于生長(zhǎng)大尺寸的單晶體等優(yōu)良光學(xué)性能而在強(qiáng)激光武器和激光受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)等高科技領(lǐng)域被廣泛使用［1－4］。然而，KDP晶體所具有的質(zhì)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(xué)元件的傳統(tǒng)加工方法來加工制造［5］。在KDP晶體的巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和加工制造技術(shù)屏障面前，SPDT(單晶金剛石飛刀切削加工)技術(shù)于上世紀(jì)80年代初被逐步發(fā)展起來，它是一種利用天然單晶金剛石作為刀具、在計(jì)算機(jī)控制下飛刀銑削加工光學(xué)表面的新興技術(shù)［6］。

目前，用SPDT技術(shù)加工KDP晶體多以立式切削加工方式來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過學(xué)者們的多年探索，該加工技術(shù)現(xiàn)已取得了較大研究成果，但與實(shí)現(xiàn)高精度、大口徑KDP晶體零件的批量生產(chǎn)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(jìn)給量和背吃刀量，而影響表面波紋度的主要因素是工作臺(tái)與進(jìn)給絲杠之間的誤差和機(jī)床主軸的軸向微小顫動(dòng)［7］。對(duì)比立式機(jī)床，由于臥式機(jī)床主軸水平安裝，重力方向與進(jìn)刀方向垂直，這樣便能有效減小主軸帶動(dòng)刀具在進(jìn)刀方向的微小顫動(dòng)，同時(shí)臥式切削加工的進(jìn)刀通過機(jī)床上獨(dú)立電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)工作臺(tái)作亞微米移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，相對(duì)立式機(jī)床通過差動(dòng)螺旋來實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀，其精度和穩(wěn)定性都會(huì)更好。因此，本文主要通過臥式飛刀切削加工實(shí)驗(yàn)，比較分析了各加工工藝參數(shù)對(duì)KDP晶體表面質(zhì)量的影響規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)條件及其加工原理

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)以臥式數(shù)控車床CJK－1630為平臺(tái)，參考立式飛刀切削加工條件，開發(fā)了一套臥式飛刀切削加工KDP晶體的實(shí)驗(yàn)裝置，包括刀盤、刀具工作角度調(diào)節(jié)裝置和工作臺(tái)。刀具采用無斷屑槽的硬質(zhì)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(cè)量?jī)x”進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 加工原理

如圖1所示，刀具安裝在裝有刀具角度調(diào)節(jié)裝置的刀盤上，而刀盤裝卡在機(jī)床主軸上，刀具工作時(shí)以一定的工作半徑繞主軸高速旋轉(zhuǎn);KDP晶體安裝在一個(gè)平行于切削平面的工作臺(tái)面上，切削加工時(shí)工作臺(tái)先在主軸方向直線運(yùn)動(dòng)一段距離以保證所需的背吃刀量，進(jìn)給前整個(gè)工件都在飛刀旋轉(zhuǎn)所在的環(huán)線外，然后工作臺(tái)垂直于機(jī)床主軸向飛刀旋轉(zhuǎn)所在環(huán)線內(nèi)作水平直線進(jìn)給，此時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛刀對(duì)工件進(jìn)行切削加工。當(dāng)整個(gè)工件都穿過并進(jìn)入飛刀旋轉(zhuǎn)所在的環(huán)線時(shí)，切削加工結(jié)束，這時(shí)工作臺(tái)停止進(jìn)給，主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1為KDP晶體臥式飛刀切削加工機(jī)床結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)研究

KDP晶體的飛刀切削加工實(shí)驗(yàn)采用硬質(zhì)合金圓弧刀具，以北京工業(yè)大學(xué)臥式數(shù)控車床為平臺(tái)、根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要自行設(shè)計(jì)安裝配套工藝裝備來完成。為減小因KDP晶體裝卡后內(nèi)部應(yīng)力再分布對(duì)加工精度造成的不良影響，加工前對(duì)KDP晶體作了一天時(shí)效處理。針對(duì)此機(jī)床，我們選取了其工作狀態(tài)最好、振動(dòng)最小時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速s=950 r/min。

3.1 刀具前角對(duì)KDP晶體表面粗糙度的影響

對(duì)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(dǎo)致晶體表面的深劃痕破壞［8］。文獻(xiàn)［7］指出，加工KDP晶體時(shí)，刀具前角在－25°～－45°范圍內(nèi)切削效果最佳，而文獻(xiàn)［6］已通過立式切削加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述結(jié)論的正確性。

本實(shí)驗(yàn)將進(jìn)一步驗(yàn)證文獻(xiàn)［7］的結(jié)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(duì)不同刀具前角進(jìn)行切削對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，KDP晶體臥式飛刀切削加工時(shí)最佳切削效果的刀具前角確實(shí)在－25°～－45°范圍內(nèi)，而且超出該范圍時(shí)，工件表面粗糙度對(duì)刀具前角的變化十分敏感(一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的變化幅度)。

3.2 進(jìn)給量對(duì)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(jìn)給量f越小 KDP晶體表面粗糙度值越小，而且影響較大。本實(shí)驗(yàn)采用單一變量法分別對(duì)不同進(jìn)給量進(jìn)行切削對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，KDP晶體臥式飛刀切削加工時(shí)，進(jìn)給量對(duì)加工表面粗糙度的影響趨勢(shì)與理論及立式飛刀切削加工均相符，但實(shí)際數(shù)值要比它們大。筆者認(rèn)為，這種規(guī)律偏差主要是由刀具材質(zhì)不如單晶金剛石鋒利和機(jī)床精度不夠所造成的。

3.3 背吃刀量對(duì)KDP晶體表面粗糙度的影響

文獻(xiàn)［6］指出，背吃刀量對(duì)KDP晶體表面粗糙度的影響不大。本實(shí)驗(yàn)采用單一變量法分別對(duì)不同背吃刀量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示，KDP晶體臥式切削加工時(shí)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(guī)律與立式飛刀切削加工完全相同，驗(yàn)證了文獻(xiàn)［6］結(jié)論的適用性。分析認(rèn)為，其主要原因?yàn)閮煞N切削加工方式都是以脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理來實(shí)現(xiàn)的，而在其他參數(shù)滿足條件的情況下，只要背吃刀量達(dá)到KDP晶體切削加工時(shí)脆塑轉(zhuǎn)變的臨界最小切削厚度并實(shí)現(xiàn)塑性域切削，它便對(duì)晶體表面粗糙度影響甚微。

3.4 各工藝參數(shù)對(duì)KDP晶體表面波紋度的影響

大量文獻(xiàn)(如文獻(xiàn)［6］)表明，KDP晶體表面波紋度與各個(gè)工藝參數(shù)間沒有必然聯(lián)系，其受由機(jī)床—刀具—工件構(gòu)成的工藝系統(tǒng)綜合影響，即與機(jī)床工作狀態(tài)關(guān)系很大。圖6～8為上述切削加工實(shí)驗(yàn)中KDP晶體表面波紋度的測(cè)量結(jié)果。從圖中可以看出，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合上述結(jié)論。

4 結(jié)語

通過以上實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(jié)果的異同，可以得出以下結(jié)論:

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

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

(3)立式飛刀切削加工的優(yōu)勢(shì)在于刀盤水平安裝時(shí)微小不平衡質(zhì)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(shí)的交變夾角，能有效地減小機(jī)床振動(dòng);而臥式切削加工優(yōu)勢(shì)在于主軸的水平安裝，因能減小機(jī)床振動(dòng)下刀盤在進(jìn)刀方向的微小顫動(dòng)而有效改善工件表面波紋度，同時(shí)進(jìn)給精度和穩(wěn)定性都要優(yōu)于立式。

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