中階梯光柵金剛石刻劃刀具受力分析

吉日嘎蘭圖

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引 言

機(jī)械刻劃光柵是由刻劃刀具劈型刃對光柵基底上的鋁膜（或金膜）進(jìn)行擠壓、擦光，使其發(fā)生形變而形成階梯形狀規(guī)則刻槽的過程，且在刻劃過程中不會產(chǎn)生切削現(xiàn)象［1－2］。光柵刻劃過程示意圖如圖1所示。

在刻劃大型光柵時(shí)，刻劃刀具的使用壽命極為重要［3－6］，天然金剛石由于其特殊的物理化學(xué)性能，具備了特有的抗磨損性能，從而成為各種光柵刻劃刀具材料的首選。然而，金剛石晶體本身具有很強(qiáng)的各向異性性質(zhì)，在不同的晶向及晶面上的耐磨性不盡相同，因此，金剛石光柵刻劃刀具設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮的是金剛石晶體在刀具刃口各位置的取向問題。

圖1 光柵刻劃過程示意圖

光柵刻劃刀具金剛石晶體取向取決于以下兩個(gè)方面：

1）在光柵刻劃過程中，光柵刻劃刀具刃口各位置的應(yīng)力分布情況；

2）金剛石晶體本身的各晶面及各晶向的抗磨損性能。

在其它材料表面微成型加工領(lǐng)域，如微切削、微銑削、納米劃擦等金剛石刀具刃口各位置的應(yīng)力分布情況及其刀具刃口取向設(shè)計(jì)研究相關(guān)報(bào)道已越來越多。但是，國內(nèi)外基于擠壓、擦光模式加工成型的光柵刻劃刀具刃口各位置的應(yīng)力分布情況及其刀具刃口取向設(shè)計(jì)研究很少見到報(bào)道。金剛石光柵刻劃刀具抗磨損性能即使用壽命是決定大型光柵的刻劃制作成功與否的關(guān)鍵因素之一。鑒于此，從光柵刻劃刀具刃口各位置的應(yīng)力分布情況及金剛石晶體本身的各晶面及各晶向的抗磨損性能這兩個(gè)方面出發(fā)，針對性地設(shè)計(jì)抗磨損金剛石光柵刻劃刀具具有重要意義。

文中基于DEFORM有限元分析軟件，從刀具刃口各位置在光柵刻劃過程中對鋁膜產(chǎn)生的應(yīng)力分布情況來說明刀具刃口易磨損位置，為刻劃大型光柵用抗磨損金剛石刻劃刀具的研制提供了有效的理論依據(jù)。

1 光柵刻劃刀具與鋁膜相互作用方式及磨損形式

光柵毛坯是光學(xué)玻璃基底上蒸鍍一層鉻，再蒸鍍一層鋁膜（或金膜）的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中鋁膜（或金膜）為刻劃層，鉻層為過渡層，如圖2所示。

圖2 光柵結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械刻劃光柵槽形是在鋁膜（或金膜）上形成的，刀具各位置的應(yīng)力分布也是由鋁膜（或金膜）的屈服強(qiáng)度等材料力學(xué)性能決定的。光柵鋁膜（或金膜）的蒸鍍是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，鋁膜（或金膜）材料的純度為99.7%以上，蒸鍍后的厚度在1～12μm范圍以內(nèi)，根據(jù)實(shí)際刻劃光柵槽形而定。采用CETR納米壓痕儀測試的鋁膜力學(xué)性能曲線如圖3所示。

圖3 納米壓痕儀測試的鋁膜力學(xué)性能曲線

鋁膜的部分力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 鋁膜的力學(xué)性能參數(shù)

從顯微硬度的角度來說，金剛石最高顯微硬度104GPa是鋁膜顯微硬度0.62GPa的上百倍，可見互相作用的兩種材質(zhì)的顯著區(qū)別。

在光柵刻劃過程中，金剛石刻劃刀具在鋁膜上低速（約20～100mm／s之間）擠壓、擦光，擠壓所施加的載荷非常?。s0.01～0.06N之間），且在光柵鋁膜表層均勻涂一層透平油（汽輪機(jī)油），減小摩擦系數(shù)，提高擦光面的光潔度。另外，光柵刻劃過程中，金剛石刀具與鋁膜的相互作用基本不產(chǎn)生熱。因此，光柵刻劃刀具的磨損形式與其它微加工領(lǐng)域的刀具磨損形式不盡相同。光柵刻劃刀具的磨損形式主要集中在刀具刃口4個(gè)位置，即主刃、定向面?zhèn)热?、非定向面?zhèn)热?、刃尖點(diǎn)。另外，由于鋁膜蒸鍍質(zhì)量等原因也已造成刃口蹦口失效情況。在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所刻劃光柵時(shí)，最常見的光柵刻劃刀具磨損形式如圖4所示。

圖4 光柵刻劃刀最常見的磨損形式

2 金剛石光柵刻劃刀具應(yīng)力分析

為了從理論角度進(jìn)一步說明光柵刻劃過程中光柵刻劃刀具刃口應(yīng)力分布情況，以刻線密度為79gr／mm的中階梯光柵（其參數(shù)見表2）為仿真分析目標(biāo)，采用DEFORM有限元軟件進(jìn)行了相關(guān)的分析計(jì)算［7］。

表2 中階梯光柵參數(shù)

刀具材料屬性設(shè)為剛體，鋁膜屬性設(shè)為彈塑性體，采用自適應(yīng)網(wǎng)格，網(wǎng)格比例是1∶20，最小網(wǎng)格邊長0.000 3mm。通過DEFORM有限元軟件計(jì)算獲得的刻線密度為79gr／mm的中階梯光柵刻劃刀具刃口在鋁膜上產(chǎn)生的Z向應(yīng)力分布情況如圖5所示。

圖5 刃口在鋁膜上產(chǎn)生的Z向應(yīng)力分布

具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 刃口在鋁膜上產(chǎn)生的應(yīng)力

從刀具刃口各位置在光柵刻劃過程中對鋁膜產(chǎn)生的應(yīng)力分布情況來看，Z向應(yīng)力（即刀具受重力載荷方向的應(yīng)力）最大處出現(xiàn)在刃尖點(diǎn)及非定向面?zhèn)热性阡X膜對應(yīng)的位置上，其數(shù)據(jù)達(dá)到－372MPa。

刃口在鋁膜上產(chǎn)生的X，Y向的應(yīng)力數(shù)值很小，其最大應(yīng)力約在±50MPa左右，故光柵刻劃刀具設(shè)計(jì)時(shí)基本不用考慮這兩個(gè)方向的磨損。

3 結(jié) 語

根據(jù)以上DEFORM有限元分析軟件計(jì)算結(jié)果，結(jié)合光柵刻劃刀具實(shí)際磨損形式，設(shè)計(jì)刻劃線密度為79gr／mm的中階梯光柵刻劃刀具時(shí)，應(yīng)將金剛石晶體的抗磨損性能最好的晶面設(shè)置于刃尖點(diǎn)及非定向面?zhèn)热猩希瑢⒖鼓p性能最好的晶向設(shè)置于光柵刻劃方向。

通過分析光柵刻劃刀具與鋁膜相互作用方式及磨損形式，并從理論角度計(jì)算光柵刻劃刀具刃口各位置對鋁膜產(chǎn)生的應(yīng)力分布，從而確定刀具刃口易磨損位置，最終結(jié)合金剛石晶體的各向異性性質(zhì)，設(shè)計(jì)抗磨損金剛石刀具刃口取向是提高光柵刻劃刀具使用壽命的一種有效方法。采用DEFORM有限元分析軟件計(jì)算光柵刻劃刀具刃口各位置對鋁膜產(chǎn)生的應(yīng)力分布方法，為金剛石刀具刃口晶體取向方案設(shè)計(jì)提供了有效的理論依據(jù)。

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