折衍二元光學(xué)用金剛石車刀設(shè)計(jì)

汪志斌，蘇 軍，李軍琪，張?jiān)讫?，?峰，趙 敏

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引言

折衍二元光學(xué)元件由于具有衍射效率高，體積小，質(zhì)量輕，易于復(fù)制，獨(dú)特的色散特性，易于校正色差和球差，具有更多的設(shè)計(jì)自由度，設(shè)計(jì)時可調(diào)制出期望的波面，緩解紅外系統(tǒng)設(shè)計(jì)選材范圍窄的缺陷，可產(chǎn)生一般光學(xué)元件難于實(shí)現(xiàn)的波面等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效促進(jìn)現(xiàn)代軍用光電武器系統(tǒng)提高遠(yuǎn)距離探測、搜索、識別、瞄準(zhǔn)等能力，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光電武器輕量化和小型化。近年來光電產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，二元衍射元件在光電系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣。

單點(diǎn)金剛石車削是精密加工的一個重要手段之一，利用該技術(shù)能夠?qū)X、銅等軟質(zhì)金屬及鍺、硫化鋅、砷化鎵等紅外光學(xué)材料直接加工成光學(xué)鏡面［1，2］，達(dá)到光學(xué)元件使用的要求。但是折衍用金剛石刀具目前的研究大多集中在微圓弧半徑刀具，但是由于采用金剛石圓弧刀具在加工折衍二元光學(xué)元件時不可避免的會存在“攔光效應(yīng)”，同時還涉及光學(xué)鏡面的粗糙度，刀具使用壽命等，因此合理綜合考慮設(shè)計(jì)金剛石刀具是解決上述問題的主要技術(shù)途徑。

1 刀具圓弧半徑與攔光效應(yīng)分析

對于衍射光學(xué)元件，是以p·2π為周期的，在相位為p·2π這個點(diǎn)時為一個轉(zhuǎn)變點(diǎn)，若轉(zhuǎn)變點(diǎn)是突變的，便可得到理論上的衍射效率。但由于刀具刀尖不可能是一個無窮小的點(diǎn)，是有一定大小的圓弧形狀，因此這個轉(zhuǎn)換點(diǎn)不可能是突變的，而是有個過渡區(qū)，此過渡區(qū)內(nèi)不能完全車削，達(dá)不到鏡面，將造成攔光效應(yīng)［3］。圖1中陰影部分即攔光區(qū)域，入射到這一區(qū)域內(nèi)的光線將偏離理想傳播方向，形成雜散光并將降低衍射效率，最終導(dǎo)致圖像對比度下降。這一部分光能量可由攔光面積進(jìn)行估算。

圖1 折衍欄光效應(yīng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of shadowing effect

Riedl［4－5］推導(dǎo)出了攔光面積計(jì)算公式：

式中：D為元件直徑；d為臺階的高度；RT為刀具的半徑；np為圓環(huán)半徑。

一般用攔光面積與零件有效工作面積的比值A(chǔ)tr來表征因刀尖攔光造成的衍射效率損失。可計(jì)算出衍射效率損失［3］為

式中：D0為元件的直徑；RT為刀具圓弧半徑；n為環(huán)帶數(shù)量。

由（2）式可知，在衍射微結(jié)構(gòu)確定（環(huán)帶半徑rm和微結(jié)構(gòu)深度H 確定）的前提下，要降低攔光效應(yīng)的影響，就必須采用較小的刀具半徑［3］。由于攔光面積與刀具半徑的平方根成正比，所以采用較小的刀具半徑有利于減小攔光效應(yīng)。當(dāng)?shù)毒甙霃胶臀⒔Y(jié)構(gòu)深度一定時，增大環(huán)帶半徑與微結(jié)構(gòu)深度的比值，有利于減小攔光效應(yīng)。

通過文獻(xiàn)［3］可以了解采用半圓弧刀具幾乎不產(chǎn)生攔光效應(yīng)。此時可以采用刀尖半徑較大的刀具，刀尖圓弧半徑與加工效率之間的關(guān)系［2］：

式中：T為加工工件的時間；D為工件的直徑；P為機(jī)床的轉(zhuǎn)速；R為刀尖圓弧半徑；h為矢高。根據(jù)（3）式可以看出，刀尖圓弧半徑的減小使得加工零件的時間增長。因此采用微圓弧刀具加工需要適當(dāng)?shù)乜紤]加工效率問題。

球形圓弧刀具需要采用微圓弧才能達(dá)到減小欄光效應(yīng)效果，但是增加了相應(yīng)的加工時間。而采用半圓弧刀具直接加工，由于刀尖強(qiáng)度下降，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，依然影響到加工效率，并且半圓弧刀具加工零件表面相對于圓弧刀具會出現(xiàn)鋸齒狀刀尖復(fù)制紋路，在相同進(jìn)給量的情況下半圓弧的表面粗糙度會大于圓弧刀尖刀具。因此采用球形圓弧刀具進(jìn)行粗加工，半圓弧刀具進(jìn)行清根處理，是一個可供選擇的組合加工方式。圖2中列舉了刀具為圓弧半徑、半圓弧刀具欄光效率與圓弧半徑之間的關(guān)系（臺階高度為3.66μm）。從圖2中可以看出，隨著刀具圓弧半徑的減小，攔光效率明顯下降，尤其是圓弧半徑與臺階高度相近時尤為顯著。

圖2 刀具圓弧半徑與衍射效率損失之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between tool arc radius and lost of diffractive efficiency

2 刀具參數(shù)與表面粗糙度的關(guān)系

刀具參數(shù)是刀具設(shè)計(jì)的一個重要因數(shù)，刀具的前角，后角的選擇以及相應(yīng)的刀具鈍圓半徑等是金剛石車刀不可缺少的數(shù)據(jù)。在鍺單晶折衍二元光學(xué)車削加工中，良好的刀具參數(shù)能夠獲得良好的光學(xué)鏡面，而表面粗糙度是光學(xué)鏡面的一個評判標(biāo)準(zhǔn)，為了設(shè)計(jì)出良好的刀具，減少不必要的刀具加工時間，作者采用有限元手段分析了金剛石車刀參數(shù)對粗糙度的影響，如圖3所示［6］。最終為刀具參數(shù)的選擇提供了理論依據(jù)。

從圖3中可以看出，隨著刀具前角的不斷減小，工件的表面質(zhì)量變好，并且在前角為－20°左右時有最小表面粗糙度值，當(dāng)?shù)毒咔敖抢^續(xù)減小時，工件表面粗糙度有所增大，但增大的幅度較小。

圖3 表面粗糙度隨前角的變化Fig.3 Surface roughness versus rake angle

從圖4中可以看出，隨著刀具后角的不斷增大，加工表面粗糙度逐漸降低，當(dāng)?shù)毒吆蠼窃?0°左右時，加工表面質(zhì)量最好。當(dāng)?shù)毒吆蠼抢^續(xù)增大時，表面質(zhì)量變差。

單晶鍺切削加工過程中應(yīng)盡量采用圓半徑較小的金剛石刀具，刀刃越鋒利越好［7］。零件表面的粗糙度實(shí)際上是刀具尖端復(fù)制在元件上的特性表征，刀刃越鋒利切削過程越順利，有研究表明［8－9］，刀刃如果處于磨鈍的情況下，切削過程就變成了一個碾壓切削過程，在元件表面的損傷層增厚，增加了后續(xù)的拋光流程，形成的殘余應(yīng)力甚至?xí)绊懝鈱W(xué)成像質(zhì)量。

圖4 表面粗糙度隨后角的變化Fig.4 Surface roughness versus relief angle

3 刀具耐磨性設(shè)計(jì)

鍺單晶金剛石車削過程是一個脆性材料的切削過程。脆性加工是一個極不穩(wěn)定的切削過程，在切削過程中伴隨著被切削材料的剝離及碾壓，材料表面形成微裂紋，伴隨著晶面剝離的發(fā)生，被切削材料對刀尖也時刻產(chǎn)生著反向作用力，導(dǎo)致刀具發(fā)生磨損。單晶金剛石刀具雖然是自然界最硬的材料，但是文獻(xiàn)［10］中列舉了金剛石刀具的磨損分為磨粒磨損、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損、微裂紋磨損、氧化磨損等。

自然界單晶金剛石是典型的立方結(jié)構(gòu)，圖5為金剛石晶體結(jié)構(gòu)的示意圖。不同的晶面因?yàn)榫骈g距的不同，導(dǎo)致晶面間的結(jié)合力有異。在文獻(xiàn)［10］中比較分析了3種金剛石車刀前、后刀面的抗磨損性能，經(jīng)研究分析表明，金剛石車刀R（110）F（100）組合的金剛石刀具擁有最佳的抗磨損性能。因此為了使金剛石刀具的抗磨損性能達(dá)到理想狀態(tài)，應(yīng)遵循金剛石難磨方向作為金剛石刀具的前后刀面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，使切削方向或者切屑流動方向盡可能與金剛石晶體的難磨方向一致。

圖5 單晶金剛石晶體結(jié)構(gòu)Fig.5 Single crystal diamond lattice

由于金剛石刀具加工零件的特殊性，在車削紅外光學(xué)領(lǐng)域的單晶鍺、單晶硅、硫化鋅晶體等過程中，切削的微切削力、切削熱容易導(dǎo)致金剛石耐磨面晶面之間發(fā)生熱磨損［11］等，因此提高金剛石刀具的熱穩(wěn)定性顯得很有必要。提高金剛石刀具的熱穩(wěn)定性方式有：利用無氧環(huán)境切削、利用潤滑劑、采用涂覆保護(hù)膜等。本文采用涂覆保護(hù)膜的形式，比較了涂覆保護(hù)膜前、后刀具的耐用性變化。

4 刀具里程數(shù)計(jì)算及車削實(shí)驗(yàn)

結(jié)合上述折衍二元光學(xué)車削用金剛石刀具的設(shè)計(jì)原則及已有的研究［3，6］，本文最終設(shè)計(jì)出兩款金剛石車刀，具體的刀具參數(shù)如圖6所示。圖6中R值分別取1.3mm及0.1mm，并對一把圓弧半徑R為0.1mm的刀具進(jìn)行熱強(qiáng)化處理，以作對比。

圖6 金剛石車刀Fig.6 Design drawings of diamond tool

為了更好地評判適合加工具有浮凸的折衍二元光學(xué)元件的金剛石刀具，本文采用里程數(shù)來衡量刀具的耐用度，采用衍射效率及臺階誤差來評判刀具的適應(yīng)性。

圓盤和圓環(huán)工件的切削過程屬于連續(xù)加工，當(dāng)?shù)毒哂赏庀騼?nèi)加工時，其切削距離L是阿基米德螺旋線，因此其加工過程的里程數(shù)可以利用以下公式［1］計(jì)算：

（4）式在計(jì)算上具有很大的數(shù)學(xué)難度，由于金剛石車削進(jìn)給量很小，進(jìn)給量在亞微米級別，因此，可以近似地認(rèn)為金剛石車削圓盤類零件為一圈圈圓形封閉刀軌的總和。其計(jì)算方式如下：

式中：Dout為切削零件的外徑；Din為切削零件的內(nèi)徑；f為每齒進(jìn)給量。

采用公式（5）就明顯簡便得多，經(jīng)過作者驗(yàn)證，采用公式（4）及公式（5）計(jì)算出來的誤差值在2%以內(nèi)（切削直徑在300mm以內(nèi)），但是（4）式及（5）式的計(jì)算公式都是針對平面類，針對球面、非球面等曲面的里程數(shù)并沒有討論，尤其是帶有浮雕的折衍零件的里程數(shù)計(jì)算需要額外的進(jìn)行臺階計(jì)算，而采用阿基米德螺旋線計(jì)算非球面里程數(shù)則只要將進(jìn)給量根據(jù)曲率半徑斜率換算成切削方向的進(jìn)給量，即切削過程為變進(jìn)給量的切削過程。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的刀具里程數(shù)及相應(yīng)的刀具前、后角設(shè)計(jì)是否合理，進(jìn)行車削驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。采用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)：刀具前角為－25°，后角為10°，鈍圓半徑50nm，車削實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)及粗糙度數(shù)據(jù)表Table 1 Cutting parameters and roughness of test processing

R0.1半圓弧刀具切削時，圓弧方向與刀具進(jìn)給方向一致。從表1中可以看出，采用R0.1mm的刀具既能滿足衍射條件又能滿足光學(xué)鏡面要求，比R1.3mm切削時間增加約7倍，但是R0.1mm刀具明顯降低衍射損失，權(quán)衡利弊，采用R0.1mm刀具是可行的。

從表2中可以看出，在所有參數(shù)一定的情況下（包含刀具參數(shù)、加工工藝參數(shù)、加工環(huán)境、評判標(biāo)準(zhǔn)），經(jīng)過刀具強(qiáng)化的刀尖，在金剛石刀具車削相同的外圓時，其車削的里程數(shù)是未強(qiáng)化刀尖的2倍多，因此在使用相同的切削參數(shù)及刀具參數(shù)條件下，選用強(qiáng)化刀尖的刀具能明顯提高加工的零件數(shù)。

表2 刀尖圓弧半徑R0.1mm加工里程數(shù)對比Table 2 Contrast of cutting length of R0.1 mm tools

5 結(jié)論

本文討論了加工折衍二元光學(xué)零件車削用金剛石刀具的選擇要點(diǎn)，分別從刀具圓弧半徑、刀具前后角、刀具耐磨性等方面進(jìn)行了討論，并分析其對欄光效應(yīng)、刀具加工表面粗糙度、加工里程數(shù)之間的影響，設(shè)計(jì)出符合加工折衍二元光學(xué)元件的金剛石刀具。

經(jīng)過試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1）對設(shè)計(jì)的刀具耐用度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)證明刀尖強(qiáng)化的刀具，其耐用度比未強(qiáng)化的刀具提高2倍多；

2）同等條件下半圓弧刀具加工粗糙度較圓弧刀具高，因此半圓弧刀具在折衍二元光學(xué)元件的加工中適合清根處理。

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