超精密徑向調(diào)刀飛刀盤研制及弧形微結(jié)構(gòu)的飛切實(shí)驗(yàn)

石廣豐，朱可可，史國(guó)權(quán),2，蔡洪彬，肖建國(guó)

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)，長(zhǎng)春 103322；2.中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，蘇州 215163；3.云南北方馳宏光電有限公司，昆明 650000）

0 引言

單點(diǎn)金剛石超精密飛切技術(shù)廣泛應(yīng)用于光學(xué)晶體元件的超精密加工，在工業(yè)、國(guó)防、科研等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，具有微結(jié)構(gòu)表面特征的光學(xué)元件的加工種類越來越多，加工精度的要求也越來越高[2,3]。而單點(diǎn)金剛石超精密飛切技術(shù)一定要依托于超精密加工裝備來實(shí)現(xiàn)。

目前的超精密機(jī)床以美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的超精密機(jī)床系列產(chǎn)品為主，國(guó)內(nèi)也普遍引進(jìn)并采用。這類機(jī)床往往通過在超精密切削機(jī)床上增加豎直移動(dòng)軸，來實(shí)現(xiàn)飛切加工時(shí)工件和金剛石飛刀之間的靠近、進(jìn)給[4]。這種配置需求的機(jī)床成本較高，精度穩(wěn)定性不好，國(guó)內(nèi)用戶一般并不配置。當(dāng)然，也可通過對(duì)工件施加墊塊來實(shí)現(xiàn)定量位移量調(diào)節(jié)，但是這種方式對(duì)工件相對(duì)于刀具的位移調(diào)節(jié)不具有連續(xù)可調(diào)性，精度無法保證。此外，現(xiàn)有的金剛石刀具微調(diào)功能廣泛應(yīng)用于超精密車削的可調(diào)刀架上，在超精密飛切過程中（金剛石刀具由飛刀盤在主軸固定夾持）無法采用。在超精密切削機(jī)床飛刀盤上設(shè)計(jì)出調(diào)刀裝置，增加單點(diǎn)飛切加工的功能和精度可以在一定程度解決這方面的問題。

因此，本文開發(fā)了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超精密飛刀盤[5]，該飛刀盤具有徑向微調(diào)刀功能，能夠在簡(jiǎn)化控制方法的情況下達(dá)到極高的定位精度和分辨率實(shí)現(xiàn)徑向調(diào)節(jié)，來提高超精密切削機(jī)床飛刀盤調(diào)刀裝置的精度和方便性，降低設(shè)備成本，提高加工效率。

1 弧形微結(jié)構(gòu)超精密飛切原理

在超精密車削機(jī)床上采用天然金剛石圓弧刀飛切的加工方法來實(shí)現(xiàn)弧形槽微結(jié)構(gòu)環(huán)形陣列的加工，原理如圖1所示。將飛刀盤安裝在機(jī)床主軸上，金剛石刀具裝夾在飛切刀盤上，繞主軸軸線做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刀具圓弧刃口幾何圓心和機(jī)床B軸回轉(zhuǎn)中心保持一致。將單晶鍺工件居中安裝在超精密金剛石車削機(jī)床的B軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的臺(tái)面上，并隨B軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)弧形槽微結(jié)構(gòu)環(huán)形陣列的具體尺寸關(guān)系合理安排B軸的回轉(zhuǎn)速度和主軸的回轉(zhuǎn)速度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一經(jīng)刀具對(duì)中、對(duì)刀和落刀后，即可在單晶鍺工件表面飛切出環(huán)狀弧形槽。通過主軸X軸進(jìn)給步進(jìn)距離，可以實(shí)現(xiàn)不同半徑處的弧形槽微結(jié)構(gòu)環(huán)形陣列的加工。

為了防止飛切后的弧形槽彼此之間的幾何干涉現(xiàn)象，可針對(duì)具體運(yùn)動(dòng)、幾何關(guān)系在三維建模軟件里面進(jìn)行仿真分析，合理設(shè)置相關(guān)加工工藝參數(shù)，以取得理想加工結(jié)果。

圖1 超精密飛切弧形槽微結(jié)構(gòu)示意圖

2 徑向調(diào)刀飛刀盤設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)飛切刀盤采用盤面徑向可微調(diào)方式，徑向微調(diào)采用差動(dòng)螺桿帶動(dòng)連接機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)傳遞力矩和傳遞精準(zhǔn)的直線運(yùn)動(dòng)。刀具微調(diào)量調(diào)好后，可進(jìn)行金剛石車刀刀柄的鎖緊制動(dòng)。為了保證整個(gè)刀盤系統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)飛刀盤的旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡調(diào)節(jié)，在飛刀盤上進(jìn)行了動(dòng)平衡的粗調(diào)和精調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，刀盤中設(shè)置有配重系統(tǒng)，它的位置和刀具的位置是相對(duì)應(yīng)的，并且能固定在飛刀盤上，其中銅塊配重設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)飛刀盤的動(dòng)平衡粗調(diào)，微調(diào)飛刀盤周圍上均布的螺桿，即平衡釘實(shí)現(xiàn)飛刀盤的動(dòng)平衡精調(diào)。配重塊抵消掉大部分因加刀具后引起的不平衡，然后調(diào)節(jié)平衡釘來微調(diào)，使質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心重合。

飛刀盤主體材料為L(zhǎng)Y12，長(zhǎng)度為120mm，盤面口徑為φ110mm。刀具微調(diào)量調(diào)好后，可進(jìn)行金剛石刀具刀柄的鎖緊制動(dòng)，其中刀夾采用鋼制結(jié)構(gòu)。差動(dòng)螺桿進(jìn)給的微調(diào)最大距離為0.15mm，差動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)每度進(jìn)給0.055um。為了實(shí)現(xiàn)飛刀盤的旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡調(diào)節(jié)，在飛刀盤上進(jìn)行了動(dòng)平衡的粗調(diào)和精調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中銅塊配重設(shè)計(jì)可進(jìn)行飛刀盤的動(dòng)平衡粗調(diào)，飛刀盤圓周上均布的微調(diào)螺桿可實(shí)現(xiàn)飛刀盤的動(dòng)平衡精調(diào)（主體結(jié)構(gòu)如圖2所示）。

圖2 徑向可調(diào)飛刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 超精密飛刀盤動(dòng)平衡調(diào)整和對(duì)刀測(cè)試

圖3 徑向可調(diào)飛刀盤實(shí)物及其安裝測(cè)試

圖4 飛刀盤動(dòng)平衡測(cè)試

根據(jù)飛刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)過制造裝調(diào)（如圖3所示），安裝金剛石圓弧飛切刀具后可以進(jìn)行在超精密車削機(jī)床上的動(dòng)平衡測(cè)試，測(cè)試過程如圖3、圖4所示。采用超精密機(jī)床配套的杠桿觸針式高分辨率電子拷表（分辨率為125nm）對(duì)飛刀盤圓周表面進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試，機(jī)床配套數(shù)控軟件可以給出環(huán)形動(dòng)不平衡的圓周位移量跟蹤測(cè)試信號(hào)。根據(jù)信號(hào)曲線圓周方向上的象限分布特征微調(diào)飛刀盤上帶彈簧預(yù)緊的平衡釘來進(jìn)行動(dòng)平衡精調(diào)，最終使得測(cè)試信號(hào)曲線達(dá)到要求偏差范圍內(nèi)。

根據(jù)加工過程中所需要的主軸轉(zhuǎn)速范圍，在變速情況下進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試和調(diào)整，以滿足具體使用要求。

4 弧形槽微結(jié)構(gòu)的超精密飛切加工實(shí)驗(yàn)

在美國(guó)進(jìn)口超精密機(jī)床Nanoform 250 Ultra上開展弧形槽微結(jié)構(gòu)陣列的超精密飛切加工實(shí)驗(yàn)。采用的圓弧金剛石刀具的幾何參數(shù)為：刀尖圓弧半徑為2.5mm，前角為-15°，后角為10°。超精密機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為120rpm，B軸工作臺(tái)轉(zhuǎn)速1.2rpm，切深為6μm。為了準(zhǔn)確測(cè)試對(duì)刀信號(hào)及針對(duì)切削力進(jìn)行測(cè)試研究，可以在被加工工件底下設(shè)置Kistler三向微力測(cè)試儀進(jìn)行飛切過程的同步測(cè)試，如圖5所示。

圖5 弧形槽微結(jié)構(gòu)陣列的超精密飛切加工

飛切加工實(shí)驗(yàn)前，首先將單晶鍺工件表面（（111）晶面）在塑性域車削成鏡面，無各向異性粗糙度花瓣分區(qū)特征[6]。圖6(a)為該工件表面不同晶向上飛切弧形槽的整體情況，圖6(b)為單個(gè)槽形的顯微照片，從圖中可以觀察到明顯的脆性破壞區(qū)、脆-塑轉(zhuǎn)變區(qū)和塑性變形區(qū)。采用觸針式輪廓儀沿槽的長(zhǎng)度方向進(jìn)行測(cè)量，縱向槽深方向測(cè)量時(shí)所測(cè)弧形槽表面特征如圖7所示，可以明顯的觀察到在弧形槽切入和切出區(qū)域存在著局部的塑性變形區(qū)，在槽的中部存在著明顯的脆性破壞區(qū)，并產(chǎn)生了明顯的中心裂紋。這種弧形槽的脆塑變形特征在工件表面成周期性變化特征，跟各向異性的花瓣分區(qū)特征是對(duì)應(yīng)的。

圖6 飛切過程中的弧形槽微結(jié)構(gòu)陣列及單晶鍺弧形槽微觀形貌特征

當(dāng)調(diào)整切深大小時(shí)，弧形槽內(nèi)部L2區(qū)間的脆性斷裂現(xiàn)象明顯改善，這也可以反映出徑向可調(diào)飛刀盤的重要作用?？梢酝ㄟ^減小切深h來獲得良好的弧形槽形貌，但是根據(jù)脆塑轉(zhuǎn)變的最小切削厚度理論可知這時(shí)的弧形槽尺寸大小將受限。當(dāng)然，如果將單晶鍺工件換成塑性金屬材料（如銅、鋁等），將不會(huì)收到脆塑轉(zhuǎn)變的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)良好塑性弧形槽微結(jié)構(gòu)的加工。

圖7 單晶鍺槽形的脆塑轉(zhuǎn)變區(qū)特征

5 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的徑向微調(diào)刀式飛刀盤能夠方便在無豎直進(jìn)給Y軸的超精密機(jī)床上使用并實(shí)現(xiàn)超精密飛切過程中的對(duì)刀和切深微調(diào)功能，同時(shí)粗、微調(diào)動(dòng)平衡調(diào)整功能

【】【】可以很好地保證飛刀盤的加工精度和穩(wěn)定性。應(yīng)用該飛刀盤實(shí)現(xiàn)了針對(duì)單晶鍺表面的弧形槽微結(jié)構(gòu)陣列加工實(shí)驗(yàn)，獲得了獲得塑性區(qū)域內(nèi)的良好槽形的必要條件。飛刀盤的徑向可調(diào)功能對(duì)于把握脆塑轉(zhuǎn)變臨界切深范圍內(nèi)的塑性域弧形槽加工至關(guān)重要。應(yīng)該指出的是，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用研究工作仍在開展當(dāng)中。

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