KDP晶體微塑性域增強(qiáng)金剛石切削方法研究

李兆中，岳曉斌，陽(yáng) 紅

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

1 引言

在高功率固體激光器中，急需大量可工程化應(yīng)用的超精密磷酸二氫鉀（KH2PO4，KDP）晶體光學(xué)元件。KDP 晶體的表面加工質(zhì)量將直接影響激光打靶的光束質(zhì)量以及光斑位置的準(zhǔn)確度［1］。近年來(lái)，采用單點(diǎn)金剛石切削（Single Point Diamond Turning，SPDT）進(jìn)行KDP晶體等脆性光學(xué)元件的超精密加工得到了重點(diǎn)關(guān)注［2］。KDP晶體SPDT切削過(guò)程可描述為：彈性變形→剪切應(yīng)力增大，達(dá)到屈服點(diǎn)→產(chǎn)生塑性變形，滑移→剪切應(yīng)力與滑移量繼續(xù)增大，達(dá)到斷裂強(qiáng)度→切屑與母體脫離［3］。但由于KDP晶體斷裂韌度較低（0.74-0.8MPam1/2），即材料的彈性極限和強(qiáng)度極限非常接近。由此，當(dāng)KDP晶體所承受的載荷稍稍超過(guò)其彈性極限時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂破壞。在切削過(guò)程中表現(xiàn)為被加工材料表面出現(xiàn)凹坑、劃痕、裂紋等缺陷，甚至整體斷裂造成整個(gè)工件的報(bào)廢，一直是困擾KDP晶體超精密切削的一個(gè)難題［4］。

為了在KDP晶體SPDT加工時(shí)提高表面質(zhì)量，使其具有更好的加工表面完整性。文獻(xiàn)［5］在PNEUMO精密機(jī)床上對(duì)KDP晶體的SPDT加工工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究。通過(guò)改變加工參數(shù)和刀具刃口半徑的方法，獲得了表面粗糙度為0.8nm（RMS）、面形精度為3.6μm（PV）的光滑表面。文獻(xiàn)［6］通過(guò)試驗(yàn)研究了KDP 晶體在SPDT加工時(shí)，刀具圓弧半徑、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和背吃刀量對(duì)表面波紋度、粗糙度的影響規(guī)律，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果求出了二次回歸模型，進(jìn)而得出KDP晶體切削的最優(yōu)工藝參數(shù)，獲得了表面波紋度為0.020μm、表面粗糙度為0.017μm的光滑表面。文獻(xiàn)［7］發(fā)現(xiàn)當(dāng)在KDP晶體的某一晶面上選擇一定的晶向?qū)ζ溥M(jìn)行加工時(shí)，晶體表面質(zhì)量會(huì)有所改善。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在KDP晶體的SPDT加工過(guò)程中，若刀具刃口半徑、背吃刀量、晶向等因素發(fā)生變化，SPDT的切削狀態(tài)也將隨之產(chǎn)生變化，從而改變KDP晶體表面的加工質(zhì)量。為了揭示其中的原因，研究人員采用壓痕、劃痕和螺旋刻劃等方法分別對(duì)KDP晶體SPDT加工的臨界切削厚度、晶體各向異性對(duì)切削力的影響、脆塑轉(zhuǎn)變等方面進(jìn)行了研究［8］。如文獻(xiàn)［9］采用維氏壓痕法獲得了KDP晶體不同晶向硬度、斷裂韌度的變化規(guī)律，并指出當(dāng)壓痕實(shí)驗(yàn)所加載荷很小時(shí)（0.02N，0.04N），KDP 晶體表面只留下塑性變形壓坑，沒(méi)有脆性裂紋的產(chǎn)生。文獻(xiàn)［10］采用金剛石球形壓頭對(duì)KDP晶體進(jìn)行了納米劃痕實(shí)驗(yàn)，并利用掃描電子顯微鏡對(duì)劃痕形貌進(jìn)行觀察，獲取得到了各劃痕方向脆塑去除比例和脆塑轉(zhuǎn)換位置。

根據(jù)上述研究結(jié)果可知，KDP晶體存在一個(gè)微小的塑性變形區(qū)域，是可以進(jìn)行塑性域加工的。但要實(shí)現(xiàn)該晶體材料的超精密、無(wú)損傷SPDT加工，必須嚴(yán)格控制實(shí)現(xiàn)塑性域加工的臨界切削厚度，即必須使切削厚度始終控制在KDP晶體材料的塑性域內(nèi)。但由KDP晶體的壓痕實(shí)驗(yàn)可知：室溫條件下，該材料不同晶向的臨界壓痕深度僅在（20～44）nm這一微小范圍內(nèi)變化［9］，而KDP晶體SPDT加工過(guò)程受機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度、溫度、振動(dòng)等多種因素的影響切削厚度很可能超出該范圍，導(dǎo)致加工表面發(fā)生損傷。

為了提高KDP晶體SPDT表面加工質(zhì)量。這里提出一種采用熱激勵(lì)的方式來(lái)增大KDP晶體微塑性域，進(jìn)而提高切削加工過(guò)程的穩(wěn)定性來(lái)改善KDP晶體加工質(zhì)量的方法。首先研究采用納米壓痕的方法開(kāi)展不同溫度狀態(tài)下的KDP晶體表面力學(xué)特性測(cè)試，明確KDP晶體表面硬度、塑性臨界切削深度隨溫度的變化規(guī)律。然后在自主研制的飛切機(jī)床上開(kāi)展不同溫度下的KDP晶體的劃痕實(shí)驗(yàn)和切削工藝實(shí)驗(yàn)，探索不同溫度狀態(tài)下KDP晶體SPDT加工的脆塑轉(zhuǎn)變過(guò)程。最終，通熱激勵(lì)的方式使KDP晶體SPDT加工表面粗糙度Sq值獲得一定程度降低。

2 KDP晶體微塑性域隨溫度變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

納米壓痕實(shí)驗(yàn)和劃痕實(shí)驗(yàn)是檢測(cè)材料力學(xué)性能的常用評(píng)價(jià)方法，這里分別通過(guò)納米壓痕實(shí)驗(yàn)和劃痕實(shí)驗(yàn)研究KDP晶體表面溫度對(duì)KDP晶體微塑性域的影響規(guī)律。

2.1 不同溫度下KDP晶體納米壓痕實(shí)驗(yàn)

壓痕試驗(yàn)通過(guò)壓頭對(duì)材料表面加載，然后測(cè)出壓痕區(qū)域，以此來(lái)確定材料的彈塑性性能。在壓頭壓入的過(guò)程中，有彈性變形也有塑性變形；當(dāng)卸載時(shí)，彈性恢復(fù)，因此壓痕深度會(huì)發(fā)生改變。壓痕試驗(yàn)可用于測(cè)定材料的硬度、斷裂韌度、彈性模量等力學(xué)性能指標(biāo)，是研究KDP晶體在熱激勵(lì)作用的材料力學(xué)性能變化的重要實(shí)驗(yàn)手段。

基于壓痕試驗(yàn)的脆塑轉(zhuǎn)變的臨界深度公式如下：

式中：φ—無(wú)量綱系數(shù)，取決于加工參數(shù)和刀具的幾何參數(shù)；E—KDP晶體材料彈性模量（38.7GPa）；HV—維氏硬度；KJC—斷裂韌度。

維氏硬度HV、斷裂韌度KJC的計(jì)算公式，如式（2）、式（3）所示：

式中：P—加載載荷；D—壓痕角線；C—壓痕裂紋半長(zhǎng)。

將式（3）代入式（1）中得到式（4），可知hmin值與硬度成反比，HV是決定hmin的關(guān)鍵因素。

為明確KDP 晶體的表面硬度隨溫度的變化情況，分別對(duì)（20～55）℃溫度狀態(tài)下的KDP晶體開(kāi)展納米壓痕實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的KDP晶體表面硬度Hv和脆塑轉(zhuǎn)變深度hmin隨溫度的變化規(guī)律，如圖2所示?？梢钥闯觯S著KDP晶體表面溫度從20℃升高至55℃，KDP晶體表面硬度Hv先從2370MPa增大至2400MPa，后減小至1980MPa，脆塑轉(zhuǎn)變深度hmin先從40nm減小至38nm后增大至62nm，極值點(diǎn)都出現(xiàn)在25℃左右。這說(shuō)明在（25～55）℃溫度范圍內(nèi)，適當(dāng)提高KDP 晶體溫度有助于降低KDP晶體表面硬度和增大脆塑轉(zhuǎn)變深度。

圖1 KDP晶體表面納米壓痕實(shí)驗(yàn)Fig.1 Nanoindentation Test on KDP Crystal Surface

圖2 硬度和脆塑轉(zhuǎn)變深度隨溫度變化規(guī)律曲線Fig.2 Curves of Hardness and Brittle-Ductile Transition Depth at Different Temperature

2.2 不同溫度下KDP晶體飛切劃痕實(shí)驗(yàn)

在KDP晶體表面納米壓痕實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開(kāi)展了不同溫度狀態(tài)下的納米劃痕實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用自主研制的單點(diǎn)金剛石飛切機(jī)床DFC600A，如圖3所示。

圖3 單點(diǎn)金剛石飛切機(jī)床DFC600AFig.3 SPDT Fly-Cutting Machine Tool DFC600A

實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了專用工裝，可將KDP晶體呈一定角度傾斜安裝，并通入加熱氣流預(yù)熱KDP晶體，如圖4所示。在飛切機(jī)床上采用同一把金剛石刀具進(jìn)行飛切劃痕實(shí)驗(yàn)，飛切加工時(shí)從材料中間部分開(kāi)始切，主軸轉(zhuǎn)速265r/min，進(jìn)給速度3mm/min，劃痕長(zhǎng)度控制在100μm 左右。對(duì)晶體表面溫度為30℃、40℃和50℃的KDP晶體表面的劃痕實(shí)驗(yàn)效果圖，如圖5所示。

圖4 KDP晶體飛切劃痕實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.4 KDP Crystal Fly-Cutting Scratch Experiment

圖5 KDP晶體飛切劃痕實(shí)驗(yàn)效果Fig.5 Results of KDP Crystal Fly-Cutting Scratch Experiment

通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)圖5 所示劃痕進(jìn)行觀察和分析可知，整個(gè)劃痕明顯分為三個(gè)區(qū)域：摩擦系數(shù)較小且不穩(wěn)定的彈性區(qū)域、摩擦系數(shù)逐漸緩慢增大的塑性區(qū)域、摩擦系數(shù)出現(xiàn)躍變后穩(wěn)定的脆性區(qū)域。其中，彈性區(qū)域在相應(yīng)的劃痕圖像上具有不清晰磨痕，塑性區(qū)域具有清晰磨痕，脆性區(qū)域邊緣出現(xiàn)明顯開(kāi)裂現(xiàn)象。

同時(shí)，由圖5可知，隨著溫度的逐步提高，KDP晶體表面在出現(xiàn)脆性裂紋的位置逐漸遠(yuǎn)離起始點(diǎn)，即脆塑轉(zhuǎn)變深度hmin隨溫度升高逐漸增大，進(jìn)一步驗(yàn)證了適當(dāng)提高KDP晶體溫度有助于增大SPDT塑性域切削深度。

3 熱激勵(lì)下KDP晶體SPDT實(shí)驗(yàn)

采用圖3所示自主研制的超精密單點(diǎn)金剛石飛切機(jī)床開(kāi)展的不同溫度狀態(tài)下KDP晶體的加工實(shí)驗(yàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)專用的加熱裝置來(lái)改變KDP晶體在切削過(guò)程中溫度。

在同一切削工藝參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速800rpm，切深3μm，進(jìn)給速度2mm/min）下，對(duì)晶體表面溫度在20℃到60℃的KDP晶體進(jìn)行切削加工實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。加工完成后，采用白光干涉儀對(duì)被加工表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，取三個(gè)點(diǎn)的粗糙度測(cè)量平均值作為該KDP晶體表面的粗糙度值。加工后KDP晶體表面粗糙度的測(cè)量結(jié)果，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)提高KDP晶體表面溫度，晶體表面粗糙度Sa值從3.2nm降低至1.6nm。

圖6 KDP晶體加工表面粗糙度隨溫度變化曲線Fig.6 Curves of Surface Roughness of KDP Crystal at Different Temperature

圖7 KDP晶體表面粗糙度Fig.7 Surface Roughness of KDP Crystal

4 結(jié)論

（1）提出了一種利用熱激勵(lì)的方式增強(qiáng)KDP 晶體塑性切削域深度，降低晶體各向異性、機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差、環(huán)境振動(dòng)等因素對(duì)加工過(guò)程的影響，進(jìn)而改善KDP晶體SPDT加工表面質(zhì)量的方法。

（2）測(cè)試了不同溫度狀態(tài)下KDP晶體表面力學(xué)性能參數(shù)，獲得了KDP晶體塑性切削域深度變化規(guī)律。

（3）對(duì)KDP晶體完成了不同溫度狀態(tài)下的切削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在相同工藝參數(shù)下，隨著溫度的升高，表面粗糙度可得到較大程度的改善。