一種軟脆材料鏡面加工的超精密斜角車削方法技術(shù)

一種軟脆材料鏡面加工的超精密斜角車削方法，它屬于精密和超精密切削加工方法，具體涉及一種適合于軟脆材料的車削方法。本發(fā)明專利技術(shù)的目的是要解決現(xiàn)有軟脆材料鏡面加工過程中材料表層很容易發(fā)生破碎和崩裂，并造成嚴重的亞表面損傷和表面粗糙度的問題。超精密斜角車削方法：一、前期準備；二、機床預(yù)熱；三、拋光預(yù)處理；四、安裝；五、粗切；六、半精切；七、斜角車削；八、精切，得到鏡面多晶ZnS材料。本發(fā)明專利技術(shù)優(yōu)點：軟脆材料鏡面加工表面粗糙度Sa從18.2nm降到了7.5nm。本發(fā)明專利技術(shù)主要用于軟脆材料鏡面加工。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于精密和超精密切削加工方法，具體涉及一種適合于軟脆材料的車削方法。
技術(shù)介紹
近年來，由于空間技術(shù)的進步、國防尖端科技的發(fā)展以及軍事科學領(lǐng)域的迫切需求，有關(guān)紅外光學材料的特性研究及相應(yīng)光學元器件的加工問題，備受世界各國的關(guān)注。該材料能使紅外光線發(fā)生折射、反射和透射效應(yīng)，改變其強度、相位或光譜成分，乃至傳播方向等，從而可達到按預(yù)設(shè)要求控制紅外光束在其中傳輸規(guī)律的目的。因此，在現(xiàn)代化武器裝備的迅猛發(fā)展過程中紅外光學材料得到了更為廣泛的應(yīng)用，如軍用小型激光器、大功率激光器窗口、熱像儀的透鏡窗口、各種先進武器的光電系統(tǒng)窗口、導(dǎo)彈整流罩以及新型隱身戰(zhàn)機的表面涂層等，尤其在精確制導(dǎo)武器領(lǐng)域其已成為不可缺少的關(guān)鍵材料。同時，在民用科技領(lǐng)域，該材料的應(yīng)用也十分廣泛，如各種民用半導(dǎo)體材料、紅外探測器、微型制冷機(器)、微型杜瓦、紅外光學鏡片以及全系列紅外光學系統(tǒng)等。此外，在計算機和光纖通訊產(chǎn)業(yè)中，紅外光學材料器件的應(yīng)用則更為普遍，如高集成度的微電子芯片材料，高傳輸率、低耗能的紅外光學纖維，多種長波紅外光學元件，以及超音速飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等各類跟蹤、遙感和遠程通訊設(shè)備的核心光學器件等。由此可見，紅外光學材料的研究將給現(xiàn)代科技、國防工業(yè)以及國民經(jīng)濟帶來為廣泛的實用價值和巨大的經(jīng)濟效益。在紅外成像、紅外制導(dǎo)
中，CVDZnS多晶材料因具備優(yōu)良的光學和力學性能而成為大多數(shù)長波紅外窗口、整流罩和光學透鏡元件制造的關(guān)鍵材料。尤其是覆蓋了全波段的多光譜ZnS晶體，可以用來實現(xiàn)光電探測系統(tǒng)的多波段共口徑透射功能，這也預(yù)示了該領(lǐng)域未來發(fā)展的新方向。因此，對ZnS材料制備工藝的研究、物理和化學特性的研究及其加工性能和方法的研究等相關(guān)問題，已逐漸成為世界各國學者們追逐的熱點內(nèi)容。然而，在優(yōu)質(zhì)ZnS晶體材料的制備工藝及加工方面，人們均已取得了一定的研究成果。對于ZnS多晶材料制備方法，現(xiàn)在主要采用化學氣相沉積工藝(CVD)獲取，所生成的CVD-ZnS具有兩種規(guī)格：一種是通過“CVD生長-熱等靜壓(HIP)處理”的加工工序而獲得外觀清澈透明、光學性能優(yōu)異的ZnS晶體，稱為多光譜ZnS晶體或M-ZnS；另一種則因未采取HIP處理而呈現(xiàn)橘黃色，其光學性能相對較弱但機械特性良好，稱為標準ZnS晶體或S-ZnS。M-ZnS晶體具有0.35～14.0μm全波段的紅外透射能力，而S-ZnS晶體則通常用來制備長波紅外8.0～12.0μm波段的光學窗口和器件。通過分析ZnS晶體的加工特性可知，其屬于軟脆多晶材料，難于進行機械加工。國內(nèi)對該材料采取的加工工藝，以借鑒光學玻璃的鏡面加工方法為主，即按照“缺陷檢測—切割—粗磨—精磨—拋光”的工藝路線進行加工，再根據(jù)ZnS材料的特殊性能(如晶體各向異性、材料的軟脆特性等)進行相應(yīng)的經(jīng)驗調(diào)整，進而能夠?qū)崿F(xiàn)簡單元器件的制造，但工藝較為復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，且工件亞表層損傷問題顯著。此外，在ZnS多晶材料的SPDT加工過程中，往往在切削表面上形成大量的麻點或凹坑等微缺陷，使得其表面粗糙度和面型精度難以保證，這些均給ZnS光學鏡面的車削加工帶來了很大困難。近幾年，隨著單點金剛石超精密車削技術(shù)(SPDT)的日趨成熟，人們對紅外光學元件使用需求的迅速增加，尤其是對一些具有微結(jié)構(gòu)的光學元件(如菲涅爾透鏡、光柵陣列及波導(dǎo)光學衍射元件等)的特殊需求，使得常規(guī)加工工藝不能滿足其制作要求，迫切需要一種高精度、高效率、低成本、工藝簡單的方法來實現(xiàn)其加工目標。目前國內(nèi)也有多家單位在從事ZnS材料的SPDT超精密車削加工技術(shù)研究，但限于加工技術(shù)水平和加工經(jīng)驗的不足，尚未獲得較為理想的鏡面加工效果，其存在的典型問題為在車削后ZnS光學鏡面的表面存在較多的麻點和隨機突顯的表面凹坑，導(dǎo)致其不能達到光學鏡面加工質(zhì)量要求。多晶ZnS材料脆性大、硬度低，采用金剛石車削技術(shù)加工復(fù)雜曲而時，雖然能夠保證形狀精度的要求，但由于該晶體的高脆性，在車削過程中材料表層很容易發(fā)生破碎和崩裂，并造成嚴重的亞表面損傷，表面粗糙度較難控制。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是要解決現(xiàn)有軟脆材料鏡面加工過程中材料表層很容易發(fā)生破碎和崩裂，并造成嚴重的亞表面損傷和表面粗糙度的問題；而提供一種軟脆材料鏡面加工的超精密斜角車削方法。一種軟脆材料鏡面加工的超精密斜角車削方法，具體是按以下步驟完成的：一、前期準備：嚴控超精密加工機床周圍的環(huán)境溫度、濕度和潔凈度，溫度控制23℃±0.1℃，濕度控制45％±5％，潔凈度達到1000級以上；二、機床預(yù)熱：啟動超精密加工機床，待機預(yù)熱至超精密加工機床的性能穩(wěn)定為止；三、拋光預(yù)處理：對多晶ZnS材料進行拋光預(yù)處理，得到拋光預(yù)處理后的多晶ZnS材料；四、安裝：通過高精度氣浮主軸吸盤安裝拋光預(yù)處理后的多晶ZnS材料，然后安裝天然金剛石刀具Ⅰ，所述的天然金剛石刀具Ⅰ的前角γ＝-30°，刀尖圓弧半徑R>2000μm，并完成對刀和主軸動平衡調(diào)整；五、粗切：開啟切削液噴頭，采用高純度酒精噴霧加工；設(shè)置參數(shù)：ap1＝6.0μm，f1＝2μm/r，n＝2000r/min，ap1為切削深度，f1為走刀量，n為超精密加工機床主軸轉(zhuǎn)速，在ap1＝6.0μm、f1＝2μm/r和n＝2000r/min條件下對拋光預(yù)處理后的多晶ZnS材料進行粗切，得到表面粗糙度為Sa＝30nm±5nm的多晶ZnS材料；六、半精切：設(shè)置參數(shù)：ap1＝4.0μm，f1＝2μm/r，n＝2000r/min，ap1為切削深度，f1為走刀量，n為超精密加工機床主軸轉(zhuǎn)速，在ap1＝4.0μm、f1＝2μm/r和n＝2000r/min條件下對表面粗糙度為Sa＝30nm±5nm的多晶ZnS材料進行半精切，得到表面粗糙度為Sa＝20nm±5nm的多晶ZnS材料；七、斜角車削：關(guān)閉切削液噴頭，拆下前角γ＝-30°、刀尖圓弧半徑R>2000μm的天然金剛石刀具，采用精密分度卡具緊固天然金剛石刀具Ⅱ，所述的天然金剛石刀具Ⅱ的刀尖圓弧半徑R＝750μm，前角γ＝-30°，在λ＝0°～-50°之間調(diào)整天然金剛石刀具Ⅱ刃口的傾斜角度，λ為天然金剛石刀具Ⅱ刃口的斜切角度，實現(xiàn)后續(xù)的斜角車削加工，得到斜角車削后多晶ZnS材料，定義天然金剛石刀具Ⅱ偏轉(zhuǎn)方向朝向表面粗糙度為Sa＝20nm±5nm的多晶ZnS材料的待加工表面為負值；八、精切：首先完成天然金剛石刀具Ⅱ的對刀操作和主軸動平衡調(diào)整，然后設(shè)置參數(shù)：ap1＝1.0μm，f1＝2μm/r，n＝2000r/min，ap1為切削深度，f1為走刀量，n為超本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種軟脆材料鏡面加工的超精密斜角車削方法，其特征在于它是按以下步驟完成的：一、前期準備：嚴控超精密加工機床周圍的環(huán)境溫度、濕度和潔凈度，溫度控制23℃±0.1℃，濕度控制45％±5％，潔凈度達到1000級以上；二、機床預(yù)熱：啟動超精密加工機床，待機預(yù)熱至超精密加工機床的性能穩(wěn)定為止；三、拋光預(yù)處理：對多晶ZnS材料進行拋光預(yù)處理，得到拋光預(yù)處理后的多晶ZnS材料；四、安裝：通過高精度氣浮主軸吸盤安裝拋光預(yù)處理后的多晶ZnS材料，然后安裝天然金剛石刀具Ⅰ，所述的天然金剛石刀具Ⅰ的前角γ＝?30°，刀尖圓弧半徑R>2000μm，并完成對刀和主軸動平衡調(diào)整；五、粗切：開啟切削液噴頭，采用高純度酒精噴霧加工；設(shè)置參數(shù)：ap1＝6.0μm，f1＝2μm/r，n＝2000r/min，ap1為切削深度，f1為走刀量，n為超精密加工機床主軸轉(zhuǎn)速，在ap1＝6.0μm、f1＝2μm/r和n＝2000r/min條件下對拋光預(yù)處理后的多晶ZnS材料進行粗切，得到表面粗糙度為Sa＝30nm±5nm的多晶ZnS材料；六、半精切：設(shè)置參數(shù)：ap1＝4.0μm，f1＝2μm/r，n＝2000r/min，ap1為切削深度，f1為走刀量，n為超精密加工機床主軸轉(zhuǎn)速，在ap1＝4.0μm、f1＝2μm/r和n＝2000r/min條件下對表面粗糙度為Sa＝30nm±5nm的多晶ZnS材料進行半精切，得到表面粗糙度為Sa＝20nm±5nm的多晶ZnS材料；七、斜角車削：關(guān)閉切削液噴頭，拆下前角γ＝?30°、刀尖圓弧半徑R>2000μm的天然金剛石刀具，采用精密分度卡具緊固天然金剛石刀具Ⅱ，所述的天然金剛石刀具Ⅱ的刀尖圓弧半徑R＝750μm，前角γ＝?30°，在λ＝0°～?50°之間調(diào)整天然金剛石刀具Ⅱ刃口的傾斜角度，λ為天然金剛石刀具Ⅱ刃口的斜切角度，實現(xiàn)后續(xù)的斜角車削加工，得到斜角車削后多晶ZnS材料，定義天然金剛石刀具Ⅱ偏轉(zhuǎn)方向朝向表面粗糙度為Sa＝20nm±5nm的多晶ZnS材料的待加工表面為負值；八、精切：首先完成天然金剛石刀具Ⅱ的對刀操作和主軸動平衡調(diào)整，然后設(shè)置參數(shù)：ap1＝1.0μm，f1＝2μm/r，n＝2000r/min，ap1為切削深度，f1為走刀量，n為超精密加工機床主軸轉(zhuǎn)速，開啟切削液噴頭，采用高純度酒精噴霧加工，在ap1＝1.0μm、f1＝2μm/r和n＝2000r/min條件下斜角車削后多晶ZnS材料進行精切，精切過程中應(yīng)特別注意各種振動反饋信號，尤其是沿主軸軸向的工件與刀具接觸振動，至加工完成，關(guān)閉切削液噴頭，停機取件，用酒精清洗并保存，即完成軟脆材料鏡面加工，得到鏡面多晶ZnS材料。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種軟脆材料鏡面加工的超精密斜角車削方法，其特征在于它是按以下步驟完成的：
一、前期準備：嚴控超精密加工機床周圍的環(huán)境溫度、濕度和潔凈度，溫度控制
23℃±0.1℃，濕度控制45％±5％，潔凈度達到1000級以上；
二、機床預(yù)熱：啟動超精密加工機床，待機預(yù)熱至超精密加工機床的性能穩(wěn)定為止；
三、拋光預(yù)處理：對多晶ZnS材料進行拋光預(yù)處理，得到拋光預(yù)處理后的多晶ZnS材
料；
四、安裝：通過高精度氣浮主軸吸盤安裝拋光預(yù)處理后的多晶ZnS材料，然后安裝天
然金剛石刀具Ⅰ，所述的天然金剛石刀具Ⅰ的前角γ＝-30°，刀尖圓弧半徑R>2000μm，并
完成對刀和主軸動平衡調(diào)整；
五、粗切：開啟切削液噴頭，采用高純度酒精噴霧加工；設(shè)置參數(shù)：ap1＝6.0μm，f1＝2μm/r，
n＝2000r/min，ap1為切削深度，f1為走刀量，n為超精密加工機床主軸轉(zhuǎn)速，在ap1＝6.0μm、
f1＝2μm/r和n＝2000r/min條件下對拋光預(yù)處理后的多晶ZnS材料進行粗切，得到表面粗糙度為
Sa＝30nm±5nm的多晶ZnS材料；
六、半精切：設(shè)置參數(shù)：ap1＝4.0μm，f1＝2μm/r，n＝2000r/min，ap1為切削深度，f1為走
刀量，n為超精密加工機床主軸轉(zhuǎn)速，在ap1＝4.0μm、f1＝2μm/r和n＝2000r/min條件下對表面粗
糙度為Sa＝30nm±5nm的多晶ZnS材料進行半精切，得到表面粗糙度為Sa＝20nm±5nm的多晶
ZnS材料；
七、斜角車削：關(guān)閉切削液噴頭，拆下前角γ＝-30°、刀尖圓弧半徑R&g...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：宗文俊，曹志民，何春雷，孫濤，
申請(專利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：黑龍江;23