晶体材料车削表面粗糙度的实验研究

HEATS

晶体材料由于其独特的性能，愈来愈多地被应用于高新技术领域，如制作精细的光学零件、红外装置的镜片、反射镜，及大功率激光器的透镜等。在大功率CO2激光器中，用晶体材料ZnSe制作的透镜具有透光波段小、折射率小、熔点高等优点。

然而，对晶体材料进行精密加工，采用抛光及珩磨技术，则具有一定的局限性，如不能改变其尺寸精度、难以对复杂型面进行加工等，而且效率低，成本高。因此，有必要研究和采取切实可行的机械加工技术，以提高生产率，达到高的尺寸精度及低的表面粗糙度值，降低生产成本。

美国是在超精密加工方面起步最早的国家，至今在宇宙、军工和基础领域的研究规模仍很宠大。1990年发射的哈勃望远镜的反射镜的研制成功就是例证。

1晶体材料的特点及切削加工性定性分析

晶体材料由于其脆性大，硬度高，加工时容易形成崩碎切削，从而在加工表面产生裂纹，因此很难获得镜面。

国外对脆性材料切削机理的研究表明：若切削用量及刀具几何参数选择合适，则可能在切削区内形成韧性切削，加工表面不会产生裂纹。

本文主要介绍作者以ZnSe和单晶锗（Ge）为研究对象，在对晶体材料进行金刚石镜面车削的探索中获得的体会与心得。

2试验条件

进行精密加工，不但要有高精度和高刚性的设备、相应的测量技术和测量装置，而且还要有良好的工作环境，例如，室内恒温、空气净化和地基防振。

(1) 机床：超精密气浮大理石车床（国防科技大学研制）。
(2) 工件材料：ZnSe；规格：φ20×5mm；其性能如表1所示。

表1ZnSe的物理特性

& b# e* j7 Q% Z0 e* G/ `* e' {! i+ O5 e# H/ S: S% R4 _4 \ R, y, K2 ?, \+ N& z) x: d, j- P) c& E0 I7 d7 q Z. X7 p* c9 z, d" d& Z; X

透射长极限（um）	折射率	克氏硬度	密度（g/cm3）	热膨胀系数
0.48～22	2.4	150	5.27	7.7

(3) 刀具：单晶金刚石刀具，刀具几何参数如表2所示。

表2刀具的几何参数

6 U4 a- e5 `* N9 H8 Q7 o! t4 S, K. \/ S( ^7 j7 H! U$ ^+ ~. ?% m3 C; W! G4 j j/ f4 k/ _; M6 p9 G& |: g7 Q; ~7 M6 B t+ a6 f* [; c9 g0 {5 i2 V J& Y) d' `0 ?& X0 @% y7 S% u* k; k! o B6 L' d" X7 e: B- I! c! ?5 n2 N; E% v, C% }8 q" l Q ~, ?3 d; `7 x2 ^# v! z% H! M* o8 x' C/ i6 K% A) s+ B/ f+ w- @( N2 j

前角	后角	副后角	主偏角	副偏角	刀尖圆弧半径	刃倾角	负倒棱宽度
0°	8°	8°	70°	20°	2mm	-10°	0.4mm

(4) 切削方式：车端面，不用切削液。
(5) 表面粗糙度测量装置：电动轮廊仪。
(6) 切削用量的选取：较高的切削速度，主轴转速n=(1500～800)r/min，进给量f=(3～1)mm/r,背吃刀量ap=(5～1)μm。
(7) 工作环境：防振、恒温净化间。

3试验结果与分析

从理论上分析，切削脆性材料时，由于不产生积屑瘤，故切削速度对表面粗糙度基本上不应有明显影响，减小进给量时，可以减小残留面积，故可以减小加工表面粗糙度。

由于切削用量对表面粗糙度的影响是交互的，作者采用正交试验法，就切削用量对加工表面粗糙度的影响进行了分析。表3是加工ZnSe晶体材料时切削速度、进给量、背吃刀量三因素对加工表面粗糙度影响的正交试验中比较满意的一组结果，试验条件如前述，从机床和超精加工两方面考虑，进给量、背吃刀量取值均较小，而切削速度取值较大。

表3试验数据及处理结果
$ w9 `7 h2 G0 v- l' `+ `% d1 D; |

# H% Q Y/ x* r' |+ s" |8 G2 a% q2 ?5 U2 Z3 @# e0 \+ @ z8 w$ e8 Q0 A3 G: ~. m0 A( K% K% T Y3 x* t$ p4 N0 Y7 h' o w; O4 Z _4 J5 Y4 ~8 q! \6 k/ L4 y" q# w% {+ h3 \. ~3 c; P7 A2 ~' c* l. U) X; B: X: @ z/ i2 T1 T1 l+ f! Y" H2 S9 o) |4 Z7 u" S0 l1 e& n# J% L) J' s5 n; f1 j. y' i+ K a, V( @; F1 E4 Z) p( u. R9 F5 ^+ R9 z2 [! D* a7 D$ T' L0 w# y- K R/ M/ `+ r% B9 k$ D' I& u7 ] U2 Q, P& W. M( L5 f- m# h, h0 k" P9 r" D9 V8 L; t% E& h- o* P: n& y7 C$ r, O0 T) l: k/ Y: ^* v; @- O: E# j v( N0 }) m" p9 z0 I+ I) G" w7 e- Y$ S0 b7 o0 h3 s @+ r( M$ w! i' z1 d, O+ W7 }1 ?! z) I/ \' ], K8 i# Q$ t/ ?; X/ T6 w' p6 s4 w2 X( Q) P# j0 r+ K0 d# O, W! c% v! S3 c4 M' v& b6 J. m! V/ }) w: C7 t) d0 e8 H: {3 r1 o) L0 j3 i8 H3 K. M3 n8 G3 j' I% b( p* N1 {; m5 g" y6 L! @, b6 [8 b3 ^0 }$ |: G( t" J, z6 e. Z& @( N( \) D. i/ G' m5 C) X4 E

试验序号	切削转速(r/min)		进给量(mm/r)		背吃刀量(μm)		表面粗糙度Ra(μm)
1	800		3		5		0.012
2	800		2		1		0.010
3	800		1		3		0.011
4	1000		3		3		0.013
5	1000		2		5		0.012
6	1000		1		1		0.010
7	1500		3		1		0.013
8	1500		2		3		0.009
9	1500		1		5		0.010
表面粗糙度Ra	Ⅰ/3	0.0110		0.0127		0.0113	-
	Ⅱ/3	0.0117		0.0103		0.0110	-
	Ⅲ/3	0.0107		0.0103		0.0110	-
	极差	0.0010		0.0024		0.0003	-

从表3的极差分析可知，进给量对表面粗糙度影响最大，极差为0.0024；切削速度的影响次之，极差为0.0010；背吃刀量影响最小，极差仅为0.0003。工件转速为1500r/min时，被加工表面粗糙度值最小。在试验条件下，获得最低表面粗糙度的切削用量组合为：n=1500r/minf=2mmap=3μm。

在机床、刀具和试件不变时，以最佳切削用量组合进行切削，切削出的试件在进口仪器电动轮廊仪上测定，表面粗糙度为Ra0.009μm。对于切削加工，这个表面粗糙度值是相当低的，已实现精密加工，获得镜面。

另外，在实验中，我们也结合考察了刀具状况及其工作环境对Ra的影响。

4结论

（1）在上述试验条件下，已达到Ra<0.015μm，实现了镜面车削。

（2）切削用量三要素对Ra的影响情况：切削用量对Ra的影响都较小，ap的影响几乎可以忽略。

（3）刀具本身的状况对Ra影响较大。

①刀具的刃磨质量。天然金刚石是具有各向异性的材料，存在着硬面和软面，因此对于新的金刚石，必须找出正确的金刚石刀具刀刃的位置和研磨方向，先研磨出一个基准面，再以此为基准刃磨其他各面，这样才能磨出锋利的耐用度极高的金刚石刀具；另外，刀面和切削刃的表面粗糙度，对工件加工表面的Ra有直接影响。因此，刀具前刀面与后刀面的粗糙度必须小于工件所要求的表面粗糙度；刀具的强烈磨损，也将使加工表面粗糙度增大。尤其是副切削刃上的边界磨损，对加工表面粗糙度的影响更为严重。

②刀具的几何参数。刀具应采用较大的刀尖圆孤半径，较小的副偏角kr，对减小Ra甚为有效；刀具前角对Ra的影响不大。

（4）工件材料的组织结构对Ra也有一定的影响。由于金刚石镜面车削时的背吃刀量较小，刀刃可深入到晶粒内部进行穿晶式切割，因此工件材料本身的匀质性和微观缺陷对表面粗糙度有重大影响。而且，由于切屑是崩碎的，晶粒易从工件表面脱落形成凹痕，单晶Ge的已加工表面粗糙度数值Ra比ZnSe的稍大。

（5）工作环境的影响。用切削加工方法进行精密加工时，工件表面极易被划伤，主要原因是屑片未能及时排除，以及空气中存在尘埃所致。因此，一方面要在净化间工作，以防止尘埃进入工作区域；另一方面，为保证尺寸的稳定性，必须在恒温室内进行加工。同时，如果条件允许，应喷注充足的冷却润滑液，以及时冲走屑末。

（6）从实验和分析得知，晶体材料的镜面车削反映的是综合的制造工艺技术。只有制造工艺系统具有整体的高水平，才能顺利实现镜面加工。