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为了获得高质量的ZnS晶体加工表面,采用SPDT技术对ZnS晶体的工艺实验中,主要考虑加工参数与刀具参数对加工表面质量的影响。无论是飞切加工实验,还是车削加工实验,都采用了参数不同的金刚石刀具和不同的加工参数,对ZnS平面进行了加工。ZnS晶体均为口径为Φ50 mm,厚度为10 mm的ZnS平面元件。该实验所采用的加工设备为Precitech公司的单点金刚石车床Nanoform 700 Ultra。表面粗糙度检测设备为Zygo公司的Newview 8200。所有的加工与检测实验均在万级超净间中完成,温度变化范围为22 ℃±1 ℃,湿度为45%~55%RH。
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为了保持初始参数的一致性,每次加工前,都采用相同的参数对ZnS平面元件进行粗加工,获得相对一致的初始参数。采用前角为−25°,半径为1 mm的刀具,加工参数为:主轴转速为1000 RPM,切削深度为6 μm,进给速率10 mm/min。加工后用白光干涉仪和显微镜对其表面质量进行检测,获得的检测结果如图4所示。如图所示,其表面粗糙度Sa=74.516 nm,Sq=109.283 nm,远远没有达到光学元件应用的要求。从图4(b)可以看出,其表面有很多斑纹,这是由于加工过程中的脆性形变造成的。脆性形变的存在,导致在工件表面容易产生裂纹与崩裂,这也是车削加工ZnS元件常见的问题。
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首先分析了刀具参数对ZnS元件加工表面质量的影响。负前角的金刚石刀具能够有效抑制脆性形变的产生,故在ZnS晶体元件的加工过程中,全部采用负前角刀具进行加工。常见负前角金刚石刀具的前角为-15°与-25°,为此,笔者等在实验中使用的三把金刚石刀具的参数如下表所示。
采用如表1所示的三把金刚石刀具对ZnS平面元件进行飞切加工,所采用的加工参数为:主轴转速2500 RPM,切削深度2 μm,进给速率0.5 mm/min。加工完成后,用Zygo NewView 8200白光干涉仪进行检测,粗糙度用Sa进行评价,其数据分布如图5所示。
Diamond tool Rake angle/(°) Arc radius/mm Tool 1# −25° 1.056 Tool 2# −15° 0.755 Tool 3# −25° 5.000 Table 1. Diamond tool of different parameters
Figure 5. Roughness test results of ZnS flat element processed by fly-cutting with different parameters of diamond tools
如图5所示,将ZnS平面用三把不同参数的金刚石刀具采用同样的参数进行飞切加工后,其表面粗糙度Sa值都差不多,在1~2 nm的范围内。该结果表明,采用−15°或−25°,不同半径的金刚石刀具,均能获得较好的表面粗糙度。后续实验中,主要采用刀具1进行加工,其参数为前角−25°,刀具圆弧半径1.056 mm。采用该刀具,下面主要对飞切加工ZnS平面的加工参数进行研究,包括主轴转速、切削深度和进给速率。在这三个加工参数中,采用单一因素变量法进行研究。
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常见的SPDT的主轴转速范围为0~10000 RPM。实验中,结合前期加工经验以及加工过程稳定性,选择主轴转速的变化范围为1000~3000 RPM,同时,固定其进给速率为10 mm/min,切削深度为6 μm。加工得到的数据如图6所示。
从图6所示的表面粗糙度检测结果可以看出,当进给速率与切削深度相同时,不同的转速可以得到不同的表面粗糙度。随着主轴转速的逐渐增加,表面粗糙度迅速减小。特别是在1000~2500 RPM范围,粗糙度Sa变化的幅度非常大,直接从100 nm减小到10 nm左右。但在2500~3000 RPM范围内,虽然表面粗糙度Sa有所减小,但幅度却变缓了很多,说明此时主轴转速已经不是主要的影响因素了。
重复此实验,当进给速率为2 mm/min,切削深度为2 μm时,同样让主轴转速在1000~3000 RPM内变化,加工后的ZnS平面的表面粗糙度检测结果如下图所示。其粗糙度变化趋势也和图4类似,表明当主轴转速到2500~3000 RPM时,转速对表面粗糙度的影响就不再明显了。在后续的加工实验中,均采用主轴转速为2500 RPM。
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切削深度也是重要的加工参数。在研究切削深度对加工表面的粗糙度的影响时,同样采用单一变量法,选择主轴转速为2500 RPM,进给速率为2 mm/min。切削深度的变化范围为0.5~4 μm。加工后,粗糙度检测结果如图7所示。
从图4为所示的表面粗糙度检测结果可以看出,切削深度在0.5~4 μm范围内变化时,加工获得的粗糙度Sa均为2 nm左右,表明在主轴转速为2500 RPM,进给速率为2 mm/min时,切削深度变化对表面粗糙度的影响不大。但从图4中可以看出,当主轴转速为2500 RPM,进给速率为2 mm/min,切削深度为6 μm时,加工后的ZnS平面的表面粗糙度Sa明显大一些。说明切削深度也不能太大,只是在一定范围内变化时,其对表面粗糙度的影响不明显。后续加工实验中,均采用切削深度为2 μm。
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通过前面的实验,基本确定了飞切加工ZnS平面元件时,较优的加工参数的主轴转速为2500 RPM,切削深度为2 μm。当保持这两个参数不变时,让进给速率在0.5~4 mm/min内变化,对ZnS平面进行加工,对应的粗糙度检测结果如图8所示。
根据图8所示的粗糙度检测数据,当主轴转速为2500 RPM,切削深度为2 μm时,较小的进给速率得到的表面效果较好。同时,进给速率在0.5~2 mm/min变化时,表面粗糙度的变化不明显,但当进给速率增大到4 mm/min时,其表面粗糙度明显增大。所以在飞切加工ZnS平面时,较小的进给速率能过获得更好的表面粗糙度。
结合以上四组对比实验,现采用主轴转速3000 rev/min,切削量2 μm,进给速率0.5 mm/min优化参数进行加工,可以得到表面粗糙度Sa=1.078 nm,Sq=1.727 nm的ZnS元件,如图9所示。
但在实际加工中,考虑加工效率,不能将进给速率无限减小,即使采用进给速率为0.5 mm/min,加工时间也很长,但粗糙度却比进给速率为2 mm/min时提升不明显,故很少采用此参数。一般而言,在飞切加工ZnS平面时,采用进给速率为2 mm/min(同时,主轴转速为2500 RPM,切削深度为2 μm),就能得到表面粗糙度Sa优于2 nm的高质量平面。
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采用车削方式对ZnS晶体平面元件进行加工,同样需要采用负前角刀具,在此,采用如表1所示的刀具2#进行加工(此时刀具1#由于飞切实验而产生磨损),其对应参数为前角−15°,刀具圆弧半径0.753 mm。实验过程与飞切实验类似,同样采用单一变量法,对主轴转速、进给速率、切削深度进行研究,分别获得的表面粗糙度检测结果如下所示。
如图10所示的不同加工参数下检测获得的粗糙度检测结果可以看出,主轴转速和进给速率对表面粗糙度的影响比较大。如图所示,较快的主轴转速与较慢的进给速率有利于得到高精度的表面粗糙度。高转速与慢进给能够产生较大的切削力,则能抑制ZnS晶体表面产生脆性形变,从而有利于提高表面粗糙度。对于切削深度而言,结合图10(c)的检测数据,当其小于6 μm时,其对表面粗糙度的影响不大。但如果将切削深度继续增加,则会导致脆性形变的产生,破坏表面质量。通常而言,车削加工ZnS晶体时,切削深度一般为2~4 μm即可。最后,采用主轴转速3000 RPM,进给速率0.5 mm/min,切削量在2 μm,可以得到较好的表面,其中表面粗糙度Sa=1.000 nm,Sq=1.223 nm的ZnS晶体平面元件。
Processing technology of cutting ZnS crystal
doi: 10.3788/IRLA20190567
- Received Date: 2020-11-11
- Rev Recd Date: 2020-04-16
- Available Online: 2020-07-23
- Publish Date: 2020-07-23
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Key words:
- ZnS crystal /
- cutting /
- fly-cutting /
- roughness
Abstract: With the wide application of ZnS crystal optical elements in infrared optical system, the surface quality of ZnS crystal optical elements is more and more demanding, but due to the brittleness of the material, it is difficult to obtain high quality surface roughness. In order to obtain high quality surface of ZnS crystal, the principle of cutting and fly-cutting based on single point diamond lathe was introduced, as well as the factors affecting surface roughness. And then the influence of different parameters of diamond tool and different processing parameters on the surface roughness of ZnS flat element was studied by single variable method through process experiment. The quality of the machined surface was tested by microscope and white light interferometer, and the processing parameters were optimized by feedback. Finally, based on the optimal processing parameters, high quality ZnS flat optical elements with surface roughness Sa of about 1 nm were obtained in the both different methods. The results provide technical support for the development of high quality optical elements of ZnS crystal and have good engineering application value.