單點金剛石飛切技術的縱向紋路形成機理研究及抑制措施

金波佳， 張劍鋒

（中國工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽621900）

0 引 言

單點金剛石飛切技術是指使用經過超精密修拋成形的金剛石作為切削刀具并固定于高速旋轉的機床飛刀盤上，工件相對低速進給的微量切削方式[1]。圖1為SPDF加工KDP晶體原理圖，工作臺帶動KDP晶體做低速直線進給運動，固定于飛刀盤上的金剛石刀具在主軸電動機驅動下做高速圓周運動，對KDP晶體元件作微量切削，獲得高精度表面[2]。

1 縱向紋路

圖1 SPDF加工原理

單點金剛石飛切機床主軸系統一般采用大面積高精度空氣靜壓止推軸承支持，力矩電動機直接驅動主軸旋轉，避免中間聯軸節引入傳動誤差及振動；機床工作臺采用液體靜壓導軌支承和高精度直線電動機驅動，保證工作臺具有很好的運動剛度和低速平穩性能[3]。使用單點金剛石飛切機床切削工件時，兩把金剛石刀具存在一高度差，因此只有其中一把刀具進行切削，并且主軸每旋轉一周，刀具只有大約1/4的時間處于切削狀態[4]。加工大口徑KDP晶體，元件透射波前畸變上主要表現為圖2所示的中頻小尺度波紋誤差：其特征是沿進給方向的縱向紋路，該紋路幅值在15～40 nm之間，空間周期15～25 mm，對其進行2.5～33.0 mm帶通濾波后RMS值約9.6 nm，該縱向紋路對元件的光學性能存在明顯的影響。

圖2 單點金剛石飛切KDP晶體產生的小尺度波紋誤差

2 縱向紋路形成機理研究

2.1 縱向紋路的特征

在單點金剛石機床上加工方形大口徑KDP晶體和方形鋁鏡，都會加工出表現一致的縱向紋路，如圖3（a）所示。在圖中整個元件大面部分的紋路為平行的直線波紋，間距約為18 mm，沿切削方向紋路幅值逐漸衰減，紋路最大幅值約40 nm；底邊切入區與頂角切出區紋路出現打折現象。加工圓形鋁鏡，鋁鏡面形檢測結果如圖3（b）所示，紋路為圓弧狀，間距為18～20 mm，最大幅值達40 nm，彎曲方向與切入邊一致。在不同的單點金剛石機床上加工同一鋁鏡，表面也會出現明顯的縱向紋路，唯一區別是紋路空間周期和幅值互不相同。

圖3 鋁鏡表面不同的縱向紋路

2.2 縱向紋路形成機理

表1 不同主軸轉速下縱向紋路空間周期

在加工的KDP晶體透射波前畸變和鋁鏡面形上都能觀察到表現一致的縱向紋路，同時在不同的單點金剛石機床上都會產生該現象，說明縱向紋路的產生與單點金剛石飛切原理相關。在同一臺飛切機床上使用不同的轉速加工鋁鏡，鋁鏡表面縱向紋路空間周期如表1所示，空間周期與轉速基本成正比關系，因此可以確定縱向紋路的產生與機床的固有特性相關。

使用非接觸式精密位移傳感器測量機床主軸在加工鋁鏡時的Z向位移，圖4所示為在機床主軸旋轉一個周期內的實驗結果，可以發現，在加工鋁鏡時機床主軸Z向位置發生了沖擊振動，振動周期經換算后與鋁鏡表面縱向紋路空間周期一致。金剛石刀具飛切鋁鏡或晶體時，在主軸旋轉周期內只有大約1/4的時間刀具處于切削狀態，因此在切削過程中整個機床主軸會受到不斷的間斷切削力沖擊，產生周期性的受迫振動，使得刀具和工件之間的距離發生周期性的變化，因而在工件表面“復印”出周期性的縱向紋路。

3 縱向紋路的抑制措施

機床的固有動態特性主要由機床各部分的質量及剛度決定，在質量很難改變的情況下，設法改變不同部件間的剛度，以探索縱向紋路的抑制辦法。

圖4 單點金剛石飛切機床加工鋁鏡時主軸Z向位移趨勢

首先考慮最容易實現的改變機床刀架與刀盤之間的接觸剛度，刀架與刀盤采用直接的剛性面接觸后使用螺栓固定，為降低其接觸剛度，在刀架與刀盤接觸面之間增加一柔性薄膜層，如圖5所示，通過實測刀架相對于刀盤的Z向剛度減小至約12.3 N/μm。在該種情況下加工方形鋁鏡，檢測鋁鏡面形如圖6所示，鋁鏡表面存在明顯的縱向紋路，周期約25 mm，幅值沿切削方向逐漸衰減，最大幅值約360 nm。通過該種方法可以增大縱向紋路周期，進一步減小刀架與刀盤之間的接觸剛度，可以將縱向紋路周期擴大至對光學性能影響不大的頻段之外，但此時紋路幅值達數百納米，已經影響透射波前低頻指標，因此該方法不可取。

圖5 改變刀架與刀盤之間的接觸剛度

圖6 方形鋁鏡面形檢測結果

在減小剛度的同時，縱向紋路周期會有所擴大，但幅值也會相應增大，為保證幅值最小，需要將振動系統質量最大化，以同時兼顧縱向紋路周期和幅值。因此考慮減小機床橫梁與立柱之間的接觸剛度，此時振動系統包括了機床橫梁、主軸、刀盤及刀架等。機床橫梁采用三點支撐，每一點處有楔形升降機構以實現對橫梁垂直度的調節，如圖7所示，在橫梁與立柱之間增加一柔性連接，改變其接觸剛度。在該種情況下加工鋁鏡，檢測鋁鏡面形如圖8所示，鋁鏡表面存在較明顯的縱向紋路，但紋路周期約55 mm，紋路幅值約20～40 nm。此時縱向紋路周期在敏感頻段之外，其幅值對低頻P-V誤差的影響輕微。采用真空吸附方式加工KDP晶體，檢測元件透射波前畸變，如圖9所示，存在輕微的縱向紋路，周期約55 mm，幅值約40 nm，已經能夠滿足該晶體元件的性能指標。

圖7 改變立柱與橫梁之間的接觸剛度

圖8 方形鋁鏡面形檢測結果

圖9 晶體元件透射波前畸變與PSD1

4 結 論

本文針對超精密飛刀切削機床加工大口徑KDP晶體元件時出現的縱向條紋問題開展研究，通過變工藝參數、變元件形狀，以及觀察不同位置的條紋形態等方式，推斷了這種條紋是由于機床固有的振動特性所導致。進而通過嘗試改變不同部件間結合剛度的方式調整機床的固有振動特性，使縱向條紋的頻率和幅值發生變化，并尋找到能夠獲得合格加工精度的機床狀態，提高了光學元件的使用性能，具有較高的工程應用價值。