一种软脆材料镜面加工的超精密斜角车削方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于精密和超精密切削加工方法，具体涉及一种适合于软脆材料的车削方 法。
【背景技术】
[0002] 近年来，由于空间技术的进步、国防尖端科技的发展以及军事科学领域的迫切需 求，有关红外光学材料的特性研究及相应光学元器件的加工问题，备受世界各国的关注。该 材料能使红外光线发生折射、反射和透射效应，改变其强度、相位或光谱成分，乃至传播方 向等，从而可达到按预设要求控制红外光束在其中传输规律的目的。因此，在现代化武器 装备的迅猛发展过程中红外光学材料得到了更为广泛的应用，如军用小型激光器、大功率 激光器窗口、热像仪的透镜窗口、各种先进武器的光电系统窗口、导弹整流罩以及新型隐身 战机的表面涂层等，尤其在精确制导武器领域其已成为不可缺少的关键材料。同时，在民 用科技领域，该材料的应用也十分广泛，如各种民用半导体材料、红外探测器、微型制冷机 (器）、微型杜瓦、红外光学镜片以及全系列红外光学系统等。此外，在计算机和光纤通讯产 业中，红外光学材料器件的应用则更为普遍，如高集成度的微电子芯片材料，高传输率、低 耗能的红外光学纤维，多种长波红外光学元件，以及超音速飞机、导弹、卫星等各类跟踪、遥 感和远程通讯设备的核心光学器件等。由此可见，红外光学材料的研究将给现代科技、国防 工业以及国民经济带来为广泛的实用价值和巨大的经济效益。
[0003] 在红外成像、红外制导技术领域中，CVD ZnS多晶材料因具备优良的光学和力学性 能而成为大多数长波红外窗口、整流罩和光学透镜元件制造的关键材料。尤其是覆盖了全 波段的多光谱ZnS晶体，可以用来实现光电探测系统的多波段共口径透射功能，这也预示 了该领域未来发展的新方向。因此，对ZnS材料制备工艺的研究、物理和化学特性的研究及 其加工性能和方法的研究等相关问题，已逐渐成为世界各国学者们追逐的热点内容。然而， 在优质ZnS晶体材料的制备工艺及加工方面，人们均已取得了一定的研究成果。对于ZnS 多晶材料制备方法，现在主要采用化学气相沉积工艺（CVD)获取，所生成的CVD-ZnS具有两 种规格：一种是通过"CVD生长-热等静压（HIP)处理"的加工工序而获得外观清澈透明、光 学性能优异的ZnS晶体，称为多光谱ZnS晶体或M-ZnS ;另一种则因未采取HIP处理而呈现 橘黄色，其光学性能相对较弱但机械特性良好，称为标准ZnS晶体或S-ZnS。M-ZnS晶体具 有0. 35~14. 0 μ m全波段的红外透射能力，而S-ZnS晶体则通常用来制备长波红外8. 0~ 12. 0 μ m波段的光学窗口和器件。通过分析ZnS晶体的加工特性可知，其属于软脆多晶材 料，难于进行机械加工。国内对该材料采取的加工工艺，以借鉴光学玻璃的镜面加工方法为 主，即按照"缺陷检测一切割一粗磨一精磨一抛光"的工艺路线进行加工，再根据ZnS材料 的特殊性能（如晶体各向异性、材料的软脆特性等）进行相应的经验调整，进而能够实现简 单元器件的制造，但工艺较为复杂，生产效率低，且工件亚表层损伤问题显著。此外，在ZnS 多晶材料的SPDT加工过程中，往往在切削表面上形成大量的麻点或凹坑等微缺陷，使得其 表面粗糙度和面型精度难以保证，这些均给ZnS光学镜面的车削加工带来了很大困难。
[0004] 近几年，随着单点金刚石超精密车削技术（sroT)的日趋成熟，人们对红外光学元 件使用需求的迅速增加，尤其是对一些具有微结构的光学元件（如菲涅尔透镜、光栅阵列 及波导光学衍射元件等）的特殊需求，使得常规加工工艺不能满足其制作要求，迫切需要 一种高精度、高效率、低成本、工艺简单的方法来实现其加工目标。目前国内也有多家单位 在从事ZnS材料的SPDT超精密车削加工技术研究，但限于加工技术水平和加工经验的不 足，尚未获得较为理想的镜面加工效果，其存在的典型问题为在车削后ZnS光学镜面的表 面存在较多的麻点和随机突显的表面凹坑，导致其不能达到光学镜面加工质量要求。多晶 ZnS材料脆性大、硬度低，采用金刚石车削技术加工复杂曲而时，虽然能够保证形状精度的 要求，但由于该晶体的高脆性，在车削过程中材料表层很容易发生破碎和崩裂，并造成严重 的亚表面损伤，表面粗糙度较难控制。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是要解决现有软脆材料镜面加工过程中材料表层很容易发生破碎 和崩裂，并造成严重的亚表面损伤和表面粗糙度的问题；而提供一种软脆材料镜面加工的 超精密斜角车削方法。
[0006] -种软脆材料镜面加工的超精密斜角车削方法，具体是按以下步骤完成的：
[0007] -、前期准备：严控超精密加工机床周围的环境温度、湿度和洁净度，温度控制 23°C ±0. 1°C，湿度控制45% ±5%，洁净度达到1000级以上；
[0008] 二、机床预热：启动超精密加工机床，待机预热至超精密加工机床的性能稳定为 止；
[0009] 三、抛光预处理：对多晶ZnS材料进行抛光预处理，得到抛光预处理后的多晶ZnS 材料；
[0010] 四、安装：通过高精度气浮主轴吸盘安装抛光预处理后的多晶ZnS材料，然后 安装天然金刚石刀具I，所述的天然金刚石刀具I的前角γ = -30°，刀尖圆弧半径 R>2000 μ m，并完成对刀和主轴动平衡调整；
[0011] 五、粗切：开启切削液喷头，采用高纯度酒精喷雾加工；设置参数：apl= 6. Oynbf1 =2 μπι/r，n = 2000r/min，apl为切削深度，f i为走刀量，η为超精密加工机床主轴转速，在 apl= 6. 0 μπι、f i= 2 μπι/r和n = 2000r/min条件下对抛光预处理后的多晶ZnS材料进行 粗切，得到表面粗糙度为Sa= 30nm±5nm的多晶ZnS材料；
[0012] 六、半精切：设置参数：apl= 4. 0 μπι，f i= 2 ym/r，n = 2000r/min，a pl为切削深 度，fi为走刀量，n为超精密加工机床主轴转速，在a pl = 4. 0 μ m、f i = 2 μ m/r和η = 2000r/ min条件下对表面粗糙度为Sa = 30nm±5nm的多晶ZnS材料进行半精切，得到表面粗糙度 为Sa= 20nm±5nm的多晶ZnS材料；
[0013] 七、斜角车削：关闭切削液喷头，拆下前角γ =-30°、刀尖圆弧半径R>2000 ym 的天然金刚石刀具，采用精密分度卡具紧固天然金刚石刀具II，所述的天然金刚石刀具II 的刀尖圆弧半径R = 750 μπι，前角γ =-30°，在λ =0°~-50°之间调整天然金刚石 刀具II刃口的倾斜角度，λ为天然金刚石刀具Π 刃口的斜切角度，实现后续的斜角车削加 工，得到斜角车削后多晶ZnS材料，定义天然金刚石刀具II偏转方向朝向表面粗糙度为S a =20nm±5nm的多晶ZnS材料的待加工表面为负值；
[0014] 八、精切：首先完成天然金刚石刀具II的对刀操作和主轴动平衡调整，然后设置参 数：apl= L 0 ym，f i= 2 ym/r，n = 2000r/min，apl为切削深度，f i为走刀量，η为超精密加 工机床主轴转速，开启切削液喷头，采用高纯度酒精喷雾加工，在apl= LOynuf1= 2 μm/ r和η = 2000r/min条件下斜角车削后多晶ZnS材料进行精切，精切过程中应特别注意各种 振动反馈信号，尤其是沿主轴轴向的工件与刀具接触振动，至加工完成，关闭切削液喷头， 停机取件，用酒精清洗并保存，即完成软脆材料镜面加工，得到镜面多晶ZnS材料。
[0015] 本发明与现有抛光技术相比具有以下的有益效果：一、本发明提供了一种软脆材 料镜面加工的超精密斜角车削工艺，基于实际加工要求调整圆弧刃金刚石刀具的刃口朝 着待加工表面方向偏转一个小角度，这不仅对改善加工中的排肩和散热条件十分有益，而 且还有利于刀具寿命和加工质量的提高。二、本发明采用精密卡具改变刀具的斜切角度 完成了对软脆ZnS晶体的车削加工，发现随着刀具刃口斜切角度的逐渐增加 （λ =0° 到-50° )，工件的加工表面质量显著得到改善，即加工表面粗糙度&从18. 2nm降到了 7. 5nm，尤其当斜切角度λ超过-30°以后，其加工过程很少形成较大粒度的粉末切肩，且