吉日嘎蘭圖

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

機(jī)械刻劃光柵是由刻劃刀具劈型刃對光柵基底上的鋁膜或金膜進(jìn)行擠壓、擦光，使其發(fā)生形變而形成階梯形狀規(guī)則刻槽的過程，且在刻劃過程中不會產(chǎn)生切削現(xiàn)象［1］。在刻劃大型光柵時，刻劃刀具的使用壽命極為重要，是決定大型光柵刻劃制作成功與否的關(guān)鍵因素之一［2-3］。例如，刻制一塊尺寸為 400 mm×500 mm、刻線密度為79 gr/mm的中階梯光柵，需要的刻程為15.8 km。

天然金剛石由于其特殊的物理化學(xué)性能，具備了特有的抗磨損性能，從而成為各種光柵刻劃刀具材料的首選。然而，金剛石晶體本身具有很強(qiáng)的各向異性性質(zhì)，在不同的晶面及晶向上的耐磨性不盡相同，因此設(shè)計金剛石光柵刻劃刀具時應(yīng)首先考慮金剛石晶體在刀具刃口各位置的取向問題。光柵刻劃刀具刃口金剛石晶體取向設(shè)計應(yīng)基于兩方面因素:(1)在光柵刻劃過程中，光柵刻劃刀具刃口各位置的應(yīng)力分布情況;(2)金剛石晶體各晶面的抗磨損性能。

在其他材料表面微成型加工領(lǐng)域，如微切削、微銑削、納米劃擦等金剛石刀具刃口各位置的應(yīng)力分布情況及其刀具刃口取向設(shè)計研究的相關(guān)報道已越來越多［4］。但是，國內(nèi)外基于擠壓、擦光模式工作的光柵刻劃刀具刃口各位置的應(yīng)力分布情況及其刀具刃口取向設(shè)計研究報道較少。國外文獻(xiàn)曾介紹金剛石刻劃刀具的晶向取向方案［2，3，5］，都是一些大致的對稱方案，既沒有從定向面與非定向面的非對稱受力情況去分析設(shè)計，又沒有給出較為系統(tǒng)的理論計算結(jié)果。例如，PALMER等人在論文中提到Wood將金剛石晶體的兩個成71°夾角的(111)面對稱磨制成90°作為光柵刻劃刀主刃［5］。Davies等人提出了一種光柵刻劃刀具刃口取向方法，即:設(shè)計刀尖角為90°時，將由兩個成71°的(111)面對稱磨制而成;設(shè)計刀尖角為120°時，將由兩個成109°的(111)面磨制而成。上述文獻(xiàn)并未給出這樣做的具體依據(jù)。國內(nèi)光柵刻劃刀具的晶向取向設(shè)計基本都處于根據(jù)金剛石晶體(100)、(110)、(111)3個典型晶面上的傳統(tǒng)硬度分布曲線的設(shè)計方法［6］，但還不足以設(shè)計出抗磨損性能較高的刻劃刀來。

2009年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所承擔(dān)的國家重大科研裝備研制項目“大型高精度衍射光柵刻劃系統(tǒng)研制”啟動，大型中階梯光柵的刻劃任務(wù)提上日程。從光柵刻劃刀具刃口各位置的應(yīng)力分布情況及金剛石晶體本身各晶面、晶向的抗磨損性能等兩個方面出發(fā)，開展金剛石光柵刻劃刀具抗磨損設(shè)計方法研究日漸迫切。鑒于此，本文提出一種新型中階梯光柵刻劃刀具抗磨損設(shè)計方法，即采用DEFORM有限元分析軟件模擬中階梯光柵刻劃刀具在光柵刻劃過程中的應(yīng)力分布，并結(jié)合金剛石晶體解理及動態(tài)微觀抗壓強(qiáng)度理論設(shè)計抗磨損刀具刃口取向的方法，旨在為刻劃大型光柵用抗磨損金剛石刻劃刀具的研制提供有效的理論依據(jù)，同時通過試驗研究，驗證該方法的可行性和有效性。

2 光柵刻劃方式及刀具磨損形式

機(jī)械刻劃光柵方式見圖1，其槽形是在鋁膜或金膜上形成的，刀具各位置的應(yīng)力分布也是由鋁膜或金膜的屈服強(qiáng)度等材料的力學(xué)性能決定［7］。

圖1 光柵刻劃過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of grating ruling process

光柵鋁膜或金膜的蒸鍍是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，鋁膜或金膜材料的純度在99.7%以上［8］，蒸鍍后的厚度為1～12 μm，根據(jù)實際刻劃光柵槽形而定。采用CETR納米壓痕儀測試的鋁膜力學(xué)性能曲線見圖2，鋁膜的部分力學(xué)性能參數(shù)見表1。從顯微硬度的角度來說，金剛石最高顯微硬度(104 Gpa)是鋁膜顯微硬度(0.62 Gpa)的上百倍，可見互相作用的兩種材質(zhì)的顯著區(qū)別。

圖2 納米壓痕儀測試的鋁膜力學(xué)性能曲線Fig.2 Curves of mechanical properties on aluminum film measured by nanoindenter

表1 鋁膜的力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Parameters of mechanical properties on film

在光柵刻劃過程中，金剛石刻劃刀具在鋁膜上低速(約20～100 mm/s)擠壓、擦光，擠壓所施加的載荷非常小(約0.01～0.06 N)，且在光柵鋁膜表層均勻涂一層透平油(汽輪機(jī)油)，減小摩擦系數(shù)，提高擦光面的光潔度［6］。另外，光柵刻劃過程中，金剛石刀具與鋁膜的相互作用基本不產(chǎn)生熱。因此，光柵刻劃刀具的磨損形式與其他微加工領(lǐng)域的刀具磨損形式不盡相同。光柵刻劃刀具的磨損形式主要集中在刀具刃口4個位置，即主刃、定向面?zhèn)热?、非定向面?zhèn)热小⑷屑恻c，見圖1和圖3。另外，由于鋁膜蒸鍍質(zhì)量等原因也可能造成刃口蹦口失效。根據(jù)中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所多年的光柵刻劃經(jīng)驗，光柵刻劃刀具常見的磨損形式有非定向面?zhèn)热心p和非定向面?zhèn)热屑爸魅芯C合磨損，如圖4(a)和圖4(b)。未曾見過類似金剛石車刀坑蝕磨損等高速、高載荷切削加工工況中產(chǎn)生的磨損形式，而是低速、地載荷下擠壓、摩擦成型工況中產(chǎn)生的光滑磨損形式。

圖3 中階梯光柵刻劃刀具Fig.3 Ruling tool of echelle grating

圖4 光柵刻劃刀最常見的磨損形式Fig.4 Wear shape of ruling tool

3 壓痕及刻劃過程中鋁膜應(yīng)力分布

確定光柵刻劃過程中刀具刃口應(yīng)力分布，對抗磨損刀具的設(shè)計具有重要指導(dǎo)作用。因此，以刻線密度為79 gr/mm的中階梯光柵(以下簡稱“中階梯光柵”)，具體參數(shù)見表2。采用 DEFORM有限元軟件［9-10］，對刀具在鋁膜上壓出的壓痕應(yīng)力分布及刀具在刻劃過程中鋁膜上產(chǎn)生的實時應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬計算，其結(jié)果見圖5(a)和圖5(b)。

表2 中階梯光柵參數(shù)Tab.2 Parameters of echelle grating

壓痕應(yīng)力主要是由Z向產(chǎn)生的應(yīng)力，基本都集中在3條刃及刃尖對應(yīng)的位置上。光柵刻劃過程中產(chǎn)生的X、Y、Z三向應(yīng)力中，Z向應(yīng)力遠(yuǎn)大于其它兩個方向的應(yīng)力，且集中在刃尖點即非定向面?zhèn)热袑?yīng)的位置上，這與圖4(a)和圖4(b)的刀具磨損形式相符。另外，采用激光共聚焦顯微鏡測試的壓痕及槽形形狀也顯示出了壓痕及光柵刻劃時刀具在鋁膜上實際工作情況，見圖6。

圖5 壓痕應(yīng)力分布及刻劃過程實時應(yīng)力分布Fig.5 Indention stress distribution and real time stress distribution in grating ruling process

圖6 激光共聚焦顯微鏡測試的壓痕及槽形Fig.6 Indentation and groove measured by confocal laser scanning microscopy

4 刀具刃口晶體取向設(shè)計

根據(jù)金剛石晶體的原子結(jié)構(gòu)，其周期鍵連(PBC)方向，即(111)晶軸方向的結(jié)合強(qiáng)度最大。因此，應(yīng)將刀具的工作方向(即圖7所示的光柵刻劃方向)設(shè)置于金剛石晶體的PBC方向上，金剛石典型的八面體晶體結(jié)構(gòu)及其PBC方向(F-D和C-E方向)見圖8。

圖7 鋁膜對刻劃刀具各位置的相對摩擦滑動情況Fig.7 Relative friction on tool produced by aluminum film

將圖7中的刀具，通過刃尖點(Ⅲ)，用垂直于刻劃方向的面切開，然后將金剛石晶體PBC方向與刻劃方向平行，即可得到以金剛石晶體PBC

圖8 金剛石八面體晶體結(jié)構(gòu)及其PBC方向Fig.8 Octahedron structure and PBC direction of diamond

方向為中心的無數(shù)個定向方案。然而，金剛石晶體具有顯著的(111)晶面解理特征，開裂角(即解理面與受力方向的夾角θ)從0°～90°變化時，金剛石晶體解理開裂傾向逐漸增大。當(dāng)開裂角為0°時，出現(xiàn)解理裂開傾向最小;當(dāng)開裂角為90°時，最易出現(xiàn)解理情況。金剛石刻劃刀具在研磨過程中產(chǎn)生的明顯的解理情況見圖9。

圖9 金剛石晶體解理開裂Fig.9 Cleavage of diamond crystal

圖10 抗磨損金剛石刻劃刀具晶體取向選擇方法Fig.10 Crystal orientation method of wear resistant diamond grating ruling tool

根據(jù)金剛石晶體的(111)晶面解理特征，為了提高刀具最易磨損位置的耐磨損性能，應(yīng)將刀具刃口受Z向載荷N最大的位置即刃尖點設(shè)計于金剛石晶體(111)晶面解理失效趨勢最小的方向上，非定向面與(111)晶面成27°，定向面與(111)晶面成63°，如圖10所示。圖10中，綠色實線所示的為刀具通過刃尖點(Ⅲ)，垂直于刻劃方向的橫截面;粉色的虛線為八面體金剛石通過兩個頂點，按(110)晶面切開的橫截面，四個周邊與(111)晶面平行;藍(lán)色虛線與(110)晶面平行;紅色點劃線與(100)晶面平行;紅色箭頭所示的方向為刀具向鋁膜加載的方向，載荷大小為N。

5 實驗結(jié)果

本文提出的刀具刃口晶體取向方案是以中階梯光柵為例，針對其刃口結(jié)構(gòu)及刻劃工藝特性而量身設(shè)計的刀具刃口晶體取向方案。此方案是否提高中階梯光柵刻劃刀具抗磨損性能，只能通過相應(yīng)的實際光柵刻劃試驗來加以說明。鑒于此，本文選用了0.074 4 g，純度及透明度較高的近似八面體形狀的單晶天然金剛石作為刀頭材料，采用了進(jìn)口MWL110-X射線晶體定向儀確定了其各晶向，并研磨出焊接面。根據(jù)刀具刃口晶體取向方案，結(jié)合金剛石晶體定向結(jié)果，以金剛石焊接面將金剛石真空焊接于事先準(zhǔn)備好的刀體上。金剛石焊接后，以刀體的安裝軸及面為基準(zhǔn)，在MWL110-X射線晶體定向儀上進(jìn)行金剛石焊接誤差確定。通過刀體安裝基準(zhǔn)的修正，最終實現(xiàn)了刀具刃口定向制作誤差為2°以內(nèi)。刃磨制作的中階梯光柵刻劃刀具幾何尺寸:刃長為2.5 mm，定向角為63.5°，刀尖角為87°，倒角為25°;在460倍體式顯微鏡下觀察，刃線細(xì)而清晰，表面光潔度好，刃口及刃尖點未見崩口等缺陷，刃口質(zhì)量好。

中階梯光柵刻劃刀具抗磨損試驗采用了單塊幾何尺寸均為110 mm×110 mm×10 mm的光柵毛坯，蒸鍍鋁膜厚度約為11 μm。試驗采用的光柵刻劃機(jī)為中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所1號刻劃機(jī)，此刻劃機(jī)精度高，穩(wěn)定性好。將準(zhǔn)備好的中階梯光柵刻劃刀具以安裝基準(zhǔn)正裝于1號刻劃機(jī)刀架上，通過鋁膜上的壓刃試驗來確定其方位角及俯仰角是否準(zhǔn)確，如不準(zhǔn)確，可微調(diào)方位角及俯仰角來達(dá)到準(zhǔn)確性要求。

刀具安裝準(zhǔn)確后，在鋁膜上均勻涂一層透平油，分別采用 52、62、72、82 g等負(fù)載，進(jìn)行試刻劃，再將幾種負(fù)載下刻劃的試段進(jìn)行檢測，并對比分析，發(fā)現(xiàn)采用72g負(fù)載時試段基本全槽，且槽形輪廓整齊。因此，統(tǒng)一選用了72 g刀具刻劃負(fù)載，在27塊尺寸為110 mm×110 mm×10 mm的光柵毛坯上進(jìn)行了中階梯光柵刻劃刀具抗磨損試驗。

每次刻劃完成一塊試驗中階梯光柵，都在白光燈下觀察其衍射條紋和在激光點光束下檢查其衍射斑，并進(jìn)行前后對比分析。本文設(shè)計制作的刀具經(jīng)刻劃完成第27塊中階梯光柵，光柵刻程超過17 km后，所刻劃中階梯光柵衍射條紋及衍射斑仍然清晰，與前面的試驗結(jié)果基本相同，其光柵衍射條紋及衍射斑見圖11。

圖11 中階梯光柵宏觀照片及衍射斑Fig.11 Picture and diffraction spot of Echelle grating

采用體視顯微鏡在460倍數(shù)下觀察并檢查刀具刃口情況，發(fā)現(xiàn)刃口線條基本未變化，定向面?zhèn)热邢啾扔谑褂弥奥宰兇?，未出現(xiàn)崩口及明顯的磨損等缺陷。經(jīng)判斷和檢驗，確定此刀具還可以繼續(xù)正常使用于中階梯光柵的刻劃。另外，刻劃中階梯光柵時刀具負(fù)載重，每次落刀時對刀刃的沖擊最大，落刀次數(shù)越多刀刃越容易磨損。本次試驗采用27塊尺寸為110 mm×110 mm的中階梯光柵毛坯，其落刀次數(shù)大約為216×103，而刻劃1塊尺寸為400 mm×500 mm的中階梯光柵，其落刀次數(shù)約為368×102。說明刻劃大尺寸中階梯光柵刻劃刀具使用壽命還有很大的提高空間。

6 結(jié)論

采用DEFORM軟件模擬了中階梯光柵刻劃刀具在光柵刻劃過程中的應(yīng)力分布，設(shè)計了抗磨損刀具刃口的取向。傳統(tǒng)刻劃刀具基本用于刻劃小尺寸(50 mm×50 mm)，高刻線密度(600～2 400 gr/mm)光柵，刻程一般為1.5～6 km，負(fù)載條件一般在5～30g;而刻劃大尺寸(400 mm×500 mm)，低刻線密度(79 rg/mm中階梯光柵)，刻程一般為15～20 km，負(fù)載條件一般在70～100 g。本文設(shè)計方案制作的79 rg/mm中階梯光柵刻劃刀具刻程超過了17 km，不僅超出了傳統(tǒng)刀具的使用壽命(刻程約為0.8 km)，也滿足了刻劃大尺寸中階梯光柵的要求。本文給出的設(shè)計方法對提高光柵刻劃刀具使用壽命具有重要指導(dǎo)意義。

［1］ 李英海，巴音賀希格，齊向東，等.用于衍射光柵刻劃的超精密金剛石刻刀的研制［J］.微細(xì)加工技術(shù)，2006，12:15-17.

LI Y H，BAYANHESHIG，QI X D，et al..The manufacture of ultra-precision diamond tool used the diffraction grating ruling［J］.Microfabrication Technology Processes，2006，12:15-17.(in Chinese)

［2］ PALMER E W，HUTLEY M C，F(xiàn)RANKS A，et al..Diffraction gratings［J］.Rep.Prog.Phys.，1975，38:975-1048.

［3］ DAVIES D A，STIFF G M.Diffraction grating ruling in australia［J］.A.Pplied Optics，1969，8(7):1379-1384.

［4］ 宗文俊.高精度金剛石刀具的機(jī)械刃磨技術(shù)及其切削性能優(yōu)化研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

ZONG W J.Mechanical lapping techniques and cutting performance optimization of high-accuracy diamond cutting tools［D］.Harbin:Harbin Institute of Technology，2008.(in Chinese)

［5］ VERRILL J F.The effects of diamond wear on the production and properties of ruled diffraction gratings［J］.J.Phys.E:Sci.Instrum.，1982，15(5):16.

［6］ 祝紹箕，鄒海興，包學(xué)誠，等.衍射光柵［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

ZHU SH J，ZOU H X，BAO X CH，et al..Diffraction Gratings［M］.Beijing:Machinery Industry Press，1986.(in Chinese)

［7］ 蔡錦達(dá)，王英，顏廷萌，等.衍射光柵刻劃機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)［J］.光學(xué) 精密工程，2012，20(11):2416-2423.

CAI J D，WANG Y，YAN T M，et al..Closed-loop control system for diffraction grating ruling machine［J］.Opt.Precision Eng.，2012，20(11):2416-2423.(in Chinese)

［8］ 韓建，巴音賀希格，李文昊，等.全息光柵制作中光柵掩模槽形形狀隨光刻膠特性曲線的演化規(guī)律［J］.光學(xué)精密工程，2012，20(11):2380-2388.

HAN J，BAYANHESHIG，LI W H，et al..Groove profile evolution of grating masks for different photoresist response curves in fabrication of holographic gratings［J］.Opt.Precision Eng.，2012，20(11):2380-2388.(in Chinese)

［9］ DEFORMTM 3D Version 10.1User″s Manual.［2007-08-18］.［EB/OL］.https://www.cs.purdue.edu/spgist/spgist4postgresql.pdf.

［10］ 張寶慶，史國權(quán)，石廣豐，等.衍射光柵機(jī)械刻劃成槽的預(yù)控試驗［J］.光學(xué) 精密工程，2013，21(7):1666-1675.

ZHANG B Q，SHI G Q，SHI G F，et al..Pre-control of mechanical scratching diffractive grating［J］.Opt.Precision Eng.，2013，21(7):1666-1675.(in Chinese)