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(shù)是指使用經(jīng)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(zhuǎn)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(qū)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(tǒng)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(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，避免中間聯(lián)軸節(jié)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(qū)動，保證工作臺具有很好的運動剛度和低速平穩(wěn)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(zhuǎn)一周，刀具只有大約1/4的時間處于切削狀態(tài)[4]。加工大口徑KDP晶體，元件透射波前畸變上主要表現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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?yún)^(qū)與頂角切出區(qū)紋路出現(xiàn)打折現(xiàn)象。加工圓形鋁鏡，鋁鏡面形檢測結(jié)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(xiàn)明顯的縱向紋路，唯一區(qū)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(zhuǎn)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(xiàn)一致的縱向紋路，同時在不同的單點金剛石機床上都會產(chǎn)生該現(xiàn)象，說明縱向紋路的產(chǎn)生與單點金剛石飛切原理相關(guān)。在同一臺飛切機床上使用不同的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速基本成正比關(guān)系，因此可以確定縱向紋路的產(chǎn)生與機床的固有特性相關(guān)。

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(zhuǎn)一個周期內(nèi)的實驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在加工鋁鏡時機床主軸Z向位置發(fā)生了沖擊振動，振動周期經(jīng)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(zhuǎn)周期內(nèi)只有大約1/4的時間刀具處于切削狀態(tài)，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(chǎn)生周期性的受迫振動，使得刀具和工件之間的距離發(fā)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(tài)特性主要由機床各部分的質(zhì)量及剛度決定，在質(zhì)量很難改變的情況下，設(shè)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(xiàn)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(shù)百納米，已經(jīng)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(jié)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(yīng)增大，為保證幅值最小，需要將振動系統(tǒng)質(zhì)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(tǒng)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(gòu)以實現(xiàn)對橫梁垂直度的調(diào)節(jié)，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(jīng)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(jié)果

圖9 晶體元件透射波前畸變與PSD1

4 結(jié) 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(xiàn)的縱向條紋問題開展研究，通過變工藝參數(shù)、變元件形狀，以及觀察不同位置的條紋形態(tài)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(jié)合剛度的方式調(diào)整機床的固有振動特性，使縱向條紋的頻率和幅值發(fā)生變化，并尋找到能夠獲得合格加工精度的機床狀態(tài)，提高了光學元件的使用性能，具有較高的工程應(yīng)用價值。