梁悅青，王一卓，劉堯，張萬清

1云南北方光學(xué)科技有限公司；2長春理工大學(xué)

1 引言

硫系玻璃具有十分優(yōu)良的紅外透過率、較高的折射率并且受溫度影響較小，與其他的紅外材料配合，可被廣泛應(yīng)用于軍用和民用的夜視設(shè)備，是制作紅外光學(xué)設(shè)備的重要材料，也是各國學(xué)者研究的主要方向之一[1-3]。在軍用夜視巡航艦、紅外導(dǎo)彈以及光導(dǎo)纖維等方面都有硫系玻璃的應(yīng)用。

加工硫系玻璃主要采用機(jī)械拋光、模壓技術(shù)以及單點(diǎn)切削[4-6]等技術(shù)。近年來，我國在拋光以及模壓等技術(shù)領(lǐng)域都取得了極大的發(fā)展。西安工業(yè)大學(xué)研究小組通過研究不同的模具材料以及多次的建模模壓分析，極大改善了平片硫系玻璃工件的表面質(zhì)量[7]。長春理工大學(xué)采用氣囊拋光方式對(duì)直徑50mm的硫系玻璃工件進(jìn)行拋光，通過正交試驗(yàn)改善了工藝參數(shù)，使面型精度PV值達(dá)到0.6097μm，并使表面疵病B達(dá)到Ⅲ級(jí)[8]。但總體而言，我國對(duì)金剛石單點(diǎn)切削硫系玻璃的研究較少，缺少有借鑒性的加工參數(shù)以及相關(guān)數(shù)據(jù)的分析。

在進(jìn)行非球面加工時(shí)，采用單點(diǎn)金剛石切削加工可以直接得到光學(xué)表面。在加工小口徑硫系玻璃工件時(shí)，單點(diǎn)金剛石切削加工具有加工效率高以及面型誤差小的優(yōu)點(diǎn)。但由于硫系玻璃表面較軟，難以得到良好的表面質(zhì)量。本文通過試驗(yàn)探究切削參數(shù)與IG6硫系玻璃表面質(zhì)量的關(guān)系，并獲得合理的切削加工參數(shù)，可為單點(diǎn)切削IG6硫系玻璃的加工工藝研究提供重要參考。

2 試驗(yàn)設(shè)備

IG6硫系玻璃切削試驗(yàn)地點(diǎn)為云南北方光學(xué)科技有限公司超精密加工車間，加工設(shè)備為MTC410四軸單點(diǎn)金剛石車床(見圖1)。使用圖2所示前角-25°，后角10°的CB1.15mWG金剛石刀具切削加工直徑為25.4mm硫系玻璃平片。

圖1 單點(diǎn)金剛石車床

圖2 單晶車刀

IG6硫系玻璃物理性能參數(shù)見表1，硫系玻璃具有較高的熱膨脹系數(shù)以及較小的硬度，在加工過程中，要嚴(yán)格保證現(xiàn)場(chǎng)溫度為20℃，并在每次的加工試驗(yàn)中通過力矩扳手使夾具夾持力保持在3磅，以此保證不會(huì)因夾具力度的不同而產(chǎn)生較大的試驗(yàn)誤差。通過泰勒-霍普森的Talysurf PGI1240型輪廓測(cè)量儀測(cè)量切削后的硫系玻璃表面粗糙度(見圖3)。

表1 硫系玻璃物理性能參數(shù)

圖3 PGI1240輪廓儀

3 參數(shù)設(shè)置以及試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 切削IG6硫系玻璃的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

如表2所示，通過Spss數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件來研究不同的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量以及背吃刀量對(duì)IG6硫系玻璃表面質(zhì)量的影響。設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)，分析顯著影響因素以及尋求可以得到優(yōu)良表面質(zhì)量的加工參數(shù)。

表2 試驗(yàn)因素

由表3可以看出，理想的切削加工參數(shù)是轉(zhuǎn)速2500r/min，進(jìn)給量2.5mm/min，背吃刀量30μm。

表3 試驗(yàn)方案以及數(shù)據(jù)

由圖4可以看出，轉(zhuǎn)速越大，硫系玻璃工件表面粗糙度越?。贿M(jìn)給量越大，硫系玻璃工件表面粗糙度越大；背吃刀量對(duì)硫系玻璃工件表面粗糙度影響較小。

圖4 各因素對(duì)指標(biāo)的影響規(guī)律

圖5為優(yōu)化參數(shù)后實(shí)際加工表面粗糙度數(shù)值。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2500r/min，進(jìn)給量為2.5mm/min時(shí)，硫系玻璃工件表面粗糙度可以較穩(wěn)定地達(dá)到2nm左右，達(dá)到了絕大多數(shù)硫系玻璃加工件的表面質(zhì)量要求。由表4方差分析可知，進(jìn)給量對(duì)工件表面質(zhì)量的影響最大。即在進(jìn)行實(shí)際切削時(shí)，進(jìn)給量的選擇將在很大程度上決定IG6硫系玻璃切削后的表面質(zhì)量。

圖5 優(yōu)化參數(shù)后表面粗糙度

3.2 IG6硫系玻璃表面質(zhì)量的線性與非線性回歸分析

利用3.1節(jié)數(shù)據(jù)可以對(duì)回歸方程進(jìn)行診斷，驗(yàn)證回歸方程的準(zhǔn)確性。

R方的數(shù)值代表所有因素對(duì)因變量變化影響所占的百分比。由表5可知，模型a所代表的背吃刀量、進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速對(duì)加工件表面粗糙度大小影響占比為95%；模型b所代表的進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速對(duì)加工件表面粗糙度大小影響占比為93%。表明背吃刀量對(duì)該模型影響程度較小。

表5 模型摘要

根據(jù)回歸方程系數(shù)表可列出線性回歸方程，進(jìn)行一定范圍內(nèi)Ra的數(shù)值預(yù)測(cè)。由表6可知，背吃刀量對(duì)Ra值的影響并不顯著，并且在實(shí)際切削加工過程中，背吃刀量的選取與工件自身厚度以及加工余量有較直接的關(guān)系。較薄的工件不適合采用較大的背吃刀量，否則會(huì)增大切削力，進(jìn)而增大刀具與工件之間的振動(dòng)頻率，使工件表面質(zhì)量情況極不穩(wěn)定。因此，僅列出轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量與Ra值的線性回歸方程為

表6 線性回歸方程系數(shù)

y=3.202-0.001x1+0.107x2

式中，y為Ra值；x1為轉(zhuǎn)速；x2為進(jìn)給量。

為驗(yàn)證線性回歸方程的實(shí)際準(zhǔn)確性，進(jìn)行實(shí)際加工檢驗(yàn)，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

表7 實(shí)際切削驗(yàn)證

由表7可知，在轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)，線性回歸方程具有一定的準(zhǔn)確度，但是隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增大，產(chǎn)生的累計(jì)誤差也隨之逐漸增加，表明線性回歸方程并不適用于表達(dá)切削硫系玻璃后表面粗糙度的情況。因此，對(duì)以上數(shù)據(jù)重新進(jìn)行非線性的回歸分析，再次驗(yàn)證其產(chǎn)生的粗糙度與實(shí)際產(chǎn)生的近似程度。由表8可知，R方為0.893，表明在非線性回歸模型中各因素對(duì)因變量的影響程度較高。

非線性回歸方程為

y=8.842+0.747lnx2-0.958lnx1

式中，y為Ra值；x1為轉(zhuǎn)速；x2為進(jìn)給量。

通過對(duì)比表9和表7可知，單點(diǎn)加工IG6硫系玻璃不是單純的線性關(guān)系，使用非線性回歸方程得到的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)生的Ra值近似率在84.7%以上，更符合實(shí)際切削情況。同時(shí)，IG6硫系玻璃切削后的表面粗糙度與使用的切削參數(shù)有關(guān)，而且刀具刃口的輪廓度及機(jī)床自身的精度也均是影響IG6硫系玻璃表面粗糙度的重要影響因素。IG6硫系玻璃的表面粗糙度在很大程度上受刀具以及機(jī)床等因素的制約。

在實(shí)際切削加工過程中，如果發(fā)現(xiàn)類似于圖6或更為嚴(yán)重的彩環(huán)發(fā)生，表明刀具刃口出現(xiàn)一定程度磨損。這是因?yàn)殡S著刀具刃口磨損的逐漸加劇，工件的微觀表面會(huì)逐漸產(chǎn)生些許麟刺、犁溝等現(xiàn)象，會(huì)使光線的折射更加發(fā)散，從而在工件表面產(chǎn)生更加明顯的彩環(huán)。當(dāng)彩環(huán)過于嚴(yán)重時(shí)，會(huì)增大硫系玻璃工件表面的粗糙度，同時(shí)會(huì)在一定程度上影響工件的實(shí)際使用效果[9]。通過單因素加工試驗(yàn)可得，在切削參數(shù)中，進(jìn)給量是影響IG6硫系玻璃表面粗糙度最為顯著的因素。

圖6 切削后IG6硫系玻璃表面

由圖7可知，在轉(zhuǎn)速為1000r/min～1500r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)切削IG6硫系玻璃表面粗糙度的影響情況較為明顯；當(dāng)轉(zhuǎn)速提升到1500r/min后，切削IG6硫系玻璃的表面粗糙度無較大變動(dòng)。由圖8可知，隨著進(jìn)給量的逐漸增大，IG6硫系玻璃表面粗糙度將呈現(xiàn)較大斜率增長的趨勢(shì)，表明進(jìn)給量對(duì)工件表面粗糙度的影響十分顯著。

圖7 轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

圖8 進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

4 結(jié)語

本文通過三因素三水平試驗(yàn)進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了切削IG6硫系玻璃的參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響，進(jìn)行了線性回歸方程以及非線性回歸方程的擬合，得到了較為合理的表面粗糙度公式并進(jìn)行了實(shí)際加工驗(yàn)證，確定了實(shí)際切削加工參數(shù)。

通過單因素試驗(yàn)研究了工件轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給量對(duì)IG6硫系玻璃表面粗糙度的影響，對(duì)實(shí)際切削加工IG6硫系玻璃有一定的指導(dǎo)性意義，同時(shí)對(duì)后續(xù)單點(diǎn)切削硫系玻璃研究提供了參考。