1引言KDP晶体是一种常用的非线性光学材料,大尺寸、高质量的KDP晶体被公认为难加工的光 学元件。美国的劳伦斯·利佛尔国家实验室(LLNL)研究结果表明采用负前角的金刚石刀具超 精密切削能够获得光学表面<1>。铣削过程中,切削力直接影响着切削热的产生,容易导致工件 变形,并进一步影响着刀具磨损、耐用度、加工精度和已加工表面质量。为了提高KDP晶体的表 面质量,本文利用哈尔滨工业大学研制的KDP晶体加工专用超精密机床对铣削加工KDP晶体的 切削力特性进行了研究。2超精密机床结构和加工方式KDP晶体属于平面光学元件,由于KDP 晶体的各向异性,KDP晶体加工专用超精密机床加工采用立轴平面铣削形式<2>,飞刀盘直径 大于600mm,这样可以尽量减小刀具的圆弧轨迹对晶体加工的影响。安装在飞刀盘上的金刚石刀具采用SPDT(singlepoint diamond turning)方图1KDP晶体专用超精密机床结构示意图1.主轴电机2.主轴3.飞刀盘4 .金刚石刀具5.KDP晶体6.真空吸盘7.工作台8.导轨9.伺服电机123456789 89机械工程师2006年第4期图2切削力测量原理图1.飞刀盘2.金刚石刀具3.KDP晶 体4.Kistler测力仪5.工作台电荷放大器数据采集板主机及显示系统ZXY12345 工作台进给方向图3不同进给量的切削力与切削深度的关系1:f=0.312mm/r2:f= 0.078mm/r3.53.02.52.01.51.00.5000.0050.0100 .0150.0200.025切削深度ap/mm切削力Fz/N(a)1:f=0.312m m/r3.52:f=0.078mm/r3.02.52.01.51.00.5000.00 50.0100.0150.0200.025切削深度ap/mm切削力Fy/N(b)1212金属加工技术MetalProcessing Technology式完成对KDP晶体的超精密切削。伺服进给系统由交流伺服电机通过柔性联 轴节带动滚珠丝杠驱动空气静压导轨完成机床工作台的直线进给运动。主轴电机通过连轴节带动空 气静压主轴驱动飞刀盘旋转,工件则通过真空吸盘吸附夹紧在工作台上。图1为KDP晶体专用超 精密机床结构示意图。3切削力实验原理及实验条件切削力的来源有两方面:一是切削层材料、切 屑和工件表面层材料的弹性变形、塑性变形所产生的抗力;二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻 力<3>。切削力可分解为相互垂直的三个分力。图2为切削力测量原理示意图。实验中,定义与 KDP晶体加工平面垂直方向为Z向,工作台进给方向为X向,垂直于工作台进给方向为Y向,相 应方向上的切削力分别定义为Fz、Fx、Fy。实验中,将KDP晶体装夹固定在工作台的测力 仪上,测力仪测量精度为0.2N,测力仪频率响应5kHz,测力仪最大采样频率可达1000 kHz,能同时测量X、Y、Z三个方向的切削力Fx、Fy、Fz。立轴平面铣削KDP晶体时 ,刀具作圆周运动时只有圆周上的一段弧线是切削线。实验中使用的机床飞刀盘直径630mm, 周长1980mm,实验材料为500mm×500mm×100mm的KDP晶体,主轴旋转一 周,切削KDP晶体时只有四十分之一时间用于切削。考虑到切削力测量过程中多个测量传递环节 大大降低了测力仪的频率响应,实验选择15r/min的主轴转速,分别采用不同的切削深度0 .003、0.005、0.010、0.020、0.024mm,进给量0.046、0.0 78、0.156、0.312mm/r,同时测量三个方向的切削力Fx、Fy、Fz。因为要 同时测量三个通道,选择30kHz的测力仪采样频率。切削力测量系统由Kistler925 6A1型高灵敏度压电式三向测力仪、5019B型多通道电荷放大器、DynoWareSys tem数据采集系统软件、5261型A/D转换卡、主机及显示系统等组成,附带的驱动软件可 通过RS-232C接口对电荷放大器进行遥控,利用系统的多种图形显示功能可方便地对测量数 据进行分析和研究。4实验结果及分析切削力可分解为相互垂直的三个分力Fx、Fy、Fz,测 量切削力结果发现,沿进给方向的切削力Fx远远小于另外两个方向的切削力Fy和Fz,而后二 者对KDP晶体面型误差和表面粗糙度影响最大,本文主要对Fz和Fy两个切削力进行研究。4 .1切削力与切削深度的关系图3(a)、(b)分别为KDP晶体不同进给量的切削力Fz、F y随切削深度ap变化曲线。从图3中可以看出,在进给量f和主轴转速一定的情况下,立轴平面 铣削KDP晶体的切削力Fy、Fz随切削深度ap增加而增加。切削深度大则切削力增大,这是 因为随着切削深度的增加,切削面积增加导致切削力增大。4.2切削力与进给量的关系图4(a )、(b)分别为KDP晶体不同切削深度的切削力Fz、Fy随进给量f变化曲线。从图4中可 以看出,在切削深度ap和主轴转速一定的情况下,立轴平面铣削KDP晶体的切削力Fy、Fz 随着进给量f的增加而增加,这是因为随着进给量的增加,切削面积增加导致切削力增大。4.3 KDP晶体和铝合金的切削力的比较图5(a)、(b)分别为不同进给量的KDP晶体和铝合金 图4不同切削深度的进给量与切削力的关系1:ap=0.024mm2:ap=0.01mm3 :ap=0.003mm3.53.02.52.01.51.00.500.050.100. 150.200.250.300.350.40进给量f/mm·r-1切削力Fz/N(a) 1:ap=0.024mm2:ap=0.01mm3:ap=0.003mm3.53.02. 52.01.51.00.500.050.100.150.200.250.300.350.40进给量f/mm·r-1切削力Fy/N123123(b)图6KDP晶体和铝合金的切削力与进给量的关系比较1:KDPf=0.156mm/r2:Al f=0.156mm/r4.54.03.53.02.52.01.51.00.50切削力Fz/N0510152025切削深度ap/mm(a)4.51:Al f=0.156mm/r4.03.53.02.52.01.51.00.50切削力Fy/N05101520252:KDP f=0.156mm/r12121:Al ap=0.01mm2:KDP ap=0.01mm987654321000.050.100.150.200.250.300.35进给量f/mm·r-1切削力Fz/N(a)1:Al ap=0.01mm2:KDP ap=0.01mm9876543210切削力Fy/N00.050.100.150.200 .250.300.35进给量f/mm·r-1(b)1212是因为KDP晶体具有质软、脆 性高、易开裂的特点,而铝合金是塑性材料的缘故。图6(a)、(b)分别为不同切削深度的K DP晶体和铝合金的切削力Fz、Fy与进给量f的关系曲线。从图6中可以看出,随着进给量的 增加,铝合金的切削力Fy、Fz增加速度要大于KDP晶体Fy、Fz增加速度,KDP晶体随 着进给量的增加切削力变化比较缓慢,这也是因为KDP晶体是脆性材料,铝合金是塑性材料的缘 故。从图5、图6的实验结果可知,在生产实践中,在不影响加工表面质量的情况下,可以选择优 先增加进给量及切削深度提高切削效率。5结论通过对上述切削力实验的研究,分析了切削力Fz 、Fy与切削深度和进给量的关系,并对KDP晶体和铝合金在相同切削条件下的切削力进行了比 较研究,实验结果表明,KDP晶体的切削力Fz、Fy随着切削深度和进给量的增加而增加,但 增加的速度远小于铝合金的切削力Fz、Fy增加速度。在生产实际中,在不影响加工表面质量的 前提下,可以适当加大切削深度和进给量,从而提高切削效率。KDP晶体超精密加工切削力的实验研究@张顺国$哈尔滨工业大学!黑龙江哈尔滨150001
@张景和$哈尔滨工业大学!黑龙江哈尔滨150001
@王海峰$哈尔滨工业大学!黑龙江哈尔滨150001
@王洪祥$哈尔滨工业大学!黑龙江哈尔滨150001KDP晶体是一种常用的非线性光学材料, 广泛应用于激光变频、电光调试和光快速开关等高技术领域。文中通过实验研究了KDP晶体超精 密切削加工的切削力特性,分析了切削深度、进给量对切削力的影响,并对KDP晶体和铝合金的 切削力进行了比较。研究结果表明,立轴平面铣削KDP晶体的切削力Fz、Fy随着切削深度和 进给量的增加而增加,但增加的速度远小于铝合金的切削力Fz、Fy增加速度。实验证明了在生 产实际中加工KDP晶体时,在不影响加工表面质量的前提下,可以适当加大切削深度和进给量, 从而提高切削效率。KDP晶体;;切削力;;SPDT<1>杨福兴.KDP晶体超精密加工技术的研究
.制造技术与机床,2003,(9):63.
<2>杨力.先进光学制造技术.北京:科学出版社,2001.
<3>周泽华.金属切削原理.上海:上海科学技术出版社,1984.
<4>袁哲俊,王先逵.精密和超精密加工技术.北京:机械工业出版社,2003.01.51.00.50切削力Fy/N05101520252:KDP f=0.156mm/r12121:Al ap=0.01mm2:KDP ap=0.01mm987654321000.050.100.150.200.250.300.35进给量f/mm·r-1切削力Fz/N(a)1:Al ap=0.01mm2:KDP ap=0.01mm9876543210切削力Fy/N00.050.100.150.200 .250.300.35进给量f/mm·r-1(b)1212是因为KDP晶体具有质软、脆性高、易开裂的特点,而铝合金是塑性材料的缘
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