SPDT加工表面粗糙度的影响因素研究2

SPDT加工表面粗糙度的影响因素研究
许宏淮1，徐敏1，2，李旭峰2
（1.复旦大学信息科学与工程学院,上海 200433）
（2. 上海现代先进超精密制造中心,上海 200433）
摘要
在单点金刚石车削（SPDT）加工中，影响表面粗糙度的因素多种多样，这些因素通过复杂的综合作用影响了工件表面粗糙度的形成。

这些因素可以大致分为5大方面：工件材料的性质、金刚石刀具、加工过程参数、机床设备、环境。

本文对工件材料性质、金刚石刀具和加工过程参数这三大方面的因素进行深入细致的分析。

考虑到SPDT加工的机理，SPDT 加工表面粗糙度与工件材料的性质密切相关，尤其是材料的各向异性、纯度、所含的硬颗粒和微观构造等因素。

它们与切削力、切屑的形成、刀具和工件的相对振动以及刀具的磨损密切相关。

金刚石刀具的圆弧半径、前刀角、后刀角以及磨损等因素对表面粗糙度的形成也有重要的影响。

加工过程参数包括主轴转速、进给速率、切削深度，对表面粗糙度的形成有直接的影响，其中进给量对表面粗糙度的影响最为关键。

加工中适当使用喷雾也很重要，尤其是加工硅、锗等材料时。

关键词：单点金刚石车削，表面粗糙度，工件材料性质，金刚石刀具，切削参数
Study on the Factors Affecting Surface Roughness in SPDT
Honghuai Xu1，Min Xu1，Jinjiang Li 2
（1．Department of Optical Science and Engineering, Fudan University，Shanghai，China）；
(2. Modern Advanced Utral Precision Manufacturing Center, Shanghai,China）
ABSTRACT
Surface roughness in Single Point Diamond Turning (SPDT) is affected by a number of factors, which collectively contribute to the final finish of diamond-turned surface. This paper presents the dominant factors affecting surface roughness in SPDT. Considering the mechanism of SPDT, the generation of surface roughness is closely related to the material properties of workpieces, especially some material aspects such as anisotropy, impurity, inclusions and microstructures. The conditions of the tool such as the rake angle, the nose radius, the tool cutting edge waveness and the degree of wear exert significant influence on the surface roughness. The cutting process parameters, including the feed rate, the spindle speed and the depth of cut, as well influence the surface roughness, and the cutting conditions can be optimized for given materials and workpieces. The usage of mist also have to be considered about. Keywords: single point diamond turning, surface roughness, materials properties, crystallographic orientation，diamond tools，cutting conditions
1. 简介
单点金刚石车削（SPDT）是最为重要的现代超精密加工技术之一，SPDT采用单点金刚石刀具在超精密数控机床上进行点切削加工，加工出来的光学表面达到亚微米级面型精度和纳米级表面粗糙度[1]。

与传统的光学加工技术相比，单点金刚石车削加工具有高效率、高精度、高重复性精度以及加工复杂面型器件的能力突出等优点，被广泛地应用于超精密光学元件的加工。

光学元件的表面粗糙度是其至关重要的指标之一，对其所在光学系统的性能发挥具有重要意义。

一般系统应用波长越短对表面粗糙度精度的要求越高。

随着超精密机床技术的发展，SPDT越来越多地用于直接加工出表面粗糙度精度要求极高的光学表面，因而对SPDT加工表面粗糙度的研究成为新的热点。

Sata.T[2][3][4]等人研究指出，影响表面粗糙度的因素多种多样，主要影响因素包括工件材料性质、刀具的几何形貌、进给量、主轴转速、切削深度以及刀具和工件的相对振动等。

这些因素综合起作用，导致了表面粗糙度的复杂形成机制。

在实际的SPDT加工中各种影响因素可以分为5大方面：工件材料的性质，金刚石刀具，加工过程参数，机床设备，环境。

SPDT加工在超精密机床上进行，环境条件必须达到超精密机床正常运行的要求，在加工中机床设备和环境均要得到良好控制。

以下重点分析考虑:（1）工件材料；（2）金刚石刀具；（3）加工过程参数这三大方面的因素对表面粗糙度形成的影响。

2. 工件材料的影响
目前适合使用SPDT加工的材料范围广泛，包括铝、铜、镍及其合金等非铁有色金属，锗、硅等多种红外光学晶体（碲镉汞、锑化镉、多晶硅、硫化锌、硒化锌、氯化纳、氯化钾、氯化锶、氟化镁、氟化钙、铌酸锂、KDK晶体），PMMA等聚合光学塑料，以及锗基硫族化合物玻璃等。

根据晶态的不同，这些材料可以分为单晶材料、多晶材料以及无定形材料。

根据切削性质又可以分为塑性材料和脆性材料。

工件材料的属性对工件表面粗糙度有至关重要的影响，是限制表面粗糙度精度的一大因素。

SPDT加工切削过程中，刀具与材料的相互作用、切屑的形成以及工件表面形貌的形成都与工件材料密切相关，从而影响了表面粗糙度的形成。

2.1材料的各向异性
在SPDT加工中，由于金刚石刃口半径一般小于10nm，切削深度为几微米到亚微米，因而铝、铜等非铁金属多晶材料不再视为均匀的、各向同性的，而必须视为由一系列单晶按随机的结晶取向组成的，必须考虑材料的各向异性。

Sato[56],Yuan[7]等人对单晶铝、铜的研究指出：剪切角、切削力以及切屑厚度与切削方向上材料的结晶取向密切相关，随其变化而有所波动；切削某一晶面时，其表面粗糙度Ra随结晶取向的变化而略有波动；在切削不同晶面时，表面粗糙度Ra随材料结晶取向变化而产生的波动的大小也不同。

因而，当切削单晶材料时，可选择波动较小的晶面进行加工。

通过分析材料的结晶取向对切削力、剪切角以及切削的形成的影响，可以发现材料的各向异性对表面粗糙度的影响。

当刀尖从一个单晶颗粒切到另一个时，切削力在边界处会发生变化，这样的变化导致了刀尖与工件的相对振动，这种振动劣化了表面粗糙度。

刀尖与工件的相对振动可以通过探测切削力来监测，研究发现这样的振动具有高频低振幅的特征[8]。

10]等人研究了金刚石车削塑性材料时，材料的膨胀和复原对表面粗糙度的影响，指出除了结晶方向与表面粗糙度有关，材料的膨胀和复原也必须被考虑；并指出当切削深度足够小，而且刀具后刀面角度也相当小的时候，材料膨胀的效果会被材料的复原所覆盖。

2.2金属材料中的硬颗粒
对非铁有色金属材料，材料的纯度、单晶颗粒大小、杂志颗粒的大小和含量及硬度是影响表面粗糙度的关键因素。

金属合金中常常含有杂质颗粒，例如铝合金含有硅颗粒，它们限制了工件表面粗糙度的精度。

这些杂质颗粒的硬度比金属材料高，在SPDT加工中当金刚石刀尖切削到这些硬颗粒时，很难顺利地切断这些硬颗粒，往往将这些颗粒挤入或者拔出金属基，还有可能挤碎。

当颗粒被拔出或挤碎时，将在表面造成划痕，增加刀具的磨损，同时也引起刀具和工件相对振动加剧，从而使表面粗糙度增大。

降低杂质颗粒的含量，即提高金属材料的纯度，或者提高硬课题分布的均匀度，可以获得较高的表面粗糙度精度。

以SiCp/Al为代表的金属基复合材料（Metal-matrix Composites，MMC)是性质比较典型的复合材料，已有多个研究小组对这种材料进行研究[11-14]。

Y.F. Ge[13]对SiCp/Al复合材料的研究指出，当SiC含量增大，金刚石刀具的磨损将加剧，工件表面随之劣化，出现更多凹坑、划痕，表面粗糙度Ra值也随之增大；通过比对相同15%体分比的SiCp/2024Al和SiCp/ZL101Al，增强颗粒分布较均匀的SiCp/2024Al可获得较好的表面粗糙度。

我们使用Nanotech 250机床在相同的车削条件下车削了材料分别为铝合金6061和高纯度铝的两块样品，用白光干涉仪Newview7300测得其表面粗糙度。

如图.1(a)为铝合金6061的表面图，可以看到由于硬颗粒造成的凹坑、划痕，其表面粗糙度为9.3nm。

图.1(b)为高纯度铝的表面图，和图1.(a)比较可见高纯度铝的表面没有明显的凹坑或划痕，表面粗糙度为2.1nm。

（a）（b）
图. 1 （a）铝合金6061，rms=9.3nm （b）高纯度铝，rms=2.1nm
2.3 脆性材料
脆性材料的力学性能和塑性金属材料相比存在较大差异,其切削机理也与金属材料有较大差异。

硬脆材料的脆塑转变现象是研究切削机理的重点。

理论分析指出切削厚度越小，切削产生塑性变形所需的能量相对于产生脆性变形所需的能量就越小，这就是脆性材料切削时随着切削厚度的改变发生脆塑转变的原因。

材料的硬度、屈服应力和弹性模量越小，断裂韧性越大，材料越容易产生塑性变形，易于进行塑性切削。

对脆性材料的研究表明，其脆塑转变的临界切削厚度非常小，要使切削过程在塑性模式下进行，则切削厚度必须小于工件材料的临界厚度[15]。

同时，对Si 、Ge 等晶体材料也应重点考虑其各项异性的影响，这与单晶金属材料类似。

C. F. Cheung[16]赵清亮[17]等人研究了不同晶面的单晶硅在SPDT 加工中的表现，指出结晶取向与剪切角和表面粗糙度密切相关；并指出选择切削（100）晶面，通过优化切削参数，可以使各项异性对表面粗糙度的影响达到最小，为提高脆性光学晶体材料表面质量提供了一条重要途径。

3 刀具的影响
SPDT 中普遍采用圆弧刃刀具，刀具的几何形貌对加工表明粗糙度有重要的影响。

其中圆弧刃的半径对表面粗糙度能达到的理论值[18]。

R 32F R 2
a
Ra 是表面粗糙度算术平均值，R 是刀具圆弧半径，F 是进给量。

然而实际切削中并非圆弧半径越大，表面粗糙度越好，而是存在一个最佳值。

金刚石刀具的表面形貌也会影响加工工件的表面粗糙度，其中最主要的影响是刀刃的状况，包括前刀面、后刀面和刀刃边缘的状况。

由于SPDT 加工遵循“复印”原理，刀刃的表面精度将直接复印到加工工件的表面上。

因而要获得较好的表面粗糙度，刀刃的加工精度越高越好。

状况良好的刀具刀刃波纹度达到纳米量级，刃口半径达到几个纳米的精度。

一般而言刀具的刀刃波纹度和刃口半径越小，可以获得更好的加工表面粗糙度精度[19-20]。

刀具的前刀角是另一个重要的因素，对切屑、表面形貌的形成有重要影响，和切削硬脆性材料时刀具的磨损也密切相关。

研究表明切削铝、铜、无电镍等非铁金属塑性材料时使用00前刀角（rake angle ）的刀具能获得较好的工件表面粗糙度精度；切削脆性材料则使用负前刀角较好，视材料不同略有不同。

例如切削硅、锗晶体材料使用-250前刀角的刀具，切削CaF 2 晶体使用-200 前刀角的刀具[21-23]。

加工过程中刀具会形成磨损，尤其加工硅等硬度较大的材料时。

由于刀具磨损将直接劣化工件的表面粗糙度，因而研究如何使刀具磨损减小，使刀具的使用寿命增长，将有利于在SPDT 加工中控制的表面粗糙度。

研究刀具的磨损，控制刀具磨损成为控制表面粗糙度的重要手段。

有很多研究组对刀具的磨损进行深入的研究[24-26]，并指出刀具的磨损主要取决于加工工件的材质，与工件材料的硬度、杂质硬颗粒的含量、硬颗粒的尺寸以及切削速度密切相关。

当切削Si 等硬脆性材料和Al/SiC 等金属基增强颗粒复合材料的时候刀具磨损较为严重，切削这类材料时需要重点考虑如何控制刀具的磨损。

I.Durazo-Cardenas[22]等人研究了SPDT 加工硅材料时刀具的磨损，指出刀具的前刀角严重影响刀具使用寿命，当前刀角为-250时，刀具磨损最小，并指出使用冷却液可以大大降低刀具的磨损。

Ibrahim Ciftci [27]等人研究了切削Al/SiC 金属基增强颗粒复合材料时刀具的磨损，指出SiC 硬颗粒尺寸、含量以及切削速度是影响刀具磨损的主要因素。

增强颗粒SiC 的含量越高，尺寸越大，刀具磨损越严重；同种刀具的磨损情况与切削参数有密切的关系。

M. El-Gallab[26]等人的研究表明，当切削速度增大，碳化硅颗粒对刀具的冲击作用增强，刀具磨损加剧；当切削深度增大，刀具后刀面的磨损加剧，且后刀面暴露在外承受磨损的面积也增大，导致刀具磨损增加；当进给量增大，在切削同样体积材料的情况下，刀具表面与具有磨粒磨损性质的SiC 的接触时间会减少，则刀具磨损得到降低。

4 切削过程参数的影响
4.1 切削参数与表面粗糙度的关系
Sata, T [1]等人较早研究了金刚石车削切削过程中，切削深度、进给速率和主轴转速，以及刀具圆弧半径等加工参数与表面粗糙度的关系。

理论上，切削参数与表面粗糙度Ra 有以下关系[18]：
22
2a 3232F R RV f R =≈
R 为刀具半径，V 为主轴转速，f 为进给速率，F 为进给量。

我们在Nanotech250机床上进行一个Al （6061）的工件进行切削实验发现：切削参数中进给速率对表面粗糙度的影响最为显著，刀具半径的影响在其次，主轴转速的影响比较小；铝合金工件的表面粗糙度随着进给速率的增大先减小后增大，总体上趋于增大；随着刀具半径的增大先减小后增大，总体上趋向于减小；随着主轴转速的增大先减小后增大再减小；存在一个最佳的切削参数组合可获得最小的表面粗糙度。

4.2 喷雾的使用
SPDT 加工中适当的使用喷雾是控制表面粗糙度的重要手段之一。

喷雾的使用也需要基于对材料的分析，考虑材料的热学性质和切屑的形态。

切削铝、铜、镍等非铁金属材料塑性材料时，使用喷雾能帮助切屑顺利移除，减少切屑粘滞在刀具表面或已加工表面，避免因此而引起的划痕，也降低刀具磨损，同时喷雾也起到冷却液的作用。

I. Durazo-Cardenas[22]的研究指出SPDT 加工硅这种硬脆性材料时，使用喷雾所获得的加工表面质量明显优于不使用喷雾的加工表面。

因为不使用喷雾时，硅的粉末状切屑很容易粘滞在刀具表面，加重了刀尖到工件的摩擦以及刀具的磨损，从而劣化了表面质量。

Jiwang Yan[23]等人研究指出，切削CaF 2 晶体时不使用切削液喷雾才能获得较好的加工表面质量。

由于CaF 2晶体特殊的热学特性，其热导率比较低（硅的0.06倍），而热膨胀系数很高（硅的5.8倍）；CaF 2晶体在塑性模式切削时产生高温，如果使用切削液喷雾则会在近表面和内部区域产生一个很陡的温度梯度和压力梯度，这样将很容易引起沿着晶体解理面的破裂，从而劣化了表面粗糙度。

4.3 加工中控制表面粗糙度
在实际SPDT 加工中控制表面粗糙度，需要先分析工件材料的特性，考虑其影响表面粗糙度的因素，例如材料是塑性抑或脆性，材料的各项异性、结晶状态、晶体颗粒的大小、杂质颗粒的硬度和大小情况如何，然后考虑这些材料属性因素与其他两大方面因素关系，包括金刚石刀具、切削过程参数。

以此分析切屑的形成、刀具工件的相对振动以及刀具的磨损；根据以上分析选择合适的刀具，选择适当的刀具圆弧半径、前刀角；最后通过实验优化加工过程参数，包括：主轴转速、进给速率、切削深度，使得工件加工表面与刀具的相对振动降低，刀具磨损降低可以提高表明粗糙度的精度，同时在切削过程中恰当地使用喷雾。

基于本文的分析，我们使用Nanotech250超精密机床进行了一系列的实验，使用白光干涉仪Newview7300测量表面粗糙度。

（1）对一块铝合金工件进行切削实验，加工面型为平面。

由于铝合金材料为塑性材料，因而选用前刀角为0度的金刚石刀具，以刀具圆弧半径、主轴转速、进给量、切削深度作为实验参数，采用均匀设计的实验设计较高效地找到一组的切削参数获得最小的表面粗糙度。

选用刀具圆弧半径为0.55mm ，主轴转速为2000r/min ，进给量为3um/r ，切削深度为3um ，用白光干涉仪Newview7300测得表面粗糙度，所得表面图如图2所示：rms 值为1.6nm ，Ra 值为
1.2nm 。

图.2 （a）铝合金工件表面（b）表面三维轮廓图
（2）加工锗、硅单晶材料和KDP晶体，选用刀具前刀角为-25度，圆弧半径为1mm的金刚石刀具，加工所得锗的表面粗糙度rms为0.58nm，Ra为0.42nm；硅的表面粗糙度rms为0.46nm，Ra为0.37nm；KDP晶体的表面粗糙度rms为2.3nm Ra为1.7nm。

其表面三维轮廓图如图3（a）（b）（c）所示。

图3（a）锗表面三维轮廓图；（b）硅表面三维轮廓图
图3 （c）KDP晶体表面轮廓图
5 总结
单点金刚石车削（SPDT）加工表面粗糙度的影响因素多种多样，这些因素是综合起作用的，导致表面粗糙度复杂的形成机理。

在实际SPDT加工中为了控制表面粗糙度，需要重点考虑以下三个的方面影响：
（1）材料的影响
工件材料因素对工件表面粗糙度有至关重要的影响，是限制表面粗糙度精度的一大因素。

工件材料的各种属性影响到切削过程中刀具与工件复杂的相互作用和表面粗糙度的形成。

主要包括材料的晶态、各项异性、硬度、纯度、杂质颗粒或金属基增强颗粒的大小、含量和硬度以及颗粒分布的均匀度等。

（2）刀具的影响
金刚石刀具的刃口波纹度、刃口半径、圆弧半径、前刀角等状况对工件表面粗糙度有重大影响。

一般刀具的刃口波纹度、刃口半径越小则加工精度越高；加工塑性材料用0度前刀
角，加工脆性材料用负前刀角，对具体材料略有不同。

加工硬脆性材料和金属基颗粒增强材料时，需要重点考虑刀具的磨损，通过选择合适的刀具和加工参数进行控制。

（3）切削参数的影响
进给速率、主轴转速、切削深度等切削参数对表面粗糙度的形成有直接影响。

刀具与工件的相对振动、刀具的磨损与这些参数有密切关系。

其中进给速率对表面粗糙度的影响最显著。

根据材料热学特性适当地使用喷雾可获得较好的表面粗糙度。

综上所述，对选定的材料，基于对材料的性质的分析，选择合适的金刚石刀具，在加工过程中优化选取加工参数，恰当地使用冷却液喷雾，可以控制表面粗糙度精度。

本文提到的实验对铝合金、锗、硅和KDP晶体的加工获得很好的表面粗糙度精度。

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