晶體材料由于其獨(dú)特的性能，愈來愈多地被應(yīng)用于高新技術(shù)領(lǐng)域，如制作精細(xì)的光學(xué)零件、紅外裝置的鏡片、反射鏡，及大功率激光器的透鏡等。在大功率CO2激光器中，用晶體材料ZnSe制作的透鏡具有透光波段小、折射率小、熔點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)。

然而，對(duì)晶體材料進(jìn)行精密加工，采用拋光及珩磨技術(shù)，則具有一定的局限性，如不能改變其尺寸精度、難以對(duì)復(fù)雜型面進(jìn)行加工等，而且效率低，成本高。因此，有必要研究和采取切實(shí)可行的機(jī)械加工技術(shù)，以提高生產(chǎn)率，達(dá)到高的尺寸精度及低的表面粗糙度值，降低生產(chǎn)成本。

美國(guó)是在超精密加工方面起步最早的國(guó)家，至今在宇宙、軍工和基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究規(guī)模仍很寵大。1990年發(fā)射的哈勃望遠(yuǎn)鏡的反射鏡的研制成功就是例證。

1晶體材料的特點(diǎn)及切削加工性定性分析

晶體材料由于其脆性大，硬度高，加工時(shí)容易形成崩碎切削，從而在加工表面產(chǎn)生裂紋，因此很難獲得鏡面。

國(guó)外對(duì)脆性材料切削機(jī)理的研究表明：若切削用量及刀具幾何參數(shù)選擇合適，則可能在切削區(qū)內(nèi)形成韌性切削，加工表面不會(huì)產(chǎn)生裂紋。

本文主要介紹作者以ZnSe和單晶鍺（Ge）為研究對(duì)象，在對(duì)晶體材料進(jìn)行金剛石鏡面車削的探索中獲得的體會(huì)與心得。

2試驗(yàn)條件

進(jìn)行精密加工，不但要有高精度和高剛性的設(shè)備、相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)和測(cè)量裝置，而且還要有良好的工作環(huán)境，例如，室內(nèi)恒溫、空氣凈化和地基防振。

(1) 機(jī)床：超精密氣浮大理石車床（國(guó)防科技大學(xué)研制）。
(2) 工件材料：ZnSe；規(guī)格：φ20×5mm；其性能如表1所示。

表1ZnSe的物理特性

透射長(zhǎng)極限（um）折射率克氏硬度密度（g/cm³）熱膨脹系數(shù)0.48～222.41505.277.7

(3) 刀具：?jiǎn)尉Ы饎偸毒撸毒邘缀螀?shù)如表2所示。

表2刀具的幾何參數(shù)

前角后角副后角主偏角副偏角刀尖圓弧半徑刃傾角負(fù)倒棱寬度0°8°8°70°20°2mm-10°0.4mm

(4) 切削方式：車端面，不用切削液。
(5) 表面粗糙度測(cè)量裝置：電動(dòng)輪廊儀。
(6) 切削用量的選取：較高的切削速度，主軸轉(zhuǎn)速n=(1500～800)r/min，進(jìn)給量f=(3～1)mm/r,背吃刀量ap=(5～1)μm。
(7) 工作環(huán)境：防振、恒溫凈化間。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

從理論上分析，切削脆性材料時(shí)，由于不產(chǎn)生積屑瘤，故切削速度對(duì)表面粗糙度基本上不應(yīng)有明顯影響，減小進(jìn)給量時(shí)，可以減小殘留面積，故可以減小加工表面粗糙度。

由于切削用量對(duì)表面粗糙度的影響是交互的，作者采用正交試驗(yàn)法，就切削用量對(duì)加工表面粗糙度的影響進(jìn)行了分析。表3是加工ZnSe晶體材料時(shí)切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量三因素對(duì)加工表面粗糙度影響的正交試驗(yàn)中比較滿意的一組結(jié)果，試驗(yàn)條件如前述，從機(jī)床和超精加工兩方面考慮，進(jìn)給量、背吃刀量取值均較小，而切削速度取值較大。

表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

試驗(yàn)序號(hào)切削轉(zhuǎn)速(r/min)進(jìn)給量(mm/r)背吃刀量(μm)表面粗糙度Ra(μm)1800350.0122800210.0103800130.01141000330.01351000250.01261000110.01071500310.01381500230.00991500150.010表面粗糙度RaⅠ/30.01100.01270.0113-Ⅱ/30.01170.01030.0110-Ⅲ/30.01070.01030.0110-極差0.00100.00240.0003-#p#分頁標(biāo)題#e#

從表3的極差分析可知，進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度影響最大，極差為0.0024；切削速度的影響次之，極差為0.0010；背吃刀量影響最小，極差僅為0.0003。工件轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)，被加工表面粗糙度值最小。在試驗(yàn)條件下，獲得最低表面粗糙度的切削用量組合為：n=1500r/minf=2mmap=3μm。

在機(jī)床、刀具和試件不變時(shí)，以最佳切削用量組合進(jìn)行切削，切削出的試件在進(jìn)口儀器電動(dòng)輪廊儀上測(cè)定，表面粗糙度為Ra0.009μm。對(duì)于切削加工，這個(gè)表面粗糙度值是相當(dāng)?shù)偷模褜?shí)現(xiàn)精密加工，獲得鏡面。

另外，在實(shí)驗(yàn)中，我們也結(jié)合考察了刀具狀況及其工作環(huán)境對(duì)Ra的影響。

4結(jié)論

（1）在上述試驗(yàn)條件下，已達(dá)到Ra<0.015μm，實(shí)現(xiàn)了鏡面車削。

（2）切削用量三要素對(duì)Ra的影響情況：切削用量對(duì)Ra的影響都較小，ap的影響幾乎可以忽略。

（3）刀具本身的狀況對(duì)Ra影響較大。

①刀具的刃磨質(zhì)量。天然金剛石是具有各向異性的材料，存在著硬面和軟面，因此對(duì)于新的金剛石，必須找出正確的金剛石刀具刀刃的位置和研磨方向，先研磨出一個(gè)基準(zhǔn)面，再以此為基準(zhǔn)刃磨其他各面，這樣才能磨出鋒利的耐用度極高的金剛石刀具；另外，刀面和切削刃的表面粗糙度，對(duì)工件加工表面的Ra有直接影響。因此，刀具前刀面與后刀面的粗糙度必須小于工件所要求的表面粗糙度；刀具的強(qiáng)烈磨損，也將使加工表面粗糙度增大。尤其是副切削刃上的邊界磨損，對(duì)加工表面粗糙度的影響更為嚴(yán)重。

②刀具的幾何參數(shù)。刀具應(yīng)采用較大的刀尖圓孤半徑，較小的副偏角kr，對(duì)減小Ra甚為有效；刀具前角對(duì)Ra的影響不大。

（4）工件材料的組織結(jié)構(gòu)對(duì)Ra也有一定的影響。由于金剛石鏡面車削時(shí)的背吃刀量較小，刀刃可深入到晶粒內(nèi)部進(jìn)行穿晶式切割，因此工件材料本身的勻質(zhì)性和微觀缺陷對(duì)表面粗糙度有重大影響。而且，由于切屑是崩碎的，晶粒易從工件表面脫落形成凹痕，單晶Ge的已加工表面粗糙度數(shù)值Ra比ZnSe的稍大。

（5）工作環(huán)境的影響。用切削加工方法進(jìn)行精密加工時(shí)，工件表面極易被劃傷，主要原因是屑片未能及時(shí)排除，以及空氣中存在塵埃所致。因此，一方面要在凈化間工作，以防止塵埃進(jìn)入工作區(qū)域；另一方面，為保證尺寸的穩(wěn)定性，必須在恒溫室內(nèi)進(jìn)行加工。同時(shí)，如果條件允許，應(yīng)噴注充足的冷卻潤(rùn)滑液，以及時(shí)沖走屑末。

（6）從實(shí)驗(yàn)和分析得知，晶體材料的鏡面車削反映的是綜合的制造工藝技術(shù)。只有制造工藝系統(tǒng)具有整體的高水平，才能順利實(shí)現(xiàn)鏡面加工。