吉日嘎蘭圖

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033)

1 引言

機(jī)械刻劃光柵是由刻劃刀具劈型刃對(duì)光柵基底上的鋁膜或金膜進(jìn)行擠壓、擦光，使其發(fā)生形變而形成階梯形狀規(guī)則刻槽的過(guò)程，且在刻劃過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生切削現(xiàn)象［1］。在刻劃大型光柵時(shí)，刻劃刀具的使用壽命極為重要，是決定大型光柵刻劃制作成功與否的關(guān)鍵因素之一［2-3］。例如，刻制一塊尺寸為 400 mm×500 mm、刻線密度為79 gr/mm的中階梯光柵，需要的刻程為15.8 km。

天然金剛石由于其特殊的物理化學(xué)性能，具備了特有的抗磨損性能，從而成為各種光柵刻劃刀具材料的首選。然而，金剛石晶體本身具有很強(qiáng)的各向異性性質(zhì)，在不同的晶面及晶向上的耐磨性不盡相同，因此設(shè)計(jì)金剛石光柵刻劃刀具時(shí)應(yīng)首先考慮金剛石晶體在刀具刃口各位置的取向問(wèn)題。光柵刻劃刀具刃口金剛石晶體取向設(shè)計(jì)應(yīng)基于兩方面因素:(1)在光柵刻劃過(guò)程中，光柵刻劃刀具刃口各位置的應(yīng)力分布情況;(2)金剛石晶體各晶面的抗磨損性能。

在其他材料表面微成型加工領(lǐng)域，如微切削、微銑削、納米劃擦等金剛石刀具刃口各位置的應(yīng)力分布情況及其刀具刃口取向設(shè)計(jì)研究的相關(guān)報(bào)道已越來(lái)越多［4］。但是，國(guó)內(nèi)外基于擠壓、擦光模式工作的光柵刻劃刀具刃口各位置的應(yīng)力分布情況及其刀具刃口取向設(shè)計(jì)研究報(bào)道較少。國(guó)外文獻(xiàn)曾介紹金剛石刻劃刀具的晶向取向方案［2，3，5］，都是一些大致的對(duì)稱(chēng)方案，既沒(méi)有從定向面與非定向面的非對(duì)稱(chēng)受力情況去分析設(shè)計(jì)，又沒(méi)有給出較為系統(tǒng)的理論計(jì)算結(jié)果。例如，PALMER等人在論文中提到Wood將金剛石晶體的兩個(gè)成71°夾角的(111)面對(duì)稱(chēng)磨制成90°作為光柵刻劃刀主刃［5］。Davies等人提出了一種光柵刻劃刀具刃口取向方法，即:設(shè)計(jì)刀尖角為90°時(shí)，將由兩個(gè)成71°的(111)面對(duì)稱(chēng)磨制而成;設(shè)計(jì)刀尖角為120°時(shí)，將由兩個(gè)成109°的(111)面磨制而成。上述文獻(xiàn)并未給出這樣做的具體依據(jù)。國(guó)內(nèi)光柵刻劃刀具的晶向取向設(shè)計(jì)基本都處于根據(jù)金剛石晶體(100)、(110)、(111)3個(gè)典型晶面上的傳統(tǒng)硬度分布曲線的設(shè)計(jì)方法［6］，但還不足以設(shè)計(jì)出抗磨損性能較高的刻劃刀來(lái)。

2009年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所承擔(dān)的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“大型高精度衍射光柵刻劃系統(tǒng)研制”啟動(dòng)，大型中階梯光柵的刻劃任務(wù)提上日程。從光柵刻劃刀具刃口各位置的應(yīng)力分布情況及金剛石晶體本身各晶面、晶向的抗磨損性能等兩個(gè)方面出發(fā)，開(kāi)展金剛石光柵刻劃刀具抗磨損設(shè)計(jì)方法研究日漸迫切。鑒于此，本文提出一種新型中階梯光柵刻劃刀具抗磨損設(shè)計(jì)方法，即采用DEFORM有限元分析軟件模擬中階梯光柵刻劃刀具在光柵刻劃過(guò)程中的應(yīng)力分布，并結(jié)合金剛石晶體解理及動(dòng)態(tài)微觀抗壓強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)抗磨損刀具刃口取向的方法，旨在為刻劃大型光柵用抗磨損金剛石刻劃刀具的研制提供有效的理論依據(jù)，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證該方法的可行性和有效性。

2 光柵刻劃方式及刀具磨損形式

機(jī)械刻劃光柵方式見(jiàn)圖1，其槽形是在鋁膜或金膜上形成的，刀具各位置的應(yīng)力分布也是由鋁膜或金膜的屈服強(qiáng)度等材料的力學(xué)性能決定［7］。

圖1 光柵刻劃過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of grating ruling process

光柵鋁膜或金膜的蒸鍍是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，鋁膜或金膜材料的純度在99.7%以上［8］，蒸鍍后的厚度為1～12 μm，根據(jù)實(shí)際刻劃光柵槽形而定。采用CETR納米壓痕儀測(cè)試的鋁膜力學(xué)性能曲線見(jiàn)圖2，鋁膜的部分力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。從顯微硬度的角度來(lái)說(shuō)，金剛石最高顯微硬度(104 Gpa)是鋁膜顯微硬度(0.62 Gpa)的上百倍，可見(jiàn)互相作用的兩種材質(zhì)的顯著區(qū)別。

圖2 納米壓痕儀測(cè)試的鋁膜力學(xué)性能曲線Fig.2 Curves of mechanical properties on aluminum film measured by nanoindenter

表1 鋁膜的力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Parameters of mechanical properties on film

在光柵刻劃過(guò)程中，金剛石刻劃刀具在鋁膜上低速(約20～100 mm/s)擠壓、擦光，擠壓所施加的載荷非常小(約0.01～0.06 N)，且在光柵鋁膜表層均勻涂一層透平油(汽輪機(jī)油)，減小摩擦系數(shù)，提高擦光面的光潔度［6］。另外，光柵刻劃過(guò)程中，金剛石刀具與鋁膜的相互作用基本不產(chǎn)生熱。因此，光柵刻劃刀具的磨損形式與其他微加工領(lǐng)域的刀具磨損形式不盡相同。光柵刻劃刀具的磨損形式主要集中在刀具刃口4個(gè)位置，即主刃、定向面?zhèn)热?、非定向面?zhèn)热?、刃尖點(diǎn)，見(jiàn)圖1和圖3。另外，由于鋁膜蒸鍍質(zhì)量等原因也可能造成刃口蹦口失效。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所多年的光柵刻劃經(jīng)驗(yàn)，光柵刻劃刀具常見(jiàn)的磨損形式有非定向面?zhèn)热心p和非定向面?zhèn)热屑爸魅芯C合磨損，如圖4(a)和圖4(b)。未曾見(jiàn)過(guò)類(lèi)似金剛石車(chē)刀坑蝕磨損等高速、高載荷切削加工工況中產(chǎn)生的磨損形式，而是低速、地載荷下擠壓、摩擦成型工況中產(chǎn)生的光滑磨損形式。

圖3 中階梯光柵刻劃刀具Fig.3 Ruling tool of echelle grating

圖4 光柵刻劃刀最常見(jiàn)的磨損形式Fig.4 Wear shape of ruling tool

3 壓痕及刻劃過(guò)程中鋁膜應(yīng)力分布

確定光柵刻劃過(guò)程中刀具刃口應(yīng)力分布，對(duì)抗磨損刀具的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)作用。因此，以刻線密度為79 gr/mm的中階梯光柵(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中階梯光柵”)，具體參數(shù)見(jiàn)表2。采用 DEFORM有限元軟件［9-10］，對(duì)刀具在鋁膜上壓出的壓痕應(yīng)力分布及刀具在刻劃過(guò)程中鋁膜上產(chǎn)生的實(shí)時(shí)應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)圖5(a)和圖5(b)。

表2 中階梯光柵參數(shù)Tab.2 Parameters of echelle grating

壓痕應(yīng)力主要是由Z向產(chǎn)生的應(yīng)力，基本都集中在3條刃及刃尖對(duì)應(yīng)的位置上。光柵刻劃過(guò)程中產(chǎn)生的X、Y、Z三向應(yīng)力中，Z向應(yīng)力遠(yuǎn)大于其它兩個(gè)方向的應(yīng)力，且集中在刃尖點(diǎn)即非定向面?zhèn)热袑?duì)應(yīng)的位置上，這與圖4(a)和圖4(b)的刀具磨損形式相符。另外，采用激光共聚焦顯微鏡測(cè)試的壓痕及槽形形狀也顯示出了壓痕及光柵刻劃時(shí)刀具在鋁膜上實(shí)際工作情況，見(jiàn)圖6。

圖5 壓痕應(yīng)力分布及刻劃過(guò)程實(shí)時(shí)應(yīng)力分布Fig.5 Indention stress distribution and real time stress distribution in grating ruling process

圖6 激光共聚焦顯微鏡測(cè)試的壓痕及槽形Fig.6 Indentation and groove measured by confocal laser scanning microscopy

4 刀具刃口晶體取向設(shè)計(jì)

根據(jù)金剛石晶體的原子結(jié)構(gòu)，其周期鍵連(PBC)方向，即(111)晶軸方向的結(jié)合強(qiáng)度最大。因此，應(yīng)將刀具的工作方向(即圖7所示的光柵刻劃方向)設(shè)置于金剛石晶體的PBC方向上，金剛石典型的八面體晶體結(jié)構(gòu)及其PBC方向(F-D和C-E方向)見(jiàn)圖8。

圖7 鋁膜對(duì)刻劃刀具各位置的相對(duì)摩擦滑動(dòng)情況Fig.7 Relative friction on tool produced by aluminum film

將圖7中的刀具，通過(guò)刃尖點(diǎn)(Ⅲ)，用垂直于刻劃方向的面切開(kāi)，然后將金剛石晶體PBC方向與刻劃方向平行，即可得到以金剛石晶體PBC

圖8 金剛石八面體晶體結(jié)構(gòu)及其PBC方向Fig.8 Octahedron structure and PBC direction of diamond

方向?yàn)橹行牡臒o(wú)數(shù)個(gè)定向方案。然而，金剛石晶體具有顯著的(111)晶面解理特征，開(kāi)裂角(即解理面與受力方向的夾角θ)從0°～90°變化時(shí)，金剛石晶體解理開(kāi)裂傾向逐漸增大。當(dāng)開(kāi)裂角為0°時(shí)，出現(xiàn)解理裂開(kāi)傾向最小;當(dāng)開(kāi)裂角為90°時(shí)，最易出現(xiàn)解理情況。金剛石刻劃刀具在研磨過(guò)程中產(chǎn)生的明顯的解理情況見(jiàn)圖9。

圖9 金剛石晶體解理開(kāi)裂Fig.9 Cleavage of diamond crystal

圖10 抗磨損金剛石刻劃刀具晶體取向選擇方法Fig.10 Crystal orientation method of wear resistant diamond grating ruling tool

根據(jù)金剛石晶體的(111)晶面解理特征，為了提高刀具最易磨損位置的耐磨損性能，應(yīng)將刀具刃口受Z向載荷N最大的位置即刃尖點(diǎn)設(shè)計(jì)于金剛石晶體(111)晶面解理失效趨勢(shì)最小的方向上，非定向面與(111)晶面成27°，定向面與(111)晶面成63°，如圖10所示。圖10中，綠色實(shí)線所示的為刀具通過(guò)刃尖點(diǎn)(Ⅲ)，垂直于刻劃方向的橫截面;粉色的虛線為八面體金剛石通過(guò)兩個(gè)頂點(diǎn)，按(110)晶面切開(kāi)的橫截面，四個(gè)周邊與(111)晶面平行;藍(lán)色虛線與(110)晶面平行;紅色點(diǎn)劃線與(100)晶面平行;紅色箭頭所示的方向?yàn)榈毒呦蜾X膜加載的方向，載荷大小為N。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文提出的刀具刃口晶體取向方案是以中階梯光柵為例，針對(duì)其刃口結(jié)構(gòu)及刻劃工藝特性而量身設(shè)計(jì)的刀具刃口晶體取向方案。此方案是否提高中階梯光柵刻劃刀具抗磨損性能，只能通過(guò)相應(yīng)的實(shí)際光柵刻劃試驗(yàn)來(lái)加以說(shuō)明。鑒于此，本文選用了0.074 4 g，純度及透明度較高的近似八面體形狀的單晶天然金剛石作為刀頭材料，采用了進(jìn)口MWL110-X射線晶體定向儀確定了其各晶向，并研磨出焊接面。根據(jù)刀具刃口晶體取向方案，結(jié)合金剛石晶體定向結(jié)果，以金剛石焊接面將金剛石真空焊接于事先準(zhǔn)備好的刀體上。金剛石焊接后，以刀體的安裝軸及面為基準(zhǔn)，在MWL110-X射線晶體定向儀上進(jìn)行金剛石焊接誤差確定。通過(guò)刀體安裝基準(zhǔn)的修正，最終實(shí)現(xiàn)了刀具刃口定向制作誤差為2°以內(nèi)。刃磨制作的中階梯光柵刻劃刀具幾何尺寸:刃長(zhǎng)為2.5 mm，定向角為63.5°，刀尖角為87°，倒角為25°;在460倍體式顯微鏡下觀察，刃線細(xì)而清晰，表面光潔度好，刃口及刃尖點(diǎn)未見(jiàn)崩口等缺陷，刃口質(zhì)量好。

中階梯光柵刻劃刀具抗磨損試驗(yàn)采用了單塊幾何尺寸均為110 mm×110 mm×10 mm的光柵毛坯，蒸鍍鋁膜厚度約為11 μm。試驗(yàn)采用的光柵刻劃?rùn)C(jī)為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所1號(hào)刻劃?rùn)C(jī)，此刻劃?rùn)C(jī)精度高，穩(wěn)定性好。將準(zhǔn)備好的中階梯光柵刻劃刀具以安裝基準(zhǔn)正裝于1號(hào)刻劃?rùn)C(jī)刀架上，通過(guò)鋁膜上的壓刃試驗(yàn)來(lái)確定其方位角及俯仰角是否準(zhǔn)確，如不準(zhǔn)確，可微調(diào)方位角及俯仰角來(lái)達(dá)到準(zhǔn)確性要求。

刀具安裝準(zhǔn)確后，在鋁膜上均勻涂一層透平油，分別采用 52、62、72、82 g等負(fù)載，進(jìn)行試刻劃，再將幾種負(fù)載下刻劃的試段進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)采用72g負(fù)載時(shí)試段基本全槽，且槽形輪廓整齊。因此，統(tǒng)一選用了72 g刀具刻劃負(fù)載，在27塊尺寸為110 mm×110 mm×10 mm的光柵毛坯上進(jìn)行了中階梯光柵刻劃刀具抗磨損試驗(yàn)。

每次刻劃完成一塊試驗(yàn)中階梯光柵，都在白光燈下觀察其衍射條紋和在激光點(diǎn)光束下檢查其衍射斑，并進(jìn)行前后對(duì)比分析。本文設(shè)計(jì)制作的刀具經(jīng)刻劃完成第27塊中階梯光柵，光柵刻程超過(guò)17 km后，所刻劃中階梯光柵衍射條紋及衍射斑仍然清晰，與前面的試驗(yàn)結(jié)果基本相同，其光柵衍射條紋及衍射斑見(jiàn)圖11。

圖11 中階梯光柵宏觀照片及衍射斑Fig.11 Picture and diffraction spot of Echelle grating

采用體視顯微鏡在460倍數(shù)下觀察并檢查刀具刃口情況，發(fā)現(xiàn)刃口線條基本未變化，定向面?zhèn)热邢啾扔谑褂弥奥宰兇?，未出現(xiàn)崩口及明顯的磨損等缺陷。經(jīng)判斷和檢驗(yàn)，確定此刀具還可以繼續(xù)正常使用于中階梯光柵的刻劃。另外，刻劃中階梯光柵時(shí)刀具負(fù)載重，每次落刀時(shí)對(duì)刀刃的沖擊最大，落刀次數(shù)越多刀刃越容易磨損。本次試驗(yàn)采用27塊尺寸為110 mm×110 mm的中階梯光柵毛坯，其落刀次數(shù)大約為216×103，而刻劃1塊尺寸為400 mm×500 mm的中階梯光柵，其落刀次數(shù)約為368×102。說(shuō)明刻劃大尺寸中階梯光柵刻劃刀具使用壽命還有很大的提高空間。

6 結(jié)論

采用DEFORM軟件模擬了中階梯光柵刻劃刀具在光柵刻劃過(guò)程中的應(yīng)力分布，設(shè)計(jì)了抗磨損刀具刃口的取向。傳統(tǒng)刻劃刀具基本用于刻劃小尺寸(50 mm×50 mm)，高刻線密度(600～2 400 gr/mm)光柵，刻程一般為1.5～6 km，負(fù)載條件一般在5～30g;而刻劃大尺寸(400 mm×500 mm)，低刻線密度(79 rg/mm中階梯光柵)，刻程一般為15～20 km，負(fù)載條件一般在70～100 g。本文設(shè)計(jì)方案制作的79 rg/mm中階梯光柵刻劃刀具刻程超過(guò)了17 km，不僅超出了傳統(tǒng)刀具的使用壽命(刻程約為0.8 km)，也滿足了刻劃大尺寸中階梯光柵的要求。本文給出的設(shè)計(jì)方法對(duì)提高光柵刻劃刀具使用壽命具有重要指導(dǎo)意義。

［1］ 李英海，巴音賀希格，齊向東，等.用于衍射光柵刻劃的超精密金剛石刻刀的研制［J］.微細(xì)加工技術(shù)，2006，12:15-17.

LI Y H，BAYANHESHIG，QI X D，et al..The manufacture of ultra-precision diamond tool used the diffraction grating ruling［J］.Microfabrication Technology Processes，2006，12:15-17.(in Chinese)

［2］ PALMER E W，HUTLEY M C，F(xiàn)RANKS A，et al..Diffraction gratings［J］.Rep.Prog.Phys.，1975，38:975-1048.

［3］ DAVIES D A，STIFF G M.Diffraction grating ruling in australia［J］.A.Pplied Optics，1969，8(7):1379-1384.

［4］ 宗文俊.高精度金剛石刀具的機(jī)械刃磨技術(shù)及其切削性能優(yōu)化研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

ZONG W J.Mechanical lapping techniques and cutting performance optimization of high-accuracy diamond cutting tools［D］.Harbin:Harbin Institute of Technology，2008.(in Chinese)

［5］ VERRILL J F.The effects of diamond wear on the production and properties of ruled diffraction gratings［J］.J.Phys.E:Sci.Instrum.，1982，15(5):16.

［6］ 祝紹箕，鄒海興，包學(xué)誠(chéng)，等.衍射光柵［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

ZHU SH J，ZOU H X，BAO X CH，et al..Diffraction Gratings［M］.Beijing:Machinery Industry Press，1986.(in Chinese)

［7］ 蔡錦達(dá)，王英，顏廷萌，等.衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)［J］.光學(xué) 精密工程，2012，20(11):2416-2423.

CAI J D，WANG Y，YAN T M，et al..Closed-loop control system for diffraction grating ruling machine［J］.Opt.Precision Eng.，2012，20(11):2416-2423.(in Chinese)

［8］ 韓建，巴音賀希格，李文昊，等.全息光柵制作中光柵掩模槽形形狀隨光刻膠特性曲線的演化規(guī)律［J］.光學(xué)精密工程，2012，20(11):2380-2388.

HAN J，BAYANHESHIG，LI W H，et al..Groove profile evolution of grating masks for different photoresist response curves in fabrication of holographic gratings［J］.Opt.Precision Eng.，2012，20(11):2380-2388.(in Chinese)

［9］ DEFORMTM 3D Version 10.1User″s Manual.［2007-08-18］.［EB/OL］.https://www.cs.purdue.edu/spgist/spgist4postgresql.pdf.

［10］ 張寶慶，史國(guó)權(quán)，石廣豐，等.衍射光柵機(jī)械刻劃成槽的預(yù)控試驗(yàn)［J］.光學(xué) 精密工程，2013，21(7):1666-1675.

ZHANG B Q，SHI G Q，SHI G F，et al..Pre-control of mechanical scratching diffractive grating［J］.Opt.Precision Eng.，2013，21(7):1666-1675.(in Chinese)