CN108621316B - 一种易潮解光学晶体的水溶解辅助精密高效切割方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种易潮解光学晶体的水溶解辅助精密高效切割方法，包括以下步骤：将KDP晶体放置于精密高效切割机床的工件安放平台上，工件安放平台上设置有内嵌升降式数控脉动进给机构和内嵌升降式数控转位机构，通过定向仪和数控系统对工件进行精确的定向和定位；将金刚石线锯对准切割位置进行切割，保持切割位置的金刚石线锯浸泡在切割液中；所述的切割液是多相的油包水型微乳液。本发明采用精密高效切割机床的数控系统控制工件的进给和转位，保证了工件的进给和转位精度，提高了切割精度；本发明利用易潮解光学晶体可溶于水的物理性质来进行切割，降低机械硬切割所产生的损伤，改善了切割后的表面粗糙度，提高了表面质量，提高了切割效率。
Description
技术领域
本发明属于易潮解晶体的精密切割领域，特别涉及一种易潮解光学晶体的水溶解辅助精密高效切割方法。
背景技术
磷酸二氢钾(KDP)晶体是一种优良的光学晶体材料，由于其出色的非线性电光性质，被广泛用在惯性约束核聚变(ICF)研究中作为电光开关和倍频转换元件。ICF工程中需要数百片大尺寸(410mm×410mm×10mm)、超高质量(表面粗糙度为纳米级)的KDP晶体元件，对KDP晶体的生长和加工提出了极其苛刻要求。然而，KDP晶体又是一种软脆易潮解且具有强各向异性的人工晶体材料，是世界范围内的研究者公认的典型研究难题，主要表现在大尺寸难生长，生长出来后难切割，切割后难加工等方面。目前，国内外已经克服了人工培育生长的技术难题，获得了超过500mm×500mm×1000mm超大尺寸、高品质的KDP晶体。当下，针对大尺寸KDP晶体的切割方法主要是带锯切割和线锯切割。然而，带锯切割后的晶体表面质量较差，呈现毛玻璃的粗糙状态，给后续超精密加工带来不便，而且带锯在切割过程中产生较大的切削应力，容易导致KDP晶体开裂而使整块晶体报废，造成极大的经济损失，同时带锯切割的切缝较宽，即使是完好的切割也容易导致材料的浪费。线锯切割由于具有线速度高、切缝小、应力低和切割后表面质量相对较好的特点，近些年来被应用于大尺寸KDP晶体的切割中来取代传统的带锯切割，但是线锯的切割效率极低，成为制约其推广应用的主要因素。应用在ICF中的KDP晶片还需按特定的晶向切割，要求定向精度和切割精度，而这些正是普通带锯切割和线锯切割难以保证的。如何在线锯切割KDP晶体优点的基础上，对工件的精密转位定向，保证切割精度，提高切割效率，增加坯片产出量，成为亟待解决的难题。
中国专利ZL201210217701.1公开了“一种龙门式KDP晶体固结磨料线型锯机”，该设备采用固结磨料锯丝切割晶体，定位于高效安全加工。中国专利ZL201610257657.5公开了“新型环形金刚石线锯机床”，该机床采用环形锯丝来提高切割线速度，用丝杠导轨机构实现工件线性进给，保证切割精度和效率。然而上述发明只能通过人工调整或者简单的机械进给来对工件进行喂送和角度转位定向，人工要求高，准备时间长，从而导致切割精度和效率低下；同时，上述发明在机理上还是单纯的通过线锯与晶体材料的摩擦去除作用来进行加工，容易产生脆性崩碎破坏，引起表面损伤，降低切割后表面质量，并且通过改造设备而非切割机理而提高加工效率有很大的制约性。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能够对工件进行自动数控脉冲进给和转位定向、保证切割精度、降低切割后的表面损伤、改善切割后的表面质量、提高精密切割的效率的易潮解光学晶体的水溶解辅助精密高效切割方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种易潮解光学晶体的水溶解辅助精密高效切割方法，包括以下步骤：
A、将KDP晶体放置于精密高效切割机床的工件安放平台上，使用定向仪对晶体进行定向；
B、根据定向仪反馈的数据，调节工件安放平台，对工件进行精确调姿和定位；
C、将金刚石线锯对准切割位置，切割开始时将切割液喷洒至金刚石线锯切割位置；
D、金刚石线锯以设定的进给速度和切割线速度运动进行切割，在整个切割过程中要保持切割位置的金刚石线锯浸泡在切割液中，直至切割完成；
所述的切割液是多相的油包水型微乳液，包括以下质量组分：
纯水，占比为5％～30％；
有机基载液，占比为30％～60％；
分散剂，占比为35％～55％；
其余为分散剂助剂；
E、一次切割完成后，工件安放平台在控制系统的控制下自动按照设定的进给量进给，自动进入下一个切割循环；
F、当需要沿不同晶向切割时，工件安放平台在控制系统的控制下对工件进行精确转位和进给，保证切割晶向和位置准确。
进一步地，步骤A所述的定向仪安装在金刚石线锯下方。
进一步地，所述的工件安放平台底部安装有调姿机构，工件安放平台上设置有内嵌升降式数控脉动进给机构和内嵌升降式数控转位机构。
进一步地，所述的有机基载液是长链醇或脂；所述的分散剂是非离子表面活性剂，所述的分散剂助剂是亲水性醇或亲油性的醇或酚。
进一步地，所述的金刚石线锯的锯丝的直径为0.1-0.6mm，锯丝上所镀金刚石颗粒的粒径为10-30μm，切割线速度范围为0.1-10m/s，切割的进给速度为0.1-10mm/min。
进一步地，所述的切割液的纯水质量组分比例即含水量以及切割线速度和进给速度的确定方法如下：
将切割线速度、进给速度和含水量三个参数作为等边三角形坐标系的三个坐标轴，每个坐标轴分为10份；用等边三角形的左腰表示切割线速度坐标，下端标记为0.1m/s，上端标记为10m/s；用等边三角形的右腰表示含水量坐标，上端标记为0％，下端标记为100％；用等边三角形的底边表示进给速度坐标，左端标记为0.1mm/min，右端标记为10mm/min；以等边三角形左下角顶点向含水量坐标值为30％位置处画一条直线作为下边界，再以左下角顶点向含水量坐标为27％位置处画一条曲线作为上边界，由上边界、下边界及含水量坐标轴所围成的区域为经过试验获得的高效切割区域；上边界曲线由如下函数关系式确定：
其中，W是含水量，v1是切割线速度，v2是进给速度；
含水量会随着切割线速度和进给速度的增大而增大，选择的切割液含水量、切割线速度和进给速度的参数组合均应落在高效切割区域中，不得逾越高效切割区域边界，最大含水量不得超过30％，最小含水量不得低于5％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用精密高效切割机床的数控系统控制工件的升降脉动进给和转位调姿，保证了工件的进给和调姿精度，提高了切割精度；
2、本发明自动化程度较高，缩短了工件的安装准备时间，降低了工人的劳动强度，提高了作业效率；
3、本发明利用易潮解光学晶体可溶于水的物理性质来进行切割，降低机械硬切割所产生的损伤，改善了切割后的表面粗糙度，提高了表面质量；
4、本发明的整个切割过程是通过机械作用和水溶解的辅助作用共同实现的，有效地提高了切割效率；
5、本发明切割过程中由于水溶解辅助作用的参与，减小了金刚石线锯的切削力，增加了金刚石线锯的使用寿命。
附图说明
图1是KDP晶体水溶解辅助精密高效切割机床结构示意图。
图2是KDP晶体水溶解辅助精密高效切割原理示意图。
图3是图2中A处放大图。
图4是图3中B处放大图。
图5是切割高效工作区域的切割液含水量、切割线速度和进给速度关系图。
图6是实例中使用红油切割后KDP晶体表面的扫描电镜图。
图7是实例中使用本发明方法切割后KDP晶体表面的扫描电镜图。
图8是实例中使用红油切割后KDP晶体表面的白光干涉图。
图9是实例中使用本发明方法切割后KDP晶体表面的白光干涉图。
图中：1、工件安放平台；2、调平机构；3、分步进给机构；4、转位定向机构；5、定向仪；6、KDP晶体；7、金刚石线锯；8、线锯进给方向；9、切割液输送管；10、切割液；11、锯丝运动方向；12、溶解区域；13、切割后表面；14、油包水结构；15、金刚石颗粒；16、锯丝；17、切割前表面；18、破坏的油包水结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。
如图1-5所示，一种易潮解光学晶体的水溶解辅助精密高效切割方法，包括以下步骤：
A、将KDP晶体6放置于精密高效切割机床的工件安放平台1上，使用定向仪5对晶体进行定向；
B、根据定向仪5反馈的数据，调节工件安放平台1，对工件进行精确调姿和定位；
C、将金刚石线锯7对准切割位置，切割开始时将切割液10喷洒至金刚石线锯7切割位置；
D、金刚石线锯7以设定的进给速度和切割线速度运动进行切割，在整个切割过程中要保持切割位置的金刚石线锯7浸泡在切割液10中，直至切割完成；
所述的切割液10是多相的油包水型微乳液，包括以下质量组分：
纯水，占比为5％～30％；
有机基载液，占比为30％～60％；
分散剂，占比为35％～55％；
其余为分散剂助剂；
E、一次切割完成后，工件安放平台1在控制系统的控制下自动按照设定的进给量分步进给，自动进入下一个切割循环；
F、当需要沿不同晶向切割时，工件安放平台1在控制系统的控制下对工件进行精确转位和进给，保证切割晶向和位置准确。
进一步地，步骤A所述的定向仪5安装在金刚石线锯下方。
进一步地，所述的工件安放平台底部安装有调姿机构2，工件安放平台上设置有内嵌升降式数控脉动进给机构3和内嵌升降式数控转位机构4。
进一步地，所述的有机基载液是长链醇或脂；所述的分散剂是非离子表面活性剂，所述的分散剂助剂是亲水性醇或亲油性的醇或酚。
进一步地，所述的金刚石线锯7的锯丝16的直径为0.1-0.6mm，锯丝16上所镀金刚石颗粒15的粒径为10-30μm，切割线速度范围为0.1-10m/s，切割的进给速度为0.1-10mm/min。
进一步地，所述的切割液10的纯水质量组分比例即含水量以及切割线速度和进给速度的确定方法如下：
将切割线速度、进给速度和含水量三个参数作为等边三角形坐标系的三个坐标轴，每个坐标轴分为10份；用等边三角形的左腰表示切割线速度坐标，下端标记为0.1m/s，上端标记为10m/s；用等边三角形的右腰表示含水量坐标，上端标记为0％，下端标记为100％；用等边三角形的底边表示进给速度坐标，左端标记为0.1mm/min，右端标记为10mm/min；以等边三角形左下角顶点向含水量坐标值为30％位置处画一条直线作为下边界，再以左下角顶点向含水量坐标为27％位置处画一条曲线作为上边界，由上边界、下边界及含水量坐标轴所围成的区域为经过试验获得的高效切割区域；上边界曲线由如下函数关系式确定：
其中，W是含水量，v1是切割线速度，v2是进给速度；
含水量会随着切割线速度和进给速度的增大而增大，选择的切割液10含水量、切割线速度和进给速度的参数组合均应落在高效切割区域中，不得逾越高效切割区域边界，最大含水量不得超过30％，最小含水量不得低于5％。
本发明的工作原理如下：
本发明利用被加工光学晶体易潮解这一特性，配制专用的油包水型微乳液作为切割液10，切割液10中水含量控制在5％～30％范围内，使切割过程工作在高效切割区内；切割开始前，将被加工KDP晶体6放置至工件安放平台1上，使用定向仪5对工件进行定向，根据定向仪5反馈的数据，调整工件安放平台1底部的调姿机构2使工作台平面符合晶体切割要求，控制工件安放平台1上的内嵌升降式数控脉动进给机构3和内嵌升降式数控转位机构4，精确调整KDP晶体6的切割位置；切割过程中，金刚石线锯7浸泡在切割液10中高速运动，锯丝16上的金刚石颗粒15与晶体材料进行滑擦，产生材料去除，同时在切割区域金刚石颗粒15通过与KDP晶体6接触而使切割液10破乳溶解被切割晶体材料，然后机械作用将去除的材料带走，实现切割过程中的材料去除。整个切割过程是通过机械作用和水溶解的辅助作用交互实现的，在切割区域有水溶解辅助作用，在非切割区域，晶体受到油相的保护，不发生溶解作用。
本发明的工作方法如下：
如图1-4所示，将被加工KDP晶体6放置至工件安放平台1上，使用定向仪5对工件进行定向，根据定向仪5反馈的数据，调整工件安放平台1底部的调姿机构2使工作台平面符合晶体切割要求，控制工件安放平台1上的内嵌升降式数控脉动进给机构3和内嵌升降式数控转位机构4，精确调整KDP晶体6的切割位置；在对KDP晶体6进行加工时，金刚石线锯7以一定的切割线速度沿着锯丝运动方向11高速运动，同时在线锯进给方向8上有一定的进给速度，切割液输送管9向切缝处喷洒油包水型切割液10，保证切割过程中金刚石线锯7完全浸泡在切割液10中；金刚石线锯7高速运动过程中，锯丝16上的金刚石颗粒15与KDP晶体6进行机械滑擦，产生材料去除，同时在切割区域，金刚石颗粒15通过与KDP晶体6接触挤压而使切割液10中的油包水结构14破坏，破坏的油包水结构18中的水分将溶解被切割晶体材料，产生材料溶解区域7，然后机械作用将溶解的材料去除带走；而在非切割区域，如切割前表面17和切割后表面13，KDP晶体6受到油相的保护，不发生溶解作用，不产生材料去除；整个切割过程是通过机械作用和水溶解的辅助作用共同实现的，在切割区域有水溶解辅助作用，减小了切割过程中的切削力，增加了材料去除率，从而提高了切割效率。
本发明的实施例一如下：
根据本发明中的切割液配方配制含水量10％的切割液10(有机基载液45％，分散剂40％，分散剂助剂5％，纯水10％)，按照图5中的高效工作区域选择切削线速度为3m/s，进给速度1mm/min，选用直径为0.26mm的锯丝16对KDP晶体1进行切割试验，在相同的切割距离下，与采用红油切割液相比，效率提升了16％。
本发明的实施例二如下：
配制含水量25％的切割液10(有机基载液30％，分散剂35％，分散剂助剂10％，纯水25％)，按照图5中的高效工作区域选择切削线速度为6m/s，进给速度3mm/min，选用直径为0.26mm的锯丝16对KDP晶体1进行切割试验，在相同的切割距离下，与采用红油切割液相比，效率提升了22％。
对上述使用10％含水量切割液10切割加工后的KDP晶体1表面形貌图如图6所示，与采用传统的红油切割液在相同条件下所获得的表面(图7)相比，表面崩碎和耕犁明显减少，变得更加光滑；使用ZYGO白光干涉仪检测10％含水量切割液和红油切割液加工后的表面，如图8和图9所示，表面质量有明显提升，粗糙度Ra由6.807μm降低至3.112μm。
本发明方法不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种易潮解光学晶体的水溶解辅助精密高效切割方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、将KDP晶体(6)放置于精密高效切割机床的工件安放平台(1)上，使用定向仪(5)对晶体进行定向；
B、根据定向仪(5)反馈的数据，调节工件安放平台(1)，对工件进行精确调姿和定位；
C、将金刚石线锯(7)对准切割位置，切割开始时将切割液(10)喷洒至金刚石线锯(7)切割位置；
D、金刚石线锯(7)以设定的进给速度和切割线速度运动进行切割，在整个切割过程中要保持切割位置的金刚石线锯(7)浸泡在切割液(10)中，直至切割完成；
所述的切割液(10)是多相的油包水型微乳液，包括以下质量组分：
纯水，占比为5％～30％；
有机基载液，占比为30％～60％；
分散剂，占比为35％～55％；
其余为分散剂助剂；
所述的切割液(10)的纯水质量组分比例即含水量以及切割线速度和进给速度的确定方法如下：
将切割线速度、进给速度和含水量三个参数作为等边三角形坐标系的三个坐标轴，每个坐标轴分为10份；用等边三角形的左腰表示切割线速度坐标，下端标记为0.1m/s，上端标记为10m/s；用等边三角形的右腰表示含水量坐标，上端标记为0％，下端标记为100％；用等边三角形的底边表示进给速度坐标，左端标记为0.1mm/min，右端标记为10mm/min；以等边三角形左下角顶点向含水量坐标值为30％位置处画一条直线作为下边界，再以左下角顶点向含水量坐标为27％位置处画一条曲线作为上边界，由上边界、下边界及含水量坐标轴所围成的区域为经过试验获得的高效切割区域；上边界曲线由如下函数关系式确定：
其中，W是含水量，v1是切割线速度，v2是进给速度；
含水量会随着切割线速度和进给速度的增大而增大，选择的切割液(10)含水量、切割线速度和进给速度的参数组合均应落在高效切割区域中，不得逾越高效切割区域边界，最大含水量不得超过30％，最小含水量不得低于5％；
E、一次切割完成后，工件安放平台(1)在控制系统的控制下自动按照设定的进给量分步进给，自动进入下一个切割循环；
F、当需要沿不同晶向切割时，工件安放平台(1)在控制系统的控制下对工件进行精确转位和进给，保证切割晶向和位置准确。
2.根据权利要求1所述的一种易潮解光学晶体的水溶解辅助精密高效切割方法，其特征在于：步骤A所述的定向仪(5)安装在金刚石线锯(7)下方。
3.根据权利要求1所述的一种易潮解光学晶体的水溶解辅助精密高效切割方法，其特征在于：所述的工件安放平台(1)底部安装有调姿机构(2)，工件安放平台(1)上设置有内嵌升降式数控脉动进给机构(3)和内嵌升降式数控转位机构(4)。
4.根据权利要求1所述的一种易潮解光学晶体的水溶解辅助精密高效切割方法，其特征在于：所述的有机基载液是长链醇或脂；所述的分散剂是非离子表面活性剂；所述的分散剂助剂是亲水性醇或亲油性的醇或酚。
5.根据权利要求1所述的一种易潮解光学晶体的水溶解辅助精密高效切割方法，其特征在于：所述的金刚石线锯(7)的锯丝(16)的直径为0.1-0.6mm，锯丝(16)上所镀金刚石颗粒(15)的粒径为10-30μm，切割线速度范围为0.1-10m/s，切割的进给速度为0.1-10mm/min。
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