大口径ZnSe晶体单点金刚石车削工艺技术研究.pdf

第3 8 卷第3 期2023年6 月结构与工艺光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGY APPLICATIONVol.38,No.3June,2023大口径ZnSe晶体单点金刚石车削工艺技术研究兰喜瑞，张宇佳，孙宏宇，吴凡（中国电子科技集团公司光电研究院，天津）摘要：表面质量是衡量大口径ZnSe晶体能否用于红外成像和激光光学系统中最重要评价参数之一。大口径ZnSe晶体通常采用单点金刚石车削的加工方式。这种方式表面容易产生白点、云雾状缺陷，严重影响红外和激光光学系统质量。ZnSe晶体的表面质量与主轴转速、进给速度、切削深度、刀具半径等多个加工工艺参数影响因素密切相关。采用Taguchi法设计加工实验，对各个工艺参数进行深人研究，得到优化加工工艺参数组合，最终得到大口径ZnSe晶体的加工工艺技术方案。关键词：大口径ZnSe晶体；单点金刚石车削；加工工艺参数；Taguchi法中图分类号：TH161.4Single Point Turning Technology of Large Diameter ZnSe Crystals(Academy of Opto-Electronics,China Electronics Technology Group Corporation(AOE CETC),Tianjin,China)Abstract:Surface quality is one of the most important evaluation parameters to evaluate whether large diame-ter ZnSe crystals can be used in infrared imaging and laser optical systems.Large diameter ZnSe crystals are usual-ly processed by single point diamond turning.In this way,the surface is easy to appear white spots and cloud de-fects,which seriously affect the quality of infrared and laser optical systems.The surface quality of ZnSe crystal isclosely related to the spindle speed,feed speed,cutting depth,tool radius and other processing parameters.The Ta-guchi method is used to design processing experiments,and each process parameter is deeply studied to obtain theoptimized processing parameter combination,and the processing technology scheme of large diameter ZnSe crystalis obtained.Key words:large diameter ZnSe crystals;single point diamond turning;processing parameters;Taguchi method随着红外和激光光学系统的迅猛发展,ZnSe晶严重影响红外成像和激光光学系统质量-9 。并且体广泛的应用于太空领域，国防安全和部分民用领车削后表面缺陷很深，需要抛光很长时间严重影响域。大口径ZnSe光学材料具有优良的光学性能,无加工效率，同时长时间抛光极易造成光学元件面型论在可见光波段还是红外波段都具有良好的透过精度的改变。率1-4。其加工问题也备受世界各国关注。国外已大口径硒化锌光学元件的表面质量与主轴转经掌握了较为成熟的激光级大口径ZnSe材料超精速、进给速度、切削深度等多个单点金刚石车削工密车削加工工艺。目前国内针对于大口径ZnSe晶艺影响因素密切相关，提高大口径硒化锌光学元件体材料单点金刚石车削工艺研究较少，受控于加工表面质量的关键技术在于寻找优化加工工艺参数技术和经验,并没有取得理想的效果。大口径ZnSe组合。在大口径ZnSe晶体加工过程中,加工工艺参元件通常采用车削+抛光的加工方式。首先采用单数组合的设定往往根据经验或者试验来确定，这对点车车削工艺控制面型精度，最后采用抛光工艺提工艺师的经验和技术具有很高的要求。文中采用高硒化锌光学元件表面光洁度。车削方式光学元Taguchi法设计加工实验,对各个工艺参数进行深入件的表面很容易产生白点、云雾状缺陷，这些缺陷研究，得到显著影响大口径硒化锌表面质量的工艺收稿日期：2 0 2 2-1 1-2 3文献标识码：ALAN Xirui,ZHANG Yujia,SUN Hongyu,WU Fan文章编号：1 6 7 3-1 2 5 5(2 0 2 3)-0 3-0 0 7 2-0 3第3 期参数，确定Taguchi实验的优化工艺参数组合，可以有效缩短工艺参数的选择范围。1基于Taguchi法初始工艺参数优化实验Taguchi法是一种优化实验的方法，利用较少的实验次数得到设计参数的最佳参数组合，根据所选实验对象生成正交表来筛选和安排实验，得到优化工艺参数组合。实验首先要确定实验数据的因素和水平，形成正交实验数据；其次对实验数据进行分析，选取优化工艺参数组合；最后对优化参数组合进行实验验证。1.1确定Taguchi实验因素和水平根据以往大口径硒化锌单点车车削加工的经验，主轴转速、进给速度、切削深度、刀具半径加工工艺参数对大口径硒化锌光学元件的光洁度都存在不同程度的影响。因此,将主轴转速、进给速度、切削深度、刀具半径加工工艺参数作为Taguchi实验的控制因素,并分配到A、B、C、D 的参数表中，并确定了各个参数的因素水平,得到了4个控制因素和3 个水平因素的Taguchi实验,如表1 所示。Ta-guchi实验根据确定的正交实验因素和水平生成L9(34)正交表，具体内容如表2 所示。表1 Taguchi实验的控制因素和水平控制因素水平1A主轴转速/rpm3500B进给速度/(mm/min)0.5C切削深度/m1D刀具半径/mm0.7表2 Taguchi实验的实验数据次序A13500235003350044000540006400074.50084.50094.500兰喜瑞等：大口径ZnSe晶体单点金刚石车削工艺技术研究1.2进行Taugchi实验根据大口径硒化锌光学元件加工工艺方案设计，选取在8 0 0 lx的照明条件下任意1 in范围内大于数量麻点（大于2.5 m）作为表面质量表征参数，并作为Taugchi实验的最终评价参数。Taugchi实验车床采用德国INNOLITE公司生产的IL300单点金刚石车床作为实验设备，如图1所示。材料采用美国-V I公司生产的120mm，厚度为1 5 mm的激光级硒化锌，如图2 所示。刀具采用英国contour负2 5 前角、波纹度1 0 0 ns刀具。据正交表实验数据进行Taugchi实验，记录数据，如图3 所示。IL300图1 超精密加工车床水平2水平340004.5001.52.52511.4BC0.511.522.550.521.552.510.551.512.5273三JINNOLITED表面质量0.7121111.4151.490.71018181.450.75图2 激光级硒化锌图3 激光级硒化锌车削加工实验74不同加工工艺参数下的表面质量相差较大，为了更精确地筛选实验数据，还需要对实验数据进行稳定处理。噪声比（S/Nratio）是Taguchi法选取最佳参数组合的重要评价参数，其主要是用来稳定实验数据，更好进行实验数据的筛选，更好的确定实验的影响因素。噪声比(S/Nratio)对确定影响大口径硒化锌表面质量重要工艺参数和优化参数组合具有重要作用。噪声比在Taguchi法中被定义为如下公式ZiJdB)n=-10 1g其中，y是评价值；n是实验数量。对Taguchi设计实验的数据进行噪声分析，得到S/Nratio的主效应图(如图4)和响应表(见表3)0)A-15-1617-18-19-20-21-22123123123123信噪比主效图数据均值图4S/Nratio主效应图表3 S/N ratio响应表A主轴转速B进给速度水平/rpm1-21.982-19.053-15.34Delta6.64排序11.3分析实验结果由实验数据可知，Taguchi实验的4个控制因素主轴转速、进给速度、切削深度、刀具半径对大口径硒化锌表面质量有不同程度的影响。对比不同水平下加工工艺参数的噪声比，发现加工工艺参数对ZnSe晶体表面质量的影响程度次序为刀具半径 进给速度 切削深度 主轴转速,进而确定主轴转速、切光电技术应用削深度和进给速度为显著影响工艺参数。其他工艺参数如刀具半径对大口径硒化锌表面质量影响较小,选择噪声比较小的工艺参数水平A3、B 2、C 1、D 1，确定大口径硒化锌优化工艺参数组合为切削深度1m，刀具半径0.7 mm，进给速度1.5 mm/min，主轴转速4 5 0 0 rpm。经过对优化工艺参数进行多次车削实验，大口径硒化锌表面质量为1 in范围内大于数量麻点（大于2.5 m)为两个，小于Taguchi实验中的任意工艺参数组合的表面质量，表面质量得到了明显的改(1)善，如图5 所示。BCC切削深度D刀具半径/(mm/min)/um-19.58-17.87-18.27-17.96-18.5220.531.312.6532第3 8 卷D图5 激光级硒化锌2结 论为了提高单点金刚石车削大口径硒化锌的表面质量，采用Taguchi法设计加工实验，将主轴转速、进给速度、切削深度、刀具半径加工工艺参数作/mm为Taguchi实验的控制因素，并确定了各个参数的-18.52因素水平,得到了4个控制因素和3 个水平因素的-18.98Taguchi实验。为了更精确地筛选实验数据，采用噪-18.86声比（S/Nratio)选取最佳参数组合的重要评价参0.46数。发现加工工艺参数对ZnSe晶体表面质量的影4响程度次序为刀具半径 进给速度 切削深度 主轴转速，进而确定主轴转速、切削深度和进给速度为显著影响工艺参数。其他工艺参数刀具半径如对大口径硒化锌表面质量影响较小，选择噪声比较小的工艺参数水平A3、B 2、C 1、D 1,确定大口径硒化锌优化工艺参数组合为切削深度1 m，刀具半径0.7mm,进给速度1.5 mm/min,主轴转速45 0 0 rpm,最后经过试验验证，得到大口径ZnSe晶体的加工工(下转第8 4页）844结论三防设计是一个综合复杂的工程研制工作，关系产品研制生产全寿命周期中的各个环节。设计与工艺协同的同时生产交付、使用和维护等各环节也应注意防护。采用合理可靠的设计、性能优异的材料、详实可行的工艺方法等措施进行三防防护，提升机载电子设备的可靠性。参考文献1李星,王晓慧.舰载机三防设计技术研究综述.装备环境工程,2 0 0 6,3(4):1 2-1 5.光电技术应用2 白雄飞.湿热试验介绍及相关标准解析.环境试验，2017,5:17-24.3 陈鹏.盐雾试验技术综述.电子产品可靠性与环境试验,2 0 1 4,3 2(6):6 2-6 8.4刘福江，宁薇薇.霉菌试验标准的方法探讨.标准应用与解读,2 0 1 8,1:7 9-8 1.5 马.三防设计技术J.电讯技术,1 9 9 6,3 6(4):5-2 0.6谢春峰.金属腐蚀原理及防护简介.全面腐蚀控制，2019,33(7):18-20.7孙海龙，王晓慧.舰载电子设备三防密封设计技术综述J.装备环境工程,2 0 0 8,5(5):49-5 2.8 吴训涛，孙伟.提高武器装备三防性能的思考J.工艺与装备,2 0 2 1,2 93(4):1 43-1 45.第3 8 卷(上接第7 4页）艺技术方案。参考文献1刘立武,张义军,吴卓昆,等.机载红外定向对抗装备技术发展研究J.光电技术应用,2 0 2 0,3 5(3)：1 7-2 2.2刘敬民，杨帆.美国红外定向对抗系统装备发展浅析J.光电技术应用,2 0 2 0,3 5(6)：8-1 4.3 袁钾光，王锐.快速反射镜控制系统设计.光电技术应用,2 0 2 0,3 5(1):2 7-3 4.4卢唯实，王晶.离轴反射式扩束系统批量化装调方法研究J.光电技术应用，2 0 2 0,3 5(3）：2 3-2 5.5 6张玉兰，卢利平，臧春和，等.硒化锌晶体加工工艺研究.硅酸盐学报,2 0 0 4,3 2(5):6 1 2-6 1 5.7耿瑞文，谢启明，张万清，等.硒化锌晶体超精密切削材料去除机理研究J.红外与激光工程,2 0 2 1,5 0(6):1 0.8 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