晶體材料由于其獨特的性能，愈來愈多地被應用于高新技術領域，如制作精細的光學零件、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、熔點高等優點。

然而，對晶體材料進行精密加工，采用拋光及珩磨技術，則具有一定的局限性，如不能改變其尺寸精度、難以對復雜型面進行加工等，而且效率低，成本高。因此，有必要研究和采取切實可行的機械加工技術，以提高生產率，達到高的尺寸精度及低的表面粗糙度值，降低生產成本。

美國是在超精密加工方面起步最早的國家，至今在宇宙、軍工和基礎領域的研究規模仍很寵大。1990年發射的哈勃望遠鏡的反射鏡的研制成功就是例證。

1晶體材料的特點及切削加工性定性分析

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

國外對脆性材料切削機理的研究表明：若切削用量及刀具幾何參數選擇合適，則可能在切削區內形成韌性切削，加工表面不會產生裂紋。

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

2試驗條件

進行精密加工，不但要有高精度和高剛性的設備、相應的測量技術和測量裝置，而且還要有良好的工作環境，例如，室內恒溫、空氣凈化和地基防振。

(1) 機床：超精密氣浮大理石車床（國防科技大學研制）。
(2) 工件材料：ZnSe；規格：φ20×5mm；其性能如表1所示。

表1ZnSe的物理特性

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

(3) 刀具：單晶金剛石刀具，刀具幾何參數如表2所示。

表2刀具的幾何參數

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

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

3試驗結果與分析

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

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

表3試驗數據及處理結果

試驗序號切削轉速(r/min)進給量(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#分頁標題#e#

從表3的極差分析可知，進給量對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。工件轉速為1500r/min時，被加工表面粗糙度值最小。在試驗條件下，獲得最低表面粗糙度的切削用量組合為：n=1500r/minf=2mmap=3μm。

在機床、刀具和試件不變時，以最佳切削用量組合進行切削，切削出的試件在進口儀器電動輪廊儀上測定，表面粗糙度為Ra0.009μm。對于切削加工，這個表面粗糙度值是相當低的，已實現精密加工，獲得鏡面。

另外，在實驗中，我們也結合考察了刀具狀況及其工作環境對Ra的影響。

4結論

（1）在上述試驗條件下，已達到Ra<0.015μm，實現了鏡面車削。

（2）切削用量三要素對Ra的影響情況：切削用量對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Ra影響較大。

①刀具的刃磨質量。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，先研磨出一個基準面，再以此為基準刃磨其他各面，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，對加工表面粗糙度的影響更為嚴重。

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

（4）工件材料的組織結構對Ra也有一定的影響。由于金剛石鏡面車削時的背吃刀量較小，刀刃可深入到晶粒內部進行穿晶式切割，因此工件材料本身的勻質性和微觀缺陷對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值Ra比ZnSe的稍大。

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

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