单点金刚石切削技术在icf靶制备中的应用.pdf

备、 异形靶零件的制备以及泡沫车削加工等1 金刚石车削原理及技术特点 根据机床上工件与刀具的相对运动轨迹,金刚石车削适合加工各种类型的精密零件表 面,包括球面、 非球面(包括双曲面、 抛物面、 椭 球面)、 圆柱面、 圆锥面、 平面等111 金刚石车削典型运动轨迹 金刚石车削加工典型运动轨迹示于图1金刚石刀具直线车削(图1a)是指工件安装在 主轴上作高速旋转运动,刀具安装在滑座的刀 架上作直线运动;金刚石飞刀铣削(图1b)是指 刀具安装在主轴上,以一定的工作半径绕主轴 高速旋转,工件安装在滑座上,滑座向主轴方向进行进给运动,高速转动的飞刀对工件进行切 削[4 ,5]图中,v1为滑座纵向进给运动速度;v2为滑座横向进给运动速度图1 金刚石车削加工典型运动轨迹Fig. 1 Diamond tool turning movement tracka— — — 金刚石刀具直线车削;b— — — 金刚石飞刀铣削1. 2 超精密加工机床的发展 超精密加工机床是实现超精密加工的首要 条件国外超精密机床是在上世纪60年代开 始发展起来的,到70年代中后期,一般的超精密车床已发展成熟如美国Moore公司的M218AG型、Pnewmo公司的MSG2325型、 荷 兰Philips公司的Colath型等精密数控金刚石 车床。

这些超精密机床达到的精度为:主轴回 转精度约0. 05μm ,加工形状精度0. 3～0. 5μm ,加工表面粗糙度Ra在0. 01μm以下1. 3 金刚石刀具加工零件的材料 由于天然单晶体金刚石具有硬度大、 耐磨 性高、 表面光滑、 刃口锋利等优点,与有色金属 间的摩擦系数低、 亲和力小,开始氧化的温度 高,且能韧磨得非常锋利,是切削铝、 铜等有色金属及其合金和非金属材料的理想刀具材料 金刚石可制成极锋利的刀具(刃口圆弧半径达 几纳米至几十纳米) ,因而可实现纳米级极薄切 削,获得非常好的表面质量单晶体金刚石是 目前最理想的超精密车削加工的刀具材料有研究表明,纳米切削的最小切削厚度为刃口半 径的1/ 20～1/ 30[6]1. 4 金刚石超精密车削表面质量 金刚石刀具超精密车削形成表面的主要影 响因素有几何特性、 塑性变形和机械振动等几何特性主要是指刀具的形状、 几何角度、 刀刃的表面粗糙度和进给量等,它主要影响与 切削运动方向垂直的横向表面粗糙度(图2) 图2a表示在切削时,主偏角kr、 副偏角k′r、 进给 量f对残留高度的影响图中,ap为切削深度,Ry为表面粗糙度的轮廓最大高度。

由几何关系[1]可知:Ry= f / (ctgkr+ctgk′r)(1)图2b示出在切削时刀尖圆弧半径rε和进 给量f对残留高度的影响其几何关系为:Ry= f2/8rε[1](2)2 SPDT技术在ICF靶制备中的应用2. 1 柱腔制备 间接驱动惯性约束聚变由于受激光能量限 制,若要达到理想的高温环境,空腔必须设计得很小一般情况下,空腔尺寸应小于1 mm ,壁 厚2～30μm ,加工精度要求较高[7～9]制备时 金腔一般采用铜作芯轴,银腔采用锌作芯轴,铀 腔采用铝作芯轴[9 ,10]芯轴是制备腔体的基 础,其质量直接影响柱腔的质量,表面粗糙度影响柱腔内表面粗糙度,圆柱度影响柱腔的圆柱572第3期 谢 军等:单点金刚石切削技术在ICF靶制备中的应用图2 金刚石刀具切削表面的形成Fig. 2 Surface roughnessof diamond turned surfacea— — — 主偏角kr、 副偏角k′r、 进给量f的影响b— — — 刀尖圆弧半径rε和进给量f的影响度铜、 锌、 铝等材料是有色金属,适合采用金 刚石刀具加工利用金刚石车床的较高的二次 装夹精度,美国通用原子公司成功地制备出双层金柱腔(图3)[11]。

图3 成形的双层金腔Fig. 3 Final double2walled gold hohlraum2. 2 异形靶零件制备在ICF实验中,经常要求使用各种非旋转体,如台阶靶、 楔形靶、 正弦调制靶、 状态方程阻抗匹配靶等同济大学曾采用激光干涉光刻技术制备正弦调制靶[12]由于ICF靶的形状、 尺寸精度及表面粗糙度要求高,一般的精密车床无法达到精度要求,若采用非金刚石材料制备的刀具,刀尖圆弧半径很难韧磨到纳米级金刚石刀具理论上可韧磨到2 nm[1],可实现微量切削非金刚石材料刀具无法保证ICF靶的形状精度采用金刚石刀具,设计相应的夹具,就可以采用金刚石车床加工出高质量的加工表面美国通用原子公司通过该方法制备了台阶靶、 楔形靶、 正弦调制靶、 状态方程阻抗匹配靶 等[13～16]本工作采用该技术,进行了铝靶的车 削加工实验,采用Taylor Hobson表面轮廓仪 进行了表面粗糙度测量计算得到其平均粗糙 度Ra为5 nm ,均方根粗糙度Rq为9 nm2. 3 泡沫车削加工ICF实验经常要求提供各种形状的泡沫零 件,如聚苯乙烯泡沫实心球、 空心球、 泡沫柱等 泡沫材料一般采用化学方法制得,其强度和刚 度有限,采用普通夹具,无法有效地控制夹持 力,加工过程中容易碎裂。

在具备金刚石车床和金刚石刀具的基础上,需设计专用夹具美 国通用原 子公司设计了专用的 真 空 吸 盘(图4) ,完成了聚苯乙烯泡沫实心球、 空心球的制备[13 ,14]图4 在车削中真空吸盘夹持泡沫示意图Fig. 4 Schematic of vacuum adapter chuckfor holding foam pellets during machining3 结束语 金刚石车床较高的定位精度、 分辨率和二 次装夹精度以及金刚石刀具的特点,在ICF靶制备中有着广泛的应用,可以解决多种复杂靶 零件的制备SPDT技术制备的靶表面质量 高,其它成形加工方法难以达到单点金刚石 切削技术与其它加工方法(磁控溅射技术等)相 结合,可以拓宽该技术的应用范围,制备出高质量的靶参考文献:[1] 王先逵.精密加工技术实用手册[ M].北京:机械工业出版社, 2001. 65～95.[2] Ikawa N , Donaldson RR , Komanduri R , et al.672原子能科学技术 第39卷Ultra2precision Mental Cutting— — —The Past , thePresent and the Future[J ]. Annals of the CIRP ,1991 , 40(2) :587～594.[3] Ikawa N , Shimada S ,TanakaH.MinimumThickness of Cut in Micromachining[J ]1Nano2technology , 1992 , 3(1) :6～91[4] Baruch A , Fuchs P , Paul H , et al.Fine Dia2mond Turning of KDP Crystals[J ]. Applied Op2tics , 1986 , 25(11) :1 733～1 735.[5] 郑开陵.金刚石车削光学零件新工艺[J ].红外与激光技术, 1994 , (1) :33～37.[6] 罗熙淳,梁迎春,董 申,等.分子动力学在单点金刚石超精密车削机理研究中的应用[J ].工具技术, 2000 , 34(4) :3～7.[7] Elsner F.Thickness Distribution for Gold andCopperElectroformedHohlraums: GA2A22894[R]. California :General Atomics , 1998.[8] 郑永铭,王明达,卓志云,等.系列柱形薄壁腔靶制备工艺研究[J ].强激光与离子束, 1994 ,6(4) :573～579.[9] 黄燕华,郑永铭,李秀琴,等.整体式空腔靶制备工艺[J ].原子能科学技术, 1997 , 33(4) :323～324.[10] Schultz KR , Kaae JL , Miller WJ , et al. Statusof Inertial Fusion Target Fabrication in the USA :GA2A22610 [ R ].California : General Atomics ,1997.[11] Neil A , Wes B , Chandu B , et al. Inertial Con2finement Fusion Target Component FabricationandTechnologyDevelopmentSupport :GA2A22995[R]. California :General Atomics , 1998.[12]陈建荣,王 珏,陈玲燕,等.平面调制靶的表面起伏图形研究[J ].强激光与离子束,1996 ,8(4) :616～621.[13] Neil A , Wes B , Chandu B , et al. Inertial Con2finement Fusion Target Component FabricationandTechnologyDevelopmentSupport :GA2A23240[R]. California :General Atomics , 1999.[14] Neil A , Wes B , Chandu B , et al. Inertial Con2finement Fusion Target Component FabricationandTechnologyDevelopmentSupport :GA2A23537[R]. California :General Atomics , 2000.[15] Neil A , Wes B , Chandu B , et al. Inertial Con2finement Fusion Target Component FabricationandTechnologyDevelopmentSupport :GA2A23852[R]. California :General Atomics , 2001.[16] Neil A , Wes B , Chandu B , et al. Inertial Con2finement Fusion Target Component FabricationandTechnologyDevelopmentSupport :GA2A24174[R]. California :General Atomics , 2002.772第3期 谢 军等:单点金刚石切削技术在ICF靶制备中的应用。