用SPDT技术制备正弦调制靶的表面起伏图形

第43卷第3期原子能科学技术

Vo l.43,N o.3 2009年3月Atomic Ener gy Science and T echno logy M ar.2009

用SPDT 技术制备正弦调制靶的表面起伏图形

谢 军

1,2

,黄燕华1,孙 涛2,郭俊杰2,袁光辉1,童维超

1

(1.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳 621900;

2.哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨 150001)

摘要:正弦调制靶是瑞利-泰勒(Ray leig h -T aylor ,R -T )不稳定性研究的重要实验用靶。从国内外实验用靶的需求出发,采用金刚石车削技术,在紫铜表面完成了振幅为10L m 、波长为100L m 等一系列正弦曲线的加工。采用直线插补原理编制数控加工程序,利用超精密金刚石车床,设计了合理的加工工艺过程,分析了对正弦曲线轮廓加工及测量的主要影响因素及误差,通过F or m T alysur f series 2型触针式轮廓仪对正弦曲线轮廓进行测量。结果表明:正弦曲线轮廓平滑,波长和振幅数值上与理论值基本相同。通过SPDT 技术制备的正弦曲线图形基本满足R -T 不稳定性实验需求。关键词:Ray leig h -T ay lo r 不稳定性;单点金刚石切削;调制靶;惯性约束聚变中图分类号:T G 506

文献标志码:A 文章编号:1000-6931(2009)03-0279-05

Preparation of Sine Perturbation Figures by SPDT Technology

XIE Jun 1,2,H UANG Yan -hua 1,SUN T ao 2,GU O Jun -jie 2,

YUAN Guang -hui 1,TONG We-i chao 1

(1.Resear ch Center of L as er Fusion,China A cad emy of Engineer ing Phys ics ,M iany ang 621900,China;2.H ar bin I ns titute of T echnology ,H ar bin 150001,China)

Abstract: The sine mo dulation target is an im por tant targ et for Ray leig h -T ay lor insta -bility ex periment.A ser ies of sinusoids w ere m achined o n pure copper by sing le po int diamond tur ning (SPDT),such as sinusoids w ith amplitude o f 10L m and w avelength of 100L m.T he effects of process and m easurement on the sinusoidal pro file w ere analyzed.T he pr ofile w as characterized by Fo rm T alysur f series 2.The results indicate that the sinusoidal profile is smoo th w hose am plitude and w aveleng th are approx imately the same as the ideal numerical value.

Key words:Rayleig h -T ay lor instability;single po int diamond turning;m odulatio n tar -g et;inertial confinem ent fusion

收稿日期:2007-11-05;修回日期:2007-12-06基金项目:国家高技术项目资助课题

作者简介:谢 军(1975)),男,重庆人,工程师,机械制造专业

流体力学界面不稳定性是ICF 实验中的重要研究内容。激光聚变中的流体力学不稳定

性主要是冲击波通过不同密度的界面时引起扰动增长的R -M(Richtmy er -Meshkov )不稳定性

和当加速度由轻介质指向重介质时产生的R -T (Rayleigh -Taylo r)不稳定性。流体力学不稳定性特别是R -T 不稳定性其结果可能导致实验失败。在国外,有大量流体力学界面不稳定性实验[1-4]。造成R -T 不稳定性的原因很多,如何在理论和实验中明确R -T 不稳定性的作用是目前的一个重要研究课题。在分解实验中,通过在靶表面引入正弦调制图形来模拟靶丸表面的不均匀性,通过测量激光对靶烧蚀过程中靶密度扰动的时空分布非线性增长,结合X 射线背景照明技术诊断,可获得R -T 不稳定性增长的信息。

在靶制备方面,可直接在几十微米的金属材料表面加工出起伏图形[5-6]。或先制备出正弦图形,再通过图形转移,在PMP 、聚苯乙烯等

有机材料表面获得正弦图形[7]

,制备表面起伏轮廓图形的平面调制靶是物理实验的前提。同济大学在正弦调制靶的制备方面作了大量研究,曾采用电镀、激光干涉、离子束刻蚀等方法制备正弦起伏图形[7-9];中国科技大学国家同步辐射实验室也曾采用激光全息光刻方法,成功得到了正弦调制图形[10]

;美国洛斯阿拉莫斯实验室(LANL)曾在铜表面采用金刚石车削与电火花加工技术、激光加工技术制备调制靶[6],美国通用原子公司(General Atomics,GA)也曾采用单点金刚石车削技术(single point dia -m ond turning ,SPDT)制备正弦图形[11]

,但均没有靶制备方面的详细报道。国内未见SPDT 法制备正弦曲线起伏图形的报道。本工作拟采用金刚石车削技术,设计合理加工工艺过程及数控加工程序,在紫铜表面完成正弦起伏轮廓图形的加工。

1 实验

111 实验条件

实验用材料为紫铜(T 2),实验设备为超精密金刚石车床,数控分辨率1nm 。整个床身和主轴均采用气浮方式,有效降低外界振动传给车床;采用天然金刚石刀具,对紫铜进行端面车削。工件采用真空负压夹持,二次装夹精度可控制到1L m 以下;通过喷雾冷却方式对工件进行冷却,避免切削液对工件表面及加工环境

的污染;通过切屑抽取装置将切屑抽出,避免切

屑在工件表面的二次切削而损伤已加工工件表面。机床坐标系统遵循右手螺旋定则,图1为实验装置示意图。加工环境温度20.1e ,湿度40%,万级超净。实验中采用Form T alysurf ser ies 2型触针式轮廓仪对工件进行表面轮廓测量。测针半径2L m 、顶部夹角90b 。测量时,触针直接在工件表面移动,随轮廓的起伏而起伏,得到表面轮廓的信息

[12]

。

图1 实验装置示意图

F ig.1 Scheme of ex per imental setup

112 数控加工程序设计

1.2.1 正弦曲线的数学模型 正弦曲线方程可表示为:z =A sin (2P x /K +W )。式中:A 为振幅;K 为波长;W 为初相。在数控加工及程序设计时,一般可设初相W =0。1.2.2 程序设计 目前通用的数控机床控制系统一般只有直线插补和圆弧插补两种插补功能,因此,要编制正弦曲线数控加工程序,必须通过若干直线或圆弧段来拟合曲线。根据直线插补原理,非圆曲线轮廓的数控加工程序设计可采用直线段或圆弧段逼近非圆曲线,在工件轮廓起始点和终点坐标间进行/数据密化0,求出中间点的坐标,使刀具相对工件作连续运动,而任意曲线均可用多条小直线段来逼近。113 工艺过程

通过金刚石圆弧刀具将紫铜块表面加工至表面均方根粗糙度R q 小于10nm ,再换金刚石尖刀对铜块表面加工出正弦曲线轮廓。

2 结果与讨论

由于铜表面的正弦调制图形轮廓会复映在有机材料表面,因而正弦图形模板的质量完全取决于表面图形轮廓是否与正弦曲线吻合,与材料的物理化学性能无直接关系。

280

原子能科学技术 第43卷

在正弦曲线超精密车削加工中,影响加工表面轮廓的因素很多,如材料的切削性能、主轴运动精度、溜板运动精度、自振与隔振、刀具、切削参数以及环境条件(温度、湿度)、测量等。这些因素以其复杂的规律影响工件的加工过程。

211 工艺过程对正弦曲线轮廓的影响从刀具设计角度考虑,首先必须保证加工质量,选择合理的刀具几何参数,延长刀具寿命,另外,必须考虑刀具几何参数是否会在加工过程中与工件干涉。图2所示为刀具与工件发生干涉的情况。从这一点考虑,刀具的刀尖角需设计得更小一些。但若刀尖角过小,则刀具强度降低,刀具磨损加剧,发生崩韧的可能性也增大,且从刀具的韧磨来看,刀尖角越小,韧磨难度越大,刀具价格越贵,因此,刀具的刀尖角应设计得大一些。可通过需加工的正弦曲线方程,数学计算出最大角度,考虑到刀具安装时与机床z 方向不绝对平行,刀尖角应小于数学计算出的最大角度。正弦曲线振幅与周期的比值越大,

要求的刀尖角越小。

图2 刀具与工件干涉示意图Fig.2 Interfer ence of to ol and w ork piece

图3为刀具与工件干涉后加工出的轮廓。从图3可看出,曲线谷部轮廓较平滑,而峰部却成尖角,说明峰部轮廓与刀具干涉并被刀具切除。为避免刀具干涉情况,需设计小的刀具刀尖角,并避免刀具后刀面与工件的干涉。同时,在安装刀具时应尽量保持刀具与机床z 方向平行,避免倾斜。刀具磨损后也会影响工件的轮廓,图4为刀具磨损后加工的轮廓。可见,不但曲线不光滑,而且曲线的振幅也发生变化。

从数控加工程序设计的角度考虑,x 轴的

步长直接影响轮廓精度。实验中对正弦曲线数控加工程序采用等间距法,求出z 轴相应的坐标,通过直线段来拟合曲线。图5示出理想轮廓与实际轮廓,D max 为轮廓最大误差。可见,采用等间距法编程,轮廓误差影响最大的点在正弦曲线的峰和谷处。x 轴增量的选择对加工轮廓精度影响较大,x 轴增量越小,加工轮廓精度

越高,越接近于正弦曲线。在加工振幅为10L m 、波长为100L m 的正弦曲线时,实验选择x 轴增量为0.25L m,通过数学计算可知,z 轴最大增量在振幅最小处,为0.112L m,最小增量为在振幅最大处,为0.001L m 。

212 加工环境及材料对正弦曲线轮廓的影响

由于在实验中严格控制加工环境(温度20.1e ,湿度40%,万级超净),且超精密金刚石车床本身的振动小,因而加工环境对加工工件轮廓的影响相对于刀具及数控加工程序的影响小得多,甚至可忽略。

由于紫铜的性能上各向异性,加工后,在已加工表面存在残余应力,会产生弹性和塑性变形,从而也会影响已加工表面的轮廓及粗糙度

[12]

。

281

第3期 谢 军等:用SPDT 技术制备正弦调制靶的表面起伏图形

图5 理想轮廓与实际轮廓F ig.5 Ideal pr ofile and fact pro file

213 测量误差

图6为用Form T aly surf 轮廓仪测量的测针半径2L m 、顶部夹角90b 、测量振幅10L m 、波长100L m 的正弦曲线轮廓示意图。可看出,测量过程中,未发生触针不能测量到谷底的现象,也未发生因触针夹角过大而造成触针针尖不能接触真实轮廓的现象。可见,用Form Talysurf 轮廓仪测量振幅为10L m 、波长为100L m 的正弦曲线轮廓数据可靠。同理,也可用于测量振幅为2L m 、波长为50L m 的正弦曲

线轮廓。

图6 F or m T aly sur f 轮廓仪测量的正弦曲线轮廓示意图F ig.6 Sinusoidal pr ofile measured by Fo rm T aly sur f

由于Fo rm Taly surf 轮廓仪采用接触测量,正弦曲线表面轮廓高低起伏,因而,可能产生较大测量误差。如果测针半径无穷小,针尖为一点时,则测试的曲线为正确的轮廓曲线。但实际上针尖均有一定的曲率半径。设正弦曲线轮廓上任意点c ,其切线斜率为tan A (图7),当探针扫描到x a 位置时,针尖与轮廓的接触点不是a 点,而是c 点,此时,正确的轮廓高度为

z a ,而测量得到的高度为z b ,则测量误差$

a =z

b -z a 。可见,测量误差与工件轮廓曲线切线

的斜率以及测针曲率半径有关。测针曲率半径

越小,工件轮廓曲线斜率tan A 越小,测量误差越小。本实验所选择的测针半径为2L m 、顶部夹角为90b 。在测量振幅为10L m 、周期为100L m 的正弦曲线轮廓时,$max U 0.3L m,误差最大位置是c 点在振幅为零处。

图7 测量接触点变化引起的测量误差Fig.7 M easurement erro r caused

by measuring po int chang e

214 实验结果

图8为采用Form T aly surf 轮廓仪测量的

正弦曲线轮廓。从图8可看出:曲线轮廓平滑,波长和振幅数值上与理论值基本相同。说明通过金刚石车削技术可较好地控制正弦曲线的波长和振幅,曲线轮廓基本上与正弦曲线相同。

图8 正弦曲线轮廓F ig.8 Pr ofile of sinuso ids

a )))振幅10L m 、波长100L m;

b )))振幅2L m 、波长50L m

282

原子能科学技术 第43卷

3结语

采用金刚石车削技术,在紫铜表面完成了振幅为10L m、波长为100L m等一系列正弦曲线的加工,曲线轮廓平滑,波长和振幅数值上与理论值基本相同。通过对影响正弦曲线轮廓的加工因素的分析,设计了合理的加工工艺条件及工艺过程;通过对测量误差的分析,采用半径为2L m、顶部夹角为90b的测针测量振幅为10L m、波长为100L m的正弦曲线轮廓,测量最大误差约为0.3L m。可见,通过SPDT技术制备的正弦曲线图形基本满足目前R-T不稳定性实验需求。

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