專利名稱：一種用于功能晶體磷酸二氫鉀超精密銑削時的冷卻液的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種冷卻液，具體涉及一種用于功能晶體磷酸二氫鉀(KDP)超精密銑削時的冷卻液。
背景技術：
磷酸二氫鉀(KDP)晶體是一種性能優良的無機非線性光學材料，它在激光慣性約束核聚變、激光通信等技術領域中有著廣泛的應用，為了提高KDP晶體光學元件的加工精度與表面質量，各國紛紛投入大量人力、物力對其加工技術進行研究。目前，國內外通常采用單點金剛石車削(SPDT)的方法對KDP晶體在塑性模式進行加工。國外對冷卻液的使用狀況反映出了冷卻液可以有效提高KDP晶體的加工質量，但由于KDP晶體在航空、航天及國防等方面具有極其重要的作用，其相關技術對我國重點保密。而國內對于冷卻液的化學成分與KDP晶體加工表面的作用機制、冷卻液成分的最佳比例和加工用量等問題還未進行深入研究，所以我國在KDP晶體的加工過程中仍未使用冷卻液。由此可以看出，研究冷卻液對KDP晶體表面質量的影響，推廣冷卻液在我國KDP晶體加工過程中的應用具有重要的理論和現實意義。
KDP晶體在室溫下屬于四方晶系，具有強烈的各向異性。在KDP晶體的SPDT加工過程中使用冷卻液可以降低刀具與工件的摩擦系數，這樣會顯著的減小切削力，降低其波動幅度，因而可以穩定塑性加工過程，獲得較為均勻的表面質量。此外，冷卻液還可以通過排除切屑、減小加工表面溫度波動、減少亞表面損傷等作用，從而進一步提高KDP晶體的加工表面質量。但是由于KDP晶體具有易潮解、質軟、脆性高、對溫度變化敏感和易開裂等特點，如使用冷卻液時易在其加工表面出現“霧化”現象，嚴重時會出現晶體的開裂情況。因此，必須研制一種特殊的適用于KDP晶體超精密銑削時的冷卻液，從而進一步提高晶體零件的加工表面質量。

發明內容
由于KDP晶體具有易潮解、質軟、脆性高、對溫度變化敏感和易開裂等特點，使用冷卻時易在其加工表面出現“霧化”現象，嚴重時會出現晶體的開裂情況，為此本發明研制了一種特殊的適用于磷酸二氫鉀晶體超精密銑削時的冷卻液，從而進一步提高晶體零件的加工表面質量。
本發明的用于功能晶體KDP超精密銑削時的冷卻液由航空媒油、EDTA和SSal組成，其中采用航空媒油作為基體，EDTA的添加量為1.598mg/L～3.2mg/L，磺基水楊酸(SSal)的添加量為0.031mg/L～0.1mg/L。
由于KDP晶體易潮解，因而冷卻液中不能含水。再者，冷卻液中不能有各種金屬離子等雜質存在，否則，極易對KDP晶體表面產生吸附，并會加速晶體表面霧化、加重晶體散射、誘發其雙光子吸收等，從而會進一步降低KDP晶體的力學性能與使用性能。
關于冷卻液中的金屬離子雜質對晶體加工時的影響機制，具體包括如下幾個方面(1)由于金屬離子的本征吸收帶不同于KDP晶體，它們的吸附會引起新的UV吸收帶，并與KDP晶體使用時輸入或輸出的激光波段交叉重疊，嚴重地降低了頻率轉換器件的效率。而且雜質缺陷區域對激光的吸收要比本征吸收大很多。在雜質缺陷區域強烈地吸收激光能量后，局部區域溫度升高，當溫度達到某一臨界值時，如材料的熔點、相變點時，雜質周圍的基體熔化、氣體產生熱應力、熱沖擊波，以致晶體發生激光誘導損傷。
(2)金屬離子雜質有著比鉀離子更高的電荷量，他們吸附在KDP晶體表面后，一方面會引起嚴重的晶格變形，造成局部的表面應力不均，甚至影響表面的斷裂韌性等物理性能；另一方面會誘發附近區域的H+空位，該質子空位和PO4-的O離子捕獲一個空穴可以形成(HPO4)-激活中心，它是一個可以產生雙光子吸收的缺陷。當入射能量較低的時候，KDP晶體中的吸收是線性的。隨著入射能量的增加，晶體發生雙光子吸收。晶體吸收高能量的激光后，導致局部光熱增強，使晶格局部振動加強，在KDP晶體中形成高應力區域，破壞了晶格的穩定性，導致化學鍵斷裂，或者局部發生相變，或者局部熔化。
(3)金屬離子雜質吸附KDP晶體表面會產生吸濕性很強的磷酸鹽。按照化學反應平衡理論，二價和三價的金屬離子與KH2PO4一般存在以下反應。其中M代表金屬離子，a的值為2或3。其反應式如下



另外，KDP晶體中的磷氧四面體含有π健，因而具有很強的配位能力，能與許多金屬離子形成配合物。如Fe3+和PO43-可以生成無色的可溶性的配合物[Fe(HPO4)2]-和[Fe(PO4)2]3-，利用這一性質，分析化學上常用PO43-掩蔽Fe3+離子。
根據上面的分析可以看出，如雜質中含有Ca、Zn等離子，生成的磷酸鹽就具有極強的吸濕性。這類磷酸鹽甚至可以在高潔凈度的環境中，透過晶體表面的增透膜而吸收水分，從而在增透膜以下的區域產生霧化，嚴重時還會引起晶體表面的刻蝕。其結果會加重晶體的散射，導致KDP光學元件和光路中其它元件的損壞，這對于高功率激光系統而言是極其有害的。
基于上述分析，在冷卻液的配制過程中，本發明確定出了對KDP晶體表面吸附能力較強的16種主要元素，按其化合價分為M2+Fe2+、Co2+、Mn2+、Ni2+、Mg2+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+；M3+Al3+、Fe3+、Mn3+、Cr3+、Ce3+、Y3+、La3+。
本發明采用不含水的航空媒油作為其冷卻液的基體，究其原因，主要是因為航空煤油是由天然石油經過蒸餾、加氫裂化等步驟制得，基體不含水，并且雜質成份及其含量較少。為了測其雜質成份，采用原子發射光譜法測定航空媒油中的金屬離子含量。具體的含量見表1。
表1航空煤油中實際的危害金屬元素的含量


當知道冷卻液中的雜質含量之后，本發明采用添加絡合劑的方法可去除這些雜質成份。這是因為絡合劑可以有效消除金屬離子的吸附活性，與金屬離子形成的絡合產物具有很高的穩定性，而且常用的絡合劑大都可以同時與多種雜質絡合，因而可以用較少的絡合劑種類達到去除目的。
通過大量的實驗研究發現，乙二胺四乙酸(EDTA，常用H4Y表示)對Fe2+、Co2+、Mn2+、Ni2+、Mg2+、Cd2+、Zn、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Al3+、Fe3+、Mn3+、La3+的絡合效果較好，而SSal對Y3+、Cu2+、Cr3+和Ce3+具有較大的絡合效應系數。
根據EDTA和SSal的分子量，以及它們與金屬離子的絡合比，將金屬離子的質量濃度換算為摩爾濃度后，即可獲得需要的添加劑用量。表2是換算后的金屬離子摩爾濃度。由此，本發明計算出的EDTA和SSal用量分別是1.598mg/L和0.031mg/L。考慮到加工過程中可能存在的污染以及電子秤的稱量精度，將添加劑的添加量做出了適當調整EDTA添加量3.2mg/L，SSal添加量0.1mg/L。
表2航空煤油中金屬離子的摩爾濃度

通過大量的實驗分析，本發明最終獲得了用于KDP晶體超精密銑削時的冷卻液，利用該冷卻液可極大地提高零件的加工表面質量。本發明具有如下優點(1)采用該冷卻液可顯著降低零件的加工表面粗糙度；(2)該冷卻液有利于減小加工表面的殘余應力；(3)冷卻液可明顯減少零件表面的脆性損傷；(4)使用該冷卻液并不會在加工表面產生“霧化”現象。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式的冷卻液由航空媒油、EDTA和SSal組成，其中采用航空媒油作為基體，EDTA的添加量為1.598mg/L～3.2mg/L，SSal的添加量為0.031mg/L～0.1mg/L。
具體實施例方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是，EDTA的添加量為1.6mg/L，SSal的添加量為0.04mg/L。
具體實施例方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是，EDTA的添加量為2.4mg/L，SSal的添加量為0.062mg/L。
具體實施例方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同的是，EDTA的添加量為3.2mg/L，SSal的添加量為0.1mg/L。
實驗條件高精度車床主軸最高轉速1600r/min，采用光柵尺實現進給裝置的數字顯示，最高精度0.001mm。金剛石刀具為圓弧刃，前角-10°，圓弧半徑8mm。所選擇的切削參數為主軸轉速800rpm，進給速度10μm/r，背吃刀量20μm。
(1)冷卻液對表面粗糙度的影響粗糙度測量儀器為美國DI公司生產的NanoscopeIII型AFM，對晶體表面7個位置的粗糙度進行測量所得數據示于表3。
表3 KDP晶體SPDT切削的表面粗糙度(nm)

通過表3分析不難看出，在KDP晶體的SPDT加工過程中使用冷卻液，可以有效提高塑性加工過程的穩定性，降低表面平均粗糙度和表面最大粗糙度，減小表面形貌的起伏，從而獲得較為均勻的表面質量。
(2)冷卻液對表面殘余應力的影響表面殘余應力檢測所用儀器為AST-STRESSTECH公司的XSTRESS3000型殘余應力測量儀。所得數據如表4所示。
表4 KDP晶體SPDT干式和濕式切削的殘余應力

通過表4的數據分析可以看出，濕式切削的殘余應力及其波動幅度都要優于干式切削，因而濕式切削具有更好的表面質量，這與表面最大粗糙度的情況是一致的。它們反應出使用冷卻液可以有效的穩定SPDT加工過程，減少KDP晶體的表面損傷，促進表面質量的均一化，最終改善晶體的加工表面質量。
(3)冷卻液對脆性損傷的影響采用美國DI公司生產的NanoscopeIII型AFM對其加工表面進行脆性損傷的分析，見表5所示。
表5 KDP晶體的表面脆性斷裂凹坑和表面裂紋

通過對比KDP晶體的干式和濕式切削可以發現，雖然濕式切削采用了較大的進給速度，但在表面粗糙度、表面殘余應力、局部脆性損傷幾方面仍然表現出了較大優勢，這充分說明了冷卻液對KDP晶體的SPDT加工過程具有很好的改善作用，能夠有效提高KDP晶體的表面加工質量，獲得較高質量的KDP晶體光學元件。
(4)冷卻液對KDP晶體表面霧化的影響用顯微鏡觀察加工后的晶體表面沒有發現任何霧化點，這與航空煤油具有高潔凈度的事實相符，說明了冷卻液中基本不含水分。
權利要求
1.一種用于功能晶體磷酸二氫鉀超精密銑削時的冷卻液，其特征在于所述冷卻液由航空媒油、乙二胺四乙酸和磺基水楊酸組成，其中采用航空媒油作為基體，乙二胺四乙酸的添加量為1.598mg/L～3.2mg/L，磺基水楊酸的添加量為0.031mg/L～0.1mg/L。
2.根據權利要求1所述的一種用于功能晶體磷酸二氫鉀超精密銑削時的冷卻液，其特征在于所述乙二胺四乙酸的添加量為1.6mg/L，磺基水楊酸的添加量為0.04mg/L。
3.根據權利要求1所述的一種用于功能晶體磷酸二氫鉀超精密銑削時的冷卻液，其特征在于所述乙二胺四乙酸的添加量為3.2mg/L，磺基水楊酸的添加量為0.1mg/L。
4.根據權利要求1所述的一種用于功能晶體磷酸二氫鉀超精密銑削時的冷卻液，其特征在于所述乙二胺四乙酸的添加量為2.4mg/L，磺基水楊酸的添加量為0.062mg/L。
全文摘要
一種用于功能晶體磷酸二氫鉀超精密銑削時的冷卻液，涉及一種冷卻液。由于KDP晶體具有易潮解、質軟、脆性高、對溫度變化敏感和易開裂等特點，使用冷卻時易在其加工表面出現“霧化”現象，嚴重時會出現晶體的開裂情況，為此本發明研制的冷卻液由航空媒油、EDTA和磺基水楊酸組成，其中采用航空媒油作為基體，EDTA的添加量為1.598mg/L～3.2mg/L，磺基水楊酸的添加量為0.031mg/L～0.1mg/L。本發明具有如下優點采用該冷卻液可顯著降低零件的加工表面粗糙度；該冷卻液有利于減小加工表面的殘余應力；冷卻液可明顯減少零件表面的脆性損傷；使用該冷卻液并不會在加工表面產生“霧化”現象。
文檔編號C10M133/00GK1916138SQ20061001048
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月4日 優先權日2006年9月4日
發明者陳明君, 梁迎春, 王景賀, 李旦 申請人:哈爾濱工業大學