摘要 非線性KDP（KH2PO4）光學(xué)晶體是唯一可用作激光約束核聚變中倍頻器件的首選晶體材料，是神光Ⅲ，神光Ⅳ激光慣性約束核聚變裝置(Inertial Confined Fusion ICF)的重要組件。但是KDP晶體本身具有硬度低、易潮解、脆性高、易開裂等一系列不利于加工的特點，成為ICF光學(xué)元件制造過程的瓶頸。福州天石源超硬材料工具有限公司主動承擔(dān)起攻關(guān)任務(wù)，另辟蹊徑，大膽創(chuàng)新，采用正在研發(fā)中的環(huán)形金剛石線鋸技術(shù)取代帶鋸切割技術(shù)，解決了KDP晶體切割加工過程出現(xiàn)晶片的裂痕問題，并研制成功懸臂式大型環(huán)形金剛石線切割機，促進我國金剛石線鋸技術(shù)獲得跨越式發(fā)展，為國防軍工做出應(yīng)有的貢獻。
　　關(guān)鍵詞 KDP光學(xué)晶體；神光Ⅲ裝置；環(huán)形金剛石線；懸臂式大型環(huán)形金剛石線切割機  

　　最近，我國媒體不斷曝光神光Ⅲ激光慣性約束核聚變裝置（Inertial Confined Fusion，ICF），如圖1所示的試驗成果和威力。神光Ⅲ投入運行，標(biāo)志著我國成為繼美國之后第二個具備獨立研制、建設(shè)新一代高功率激光驅(qū)動器能力的國家，使我國在這一領(lǐng)域進入了世界先進行列。神光Ⅲ裝置宏偉的科學(xué)工程集聚了我國眾多的行業(yè)先進技術(shù)，是我國綜合國力不斷提高的具體體現(xiàn)，也能代表一個國家在這一領(lǐng)域的科技水平。它的研制對我國其它相關(guān)科學(xué)技術(shù)還有著重大的帶動和引領(lǐng)作用。它帶動了我國材料科學(xué)、精密加工與光學(xué)金剛石飛刀研磨技術(shù)、金剛石線鋸切割大型晶體技術(shù)等相關(guān)學(xué)科或技術(shù)的跨越式發(fā)展。而這些相關(guān)學(xué)科技術(shù)在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用前景將是相當(dāng)可觀的。激光裝置中用的大型KDP晶體的生長尺寸為550 mm×550 mm×650 mm，是用于激光約束核聚變中倍頻器件的首選非線性光學(xué)晶體材料，但是KDP晶體本身具有硬度低、易潮解、脆性高、易開裂等一系列不利于加工的特點，這也是ICF光學(xué)元件制造中公認(rèn)的最困難的環(huán)節(jié)。隨著ICF事業(yè)的發(fā)展，國家對KDP晶體尺寸、數(shù)量和質(zhì)量的要求進一步提高，而KDP晶體的易裂特性成為了制約KDP晶體向更大、更高質(zhì)量發(fā)展的瓶頸，嚴(yán)重地影響后續(xù)工程的進展。2013年福州天石源超硬材料工具公司了解到現(xiàn)有的KDP晶體是用金剛石帶鋸切割加工，問題比較多。因此義無反顧地主動承擔(dān)起攻關(guān)任務(wù)。研制團隊經(jīng)歷兩年的不懈努力，潛心研究，成功地制造出我國第一臺大型環(huán)形金剛石線切割機以及配套的超長環(huán)形金剛石線鋸。2014年底安裝在福建某研究所，使用至今，實踐表明該機性能卓越，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。不但解決了金剛石帶鋸切割KDP晶體造成的切片裂痕甚至整個晶體磞裂的問題，而且大幅提高了切割效率。原來24 h才能切一片，還在擔(dān)憂出現(xiàn)裂痕。現(xiàn)在只要3 h即可切一片，不但切面平整光滑沒有裂痕，而且每塊晶體還能多切一片。基本上解決了多年來困擾ICF裝置中激光非線性KDP光學(xué)晶體的切割加工難題，為后續(xù)加工掃清障礙，為國防軍工的神光Ⅲ，神光Ⅳ宏偉工程作出應(yīng)有的貢獻。 　　福州天石源超硬材料工具有限公司是一家民營高新技術(shù)企業(yè)，是國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)金剛石繩鋸和繩鋸機的廠家，擁有一批熟悉人造金剛石工具制造技術(shù)、具備專業(yè)設(shè)備研發(fā)能力的專家團隊。通過在KDP晶體切割加工現(xiàn)場對金剛石帶鋸切割狀況的深入考察了解和對晶體切片的檢測數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：由于帶鋸有一定寬度，在運動中的偏擺(0.7 mm厚度帶鋸切縫要3.5 mm)很容易致使切割中的脆性晶片產(chǎn)生裂痕，是種不相適應(yīng)的加工手段。而公司正在研發(fā)中的環(huán)形金剛石線鋸技術(shù)才是解決KDP晶體切割加工的最佳選擇。盡管我們通過網(wǎng)絡(luò)及其它渠道搜索，也無從查找有關(guān)大型KDP晶體切割加工的資料信息，因為這些晶體材料屬于禁運產(chǎn)品。但是，我們充分相信自身的實力，決心攻破這個難關(guān)，為國防軍工發(fā)揮自身優(yōu)勢，盡心盡力地研制出嶄新的高端大型環(huán)形金剛石線切割機。

　　1、環(huán)形金剛石線鋸切割技術(shù)是大型KDP晶體切割的最佳選擇
　　利用我們已研制成功的立式機對KDP晶體進行大量的切割試驗。見圖2所示。但試驗晶體尺寸均小于300 mm×300 mm，切片數(shù)量超過150片，經(jīng)過大量的正交試驗和合理的工藝調(diào)整，在線鋸切割過程，已基本不再產(chǎn)生裂痕現(xiàn)象，切割效率卻大大提高，達到5 mm/min以上，且切面光滑，粗糙度Ra<1.8 μm，切片厚度誤差(TTV)從0.45 mm降到0.16 mm。意想不到的效果，增強了我們直接啟動大型環(huán)形金剛石線切割機研制的信心。首先，我們在環(huán)形線鋸上做足功夫。重新設(shè)計鍍槽，合理布置節(jié)點，根據(jù)晶體材料特性，以避免產(chǎn)生裂痕為目標(biāo)，選擇金剛石配比，多次試驗新的電鍍工藝。為了可靠起見，還專門制造一臺試驗臺，試驗超長的環(huán)形線的運動平穩(wěn)性，尋找最佳切割線速度等性能。見圖3所示。我們在涉及到環(huán)形線運轉(zhuǎn)穩(wěn)定的各個環(huán)節(jié)進行精細(xì)的改進，除線本身之外，還包括4個導(dǎo)輪的精密加工和動平衡、精密軸承選擇、低摩擦特殊密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計研制等等均進行精細(xì)的反復(fù)改進和試驗。通過一系列的試驗和改進，超長環(huán)形金剛石線鋸的制作和性能有了一定的把握，才開始投入大型切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 　　2、模仿懸臂機床結(jié)構(gòu)也是獨特的創(chuàng)新
　　根據(jù)現(xiàn)有晶體規(guī)格以及未來的發(fā)展，要求切割機切割寬度為1000 mm，進給行程為1000 mm。現(xiàn)有國產(chǎn)金剛石線鋸機都是小型號，而且為單長線、往復(fù)雙向切割，線速度低。由于機架用型鋼焊接，微小的變形都會影響切割精度。考慮再三，決定選用大型懸臂機床結(jié)構(gòu)，立柱、橫梁和滑臺機座全用鑄鐵件，按精密機床要求，委托專業(yè)廠家加工、安裝、調(diào)試。這首先保證了線鋸切割運行過程的穩(wěn)定性，其次提供較高的切割精度，上下移動1 m，定位誤差0.02 mm，厚度誤差(TTV)<0.16 mm，充分滿足加工要求，見圖4、圖5所示。 　　懸臂式大型環(huán)形金剛石線切割機結(jié)構(gòu)性能特點：
　　（1）采用臥式懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計，適合大尺寸材料切割特點，其中采用機床鑄件，立柱、橫梁和工作平臺等基礎(chǔ)安裝后，穩(wěn)定牢靠，不產(chǎn)生震動。
　　（2）線徑小，切割力少，低應(yīng)力切割，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，切割過程不會對晶體造成破裂。
　　（3）性能先進，全部采用PLC控制，線速度和進給速度無級調(diào)節(jié)，切割效率是帶鋸的3倍，切縫<1mm，粗糙度Ra<1.8 μm，厚度誤差TTV<0.16 mm。這些數(shù)據(jù)是帶鋸所無可比擬的。
　　（4）橫梁上下行走機構(gòu)配置精密滾柱直線導(dǎo)軌，采用伺服電機帶動新型滾珠絲杠傳動，保證在0.2~100 mm/min內(nèi)調(diào)速，運行精準(zhǔn)平穩(wěn)。四導(dǎo)輪固定的箱體與橫梁鑄成一體，既減輕重量又保證加工的形位公差精度和導(dǎo)輪安裝的共面精度(申請專利內(nèi)容之一)。
　　（5）充分滿足KDP晶體各向異性切割功能要求，很方便地操作回轉(zhuǎn)平臺傾斜和轉(zhuǎn)動一定角度，并氣壓抱緊。晶體安裝在平臺上，需經(jīng)一套復(fù)雜的定向操作過程，為此，專門配置一臺伺服控制旋轉(zhuǎn)角度的轉(zhuǎn)盤，方便操作（申請專利內(nèi)容之一）。
　　（6）該機配置的數(shù)控轉(zhuǎn)盤，還可用于410 mm×410 mm KDP晶片方板定位切邊，快捷準(zhǔn)確。
　　（7）該機具備不同厚度板材的自動切割功能和斷線、故障報警，自動停車。

　　3、對比試驗證明該項創(chuàng)新的成功
　　設(shè)備安裝調(diào)試之后，最重要的環(huán)節(jié)是對樣品的實際切割試驗，并摸索最佳切割工藝和操作規(guī)程。為避免切割不當(dāng)，造成材料浪費，先用幾塊大的廢棄晶體進行切割試驗，前后切割8片，使用φ0.65 mm環(huán)形金剛石線，線速度最后定格為32.5 m/s，進給速度從2 mm/min提升到5~10 mm/min，切片的厚度誤差<0.16 mm，切面平整光滑，粗糙度為Ra<1.6μm。試驗效果喜人，證明環(huán)形金剛石線鋸和切割機的研制是成功的。
　　環(huán)形線鋸與帶鋸切割效果對比如圖6、圖7所示。
　　4、安裝使用1年多，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，按時完成KDP晶片切割任務(wù)
　　2014年10月，該設(shè)備在某研究所安裝調(diào)試完成，正式交付有關(guān)部門投入正常的大型KDP晶體切割生產(chǎn)，改變了該所過去總是擔(dān)心不能按時交出合格晶片的被動局面。生產(chǎn)期間，軍委有關(guān)部門曾派專家組到現(xiàn)場考察審查，聽取研制報告，并給予了好評。從情報獲悉，美國等先進國家，生長大型KDP晶體的速度已經(jīng)提升到2~3個月就能長成。我們某研究所的專家們也不示弱，近期內(nèi)也一樣做到2~3個月內(nèi)就能生長出一個大型晶體，該機切割過的許多晶體中，就是這種快速生長的晶體。該機的研制成功，正好迎合將來大批量、快速切割KDP晶片的需要。一部神光Ⅲ裝置需要裝600片激光裝置，今后，在飛機上、軍艦上、坦克上要裝多少這樣的先進武器，見圖8所示。相信該機經(jīng)過一段時間的生產(chǎn)檢驗和改進之后，終會獲得上級的認(rèn)可而投入批量生產(chǎn)，更好地為國防軍工生產(chǎn)服務(wù)。 　　5、總結(jié)
　　（1）我國在金剛石線鋸技術(shù)方面的研究，起步較晚，以致于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)盲目引進大量的游離式多片切割機，至今，國內(nèi)大多數(shù)光伏企業(yè)的多晶硅切片仍然不用效率高的金剛石線鋸切片。而環(huán)形金剛石線鋸(endless wire saw)技術(shù)更是處于萌芽階段，該項技術(shù)在KDP晶體切割上的成功應(yīng)用，使我國環(huán)形金剛石線鋸技術(shù)獲得跨越性的發(fā)展，進入到世界先進行列。
　　（2）環(huán)形金剛石線鋸大跨度切割技術(shù)將引領(lǐng)到多晶硅、單晶硅、藍寶石、功能陶瓷和石材復(fù)合板等諸多領(lǐng)域的廣泛推廣應(yīng)用，前景可觀。我們已經(jīng)信心滿滿地投入多晶硅截斷機、開方機和藍寶石開方機的研制。多晶硅晶錠從G5發(fā)展到G6、G7，而G6晶綻的開方跨度就需要1040 mm。至于石材復(fù)合板對剖，分片的切割寬度則需要600 mm、800 mm、1000 mm，甚至更大。
　　（3）大型環(huán)形金剛石線切割機的研制成功和在軍工材料切割加工中的應(yīng)用是推動軍民融合深度發(fā)展的有益探索，我們雖然是民營企業(yè)，但在金剛石工具技術(shù)、人才方面有很強的優(yōu)勢，充分利用這些優(yōu)勢來發(fā)展軍工、尤其是精密線切割高端技術(shù)是很好的做法，這次成功的融合，應(yīng)視之為典范。發(fā)達國家能這樣做，我社會主義國家更可以做到。
　　（4）國務(wù)院提出《2025中國制造》其核心是創(chuàng)新驅(qū)動，中國超硬材料企業(yè)在國際市場上，人造金剛石銷量遙遙領(lǐng)先。但是，相關(guān)的裝備制造水平處于劣勢，而金剛石線鋸技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展迎來重大機遇，有望沿襲國防科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化進程，推進該項技術(shù)的推廣和升級，進一步在智能化方向下功夫，使之成為軍民融合，具有自主知識產(chǎn)權(quán)并達到國際領(lǐng)先水平的高端裝備。

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　　作者簡介
　　陳禮干，男，1968年生，高級工程師，福州天石源超硬材料工具有限公司總經(jīng)理。
　　（本文轉(zhuǎn)載自《磨料磨具通訊》雜志2016年第7期，更多詳細(xì)內(nèi)容請關(guān)于當(dāng)期雜志）