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(diǎn)，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(dòng)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(jī)，促進(jìn)我國(guó)金剛石線鋸技術(shù)獲得跨越式發(fā)展，為國(guó)防軍工做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
　　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(jī)  

　　最近，我國(guó)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(yàn)成果和威力。神光Ⅲ投入運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)具備獨(dú)立研制、建設(shè)新一代高功率激光驅(qū)動(dòng)器能力的國(guó)家，使我國(guó)在這一領(lǐng)域進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。神光Ⅲ裝置宏偉的科學(xué)工程集聚了我國(guó)眾多的行業(yè)先進(jìn)技術(shù)，是我國(guó)綜合國(guó)力不斷提高的具體體現(xiàn)，也能代表一個(gè)國(guó)家在這一領(lǐng)域的科技水平。它的研制對(duì)我國(guó)其它相關(guān)科學(xué)技術(shù)還有著重大的帶動(dòng)和引領(lǐng)作用。它帶動(dòng)了我國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)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(diǎn)，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(guó)家對(duì)KDP晶體尺寸、數(shù)量和質(zhì)量的要求進(jìn)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(jìn)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(dòng)承擔(dān)起攻關(guān)任務(wù)。研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷兩年的不懈努力，潛心研究，成功地制造出我國(guó)第一臺(tái)大型環(huán)形金剛石線切割機(jī)以及配套的超長(zhǎng)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(shí)踐表明該機(jī)性能卓越，運(yùn)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(gè)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?，F(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(guó)防軍工的神光Ⅲ，神光Ⅳ宏偉工程作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。 　　福州天石源超硬材料工具有限公司是一家民營(yíng)高新技術(shù)企業(yè)，是國(guó)內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)金剛石繩鋸和繩鋸機(jī)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(tuán)隊(duì)。通過在KDP晶體切割加工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)金剛石帶鋸切割狀況的深入考察了解和對(duì)晶體切片的檢測(cè)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：由于帶鋸有一定寬度，在運(yùn)動(dòng)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?yàn)檫@些晶體材料屬于禁運(yùn)產(chǎn)品。但是，我們充分相信自身的實(shí)力，決心攻破這個(gè)難關(guān)，為國(guó)防軍工發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，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(jī)。

　　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(jī)對(duì)KDP晶體進(jìn)行大量的切割試驗(yàn)。見圖2所示。但試驗(yàn)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(yàn)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(dá)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(qiáng)了我們直接啟動(dòng)大型環(huán)形金剛石線切割機(jī)研制的信心。首先，我們?cè)诃h(huán)形線鋸上做足功夫。重新設(shè)計(jì)鍍槽，合理布置節(jié)點(diǎn)，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(yàn)新的電鍍工藝。為了可靠起見，還專門制造一臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)超長(zhǎng)的環(huán)形線的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，尋找最佳切割線速度等性能。見圖3所示。我們?cè)谏婕暗江h(huán)形線運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精細(xì)的改進(jìn)，除線本身之外，還包括4個(gè)導(dǎo)輪的精密加工和動(dòng)平衡、精密軸承選擇、低摩擦特殊密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研制等等均進(jìn)行精細(xì)的反復(fù)改進(jìn)和試驗(yàn)。通過一系列的試驗(yàn)和改進(jìn)，超長(zhǎng)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(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 　　2、模仿懸臂機(jī)床結(jié)構(gòu)也是獨(dú)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(jī)切割寬度為1000 mm，進(jìn)給行程為1000 mm?，F(xiàn)有國(guó)產(chǎn)金剛石線鋸機(jī)都是小型號(hào)，而且為單長(zhǎng)線、往復(fù)雙向切割，線速度低。由于機(jī)架用型鋼焊接，微小的變形都會(huì)影響切割精度?？紤]再三，決定選用大型懸臂機(jī)床結(jié)構(gòu)，立柱、橫梁和滑臺(tái)機(jī)座全用鑄鐵件，按精密機(jī)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(yùn)行過程的穩(wěn)定性，其次提供較高的切割精度，上下移動(dòng)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(jī)結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)：
　?。?）采用臥式懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適合大尺寸材料切割特點(diǎn)，其中采用機(jī)床鑄件，立柱、橫梁和工作平臺(tái)等基礎(chǔ)安裝后，穩(wěn)定牢靠，不產(chǎn)生震動(dòng)。
　?。?）線徑小，切割力少，低應(yīng)力切割，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，切割過程不會(huì)對(duì)晶體造成破裂。
　　（3）性能先進(jìn)，全部采用PLC控制，線速度和進(jìn)給速度無級(jí)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(jī)構(gòu)配置精密滾柱直線導(dǎo)軌，采用伺服電機(jī)帶動(dòng)新型滾珠絲杠傳動(dòng)，保證在0.2~100 mm/min內(nèi)調(diào)速，運(yùn)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(qǐng)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(tái)傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，并氣壓抱緊。晶體安裝在平臺(tái)上，需經(jīng)一套復(fù)雜的定向操作過程，為此，專門配置一臺(tái)伺服控制旋轉(zhuǎn)角度的轉(zhuǎn)盤，方便操作（申請(qǐng)專利內(nèi)容之一）。
　?。?）該機(jī)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(jī)具備不同厚度板材的自動(dòng)切割功能和斷線、故障報(bào)警，自動(dòng)停車。

　　3、對(duì)比試驗(yàn)證明該項(xiàng)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(duì)樣品的實(shí)際切割試驗(yàn)，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(fèi)，先用幾塊大的廢棄晶體進(jìn)行切割試驗(yàn)，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(jìn)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(yàn)效果喜人，證明環(huán)形金剛石線鋸和切割機(jī)的研制是成功的。
　　環(huán)形線鋸與帶鋸切割效果對(duì)比如圖6、圖7所示。
　　4、安裝使用1年多，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，按時(shí)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(shí)交出合格晶片的被動(dòng)局面。生產(chǎn)期間，軍委有關(guān)部門曾派專家組到現(xiàn)場(chǎng)考察審查，聽取研制報(bào)告，并給予了好評(píng)。從情報(bào)獲悉，美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家，生長(zhǎng)大型KDP晶體的速度已經(jīng)提升到2~3個(gè)月就能長(zhǎng)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(gè)月內(nèi)就能生長(zhǎng)出一個(gè)大型晶體，該機(jī)切割過的許多晶體中，就是這種快速生長(zhǎng)的晶體。該機(jī)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(jī)上、軍艦上、坦克上要裝多少這樣的先進(jìn)武器，見圖8所示。相信該機(jī)經(jīng)過一段時(shí)間的生產(chǎn)檢驗(yàn)和改進(jìn)之后，終會(huì)獲得上級(jí)的認(rèn)可而投入批量生產(chǎn)，更好地為國(guó)防軍工生產(chǎn)服務(wù)。 　　5、總結(jié)
　?。?）我國(guó)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(jìn)大量的游離式多片切割機(jī)，至今，國(guó)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(xiàng)技術(shù)在KDP晶體切割上的成功應(yīng)用，使我國(guó)環(huán)形金剛石線鋸技術(shù)獲得跨越性的發(fā)展，進(jìn)入到世界先進(jìn)行列。
　?。?）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(lán)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?cái)鄼C(jī)、開方機(jī)和藍(lán)寶石開方機(jī)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(duì)剖，分片的切割寬度則需要600 mm、800 mm、1000 mm，甚至更大。
　?。?）大型環(huán)形金剛石線切割機(jī)的研制成功和在軍工材料切割加工中的應(yīng)用是推動(dòng)軍民融合深度發(fā)展的有益探索，我們雖然是民營(yíng)企業(yè)，但在金剛石工具技術(shù)、人才方面有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，充分利用這些優(yōu)勢(shì)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(dá)國(guó)家能這樣做，我社會(huì)主義國(guó)家更可以做到。
　?。?）國(guó)務(wù)院提出《2025中國(guó)制造》其核心是創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，中國(guó)超硬材料企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)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(shì)，而金剛石線鋸技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展迎來重大機(jī)遇，有望沿襲國(guó)防科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的推廣和升級(jí)，進(jìn)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(shí)產(chǎn)權(quán)并達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的高端裝備。

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　　作者簡(jiǎn)介
　　陳禮干，男，1968年生，高級(jí)工程師，福州天石源超硬材料工具有限公司總經(jīng)理。
　?。ū疚霓D(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(qǐng)關(guān)于當(dāng)期雜志）