王明海，張樞南，鄭耀輝，王奔,印文典

(沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136)

單晶硅超精密切削的刀具磨損試驗(yàn)研究*

王明海，張樞南，鄭耀輝，王奔,印文典

(沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136)

針對單晶硅超精密切削過程中金剛石刀具磨損問題，對單晶硅進(jìn)行超精密車削試驗(yàn)。通過觀察金剛石刀具磨損演變過程，分析刀具的磨損過程對表面加工質(zhì)量的影響，得到刀具磨損機(jī)理。結(jié)果表明，在超精密切削單晶硅過程中，隨著切削距離的增加，刀具磨損面積逐漸增加,加工過程中產(chǎn)生的碳化硅及類似金剛石碳顆粒與刀具后刀面發(fā)生劃擦造成磨粒磨損；同時(shí)，由于交變載荷作用導(dǎo)致的應(yīng)力疲勞現(xiàn)象，進(jìn)而伴有解理斷裂產(chǎn)生。當(dāng)切削路程小于4km時(shí)，加工表面的粗糙度Ra值在200nm以內(nèi)，切削路程大于8km時(shí)，表面粗糙度Ra值在350nm～400nm之間。

單晶硅；超精密切削；類金剛石碳原子；磨粒磨損；應(yīng)力疲勞

0 引言

單晶硅作為當(dāng)今世界最主要的紅外光學(xué)材料之一[1]，由于其耐高溫、折射率高、色散好,不同的方向具有不同物理性質(zhì)，因此單晶硅得到廣泛的應(yīng)用。高質(zhì)量單晶硅元件的應(yīng)用主要集中在兩個(gè)方面：一是以強(qiáng)激光反射鏡的襯底鏡、紅外光學(xué)成像鏡、深空物質(zhì)運(yùn)動軌跡捕捉成像鏡等為代表的工程光學(xué)和光電領(lǐng)域；二是以具有耐熱沖擊性能的高速反導(dǎo)導(dǎo)彈頭罩襯底等為主的武器裝備領(lǐng)域。以高功率激光器為代表的強(qiáng)光光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)元件的基體材料必須具有超高質(zhì)量的加工表面，減小腔鏡吸熱變形帶來的光束質(zhì)量下降[2]。美國代號為AL-1的激光武器系統(tǒng)中大量采用單晶硅作為反射鏡的基體[3]，單晶硅元件還被用于導(dǎo)彈發(fā)射尾焰的紅外成像探測技術(shù)[4]。由于傳統(tǒng)反射鏡材料的抗熱沖擊性能較差而逐步被淘汰，我國目前將單晶硅作為一種制造光能激光反射鏡基底材料。

天然金剛石刀具不僅具有較高的硬度和強(qiáng)度、較好的耐磨性和導(dǎo)熱性，而且可以刃磨出非常鋒利的切削刃等良好特性，被一致認(rèn)為單晶硅超精密切削最為理想的刀具材料。單晶硅屬于硬脆材料，在加工單晶硅時(shí)金剛石刀具較易出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，刀具磨損不僅對零件尺寸和表面質(zhì)量等方面產(chǎn)生影響，而且還可能直接影響著產(chǎn)品的壽命。在超精密切削單晶硅時(shí)，金剛石刀具磨損越發(fā)成為廣大學(xué)者研究的焦點(diǎn)問題，而國內(nèi)外學(xué)者主要從單晶硅加工質(zhì)量、切削力的變化及刀具表面磨損形貌對刀具磨損進(jìn)行的研究[5-9]，而切削過程中刀具的磨損機(jī)理的研究大多是局限于定性分析，對刀具磨損的真正原因研究較少。本文為探究金剛石刀具磨損的真正原因，通過使用X射線光電能譜儀測量刀具后刀面產(chǎn)生的化學(xué)元素，分析其對刀具后刀面磨損的影響,為實(shí)現(xiàn)單晶硅超精密加工技術(shù)提供基礎(chǔ)理論支持和參數(shù)指導(dǎo)，以及提高刀具使用壽命具有重要意義。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)規(guī)劃

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

如圖1所示，本試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超精密車削機(jī)床上進(jìn)行，其主軸具有較好的回轉(zhuǎn)精度Z向和X向采用氣動控制導(dǎo)軌，可以提高導(dǎo)軌精度，主軸轉(zhuǎn)速范圍為0～2000rad/min;使用光學(xué)顯微鏡(如圖3)對切削實(shí)驗(yàn)后刀具磨損帶的長度及寬度進(jìn)行觀測；利用表面粗糙度測量儀對已加工表面粗糙度進(jìn)行階段性檢測；本次試驗(yàn)采用的刀具是單晶金剛石刀具(Single Crystal Diamond Tool)，如圖2，該刀具的前角為-20°，后角為5°，利用AFM顯微鏡觀測得知刃口鈍圓半徑約為40nm～60nm，刀尖圓弧半徑1.5mm。為了防止切削液對金剛石刀具產(chǎn)生沖擊影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次切削采用干切的方式進(jìn)行。試驗(yàn)所用的單晶硅材料是厚度為1mm、直徑為10.16cm的單晶硅片。

圖1 超精密機(jī)床

(a)金剛石刀具

(b) 單晶硅片圖2 實(shí)驗(yàn)所需的刀具及試件

圖3 光學(xué)顯微鏡

1.2 試驗(yàn)規(guī)劃

為了了解單晶硅在切削過程中的刀具磨損情況，本次試驗(yàn)利用超精密機(jī)床對單晶硅進(jìn)行超精密切削試驗(yàn)。在本次試驗(yàn)中，隨著切削路程的不斷增加，利用光學(xué)顯微鏡觀察磨損帶長度及寬度的數(shù)值大小，階段性觀察單晶硅已加工表面的表面粗糙度，進(jìn)而觀察刀具磨損對表面粗糙度的影響程度，找出表面粗糙度與刀具磨損的關(guān)系；在切削路程為3km和6km，采用X射線光電子能譜儀對已加工表面上的化學(xué)元素進(jìn)行檢測，結(jié)合相關(guān)理論探尋金剛石刀具磨損的原因。表2為試驗(yàn)所需要化學(xué)元素在X射線光電能譜中相應(yīng)的結(jié)合能[10]。

表1 試驗(yàn)所需化學(xué)元素在X射線光電子能譜結(jié)合能值

本次試驗(yàn)的各參數(shù)如表2所示：

表2 車削試驗(yàn)所需的切削參數(shù)

2 刀具磨損與分析

2.1 金剛石刀具磨損情況

切削深度為2μm時(shí)，如圖4所示。單晶金剛石刀具在僅僅切削1.732km之后已經(jīng)發(fā)生了輕微的磨損跡象，從圖4a中可以觀察到在單晶金剛石刀具的后刀面上已經(jīng)形成一條極小的磨損帶。如圖4b所示。切削距離達(dá)到3.464km時(shí)，刀具的磨損形貌如圖5所示，從圖5a中可以看出，后刀面磨損面積明顯加大，并出現(xiàn)一條極為明顯的月牙形磨損帶，其長度約為298.34μm，高度約為5μm，并存在少量的溝槽磨損形式的磨損出現(xiàn)。在圖5b中可觀察到刀具前刀面上仍然沒有出現(xiàn)任何的磨損情況。

圖5 切削距離為3.464km時(shí)刀具磨損情況

當(dāng)切削距離達(dá)到5.196km時(shí)，后刀面的磨損狀態(tài)，如圖6a，可以看出刀具后刀面出現(xiàn)了溝槽磨損，部分區(qū)域還出現(xiàn)了極細(xì)的網(wǎng)狀磨損，而且切削刃處出現(xiàn)了斷口破碎的現(xiàn)象(圖6b),單晶金剛石刀具原本圓弧形切削刃已經(jīng)部分被不規(guī)則曲線的切削刃所代替(如圖7)。如圖8所示，當(dāng)切削距離達(dá)到7.528km時(shí)，刀具后刀面溝槽形式的磨損帶仍繼續(xù)存在，而網(wǎng)狀磨損的形式逐漸消失，觀察中發(fā)現(xiàn)在后刀面與切削刃口的交匯處出現(xiàn)一條明顯的裂紋，此時(shí),前刀面刃口斷裂的現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生,斷裂情況進(jìn)一步加劇。

圖6 切削5.196km時(shí)刀具磨損形貌

圖7 切削5.196km切削刃磨損情況

(a)后刀面磨損情況 (b)A區(qū)域放大圖圖8 切削7.528km時(shí)刀具磨損情況

金剛石車刀的后刀面磨損帶的寬度與高度切削路程的增加幅度如圖9所示，當(dāng)切削距離在3.464km以內(nèi)時(shí)，刀具磨損帶的寬度迅速增加到300μm左右，隨著切削距離的增加，磨損帶寬度繼續(xù)緩慢增加，當(dāng)切削路程達(dá)到8km以后，磨損帶寬度維持在380μm左右。磨損帶寬度值隨切削路程增加而變化的相對穩(wěn)定。最終在切削路程為8.65km時(shí)達(dá)到51μm。

(a)磨損帶寬度

(b)磨損帶高度圖9 后刀面磨損帶寬度和高度與切削距離的關(guān)系

2.2 單晶金剛石車刀磨損機(jī)理

在切削路程為3km時(shí)，從光學(xué)顯微鏡檢測的結(jié)果可以看到在刀具的后刀面上發(fā)現(xiàn)少量的溝槽磨損，并且溝槽磨損將隨著切削路程的增加變得更加嚴(yán)重，在此路程時(shí)，通過X射線光電子能譜分析儀對硅已加工表面的化學(xué)元素進(jìn)行檢測分析。如圖10a，在Si2p能普圖中，結(jié)合能的頂峰值出現(xiàn)在99.5ev～99.8ev時(shí)，這說明在單晶硅已加工表面中，檢測到Si元素的存在；在C1s能普圖中(圖10b)，檢測到的尖峰新號值出現(xiàn)在283.3ev～283.7ev和284.3ev～284.4ev之間，這說明在單晶硅已加工表面，不但有單質(zhì)硅的存在，同時(shí)出現(xiàn)了SiO2、SiC和類似金剛石的碳原子；在圖10c中，O1s能譜圖中發(fā)現(xiàn)結(jié)合能的峰值出現(xiàn)在532.3ev～532.4ev之間，說明在已加工表面SiO2的存在，同時(shí)出現(xiàn)了SiO2、SiC和類似金剛石的碳原子。在切削路程為6km時(shí)，再次利用X射線光電子能譜儀對已加工表面的化學(xué)元素進(jìn)行檢測，同樣檢測到上述化學(xué)元素，這也證實(shí)了在單晶硅超精密切削時(shí)，二氧化硅、碳化硅及類似金剛石C原子的化學(xué)反應(yīng)是持續(xù)存在的。因?yàn)槎趸璧挠捕?摩氏硬度為7)遠(yuǎn)沒有金剛石的硬度高(摩氏硬度為10)，所以二氧化硅對刀具后刀面磨損的影響極其微小。然而，碳化硅和類金剛石碳原子作為極硬的材料(摩氏硬度約為9.5)與金剛石的硬度極為相似，在加工單晶硅超精密加工過程，碳化硅和類金剛石C原子極有可能與刀具后刀面發(fā)生刮擦，使刀具后刀面產(chǎn)生溝槽磨損。

圖10 路程為3km和7km時(shí)的X射線光電能譜圖

金剛石刀具刃口處最初的微崩刃可能是金剛石本身內(nèi)部缺陷引起的。而后期的解理斷裂則很可能是單晶金剛石刀具在長時(shí)間切削中積累的疲勞所引起的斷裂。在切削過程中，由于刀具產(chǎn)生磨損，將導(dǎo)致切削深度產(chǎn)生微小的變化，這種變化會造成切削力大小不斷發(fā)生改變，在交變應(yīng)力的持續(xù)作用下金剛石刀具的切削刃部位就會產(chǎn)生應(yīng)力疲勞，導(dǎo)致金剛石刀具出現(xiàn)切削刃解理斷裂現(xiàn)象。另外，切削中期的刃口破碎會導(dǎo)致在破碎處產(chǎn)生應(yīng)力過于集中在沒有破碎的地方，最終導(dǎo)致刃口處的解理斷裂和崩刃現(xiàn)象持續(xù)增加。

3 刀具磨損對粗糙度的影響

由圖11可知，當(dāng)切削路程為1.732km時(shí)，表面粗糙度幾乎不受刀具磨損的影響，其表面粗糙度為97.3nm，利用顯微鏡觀測單晶硅已加工表面，工件表面非常光滑，無裂紋產(chǎn)生；此后的加工過程中，表面粗糙度隨著切削路程的增加而緩慢增長，當(dāng)切削路程約為5.196km，刀具開始快速磨損，用顯微鏡觀測到在單晶硅已加工表面已不光滑，有少量的裂紋產(chǎn)生，其表面粗糙度為305.4nm，與切削路程為1.732km相比，粗糙度值增加213.8%。當(dāng)切削路程達(dá)到6.928km時(shí)，刀具磨損已經(jīng)較為嚴(yán)重，在顯微鏡下觀察已加工工件表面更加粗糙一些，并且粘連著一些屑狀物質(zhì)。當(dāng)切削路程達(dá)到8.660km后，表面粗糙度基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，其范圍約為350nm～400nm之間。在超精密加工過程中表面粗糙度的變化情況與刀具磨損帶變化情況基本吻合，這也證明，刀具磨損情況直接影響已加工件的表面粗糙度。

圖11 表面粗糙度與切削距離的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)在超精密加工單晶硅時(shí)，磨粒磨損及斷裂磨損是單晶金剛石刀具主要的磨損形式，磨粒磨損主要是因?yàn)樘蓟韬皖惤饎偸w粒與后刀面發(fā)生的刮擦引起的；而解理磨損則是交變切削力引起的應(yīng)力疲勞引起的。

(2)在超精密加工單晶硅過程中，從已加工表面粗糙度數(shù)值的大小可以直觀地反應(yīng)出刀具的磨損情況。在切削路程為3.464km內(nèi)，單晶硅表面粗糙度在105nm內(nèi)，刀具磨損寬度值約為300μm，當(dāng)切削路程達(dá)到8.66km時(shí)，表面粗糙度值保持在320nm～350nm，刀具磨損寬度和高度值分別為356μm和51μm。

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(編輯 李秀敏)

Experimental Study on Tool Wear in Ultra Precision Cutting of Single Crystal Silicon

WANG Ming-hai, ZHANG Shu-nan, ZHENG Yao-hui, WANG Ben, YIN Wen-dian

(Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital Manufacturing Process, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136，China)

In view of diamond tool wear problem the about single crystal silicon ultra precision cutting process, The ultra-precision turning test on single crystal silicon. Observe the evolution of the diamond tool wear and tool wear process on the quality of the surface finish, tool wear mechanism. Results show that in the process of ultra-precision cutting single crystal silicon, along with the increase of the cutting distance of tool wear is increased gradually, machining process of silicon carbide and diamond like carbon particles brush with cutter blade surface before and after the row of abrasive wear; At the same time, the phenomenon of stress fatigue due to cyclic loading, and accompanied by cleavage wear. When cutting distance is less than 4 km, processing surface roughness Ra value within the 200 nm, cutting distance is greater than 8 km, the surface roughness Ra value between 350nm～400 nm.

single crystal silicon; ultra precision cutting; diamond-like carbon atom; abrasive wear; stress fatigue

1001-2265(2017)05-0133-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.035

2016-03-26；

2016-04-26

航空科學(xué)基金(2013ZE54002)

王明海(1971—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，沈陽航空航天大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，博士后，研究方向?yàn)榫芨咝?shù)控加工技術(shù)；通訊作者：張樞南(1989—)，男，沈陽人，沈陽航空航天大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榫?、超精密加工技術(shù)，(E-mail)261235848 @qq.com。

TH161；TG506

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