超精密切削单晶硅的刀具磨损机理_宗文俊

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金属切削中刀具润滑磨损的机理研究与表征方法

金属切削中刀具润滑磨损的机理研究与表征方法1. 引言刀具润滑磨损是金属切削加工中常见的问题之一，它不仅会影响加工效率和产品质量，还会增加生产成本和设备维护费用。

因此，深入研究刀具润滑磨损的机理以及寻找有效的表征方法对于优化切削过程具有重要意义。

本文将探讨金属切削中刀具润滑磨损的机理，并介绍几种常用的刀具润滑磨损表征方法。

2. 刀具润滑磨损的机理刀具在金属切削过程中会受到各种力的作用，这些力的作用会导致刀具表面的摩擦和磨损。

刀具润滑磨损的机理主要包括以下几个方面：(1) 粘附磨损：当刀具与工件之间的摩擦力超过了刀具材料的强度时，就会发生粘附磨损。

粘附磨损的主要特点是刀具表面产生局部熔化和附着工件材料。

(2) 磨粒磨损：切削过程中，切削液中的磨粒和切屑会引起刀具的磨粒磨损。

这种磨损的特点是刀具表面出现颗粒状的磨损痕迹。

(3) 化学反应磨损：在金属切削过程中，由于高温和切削液的影响，刀具表面与工件之间会发生化学反应，导致刀具表面的化学反应磨损。

(4) 疲劳磨损：金属切削过程中，由于刀具表面受到交变的切削力和热应力的作用，会产生疲劳磨损。

疲劳磨损的主要特点是刀具表面出现裂纹和脱落。

3. 刀具润滑磨损的表征方法了解刀具润滑磨损的机理对于采取适当的磨损表征方法至关重要。

以下是几种常用的刀具润滑磨损表征方法：(1) 重量损失法：这是最常见的刀具磨损表征方法之一。

通过测量金属切削后刀具的重量变化，可以粗略地估计刀具的磨损情况。

但是，该方法无法提供具体的磨损机理信息。

(2) 光学显微镜观察：利用光学显微镜观察刀具表面的形貌和痕迹，可以获得关于刀具磨损类型和程度的信息。

这种表征方法简单易行，但无法提供刀具表面微观结构和化学成分等详细信息。

(3) 扫描电子显微镜（SEM）观察：SEM可以提供高分辨率的刀具表面图像，能够清晰观察到磨损痕迹和裂纹等微观结构。

同时，通过能谱分析，还可以获取刀具表面的元素成分信息。

(4) 原子力显微镜（AFM）观察：AFM能够提供更高分辨率的表面拓扑图像，能够观察到更细微的磨损痕迹和颗粒等微观结构。

基于有限元法分析超精密切削中的摩擦问题

基于有限元法分析超精密切削中的摩擦问题
宗文俊;王洪祥;李旦;程凯;董申
【期刊名称】《制造技术与机床》
【年(卷),期】2004(000)008
【摘要】基于更新的拉格朗日公式,建立了热-机械耦合的平面应变大变形正交切削模型.根据此模型,对金刚石车削过程中的摩擦问题进行了仿真研究.对两种摩擦模型仿真所得的切削力与实验数据进行了比较,验证了前刀面上的摩擦状态应是粘结-滑移摩擦同时存在,并研究了刀具摩擦系数各向异性对超精密切削中切屑变形、切削力、剪切角的影响.
【总页数】4页(P88-91)
【作者】宗文俊;王洪祥;李旦;程凯;董申
【作者单位】哈尔滨工业大学精密工程研究所,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学精密工程研究所,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学精密工程研究所,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学精密工程研究所,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学精密工程研究所,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TG5
【相关文献】
1.超精密切削加工中几个主要问题的探讨 [J], 李舒燕;胡学梅
2.基于有限元法分析高速切削时摩擦系数对高速切削的影响 [J], 冯志喜;刘泓滨;王
瑞杰;倪斌
3.基于圆弧刃刀具的超精密切削分析 [J], 张文生
4.基于刀-屑摩擦与切削速度关联模型的切削力数值分析 [J], 郭建英;吕明
5.单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析 [J], 赵清亮;陈明君;梁迎春;董申
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切削刃磨损机制

切削刃磨损机制切削刃磨损机制主要包括以下几种：1. 磨料磨损：工件中存在硬度极高的微小杂质，即便在较低的切削速度下也能在刀具表面形成划痕。

2. 冷焊磨损：刀具和工件的接触面在强大的压力下发生冷焊连接，随后冷焊破裂致使连接处物质剥离。

3. 扩散磨损：高温及其造成的热电势加剧了刀具和工件双方元素的扩散，破坏了刀具表层结构。

4. 氧化磨损：刀具中的一些成分在高温下与氧气或水蒸气作用，生成了疏松的氧化物。

由于钨、钴、碳等元素扩散性良好，碳化钨、碳化钛等物质在高温下可氧化，硬质合金类刀具尤易受到后两种因素的影响。

5. 崩刃：切削刃出现破损，导致表面质量差或超出公差范围。

这可能是由于切削刃的强度不足，在切削过程中受到较大的冲击或热应力而出现破损。

6. 塑性变形：切削刃在高温下因热塑性变形而使切削刃的几何形状发生变化，这可能导致切削刃的强度和刚度下降，进一步加速磨损。

7. 月牙洼磨损：在切削刃附近的表面上出现月牙状的磨损坑，这通常是由于切削区的温度升高导致刀具和工件的材料发生粘结，形成月牙状的磨损坑。

8. 热裂磨损：在周期性热应力情况下因疲劳而产生的一种磨损，断续切削加工时，当热应力多次反复，使刀具表面层达到疲劳强度极限，刀刃就会出现裂纹。

脆性刀具材料特别容易发生这种磨损。

9. 热电磨损：切削加工时，切削区的温度升高，由于刀具与工件的材料不同，所以刀具和工件便构成了热电偶而产生热电动势，并通过机床形成回路，产生了热电流。

热电动势有促进扩散的作用，会加速刀具磨损。

在切削一些难加工的材料时，热电磨损占有一定的比例。

这些磨损机制并不是孤立的，它们可能同时存在于切削过程中，相互作用并共同影响刀具的磨损状态。

因此，了解和掌握这些机制有助于更好地理解切削过程，优化切削参数，提高刀具的寿命和切削效率。

数控车PCBN刀具磨损切削力测量试验研究

数控车PCBN刀具磨损切削力测量试验研究作者：姜路文郑凌晨刘文军来源：《中国电气工程学报》2019年第02期摘要：刀具磨损实时监测技术可以为数控加工过程提供刀具磨损状态，可以实现智能化加工，节约生产成本。

为了更好的研究数控车PCBN刀具切削作用时，切削力与刀具磨损量之间的关系，本文设计了PCBN刀具加工过程中切削力测量方案，并进行试验研究，对结果进行分析和验证。

结果表明当切削参数一定的情况下，PCBN刀具磨损是引起工件表面粗糙度变化的最为重要的因素，切削力均值随着刀具磨损量的增加而变大，切削速度越小，PCB刀具加工过程中的切削力随着磨损量变化越快。

关键词：切削力，感应式，超声椭圆加工1 引言数控车刀具都具有一定的使用寿命，当刀具超过其使用寿命时，会导致切削力增加，引起工件发生变形，影响加工精度，甚至还会引起机床颤振，对工件的精确加工产生很大的影响[1]。

目前，大多数厂家通过刀具磨损实时监测系统对刀具使用过程中出现的问题进行实时反馈[2]，但他们大部分都采用离线监测，对机床操作人员要求很高，也影响加工效率[3]。

数控车刀具磨损磨损区域有三类：前刀刃磨损，后刀刃磨损以及前后刀刃都磨损[4]。

在刀具磨损量测试时，后刀刃磨损相对其他两种磨损情况更容易测量。

因此，刀具失效的评判标准往往采用第二类磨损量的数值（VB）[5]。

通过测量后刀刃磨损VB值，能够记录刀具磨损情况，通常设定数控车刀具失效时的VB值为0.3mm[6]。

本文通过研究PCBN刀具磨损量与工件表面粗糙度之间的关系，进而建立PCBN刀具加工过程中切削力测量方案来分析刀具切削力与刀具磨损量（VB）之间的关系，为今后PCBN刀具磨损监测提供科学依据。

2;试验方案设计试验过程中将测力仪固定在刀具上，采用测力仪（型号：Kistler9257A）测量切削加工过程中的切削力，通过数据采集卡（型号：Kistler5070A）对传感器的输出信号进行采集，然后通过计算机对采集到的数据进行处理，机床采用CW6163E型车床。

超精密切削氟化钙单晶金刚石刀具磨损研究

超精密切削氟化钙单晶金刚石刀具磨损研究陈浩锋王建敏戴一帆郑子文焦飞飞国防科学技术大学,长沙,410073摘要:为了研究氟化钙(C a F 2)单晶超精密切削过程中的金刚石刀具磨损及其对切削过程的影响,对C a F 2晶体进行了超精密切削实验,系统观测了刀具磨损形貌随切削路程的变化趋势,分析了刀具磨损机理,同时通过分析不同切削路程下切削表面微观形貌和切削力的变化,对刀具磨损与切削模式之间的关系进行了探讨㊂研究表明,超精密切削C a F 2晶体时刀具磨损模式为沟槽磨损和缺口破损,刀具磨损随切削路程的演变过程为后刀面沟槽磨损扩展到前刀面缺口破损,同时相应的切削模式由延性去除转变为脆性去除㊂该研究结果为大口径C a F 2晶体纳米尺度延性域切削提供了技术支持㊂关键词:超精密切削;刀具磨损;C a F 2晶体;延性域;金刚石刀具中图分类号:T H 161 文章编号:1004 132X (2011)13 1519 04R e s e a r c ho nD i a m o n dT o o lW e a r i nU l t r a -p r e c i s i o nC u t t i n g o fC a F 2C r y s t a l s C h e nH a o f e n g W a n g J i a n m i n g D a iY i f a n Z h e n g Zi w e n J i a oF e i f e i N a t i o n a lU n i v e r s i t y o fD e f e n s eT e c h n o l o g y ,C h a n gs h a ,410073A b s t r a c t :I no r d e r t o s t u d y t h e d i a m o n d t o o lw e a r a n d i t s e f f e c t s o n t h e c u t t i n gpr o c e s s i nu l t r a -p r e c i s i o n c u t t i n g o f C a F 2,t h e l o n g d i s t a n c e c u t t i n g e x p e r i m e n t s o f C a F 2cr y s t a l sw e r e c a r r i e do u t .T h e e f f e c t s o f c u t t i n g d i s t a n c eo nt h e m i c r o g r a p ho f t o o ld a m a g ew e r eo b s e r v e ds y s t e m a t i c a l l y ,t h et o o l d a m a g em e c h a n i s m w a s a n a l y z e d ,t h e r e l a t i o nb e t w e e n t o o l d a m a g e a n dc u t t i n g mo d e lw a sd i s c u s s e d t h r o u g ha n a l y z i n g t h e i n f l u e n c e so f t o o l d a m a g eo nt h e m i c r o g r a p ho fm a c h i n e ds u r f a c ea n dc u t t i n gf o r c e .T h e r e s e a r c hf i n d i ng ssh o wt h a t :t h e t o o ld a m a g e m o d e li nu l t r a -p r e c i s i o nc u t t i n g o fC a F 2c r y s t a l s a r e g r o o v i n g d a m a g e a n dn o t c hb r e a k a g e ,t h ed e v e l o p m e n t o f t h e t o o l d a m a g e f o l l o w e dw i t h c u t t i n g d i s t a n c e i s t h a t t h e t o o l d a m a g e i s e x t e n d e d f r o mt h e g r o o v i n g d a m a ge i nf l a n k f a c e t on o t c h b r e a k ag e i nr a k e f a c e ,a n d th e c u t ti n g m o d e i s a l s oc h a n g e d f r o mt h ed u c t i l em o d e c u t t i n g t ob r i t t l e m o d e c u t t i n g .T h e r e s e a r c h r e s u l t s s u p p l y t h e t e c h n o l o g i c a l s u p p o r t f o r n a n o -s c a l e d u c t i l em o d e c u t -t i n g o f l a r g e -s i z eC a F 2cr y s t a l s .K e y w o r d s :u l t r a -p r e c i s i o n c u t t i n g ;t o o l d a m a g e ;C a F 2c r y s t a l ;d u c t i l em o d e ;d i a m o n d t o o l 收稿日期:2010 08 09基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775217,60908022);国家部委基金资助项目(9140A 18070108K G 0147)0 引言氟化钙(C a F 2)晶体由于其在深紫外波段具有高透过率㊁低双折射率等优异性能使它成为深紫外光刻机光刻物镜系统所必需的光学材料之一[1]㊂相比常规的光学材料(K 9㊁熔石英等),C a F 2晶体为典型的单晶软脆材料,其质地软㊁温度膨胀系数大㊁脆性高和各向异性等材料特性使它在传统光学研磨㊁抛光加工中晶体表面易嵌入抛光粉和产生划痕,从而导致表面质量难以满足光刻物镜系统的极限衍射成像要求[2]㊂传统光学加工C a F 2晶体难以满足深紫外光刻物镜的表面质量要求,超精密切削技术具有高效率㊁可加工复杂面形和无杂质嵌入的加工特性,使它可以代替传统光学研抛工艺,为后续的磁流变㊁离子束高精度修形工序提供粗加工㊂因此,对C a F 2晶体超精密切削技术提出如下要求:①实现C a F 2晶体延性域切削,使工件表面光滑,粗糙度达到纳米级,面形精度进入干涉仪测量范围;②在大口径C a F 2晶体切削过程中,避免刀具磨损对切削表面质量的影响,得到全口径一致性超光滑的切削表面㊂当前,国内外对脆性晶体的超精密切削研究主要集中在单晶硅㊁碳化硅等几种材料上[3‐4],研究人员对切削这些材料的刀具磨损机理和影响进行了研究[5‐8]㊂目前,只有日本学者Y a n等[9]对C a F 2晶体进行了延性域切削工艺试验,但没有涉及切削过程的刀具磨损情况㊂为此,为了掌握C a F 2晶体延性域切削过程中的刀具磨损演变过程以及其对切削模式的影响,为大口径C a F 2晶体超精密切削提供技术支㊃9151㊃超精密切削氟化钙单晶金刚石刀具磨损研究陈浩锋王建敏戴一帆等持,本文对C a F 2晶体进行了超精密切削实验,在切削一定的路程长度后,采用光学显微镜对金刚石刀具和切削表面的微观形貌进行了观测,使用白光干涉仪㊁三维动态测力仪分别对切削表面粗糙度和切削力进行了测量㊂分析了刀具磨损随切削路程的演变过程,探讨了刀具磨损机理,通过分析刀具磨损对切削表面形貌㊁切削力的影响探讨了刀具磨损对切削模式的影响㊂1 实验设备及过程1.1 实验与检测设备C a F 2晶体超精密切削实验在T o s h i b a (U G L -100C )超精密车床上进行,该车床的主要性能是:3个线性运动轴(X ㊁Y ㊁Z )的进给分辨率为10n m ,最大进给速度为450mm /m i n ;C 轴为主轴模式时,最大转速为1500r /m i n ㊂切削实验示意图如图1所示,工件C a F 2晶体通过热熔胶粘贴于铝盘上,铝盘通过真空吸盘安装于车床主轴上,三维动态测力仪(K i s t l e r 9256A 1)安装在金刚石刀架下面,测力仪所测力信号通过K i s l t e r 5055信号器放大,然后通过S o n y PC 204A x 记录,最后,切削力数据传输到计算机上进行在线显示和分析㊂采用光学显微镜对金刚石刀具和工件切削表面的微观形貌进行观测;用白光干涉仪对工件切削表面粗糙度进行测量㊂图1 C a F 2晶体超精密切削示意图1.2 工件样品及制备工件氟化钙晶体(中非人工晶体研究院)为紫外级,它的主要材料特性及其跟金刚石刀具的对比见表1,从表中可以看出,相比于金刚石刀具,C a F 2晶体的机械特性为软脆晶体,且其热导率低㊁热膨胀系数大,对超精密加工过程提出了严格的工艺要求㊂实验工件通过X RD 射线仪定向于(111)晶面,样品尺寸为ϕ50mm×10mm ,预先通过传统的研磨㊁抛光工艺加工工件毛坯,为超精密切削实验提供表面光滑一致的样品㊂表1 C a F 2晶体与金刚石刀具的材料特性对比[10]材料特性C a F 2晶体金刚石刀具晶体结构F l u o r i t e D i a m o n d努氏硬度(k g/mm 2)158.35700~10400断裂韧性(M P a ㊃m 1/2)0.52.0弹性模量(G P a)1101100热导率(W /(m ㊃K ))39(250)2800(250)热膨胀系数(10-6K -1)18.9(250)1.25(250)1.3 金刚石刀具刀具磨损实验中所采用的刀具为天然金刚石圆弧刀具,其主要参数如下:刀尖圆弧半径为1mm ,前角为0°,后角为7°,新刀具刀刃的S E M微观形貌如图2所示㊂图2 新刀具S E M 的微观形貌图(×7500)1.4 实验过程根据Y a n 等[9]对C a F 2晶体延性域切削工艺参数优化的研究,得出C a F 2晶体实现延性域切削的最小临界切削厚度为115n m ,当最大未变形切削厚度d m a x 小于此临界值时,切削过程一般为延性域切削,其中,圆弧刀具最大未变形切削厚度的计算公式为d m a x =R -R 2+f 2-2f 2R a p -a 2p(1)式中,R 为刀尖圆弧半径;a p 为背吃刀量;f 为进给率㊂根据上述条件选择如下切削参数:a p =1μm ,f =1μm/r ,主轴转速n =1000r /m i n ,切削液为航空煤油㊂根据式(1)得d m a x =44n m ,所选参数满足C a F 2晶体实现延性域切削条件㊂为了避免切削速度对刀具磨损的影响,在固定主轴转速为1000r /m i n 的情况下,对口径为50mm 的C a F 2晶体工件外环带(ϕ40~ϕ50n m )进行切削实验,计算的切削速度在0.333~0.416m /s 之间㊂单次端面切削路程的长度计算公式为L =π(D 2-d 2)4f(2)式中,D 为切削外环直径;d 为切削内环直径㊂根据上面所选切削参数和式(2),计算的单次切削路程长度为L =0.707k m ㊂在进行不同循环次数的端面切削实验后,分别对金刚石刀具和工件表面进行观测㊂㊃0251㊃中国机械工程第22卷第13期2011年7月上半月2 实验结果与分析2.1 刀具形貌演变过程图3为经历不同切削路程长度后刀具前刀面和后刀面的微观形貌图,图3a为未切削时新刀具的微观形貌,随着切削路程增加,当切削路程长度达到L=3.535k m时,后刀面开始出现沟槽磨损,而前刀面无任何磨损发生,如图3b所示㊂当切削路程长度进一步增大到21.21k m时,后刀面的磨损带长度增大到约10μm,同时前刀面开始出现缺口破损,如图3c所示㊂当前刀面开始出现缺口破损后,随着切削路程长度进一步增加,后刀面磨损带长度㊁宽度和前刀面缺口破损的增大速度显著提高,当切削路程长度达到27.573k m时,后刀面的磨损带长度增大到约30μm,前刀面缺口破损半径增大到约3μm㊂对上面的刀具形貌演变过程进行分析可以得到如下结论:C a F2晶体超精密切削过程的刀具磨损可以分为两个主要阶段:开始阶段主要为后刀面沟槽磨损,随着后刀面磨损带长度增加到一定程度后,前刀面开始出现缺口破损;第二阶段为后刀面沟槽磨损和前刀面缺口破损同时发生,刀具磨损和破损速度急剧加速㊂图4所示为后刀面磨损带最大长度随切削路程的变化曲线㊂(a)L=0(b)L=3.535k m(c)L=21.21k m(d)L=27.573k m图3不同切削路程下的刀具微观形貌图4 刀具后刀面磨损长度与切削路程的变化曲线2.2 刀具磨损机理分析图5为对C a F2晶体超精密进行切削,路程长度达到27.573k m后金刚石刀具的S E M微观形貌图,从图5可以看出,刀具后刀面的磨损为典型的沟槽磨损,前刀面为缺口破损㊂通过图5的刀具磨损形貌,结合C a F2晶体的脆性材料特性,参考文献[5]对硅晶体超精密切削刀具磨损机理的分析,对C a F2晶体刀具磨损机理进行如下初步分析:在延性域切削C a F2晶体的初始阶段,刀具后刀面与工件紧密接触㊂摩擦使刀具后刀面碳元素扩散,扩散的碳元素在切削区域高温高压催化下极易发生团聚和重结晶,从而形成高硬度的类金刚石碳结构,对刀具后刀面发生刻划和耕犁,导致切削初期刀具后刀面沟槽磨损;随着切削路程长度的增大,当后刀面磨损带长度增加到一定程度时,就会使C a F2晶体切削模式从延性去除转变为脆性去除,切削模式的转变导致切削力幅值和波动增大㊁致使刀具前刀面发生微坑破损,产生微小金刚石碎片,这些碎片对刀具后刀面的刻画和耕犁加剧了后刀面的沟槽磨损㊂同时随着刀具磨损的加剧,切削模式进一步向脆性去除转变,进而导致前刀面发生微坑破损的尺寸变大,产生的金刚石碎片数量增加㊁尺寸变大,进而导致严重的刀具磨损和破损㊂图5 刀具磨损S E M微观形貌(×9500)2.3 刀具磨损对切削过程的影响从上述磨损机理分析可以看出:后刀面沟槽磨损的加大导致切削模式开始从延性去除向脆性去除转变,同时脆性去除导致前刀面破损的发生,进而加剧了刀具磨损和表面破损的发生㊂下面通过切削过程工件表面微观形貌㊁粗糙度和切削力㊃1251㊃超精密切削氟化钙单晶金刚石刀具磨损研究陈浩锋王建敏戴一帆等的变化来分析刀具磨损对切削过程的影响㊂2.3.1 刀具磨损对切削表面的影响图6为不同切削路程下的工件切削表面微观形貌图㊂图6a 为初始切削时的延性域切削模式,切削的表面为超光滑表面;图6b 为切削路程长度L =15.68k m 后的工件表面微观形貌,切削模式仍为延性域,但由于刀具后刀面存在大于5μm 长的沟槽带,造成切削纹路比较明显;图6c 为切削路程长度L =21.36k m 后的切削表面微观形貌,表面出现破损点,表示切削模式开始向脆性去除转变;图6d 为切削路程长度L =27.57k m 后的工件表面的微观形貌,整个表面充满破损点,表示切削模式为完全脆性去除㊂从图6可以看出,不同切削路程下的切削表面微观形貌反映了刀具磨损对切削模式转变的影响㊂图7为切削表面表面粗糙度在不同切削路程的变化曲线图,从图7可见,切削表面粗糙度变化曲线随切削路程长度而上升的变化趋势跟图4的刀具磨损变化曲线趋势完全一致㊂(a )L =1.414k m (b )L =14.14km(c )L =21.21k m(d )L =27.573k m图6 不同切削路程下的工件表面微观形貌(×500)图7 不同切削路程下的工件表面粗糙度变化曲线2.3.2 刀具磨损对切削力的影响不同切削路程长度下所测得的切削力如图8所示㊂图8a 为切削初期,切削法向力F t 大于切向力F e ;当切削路程增长到L =21.21k m ,刀具前刀面发生缺口破损时,切削力的切向力F c 开始变大,大小跟法向力F t 相近,如图8b 所示;随着切削路程进一步增长到L =27.573k m 时,切向力F c 急剧增大,如图8c 所示㊂造成这种现象的原因如下:由于前刀面的破损对切向力F c 的影响比较大,而后刀面的沟槽磨损因为纵向微刻槽,所以法向力F t 变化不大㊂由文献[11]可知脆性材料延性域切削的主要特征:在实现脆性材料延性域切削时,切削的法向力F t 大于切向力F c ㊂从切削力的大小变化能够看出,即刀具磨损是导致切削模式转变的关键因素,在切削的初期,即延性域切削时,法向力F t 大于切向力F c ;刀具严重磨损后,法向力F t 小于切向力F c ,如图9所示㊂(a )L =1.414km(b )L =21.2k m(c )L =27.573k m1.切向力F c2.法向力F t图8不同切削路程下的切削力1.切向力F c2.法向力F t图9 不同切削路程长度的切削力变化曲线(下转第1526页)㊃2251㊃中国机械工程第22卷第13期2011年7月上半月不同的锁紧时间对力/力矩进行测试及分析,试验结果表明,当锁紧时间t l数值越小时,操作器受到的瞬时力/力矩值也越大,即在抓握过程中的碰撞力更大㊂因为锁紧时间越短,所需要的电机转速越高,手指对目标器的冲量越大㊂同时,更短的锁紧时间,缩短了碰撞到锁紧的时间,减小了目标器在残余速度㊁角速度影响下的可达空间,在一定程度上改善了最终锁紧的效果㊂4 结论(1)研制的机器人末端操作器,可以用来协助机器人捕获漂浮目标,不仅能够拓展机器人的使用范围,而且具有较好的捕获性能㊂(2)分析得到了目标器偏差和时间的关系,可以通过调整抓握策略和时间分配,减小目标器的位姿偏差㊂(3)通过多次测试可知,合理的轨迹规划可以使得末端操作器具有更好的抓握性能㊂参考文献:[1] 张福海,付宜利,王树国.一种笛卡尔空间的自由漂浮空间机器人路径规划方法[J].机器人,2009,31(2):187‐192.[2] H i r z i n g e rG.R o b o t i c sC o m p o n e n tV e r i f i c a t i o no nI S S[C]//P r o c e e d i n g s o f i-S A I R A S2005-t h e8t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u m o n A r t i f i c i a l I n t e l l i g e n c e,R o b o t i c s a n d A u t o m a t i o n i nS p a c e.E u r o p e a nS p a c eA g e n c y,2005:57‐67.[3] R o b e r t J.A u t o n o m o u sC a p t u r e o f aF r e e-F l o a t i n gO b j e c tU s i n g aP r e d i c t i v eA p p r o a c h[D].M o n t r e a l,Q u e b e c,C a n a d a:M c G i l lU n i v e r s i t y,2008. [4] 史国振,孙汉旭,贾庆轩,等.空间机器人控制系统硬件仿真平台的研究[J].计算机工程与应用,2008,44(12):5‐9.[5] S uJ i a n b o,X i e W e n l o n g.M o t i o nP l a n n i n g a n dC o-o r d i n a t i o nf o r R o b o tS y s t e m B a s e d o n R e p r e s e n tA c t i o nS p a c e[J].T r a n s a c t i o no nS y s t e m s,M a n,a n dC yb e r n e t ic s,P a r t B:C y b e r n e t i c s,2011,41(1):248‐259.[6] G r e e nA,S a s i a d e k J Z.I n t e l l i g e n t T r a c k i n g C o n t r o lo f aF r e e-f l y i n g F l e x i b l eS p a c eR o b o tM a n i p u l a t o r[C]//C o l l e c t i o no fT e c h n i c a lP a p e r s-A I A A G u i d-a n c e,N a v i g a t i o n,a n d C o n t r o lC o n f e r e n c e.H i l t o nH e a d,S o u t hC a r o l i n a,2007:132‐156.(编辑郭伟)作者简介:朱映远,男,1977年生㊂哈尔滨工业大学机器人研究所讲师㊂研究方向为空间机器人技术㊂倪风雷,男,1975年生㊂哈尔滨工业大学机器人研究所讲师㊂(上接第1522页)参考文献:[1] 苏良碧,徐军,杨卫桥,等.氟化钙晶体的生长和应用研究[J].硅酸盐学报,2003,31(12):1202‐1207.[2] A n g e l aD,R o l a n dT,N o r b e r tK,e t a l.S u r f a c eF i n i s ha n dO p t i c a lQ u a l i t y o fC a F2f o r U V-l i t h o g r a p h yA p p l i c a t i o n s[J].P r o c.o fS P I E,1998,3334:1048‐1054.[3] L iXP,H eT,R a h m a nM.T o o lW e a r C h a r a c t e r i s-t i c sa n d T h e i rE f f e c t so n N a n o s c a l e D u c t i l e M o d eC u t t i n g o f S i l i c o nW a f e r[J].W e a r,2005,259:1207‐1214.[4] 葛英飞,徐九化,杨辉,等.S i C p/A l复合材料的超精密车削实验[J].光学精密工程,2009,17(7): 1621‐1629.[5] 宗文俊,孙涛,李旦,等.超精密切削单晶硅的刀具磨损机理[J].纳米技术与精密工程,2009,7(3): 270‐274.[6] L iH Z,Z e n g H,C h e nX Q.A nE x p e r i m e n t a l S t u d yo fT o o l W e a ra n d C u t t i n g F o r c e V a r i a t i o ni nt h eE n d M i l l i n g o f I n c o n e l718w i t hC o a t e dC a r b i d e I n-s e r t s[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l sP r o c e s s i n g T e c h n o l o-g y,2006,180:296‐304.[7] P o l i n iW,T u r c h e t t aS.E v a l u a t i o no fD i a m o n dT o o lW e a r[J].I n t.A d v.M a n u.T e c h n o l.,2005,26: 959‐964.[8] C a p r i n oG,I o r i o ID,N e l eL,e t a l.E f f e c t o fT o o lW e a r o nC u t t i n g F o r c e s i nt h eO r t h o g o n a lC u t t i n go fU n i d i r e c t i o n a lG l a s s F i b r e-r e i n f o r c e d P l a s t i c s[J].C o m p o s i t e sP a r t,1996,27:409‐415.[9] Y a nJ W,K a t s u oS,J u n’i c h iT.C r y s t a l l o g r a p h i cE f f e c t s i n N a n o m a c h i n i n g o fS i n g l e-c r y s t a lC a l c i-u m F l u o r i d e[J].J.V a c.S c i.T e c h n o l.B,2004, 22(1):46‐51.[10] M a r v i nJ W.H a n d b o o ko fO p t i c a lM a t e r i a l s[M].N e w Y o r k:C R CP r e s sL L C,2002. [11] L i uK,L iXP,L i a n g SY.T h eM e c h a n i s mo fD u c-t i l eC h i p F o r m a t i o n i nC u t t i n g o fB r i t t l eM a t e r i a l s[J].I n t.J.A d v.M a n u f.T e c h n o l.,2007,33:875‐884.(编辑何成根)作者简介:陈浩锋,男,1980年生㊂国防科学技术大学机电工程与自动化学院博士研究生㊂主要研究方向为软脆晶体超精密加工技术㊂发表论文10余篇㊂王建敏,男,1973年生㊂国防科学技术大学机电工程与自动化学院副教授㊂戴一帆,男,1967年生㊂国防科学技术大学机电工程与自动化学院教授㊁博士研究生导师㊂郑子文,男,1972年生㊂国防科学技术大学机电工程与自动化学院副教授㊂焦飞飞,男,1987年生㊂国防科学技术大学机电工程与自动化学院硕士研究生㊂㊃6251㊃中国机械工程第22卷第13期2011年7月上半月。

单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析

单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析磨损分析是评估单晶金刚石车刀在超精密单点切削中使用过程中的性能退化情况。

磨损是由切削力和摩擦力引起的，而超精密单点切削要求较小的切削力和摩擦力。

因此，单晶金刚石车刀的磨损是非常重要的。

首先，单晶金刚石车刀的磨损主要有两种形式：刃口磨损和表面磨损。

刃口磨损会导致车刀的切削边缘变钝，从而降低切削效率和切削质量。

表面磨损主要是由刀具与工件表面接触时产生的摩擦引起的。

这些磨损形式都会导致单晶金刚石车刀的使用寿命减少。

其次，可以通过磨损分析来确定单晶金刚石车刀的磨损程度。

常用的磨损评估方法有：测量切削力和刀具表面形貌、观察工件表面质量等。

测量切削力可以间接评估刃口磨损程度，如果切削力增加，则说明刃口已经磨损。

观察工件表面质量也可以判断磨损情况，如果工件表面粗糙度增加，则说明刃口已经损坏。

最后，还可以通过磨损分析找出导致单晶金刚石车刀磨损的原因。

可能的原因包括：切削条件不合适、切削速度过高、切削液不合适等。

通过找出磨损原因，可以采取相应的措施来减少磨损，延长单晶金刚石车刀的使用寿命。

总之，单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析是评估其使用寿命和性能的重要手段。

通过磨损分析，可以确定磨损程度，找出导致磨损的原因，并采取相应的措施来延长车刀的使用寿命。

此外，单晶金刚石车刀磨损分析还可以提供对刀具寿命的预测和刀具性能的改进。

通过磨损分析，可以获取关于刀具磨损速率和刀具寿命的重要信息。

这些信息对于制定合理的刀具更换计划非常关键，以避免频繁更换刀具或过度使用磨损严重的刀具。

磨损分析还可以帮助改进单晶金刚石车刀的设计和制造工艺。

通过观察磨损形态和区域，可以了解刀具的磨损机制和影响因素。

这对于优化刀具的材料、几何形状和涂层等方面非常有价值。

例如，可以针对刀具的磨损情况进行改进，使其更耐磨、更耐用，并提高切削效率和切削质量。

此外，磨损分析还可以通过对比不同切削条件下的磨损情况，寻找最佳的切削参数组合。

单晶硅滑动磨损性能及其相变研究

单晶硅滑动磨损性能及其相变研究磨损性能研究：滑动磨损是指在两个物体相对滑动过程中，由于摩擦而引起的表面材料逐渐剥落、破裂或损伤的现象。

磨损性能的研究对于材料的应用和设计具有重要的意义。

单晶硅作为一种重要的工程材料，其滑动磨损性能一直备受关注。

研究表明，单晶硅具有较高的硬度和强度，能够在一定程度上抵抗磨损。

然而，在滑动磨损过程中，单晶硅表面容易形成磨痕和微裂纹，从而引起材料的进一步破坏。

因此，研究单晶硅的滑动磨损机理和探索改善其磨损性能的方法非常重要。

研究人员发现，单晶硅的滑动磨损主要受到以下因素影响：1. 摩擦力：摩擦力的大小直接影响着磨损情况。

较大的摩擦力会导致单晶硅表面的材料剥落和破坏加剧。

2. 微结构特征：单晶硅的微结构特征对磨损性能有着重要影响。

晶格结构的缺陷和孪生等微观结构缺陷会增加磨损的敏感性。

3. 环境因素：环境中的湿度、温度、压力等因素也会影响单晶硅的磨损性能。

湿润、高温和高压等条件下，磨损加剧。

相变研究：单晶硅在温度和压力的作用下，会发生相变现象。

相变是指材料在一定条件下改变状态的过程。

单晶硅的相变在材料的性能与应用方面具有重要的意义。

研究发现，当单晶硅受到高温或高压的作用时，会发生相变现象。

相变会导致单晶硅的晶格结构发生改变，进而影响材料的强度、硬度和导电性等性能。

相变的研究可以通过实验和模拟方法进行。

实验可以通过提供不同的温度和压力条件，观察单晶硅的相变行为。

而模拟方法可以利用计算机模型，模拟材料在不同条件下的相变过程，从而揭示相变机理。

研究人员希望通过对单晶硅滑动磨损性能和相变的研究，提高单晶硅的材料性能，并拓展其在微电子器件、光学器件等领域的应用。

此外，研究人员还探索了改善单晶硅的滑动磨损性能的方法。

一种常用的方法是通过改变材料表面的涂层来提高硬度和抗磨损性能。

例如，利用化学气相沉积等技术在单晶硅表面覆盖薄膜，可以增加材料的硬度和抗磨损性能。

此外，通过表面处理和改善材料的晶格结构也可以有效改善单晶硅的滑动磨损性能。

金属切削原理中的晶体塑性与刀具磨损机理研究

金属切削原理中的晶体塑性与刀具磨损机理研究金属切削是一种常见的加工方法，广泛应用于制造业领域。

刀具磨损是金属切削中一个重要的问题，影响着加工质量和生产效率。

了解晶体塑性与刀具磨损机理是解决这一问题的关键。

在金属切削过程中，切削刃与金属工件之间发生相对运动，切削刃对工件施加力，导致金属工件发生塑性变形。

塑性变形是金属切削中的主要形变方式，即金属原子或晶体发生位错滑移。

位错滑移是晶体塑性变形的基本机制，也是刀具磨损的重要原因之一。

晶体的塑性行为受到晶体结构和断裂性质的影响。

金属晶体的结构由晶格和晶粒组成。

晶格是由原子按一定的规则排列而形成的，晶粒则是由多个晶格构成的颗粒。

晶粒内的原子通过位错滑移发生塑性变形，而晶粒之间的界面则是位错的发生和滑移的阻碍点。

不同金属的晶体结构不同，因此其塑性行为也不同。

刀具磨损机理与晶体塑性密切相关。

在切削过程中，刀具上的刀齿所受到的力会导致切削刃表面的塑性变形。

当切削刃与工件接触时，位错从晶体中滑移到刀具表面，并造成刀具表面的变形。

这种变形在逐渐积累之后，会导致刀具表面发生破裂、剥落等现象，从而引起刀具的磨损。

除了晶体塑性外，刀具磨损还与材料的力学性质、热学性质等因素有关。

切削过程中，高温和剧烈的摩擦会加速刀具的磨损。

硬度高、韧性低的刀具更容易受到磨损。

此外，刀具的润滑和冷却条件也会对磨损产生影响。

在研究晶体塑性与刀具磨损机理时，科学家们采用了多种方法。

实验方法是最常用的一种研究手段，通过模拟实际切削过程，观察刀具表面的变化，从而揭示磨损机理。

同时，也利用材料表征技术，如扫描电镜、透射电镜等，对刀具磨损进行形貌和成分分析。

数值模拟则是另一种常用的研究方法，通过建立数学模型，模拟切削过程和刀具磨损，从而预测和优化刀具寿命。

研究晶体塑性与刀具磨损机理对改善切削加工质量和提高生产效率具有重要意义。

通过深入了解切削过程中的晶体塑性行为，可以选择合适的材料和切削参数，减少刀具的磨损。

CNC机床加工中的刀具磨损机理与影响因素

CNC机床加工中的刀具磨损机理与影响因素CNC机床在现代制造业中扮演着重要的角色，具备高效、精确和灵活的加工能力。

而在CNC机床的加工过程中，刀具的磨损是一个不可避免的问题。

了解刀具磨损的机理及其影响因素对于提高加工效率、降低生产成本具有重要意义。

一、刀具磨损机理1.槽口磨损槽口磨损是刀具磨损的主要形式之一。

当刀具进给切削工件时，由于摩擦和冲击作用，刀具表面形成一定的槽口磨损。

槽口磨损会导致刀具尺寸的变化，进而影响加工精度和表面质量。

2.刃磨损刀具表面的刃是直接参与切削的部分，因此刃磨损是刀具磨损的重要表现形式。

刃磨损主要包括刃磨平、刃磨损耗和刃磨破损。

刃磨损会导致切削力的增加、切削质量下降，并可能导致刀具寿命的降低。

3.热磨损在高速切削加工过程中，由于刀具与工件之间摩擦产生的热量无法及时散去，刀具受到热磨损。

热磨损会导致刀具硬度下降、变形和表面粗糙度的增加，从而影响加工效果。

二、刀具磨损的影响因素1.材料选择刀具的材料对于其磨损性能有着重要影响。

一般来说，硬度高、耐磨性好的材料能够延长刀具的使用寿命。

2.切削条件切削速度、进给速度和切削深度是影响刀具磨损的重要因素。

过高的切削速度和进给速度会导致刀具过热，进而加速磨损的发生。

合理的切削条件能够减缓刀具磨损的速度。

3.冷却液在CNC机床的加工过程中，冷却液的使用对刀具的寿命具有重要影响。

冷却液能够降低刀具的温度，减少摩擦，从而延长刀具的使用寿命。

4.切削方式切削方式的选择对刀具磨损也有影响。

不同的切削方式会导致切削力的不同分布，从而影响刀具的磨损程度。

5.刀具几何形状和尺寸刀具的几何形状和尺寸对刀具的磨损有着直接影响。

合理选择刀具的几何形状和尺寸能够减少刀具受力集中、磨损不均衡的情况。

总结：CNC机床加工中刀具的磨损机理是多方面的，包括槽口磨损、刃磨损和热磨损等。

刀具磨损的影响因素包括材料选择、切削条件、冷却液、切削方式以及刀具几何形状和尺寸。

了解这些磨损机理和影响因素，可以帮助我们选择合适的刀具材料和优化加工工艺，从而延长刀具的使用寿命，提高加工效率，降低生产成本。

高速切削加工中刀具磨损机理分析与优化

高速切削加工中刀具磨损机理分析与优化近年来，随着制造技术的不断发展，高速切削加工技术已经成为现代制造业中的重要环节。

然而，高速切削加工过程中刀具的磨损问题一直困扰着制造商。

刀具磨损不仅会直接影响加工质量和效率，还会增加生产成本。

因此，对高速切削加工中刀具磨损机理进行深入分析与优化显得尤为重要。

首先，刀具磨损的机理是需要我们认真探究的。

在高速切削加工中，尤其是在复杂的零件加工过程中，刀具会受到很大的力和温度的冲击。

这些力和温度会导致刀具材料的塑性变形、热膨胀和化学反应等现象。

其中，热膨胀是导致刀具磨损的重要因素之一。

高速切削加工过程中，刀具会不断受到瞬间高温的冲击，而热膨胀会导致刀具表面产生应力集中的现象，从而加剧了刀具的磨损。

其次，我们需要针对刀具磨损机理进行优化。

为了减少刀具磨损，可以从多个方面入手。

首先，可以通过选择合适的刀具材料来降低磨损。

高速切削加工通常需要使用高硬度和高耐磨性的刀具材料，如硬质合金、陶瓷和CBN等。

这些材料具有良好的热稳定性和磨损抗性，可以延长刀具的使用寿命。

其次，可以通过改进切削参数来降低刀具磨损。

切削速度、进给量和切削深度等参数的选择会直接影响刀具的磨损程度。

合理地选择切削参数可以减小刀具受到的冲击力和温度，从而降低磨损风险。

此外，还可以通过改进刀具的几何形状来优化切削过程。

例如，采用刀具的镜面涂层、刀具的刃角和刀具的槽型等，可以减小切削过程中刀具与工件的摩擦力和热膨胀现象，从而降低刀具的磨损。

最后，我们需要进一步加强对刀具磨损的监测和维护。

为了准确地判断刀具磨损程度，可以采用数控车床、激光光电传感器等设备进行监测。

及时发现和处理刀具的磨损问题，可以避免刀具的过度磨损，延长刀具的使用寿命。

此外，定期对刀具进行维护也是必不可少的。

如清洗刀具表面的切削剂和碎屑、及时更换磨损严重的刀具，都可以帮助减少刀具磨损的发生。

综上所述，高速切削加工中刀具磨损机理分析与优化是现代制造业中的重要课题。

金刚石线锯切割晶体硅模式研究

第２期
蔡二辉，：等金刚石线锯切割晶体硅模式研究
制和模型及实验的研究进一步确定。金刚石对脆性材料的压痕、痕实验和机制，刻已有学者进行了较多的研究Ｊ。宗文俊等在金刚
的刻划实验。切割设备为沈阳科晶ＳＸ一６１Ｌ０Ａ型往复式单线切割机，大的线速度为２ｍｓ依靠砝最／，码的重量和液压系统控制工件的进给速度，割过切
Ａｂｓｒｃ：ｉｍｏｄｗｉｅｓｗｓａｐｏｓｎｕｔｎｅｈｏｏｙｆｒｓｌｃｎｓｌｒｗａｅｒｄｃｉｎ．ｐｒ— ｔａｔＴｈｅｄａｎｒａｗａｒｍｉｉｇｃｔｉｇｔｃｎｌｇｏｉｏｏａｆｒｐｏｕｔｉｏＥｘｅｉｍｅｔｆｓｎｌａｎｃｒｎｆｃｙｔｌｉｅｓｌｃｎａｄｄａｎｒａｓｉｉｇｏｒｓａｌｎｉｉｏａｅｂｅｎｓｏｉｇｅｄｉｍｏｄｓｏｉｇｏｒｓａｌｎｉｉｏｎｉｍｏｄｗｉｅｓｗｌｎｆｃｔｌｉｅｓｌｃｎｈｖｅｎｃｙ
ｓｒｃｓａｌｎｉｉｏｓｃｔｂｉｍｏｄｗｉｅｓｗｎｂｔｌｄｅ，ｔｒｋｎｐｔｎｃｔｓｒａｅａｒｔｌｕｅ，ｒｔｌｉｅｓｌｃｎｗａｕｙｄａｎｒａｉｒｔｅｍｏｌｗｉｈｂｏｅｉｓｏｕｕｆｃｓ，ｎｄｂｔｅｙｉｉ
ＣＡＩＥｒｈｉＴ — ｕ，ＡＮＧｎｂｎＺＨＯＵａｇＢｉ — ｉｇ，Ｌｎ

CNC机床加工中的刀具磨损机理与

CNC机床加工中的刀具磨损机理与预防措施CNC机床加工中的刀具磨损机理与预防措施在CNC机床加工中，刀具磨损是一个常见且重要的问题。

刀具的磨损严重程度直接影响到加工质量和效率。

因此，了解刀具磨损的机理，并采取相应的预防措施，对于提高加工质量和效率具有重要意义。

一、刀具磨损机理1. 磨削磨损磨削磨损是刀具表面由于相对于工件过高的切削速度和切削温度引起的一种表面磨损形式。

在CNC机床加工中，刀具与工件之间的高速摩擦，会导致刀具表面的金属薄层破裂和剥蚀，使刀具的寿命缩短。

2. 粘附磨损粘附磨损是指在加工过程中，由于切削温度过高，刀具表面金属软化和工件材料的粘附作用，使工件材料附着在刀具表面，形成磨损。

粘附磨损常常会导致刀具表面形成划痕、晶粒破裂等现象，从而降低刀具的使用寿命。

3. 疲劳磨损疲劳磨损是由于刀具在循环加载和卸载过程中的应力变化，引起刀具表面金属的疲劳破裂。

在CNC机床加工中，因为循环加载和卸载次数较多，刀具容易发生疲劳磨损，使刀具的使用寿命缩短。

二、刀具磨损的预防措施1. 选择适当的刀具材料选择适当的刀具材料是预防刀具磨损的关键。

常见的刀具材料包括高速钢、硬质合金和立方氮化硼等。

不同的加工材料和加工方式，对刀具的磨损要求不同，因此，在选择刀具材料时应根据具体的加工需求进行选择。

2. 控制切削参数合理控制切削参数对于预防刀具磨损至关重要。

切削速度、进给速度和切削深度等参数的选择应根据加工材料的硬度和可加工性以及刀具本身的特性进行调整。

过高的切削速度和切削温度会加剧刀具的磨损，而过低的切削速度和切削温度会降低加工效率。

3. 添加切削液切削液的使用可以有效地降低刀具的磨损。

切削液能够在刀具与工件接触面形成润滑膜，减少摩擦和热量产生，从而降低磨损的发生。

同时，切削液还能够冷却刀具和工件，保持切削温度的稳定性。

4. 定期维护刀具定期维护刀具可以延长其使用寿命。

维护刀具时，应定期检查刀具的刃口是否钝化或损坏，并对刀具进行研磨或更换。

单晶硅超精密磨削过程的分子动力学仿真

有很大区别，这是因为宏观磨削过程中磨削力是磨削过程中产生的切削力和摩擦力的总和，而超精密磨削过程中磨削力的来源很简单，主要来源于单晶硅原子和金刚石磨粒原子之间的相互作用力。
由于磨削过程单晶硅受到磨粒的法向力和切向力的作用，如图３和图４所示压力、剪切力和磨削力曲线，磨削压力主要分布在磨粒下方，因此晶格变形及非晶层主要集中在磨粒前下方。从仿真结果看，原子晶阵是在受到剪切力的作用下原子键断裂，同时受到磨粒前下方的压力的挤压导致晶格变形、晶格重构和非晶相变。由于磨粒不断前移，处在磨粒下方的非晶层原子在压力的作用下与已加工表层
摘要：对内部无缺陷的单晶硅超精密磨削过程进行了分子动力学仿真，从原子空间角度观察了微量磨削过程，解
释了微观材料去除、表面形成和亚表面损伤机理，并分析了磨削过程中的磨削力和磨削能量消耗。研究表明：磨
削过程中，在与磨粒接触的硅表面原子受到磨粒的挤压和剪切发生变形，堆积在磨粒的前方，当贮存在变形晶格
中的应变能超过一定值时，硅的原子键断裂，即完成了材料的去除；随着磨粒的运动，磨粒前下方的硅晶格在磨
童寸箍称
时间ｆ／ｐ８图５单晶硅磨削过程分子动力学仿真势能曲线
３结论
建立了单晶硅磨削过程的分子动力学仿真模
万方数据
型，将Ｄｅｂｙｅ温度转换模型应用到仿真计算中，得到了稳定的计算结果，并从多角度分析了单晶硅磨削的机理，得到了如下结论。
（１）材料的去除过程可解释为：随着磨粒的向前运动，与磨粒接触的硅表面原子受到磨粒的挤压和剪切发生变形，堆积在磨粒的前方，当贮存在变形晶格中的应变能超过一定值时，硅的原子键断裂，即完成了材料的去除。
１６０
１２０
８０ｚ
墨蓄４０
Ｏ
２０

单晶硅微铣削表面粗糙度实验研究

本文从正交试验出发，研究切削三要素(每齿进给量、主轴转速和轴向切削深度)对单晶硅微铳削表面粗糙度的影响规律，观察其表面形貌，结合未变形切削厚度来研究延性切削，进而研究对表面粗糙度的影响。
1单晶硅微铳削实验
1.1实验材料及设备实验材料为单晶硅，选取(100)单晶硅片并沿［100］晶向进行全槽铳削,本实验将直径4英寸硅片切割成
剧呵，并没有形成如序号1 一样的光滑表面，存在凹坑和破损，但局部可实现塑性切削,这对降低表面粗糙度
起到至关重要的作用。根据表5绘制最大未变形切削厚度对Ra的影响图，如图9所示,根据拟合数据点的趋
势线，随着最大未变形切削厚度的增加，粗糙度总体呈现上升趋势。
-也甘_汐2/?“，心2隔-研
(2)
序号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
许顺杰1,2,曹自洋1,2,王浩杰1,2
(1.苏州科技大学机械工程学院，江苏苏州215009； 2.苏州市高效与精密加工技术重点实验室，江苏苏州215009)
摘要：单晶硅是一种难加工材料，为优化单晶硅微铳削工艺参数,在水基切削液条件下，采用直径0,5 mm的金刚石涂层微铳刀，在单晶硅(100)晶面［100］晶向进行全槽铳削加工，基于正交实验研究每齿进给量、主轴转速和轴向切削深度对表面粗糙度的影响规律,分析单晶硅表面形貌，结合未变形切削厚度研究表面粗糙度变化规律。结果表明：
长约100 cm、宽约25 cm,利用AB胶稳固地黏贴在黄铜条上，在贴合单晶硅前，需修整黄铜表面，使黄铜表面光洁无划痕，确保贴合的精度(见图1(a))。使用便携式数码显微镜(见图1(b))来进行对刀。本实验设备采用美国哈斯三轴联动数控加工中心(见图1(c)),三轴的工作行程为305 mmx254 mmx305 mm,采用全闭环控制，主轴的最高转速为30 000 r/min。微铳刀采用台湾HC公司的宜径为0.5 mm的金刚石涂层2刃平头立

超精密切削表面划伤机理及控制

超精密切削表面划伤机理及控制超精密切削技术可以获得超精密表面，以满足高精度制件的加工需要。

超精密切削的优势之一在于，它拥有出色的表面粗糙度，但由于其微小的刃具及加工参数，裂纹等划伤问题也难以避免。

划伤是指切削过程中，刃具刃口受到摩擦而引起的把表面划伤，导致表面粗糙度及外观均变差。

因此，学习超精密切削表面划伤的机理以及控制其产生，对于高精度零件的加工尤其重要。

超精密切削表面划伤的形成主要有三个因素：刃具刃口形状、切削参数和刃具表面处理。

任何一个因素出现的异常，都有可能导致划伤产生。

其中，刃具刃口形状是导致表面划伤最为关键的因素，因此需要采用一种性能良好的刃具形状，以确保表面平整、粗糙度满足要求。

另外，切削参数也是影响表面划伤程度的关键因素，尤其是切削速度、表面粗糙度和深度。

如果选择不当，切削速度会过高，而表面粗糙度会明显增加，从而导致表面划伤。

此外，深度过大也会导致划伤，因为过深的切削深度会使表面出现振动，从而加剧表面的粗糙度。

最后，刃具表面处理是影响表面划伤程度的重要因素之一。

不同的表面处理工艺可以制备出性能不同的刃具，可以有效降低划伤的产生，但对刃具的表面质量也是非常苛刻的要求，必须保证刃具表面的质量，以保证切削质量。

总结起来，刃具刃口形状、切削参数和刃具表面处理是影响超精密切削表面划伤的三大重要因素，如何正确地选择刃具、切削参数以及表面处理工艺，可以极大地减少或避免表面划伤的发生。

此外，还可以采取其他措施来控制划伤，如应用新材料、改变切削模式或把握最佳性能等。

应用新材料可以改变刃具的物理特性，这样可以更好地控制表面划伤，而改变切削模式则可以改善切削刃具的性能，减少切削压力，从而降低表面划伤。

此外，在调整切削参数时，应该寻找最佳性能，以最佳状态进行切削，使得加工质量得到最大程度的保证。

综上所述，超精密切削表面划伤的机理及其控制，是影响高精度零件加工质量的关键技术之一，因此，应综合考虑刃具的形状、切削参数、刃具表面处理以及其他因素，以期获得高质量的加工表面。

刀具磨损机理分析

刀具磨损机理分析刀具损伤类型刀具损伤主要分为2种类型：刀具摩擦磨损和刀具断裂损伤，刀具磨损又包括正常均匀磨损和异常磨损，其中正常均匀磨损是刀具磨损的主要形式，刀具表面受到岩土体表面及破碎颗粒的不断挤压摩擦，导致刀具表面材料的缓慢去除。

正常磨损体现在盾构刀具的合金磨损程度较为均匀。

而异常磨损则是刀具在不均匀受力状态下发生持续滑移时导致局部严重磨损现象，主要体现在滚刀的偏磨、弦磨，切刀刀刃崩落等。

断裂损伤是刀具在高应力条件下受到较大块体冲击断裂或受到循环应力作用导致疲劳损伤的现象，如刀齿崩裂、刀体断裂等。

刀具磨损分析刀具磨损的产生主要是由合金刀具与岩土体相互接触作用的结果，＊终物体表面出现材料损失的现象，其本质是荷载反复作用下发生能量转换并产生能量耗散的过程。

岩土体作用力对刀具做功，能量以3种形式耗散：刀具高温热能、刀具磨屑或断裂、刀具动能。

其中第3种形式刀具动能的转换仅针对滚刀。

磨损的外在表现是摩擦表面或界面行为，刀具界面受荷发生塑性变形，产生微观裂纹或裂痕，微观裂纹扩展产生磨屑或断裂。

刀具磨损构成基于摩擦学理论，可将磨损机制分为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损和扩散磨损。

实际磨损过程通常不是以单一形式出现的，而是几种不同的磨损形式的综合表现。

磨损计算方法的建立必须考虑磨损现象的特征，这些特征与通常的强度破坏不相同。

刀具磨损主要来源于金属岩块相互作用和金属压碎区相互作用，相应的刀具磨损可分为直接磨损和二次磨损，直接磨损指刀具与完整岩块相互作用时产生的磨损，属于2个表面粗糙峰直接咬合引起的黏着磨损；二次磨损指夹在2个表面的破碎颗粒造成的刀具磨损，属于磨粒磨损中的三体磨损。

同时滚刀破岩过程中，二次磨损也包括与相对滚动的摩擦表面接触形成的循环变化应力作用下的疲劳磨损。

磨损机制中的扩散磨损主要是由于高温度场下化学元素交互运动引起，合金刀具工作温度相对较低，分子在界面间的交换比较缓慢，扩散磨损在刀具磨损中所占比例可以忽略，因此，刀具的磨损主要表现为：①岩土体中的硬质磨粒对刀刃表面进行磨削，在刀刃表面形成犁沟，表面产生多次变形，＊终导致表面材料脱落；②硬质磨粒被垂直荷载压入刀刃表面产生塑性变形并形成黏着点，在切向荷载的作用下黏着点被剪断，附着于硬质颗粒表面脱落；③刀具与岩土接触时交变接触应力作用下的疲劳磨损断裂或脱落。

切削加工中刀具磨损机理及其对切削质量的影响

切削加工中刀具磨损机理及其对切削质量的影响切削加工是制造业中广泛应用的一种加工方法，而刀具的磨损是切削加工过程中难以避免的问题。

本文将探讨刀具磨损的机理以及它对切削质量的影响。

首先，刀具磨损的机理主要可以分为三个方面：刀具磨损、刀尖磨损和刀身磨损。

刀具磨损是指刀具表面与工件表面之间的摩擦作用，导致刀具表面材料的逐渐脱落和破坏。

磨损主要包括磨粒磨损和疲劳磨损两种形式。

磨粒磨损是由于工件材料中的硬颗粒在切削过程中剥落并沉积在刀具表面，进而与工件表面产生相对滑动而造成的。

疲劳磨损则是由于工件材料表面的微小裂纹在剪切应力作用下逐渐扩展，最终导致刀具表面脱落。

刀尖磨损是指刀具切入工件时刀尖部分受到的磨损。

由于刀尖处是切削力集中作用的部位，很容易受到剧烈的磨损。

刀尖磨损的形式主要有刀尖断裂、刀尖磨平和刀尖状况恶化等。

刀身磨损是指刀具表面除刀尖部分之外的其他部位受到的磨损。

刀身磨损的主要原因包括摩擦磨损和热磨损两种形式。

摩擦磨损是由于刀具表面与工件表面之间的摩擦力导致材料磨损的结果。

热磨损则是由于切削过程中产生的高温和刀具材料的高硬度导致的。

刀具磨损对切削质量有着重要的影响。

首先，刀具磨损会导致切削力的增加。

当刀具磨损严重时，切削力会显著增加，给切削加工带来困难。

其次，刀具磨损会降低切削精度。

在磨损情况下，刀具的几何形状发生变化，导致切削加工中形状和尺寸的偏差增大。

此外，刀具磨损还会引起表面质量的变差。

因为磨损的刀具与工件表面之间会产生摩擦热，导致工件表面的热变形和划伤等问题。

为了减少刀具磨损对切削质量的影响，可以采取一些措施。

首先，正确选择合适的刀具材料和刀具涂层。

不同的切削材料对应不同的刀具材料和涂层，可以提高刀具的使用寿命和切削质量。

其次，合理选择切削参数。

通过调整切削速度、进给速度和切削深度，以减少刀具磨损和提高切削质量。

此外，重要的是定期检查和维护刀具。

定期检查刀具的磨损情况，及时更换和磨砺刀具，保证刀具的良好状态。

基于纳米压痕与纳米划痕实验的单晶硅超精密切削特性研究

第52卷第9期2023年9月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.9September,2023基于纳米压痕与纳米划痕实验的单晶硅超精密切削特性研究崔㊀杰,杨晓京,李云龙,张高赞,李宗睿(昆明理工大学机电工程学院,昆明㊀650500)摘要:为研究单晶硅超精密切削特性,采用纳米压痕仪配合Berkovich 金刚石压头对单晶硅<100>晶面进行纳米压痕与纳米划痕实验㊂纳米压痕实验分别以10㊁30和50mN 载荷将压头压入单晶硅表面,发现30mN 载荷下载荷-位移曲线产生微小波动,而在50mN 载荷下发生 pop-out 现象,说明材料此时有突然的应力变化并有脆性破坏发生,预测了单晶硅脆塑转变的临界载荷略小于30mN㊂开展变载荷纳米划痕实验,用0~100mN 的载荷刻划单晶硅表面,根据载荷-位移曲线观察到单晶硅在变载荷刻划中分为弹塑性去除和脆性去除阶段㊂弹塑性去除阶段,载荷-位移曲线波动平稳,而脆性去除阶段曲线波动较大,得到单晶硅脆塑转变的临界载荷为27mN,临界深度为392nm㊂通过恒载荷纳米划痕实验,在塑性加工域内分别以5㊁10和20mN 的恒载荷刻划单晶硅表面,并通过扫描电子显微镜(SEM)观察恒载荷划痕后的单晶硅表面形貌,分析刻划数据发现切削力和弹性回复率随着载荷的增加而增大,摩擦系数则先增大后减小㊂因此单晶硅超精密切削加工应选择合理的载荷,并充分考虑弹性回复的影响㊂关键词:单晶硅;超精密切削;纳米压痕;纳米划痕;脆塑转变;切削力;弹性回复率;摩擦系数中图分类号:TG501㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)09-1651-09Ultra Precision Cutting Characteristics of Monocrystalline Silicon Based on Nanoindentation and Nanoscratch ExperimentsCUI Jie ,YANG Xiaojing ,LI Yunlong ,ZHANG Gaozan ,LI Zongrui(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)㊀㊀收稿日期:2023-04-05㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(51765027)㊀㊀作者简介:崔㊀杰(1996 ),男,安徽省人,硕士研究生㊂E-mail:cuixiaojie96@ ㊀㊀通信作者:杨晓京,博士,教授㊂E-mail:xjyang@Abstract :In order to investigate the ultra precision cutting characteristics of monocrystalline silicon,nanoindentation and nanoscratch experiments were conducted on <100>surface of monocrystalline silicon using a nanoindentation instrument and a Berkovich diamond indenter.In the nanoindentation experiment,the indenter was pressed onto the surface of monocrystalline silicon under 10,30,and 50mN loads,respectively.It is found that there are slight fluctuations in the load displacement curve under 30mN load,while a "pop out"phenomenon occurred under 50mN load,indicating a sudden stress change and brittle failure of the material,the critical load for brittle-plastic transition of monocrystalline silicon was predicted to be slightly less than 30mN.Nanoscratch experiments with variable loads from 0to 100mN were carried out.According to the load-displacement curve,it is observed that monocrystalline silicon scratching can be divided into elastic-plastic removal and brittle removal stages during variable load.In the elastic-plastic removal stage,the load-displacement curve fluctuates smoothly,while in the brittle removal stage,the curve fluctuates significantly.The critical load for the brittle-plastic transition of monocrystalline silicon is 27mN,and the critical depth is 392nm.Finally,through the constant load nanoscratch experiment,the surface of monocrystalline silicon was scratched at a constant load of 5,10,and 20mN in the plastic processing region,respectively.The surface morphology of monocrystalline silicon after constant load scratch was observed by scanning electron microscopy (SEM).The scratching analysis data shows that the cutting force and elastic recovery rate increases with the increase of load,while the friction coefficient first increases and then decreases.Therefore,in ultra1652㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷precision machining of monocrystalline silicon,it is necessary to select a reasonable machining load and fully consider the impact of elastic recovery.Key words:monocrystalline silicon;ultra precision cutting;nanoindentation;nanoscratch;brittle-plastic transition;cutting force;elastic recovery rate;friction coefficient0㊀引㊀㊀言得益于芯片等半导体元器件的应用,计算机㊁通信工具㊁医疗器械等产品不断朝着集成化㊁智能化方向发展㊂单晶硅作为半导体元器件最常用的衬底材料,在微电子和集成电路领域运用广泛,其尺寸和精度需要借助超精密切削技术来完成㊂超精密切削技术是指在微米,甚至纳米尺度[1-3]下对材料进行机械加工,从而制造出极高精密度零件的技术㊂单晶硅的超精密切削技术水平一定程度上决定了集成电路的线宽和元件数,直接影响微电子工业和计算机技术的发展,因此世界各国都非常重视该项技术[4-6],并将其作为先进制造技术中的优先发展内容㊂Song等[7]研究了超精密切削中摩擦力与最小切削厚度的关系,提出了一种超精密切削模型,模型中刀具刃口半径越小,摩擦系数越高,切削深度越薄㊂Guo等[8]发现单晶铜在弱磁场中超精密切削时会产生磁塑性效应,此时亚晶体成型度低,抑制了切削中工件表面褶皱结构的形成㊂真实的超精密切削加工实验成本高㊁周期长,因此随着仿真软件发展的日趋成熟,越来越多的学者开始尝试用分子动力学(MD)模拟材料的超精密切削过程[9-11]㊂Li等[12]采用MD模拟了闪锌矿氮化镓(B3-GaN)在不同半径球形压痕下的压痕过程,发现位错和非晶化扩展是导致B3-GaN晶体塑性变形的主要原因㊂且随着压头半径增大,弹塑性转化临界载荷增大,材料硬度逐渐降低,原子位移和Von Mises应力增大,最终促进了位错在滑移体系中的成核与扩展,加剧了B3-GaN晶体的塑性变形㊂马世泽等[13]利用LAMMPS软件模拟了单晶硅纳米切削过程,研究了V形微沟槽结构对金刚石刀具切削性能的影响,发现当微沟槽深度为0.75nm时金刚石刀具切削效果最好㊂受计算机算力限制,MD只能完成小规模尺度下的模拟,不能完全反映实际切削情况㊂纳米压痕与划痕实验在形式上更加接近于实际的超精密切削加工,对材料的脆塑转变过程和切削特性有着更直观的表现[14-16]㊂杨晓京等[17]对单晶锗<100>㊁<110>㊁<111>三个不同晶面进行纳米划痕实验,发现单晶锗具有强烈的各向异性,即在不同晶面脆塑转变的临界载荷以及临界深度有显著差异㊂郜伟等[18]通过6H-SiC表面的多次纳米划痕实验,发现间隔较小的划痕之间会产生干涉,且非顺序下的划痕比顺序划痕更易得到高质量加工表面㊂目前,通过将纳米压痕与纳米划痕实验相结合,研究单晶硅超精密切削特性的成果并不多见㊂因此,本文首先对单晶硅<100>晶面进行纳米压痕实验,分析实验中载荷-位移曲线不连续及产生 pop-out 现象的原因,推测出单晶硅脆塑转变临界载荷的大致范围;后用变载荷纳米划痕实验验证了推测结果,并得到单晶硅脆塑转变临界载荷与临界深度的精确值;但变载荷纳米划痕实验由于速率变化实验结果会出现偏差,进而又设计了恒载荷纳米划痕实验观察塑性域内不同载荷大小下的划痕特性,并综合考虑材料弹性回复对加工的影响,以期为单晶硅实际超精密切削加工提供理论依据和数据支持㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀微纳尺度压痕与划痕实验的理论基础图1(a)是压痕过程中金刚石压头与工件表面接触的示意图㊂P是压头施加的垂直于材料表面的法向载荷,h max是压头压入的最大深度,h f是压头卸载后的残余深度㊂若被压材料为弹塑性材料,压痕接触边缘会发生材料堆积,导致压头有一个下沉量h s,卸载时压头在下沉量这段距离上与材料不发生接触,发生接触的阶段为接触深度h c㊂图1(b)是压痕后所得的载荷-位移曲线,曲线由加载和卸载两部分组成,S是压头刚开始卸载时卸载曲线切线的斜率㊂通过该曲线可以观察整个压痕过程中压头施加载荷与压入深度之间的变化关系,并且可以计算被压材料的纳米硬度和弹性模量㊂Oliver与Pharr[19]提出了一种Oliver-Pharr模型,该模型从弹性接触理论出发,给出了描述纳米压痕卸载曲线的经验公式:P=α(h-h f)m(1)㊀第9期崔㊀杰等:基于纳米压痕与纳米划痕实验的单晶硅超精密切削特性研究1653㊀图1㊀纳米压痕过程示意图(a)与压痕后所得的载荷-位移曲线(b)Fig.1㊀Schematic diagram of process for nanoindentation (a)and load-displacement curves after nanoindentation (b)式中:α和m 是与压头几何参数及压头工件各自弹性模量㊁泊松比相关的拟合参数㊂接触深度的计算公式为h c =h max -h s =h max -εP max S (2)式中:ε是与金刚石压头几何形状相关的系数,锥形压头取0.72,旋转抛物面形压头取0.75,平压头取1㊂压头与材料接触面积A 由面积函数确定㊂A =f (h c )=kh 2c(3)对于理想的Berkovich 压头,A =24.5kh 2c ㊂纳米压痕硬度(H )计算公式为H =P max A(4)弹性模量(E r )计算公式为E r =π㊃S 2A (5)被压材料的弹性模量可以通过经验公式计算㊂1E r =1-ν2tip E tip +1-ν2sample E sample (6)式中:E tip 和νtip 是金刚石压头的弹性模量和泊松比,分别取1141GPa 和0.07;E sample 和νsample 分别是被压材料的弹性模量和泊松比㊂根据公式(2)~(6),结合实验所得载荷-位移曲线可以计算单晶硅的纳米硬度和弹性模量㊂图2㊀纳米划痕实验过程示意图Fig.2㊀Schematic diagram of experimental process for nano scratch 纳米划痕实验示意图如图2所示,压头施加法向载荷P 同时以速度V 向前方移动,通过控制载荷大小与滑动速度可以模拟不同参数条件下单晶硅的切削加工㊂与划痕方向一致的切向力F t ,是实际对材料表面产生切削作用并迫使材料变形的作用力㊂通过记录法向载荷P 和切削力F t ,可以计算与表面粗糙度有关的摩擦系数f ,定义为f =P F t (7)以上是单晶硅超精密切削加工的主要参数,合理选择这些参数可以大大提高工件表面的加工精度㊂单晶硅是典型的脆硬性材料,这种材料的去除通1654㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷常分为三个阶段:弹塑性去除阶段㊁塑性去除阶段,以及脆性去除阶段㊂塑性去除阶段和脆性去除阶段之间存在一个临界状态,这个状态被称为脆塑转变点㊂弹塑性去除阶段施加载荷较小,划入深度较浅,弹性变形对切削过程有较为显著的影响,此时切屑呈微小均匀的粉末状;随着施加载荷的不断增大,划痕深度也持续增加,但小于临界深度,此时为塑性去除阶段,切屑呈细小带状,该阶段加工表面光滑㊁平整,是较为理想的加工状态;当划痕深度随着载荷的增加持续加深,直至超过临界深度后,刻划进入脆性去除阶段,切屑呈大块状,并出现裂纹,样品表面遭到破坏㊂实际切削加工中应尽量避免到达脆性去除阶段,尽量在塑性域内进行材料去除以保证加工表面的精度㊂1.2㊀实验原材料和制备方法实验试样为用直拉法制备,且单面抛光的<100>晶面单晶硅样片,抛光面粗糙度小于2nm,样片尺寸为10mmˑ10mmˑ0.5mm㊂实验前先准备好圆柱形金属底座,在表面涂上热熔胶水并放在加热台上加热至160ħ放置实验样片,待冷却到室温后材料样片固定在圆柱形底座上㊂观察样品表面是否有污渍,用棉棒蘸取乙醇溶液轻轻擦拭样品表面,烘干备用㊂1.3㊀性能测试与表征纳米压痕与划痕的实验采用美国Aglient公司生产的Nano indenter G200纳米压痕仪,配合曲率半径为20nm的Berkovich金刚石压头进行㊂压头负载分辨率为10nN,位移分辨率小于0.01μm㊂压痕仪配有位移传感器和力传感器,实验中可实时记录划入深度㊁划痕长度㊁法向载荷㊁切削力等参数的变化㊂划痕实验结束后通过JSM-6700F型号的扫描电子显微镜(SEM)观察恒载荷刻划后的单晶硅表面形貌㊂纳米压痕实验的加载和卸载时间各设置为15s,保载5s,其中保载是为了消除材料在加载过程中因内应力而产生的蠕变现象㊂纳米划痕实验中每条划痕的长度均为140μm,其中0~20和120~140μm分别是压头以极小的法向作用力垂直于材料表面预划入和划出的过程,该阶段压头对材料表面不产生力的作用,为压痕仪扫描㊁检查材料表面㊂20~120μm是压头真正参与刻划单晶硅材料表面的阶段,这一阶段中,变载荷划痕实验的法向力从0mN逐渐增加到100mN(载荷加载速度为1mN/s),恒载荷划痕实验则保持设定的载荷不变㊂自始至终,压头的移动速度均为1μm/s㊂此外,为保证实验数据的可靠性与可重复性,每组压痕与划痕实验进行3次㊂2㊀结果与讨论2.1㊀单晶硅纳米压痕实验纳米压痕实验中,载荷-位移曲线可以完整㊁直观地反映压痕全过程,是研究纳米压痕实验的重要手段[20-21]㊂一些学者研究发现在压头加载过程中载荷-位移曲线存在明显的不连续[22],这种现象被定义为 pop-in 现象;但也有些学者记录了仅在卸载过程中载荷-位移曲线存在突变的情况[23],称为 pop-out 现象㊂这两种现象与高压相变引起的单晶硅密度变化有关㊂加载过程中,金刚石压头不断迫使单晶硅转变为密度更大的晶体结构,某一时刻下材料体积被压缩的速率突然增大,会导致 pop-in 现象的发生㊂相反,卸载时晶格破坏导致材料体积突然增加,在短时间内膨胀到相对低密度的结构,因此卸载曲线会出现 pop-out 现象㊂无论加载还是卸载过程中,曲线发生位移不连续现象说明材料在该载荷大小的压痕下发生了体积突变,可以推断此时材料有裂纹产生,发生了脆性断裂变形㊂本实验在10㊁30和50mN载荷下对单晶硅表面进行纳米压痕,图3是三次压痕实验的载荷-位移曲线㊂可以发现三次压痕的加载曲线均没有 pop-in 现象发生,但卸载曲线则表现出明显不同的特征㊂当最大压痕载荷为10mN时,曲线表现出良好的连续性;将最大压痕载荷增加到30mN,卸载曲线在压痕深度为200mN附近产生微小波动;而在最大压痕载荷为50mN时,卸载曲线部分出现了明显的 pop-out 现象,该现象发生在压痕深度为330nm左右㊂对比三种不同载荷下压痕的载荷-位移曲线,10mN载荷材料完全处于弹塑性变形阶段,增加到30mN后可能超出材料脆塑转变的临界点,而50mN载荷下材料发生脆性断裂,即单晶硅脆塑转变的临界载荷在10~50mN,且略小于30mN㊂卸载结束后,三次压痕实验的卸载曲线均没有回到原点,说明都产生了不可逆的塑性变形㊂卸载终点与原点间的距离被称为压痕残余深度,并且随着载荷的增加,产生塑性变形的原子更多,残余深度也更大㊂由图3可以观察到,10㊁30和50mN载荷下的残余深度分㊀第9期崔㊀杰等:基于纳米压痕与纳米划痕实验的单晶硅超精密切削特性研究1655㊀别为79㊁158和226nm㊂使用上一节中的Oliver-Pharr 模型结合本次实验数据,计算得到实验单晶硅样片的纳米硬度为11.17GPa,弹性模量为150.51GPa,与葛梦然等[24]论文中的实测纳米硬度值(12.22GPa)和弹性模量值(173.09GPa)相差不大,误差率分别为8.59%和12.98%㊂因此,纳米压痕结果在预测单晶硅等脆硬性材料的纳米硬度和弹性模量时具有一定指导意义㊂图3㊀10(a)㊁30(b)与50mN(c)载荷下纳米压痕实验的载荷-位移曲线Fig.3㊀Load-displacement curves of nanoindentation experiments under 10(a),30(b)and 50mN (b)loads 图4㊀变载荷纳米划痕实验的划入深度-划痕长度曲线Fig.4㊀Scratch depth-scratch length curve for variable load nano scratch experiment 2.2㊀单晶硅变载荷纳米划痕实验图4是单晶硅变载荷纳米划痕实验的划入深度-划痕长度曲线㊂从图中可以看出:Ⅰ阶段曲线较为平缓,此时材料去除方式为塑性去除,压头施加的载荷较小,划入深度较浅,划入深度平稳增加但不超过临界深度;Ⅰ阶段与Ⅱ阶段交界处曲线出现了小幅波动,表明此时材料处于由塑性去除转为脆性去除的临界状态,该临界状态称为材料的脆塑转变点;进入Ⅱ阶段后曲线起伏波动不断增加,此时去除方式为完全的脆性去除,划入深度超过临界深度,样品表面被破坏,开始有裂纹出现㊂观察图4可以得出Ⅰ阶段载荷为0~27mN,Ⅱ阶段载荷为27~100mN㊂因此得到单晶硅<100>晶面的脆塑转变临界法向载荷为27mN,对应的临界深度为392nm㊂2.3㊀单晶硅恒载荷纳米划痕实验变载荷划痕实验中,每个载荷的作用时间都较短,为避免载荷速率变化对刻划的影响,本文又设计了恒载荷划痕实验㊂图5分别是在5㊁10㊁20mN 载荷下刻划深度以及刻划结束后划痕槽深度相对于划痕长度的曲线㊂对比三种不同载荷下的曲线图可以发现,随着载荷增加,刻划深度以及划痕槽深度都在不断加深,曲线的波动也越大㊂刻划深度与划痕槽深度之间的距离可以定义为划痕弹性回复,实际加工中弹性回复对零1656㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷件的加工精度和加工效率有重要影响㊂弹性回复深度与刻划深度的比值定义为弹性回复率,经计算本实验中5㊁10㊁20mN 载荷下的平均弹性回复率分别为88.1%㊁64.6%㊁51.2%㊂载荷为5mN 时压头划入深度很浅,弹性变形在刻划过程中占主导地位,仅有较少的塑性变形产生,因此弹性回复率相对较大㊂随着载荷增加,塑性变形起到越来越重要的作用,弹性回复率逐步降低㊂图5㊀5(a)㊁10(b)和20mN(c)载荷下划痕深度及划痕槽深度相对于划痕长度的曲线Fig.5㊀Curves of scratching press in depth and scratch groove depth relative to the scratch length under 5(a),10(b)and 20mN (c)loads 图6为塑性域内三种恒力刻划下切削力㊁摩擦系数与划痕长度间的关系曲线㊂从图中可以看出,切削力随着载荷的增加而增加,5㊁10㊁20mN 载荷下对应的平均切削力分别为0.362㊁1.444㊁2.439mN,这是因为载荷越大,刻划深度越深,在针尖前方堆积的材料越多,阻碍了针尖的运动从而导致切削力增加㊂而摩擦系数随着载荷增加先增加,后有微小回落,三种不同载荷下平均摩擦系数分别为0.0724㊁0.1444和0.1220㊂这是因为载荷为5mN 时刻划深度非常浅,材料主要发生弹性变形,此时压头对材料的挤压和耕犁作用会间歇性取代切削作用,因此摩擦系数较小;随着载荷大小增加到10mN 切削深度增加,压头对材料转为连续切削,已加工表面的弹性变形回复会对压头后方产生挤压,压头需要同时克服材料弹性回复和塑性变形,导致摩擦系数增大;当施加载荷为20mN,此时已接近单晶硅脆塑转变的临界载荷,弹性变形减小,材料几乎全部以产生带状切屑的塑性方式去除,此时摩擦系数相较于10mN 略有下降㊂图7(a)~(e)是在低真空环境下加工后的单晶硅的SEM 照片㊂施加载荷在5㊁10㊁20mN 时为塑性域内刻划,如图7(a)~(c)所示,此时样品表面去除方式为塑性去除,去除表面质量较好,没有崩碎颗粒出现㊂另以一条100mN 载荷下的划痕作为对比(见图7(d)),此时施加载荷已经超过了脆塑转变的临界载荷,观察放大后的裂纹细节图(见图7(e))可以发现,材料去除方式为完全的脆性去除,去除表面有大量侧向裂纹出现㊂㊀第9期崔㊀杰等:基于纳米压痕与纳米划痕实验的单晶硅超精密切削特性研究1657㊀图6㊀不同载荷下切削力(a)㊁摩擦系数(b)相对于划痕长度的关系曲线Fig.6㊀Curves of cutting force (a)and friction coefficient (b)relative to scratch length under differentloads 图7㊀不同载荷下划痕表面形貌的SEM 照片Fig.7㊀SEM images of scratched surface under different loads 3㊀纳米划痕实验在金刚石磨粒线锯切割单晶硅领域的应用磨粒线锯切割是一种极具发展潜力的超精密加工方式,广泛应用于蓝宝石㊁SiC 等晶体的切片,并逐步用于芯片制造行业的单晶硅切片加工㊂线锯加工的刀具通常采用嵌有金刚石磨粒的锯丝,柔性锯丝易发生磨损,降低了加工效率和加工精度,且制备和更换成本较高㊂同时,单晶硅材料的切削特性也会影响其切片表面质量㊂研究发现[25],合理选择线锯工艺参数对减小锯丝磨损,提高单晶硅切片表面质量有重要影响㊂本文纳米划痕实验所用压头为金刚石Berkovich 压头,几何形状呈正三角金字塔形,尖端为球形冠,中心线与面的角度为65.3ʎ,中心线与脊的角度为77ʎ,脊与脊的角度为115ʎ㊂大部分线锯金刚石磨粒的尖端也是三角形金字塔状,中心线-面磨料尖的平均角度为66ʎ,中心线-脊角度为76ʎ,脊-脊角度为112ʎ[26],与Berkovich 压头参数极为相似㊂可见本文开展的纳米划痕实验,可以比较好地模拟线锯切割单晶硅的实际加工过程,得到的单晶硅超精密切削特性对线锯加工单晶硅参数的选取也具有一定的参考价值㊂图8(a)是金刚石线锯切割单晶硅的过程图,图中工件以一定的速度做进给运动,而金刚石锯丝则垂直于工件进给方向做往复切割运动获得成品单晶硅片㊂纳米划痕实验中的金刚石压头半径可用来模拟金刚石1658㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷锯丝表面磨粒半径;切片加工时需对锯丝施加张力产生切割作用,该张力可对应划痕实验中压头所加载荷;工件相对锯丝的进给运动对应压头相对实验样件的进给运动,从而产生切削力切割工件㊂切割的截面图如图8(b)所示,实际对工件产生切割作用的并非锯丝本身,而是锯丝上的金刚石磨粒㊂由变载荷纳米划痕实验结论可知,单晶硅脆塑转变的临界载荷为27mN,临界深度为392nm,因此可通过控制锯丝张力㊁弓角以及选择半径不超过临界深度的磨粒在塑性域内切割材料,得到表面光滑平整且无裂纹的单晶硅切片㊂图8㊀金刚石线锯切割单晶硅示意图Fig.8㊀Schematic diagram of diamond wire saw cutting single silicon4㊀结㊀㊀论1)通过纳米压痕实验分析单晶硅压痕变形机理,对材料施加载荷为30mN时,卸载曲线不再连续并产生微小波动,推测单晶硅脆塑转变的临界载荷略小于30mN;载荷为50mN时,卸载曲线在330nm压痕深度附近发生 pop-out 现象,说明单晶硅在由高密度向低密度卸载时有突然的体积变化,推测50mN载荷下单晶硅产生显著脆性断裂变形;根据三次压痕结果计算得到单晶硅的纳米硬度和弹性模量,与实测值的误差率分别为8.59%和12.98%,验证了压痕结果数据的准确性㊂2)由变载荷纳米划痕实验分析单晶硅的脆塑转变机理,材料去除分为弹塑性去除和脆性去除两个阶段,实验得出脆塑转变的临界载荷为27mN,对应的临界深度为392nm,验证了压痕实验中的结论㊂因此在超精密加工领域切削单晶硅时,施加载荷应尽量选择在27mN以内,易得到光滑平整的加工表面㊂3)通过恒载荷纳米划痕实验分析切削力㊁摩擦系数㊁弹性回复等切削参数,发现在塑性域内压头所受的切削力随着载荷的增加而增加,且载荷越大切削力的波动范围也越大㊂摩擦系数则是随着载荷增加先增加后又微小回落㊂划痕结束后材料表面会因为弹性变形恢复部分深度,且不同载荷下弹性回复率有较大差异,因此在加工时不仅要考虑载荷大小的选择,也要注意弹性回复对实际加工的影响㊂4)对比发现本文实验所用Berkovich金刚石压头形貌与线锯切割单晶硅金刚石磨粒形貌非常相似,因此本文实验结果可用于模拟金刚石磨粒线锯切割单晶硅的加工过程,对加工参数选取具有一定参考价值㊂参考文献[1]㊀GAO S,HUANG H.Recent advances in micro-and nano-machining technologies[J].Frontiers of Mechanical Engineering,2017,12(1):18-32.[2]㊀YANG L L,WEI J T,MA Z,et al.The fabrication of micro/nano structures by laser machining[J].Nanomaterials,2019,9(12):1789.[3]㊀FANG F Z,XU F F.Recent advances in micro/nano-cutting:effect of tool edge and material properties[J].Nanomanufacturing and 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