微細(xì)塑性銑削單晶硅實驗研究

程 祥，高 斌，楊先海，劉軍營，田忠強(qiáng)

（1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255091；2.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035）

單晶硅幾乎是完美的虎克材料，具有優(yōu)越的材料性能，理論上當(dāng)它伸縮時沒有遲滯現(xiàn)象，幾乎沒有能量耗散，在疲勞載荷下具有非常高的穩(wěn)定性，而且成本低廉，從日常生活、航空、航天到軍事裝備中的應(yīng)用越來越廣泛.其中一個典型的應(yīng)用是作為MEMS的結(jié)構(gòu)材料［1］.在MEMS結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常包含微細(xì)復(fù)雜特征，這些特征具有非常高的三維形狀及表面精度要求.對于這些高精度、具有三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微細(xì)特征，單純用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)、特種微細(xì)加工手段以及利用X射線的光刻技術(shù)等進(jìn)行加工制造，具有非常大的難度或者不可能實現(xiàn).微細(xì)銑削加工由于具有能高效率、高精度地加工各種材料三維復(fù)雜幾何特征的能力，成為制造這些單晶硅上三維復(fù)雜高精度特征的研究熱點［2］.

目前對于類似單晶硅的硬脆材料的機(jī)械微細(xì)加工大多是通過微細(xì)車削或者微細(xì)磨削進(jìn)行的［3－5］，它們的切削狀態(tài)與微細(xì)銑削有著很大的區(qū)別，雖然通過機(jī)械微細(xì)加工對單晶硅進(jìn)行切削研究的目標(biāo)相同，即實現(xiàn)塑性（ductile－mode，或稱延性域）切削［6－7］，但是，許多研究成果難于直接應(yīng)用到微細(xì)銑削中來.

考慮到微細(xì)銑削FEM仿真、數(shù)學(xué)建模及MD建模的復(fù)雜性和一些關(guān)鍵參數(shù)的不確定性［8］，本文運用微細(xì)銑削對單晶硅材料＜100＞展開實驗研究.首先在固定切削參數(shù)的前提下，通過施加不同狀態(tài)的切削液，改變切削的環(huán)境來研究切削環(huán)境對于微細(xì)銑削的影響；其次，在給定的切削環(huán)境中，設(shè)置不同的切削參數(shù)，識別出能夠?qū)崿F(xiàn)塑性微細(xì)切削的參數(shù)質(zhì)量.

1 實驗設(shè)計

本實驗所用機(jī)床有3個運動軸，均由直線電機(jī)驅(qū)動，運動分辨率均為0.1μm，主軸為NSK的ABS－800空氣渦輪驅(qū)動，所用軸承為空氣靜壓軸承，轉(zhuǎn)速n為80000r／min，徑向跳動和軸向竄動均在3μm以內(nèi)，所用銑刀直徑最小可達(dá)50μm，適合微細(xì)銑削加工.本實驗研究所用微細(xì)銑刀為超硬材料PCD（晶粒直徑為0.5μm）端銑刀，切削直徑為200μm，刃口半徑Rc為1.3μm.單晶硅＜100＞的剪切模量G為75.5GPa，彈性模量E為130GPa，泊松比μ為0.27，表面微觀硬度H為1150kg·mm－2，密度ρ為2.329g·cm－3，斷裂韌性Kc的取值沿晶面有差別，約為0.83～0.94MPa·m1／2.

為了對微細(xì)銑削環(huán)境和微細(xì)銑削參數(shù)進(jìn)行分析研究，實驗參數(shù)及環(huán)境的設(shè)置如下:

（1）切削關(guān)鍵參數(shù)計算

根據(jù)針對硬脆性材料塑性切削的研究［2］，可計算得到邊界切削深度dc，且

式中:Ψ是無量綱常數(shù)，約為0.15；硬度H和彈性模量E的單位均為Pa，斷裂韌性KC的單位是Pa·m1／2.

經(jīng)計算可得邊界切削深度dc為8.8328nm，dc在微細(xì)銑削過程中并非軸向切削深度，而是每齒每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量（mm／rev－tooth）.本實驗采用具有6個切削刃的PCD微細(xì)銑削刀具，因此可以換算出宏觀切削進(jìn)給量的臨界值f（mm／min）為

式中，N為所使用微細(xì)銑削刀具切削刃的數(shù)目.計算可得f為4.2mm／min.

對于軸向切削深度Ad，在對切削環(huán)境進(jìn)行實驗研究的過程中，采用保守經(jīng)驗值0.1μm.為提高切削效率，Ad的取值以0.1μm為間隔逐漸增大到1μm查看所加工表面粗糙度.

（2）切削環(huán)境設(shè)置

宏觀上講，隨著切削參數(shù)的減小，切削力也是單調(diào)降低的，但是當(dāng)切削參數(shù)減小到一定數(shù)值，在微細(xì)切削領(lǐng)域，切削力不是單調(diào)降低，而是升高，尤其是對于微細(xì)銑削中的斷續(xù)切削，刀具切削刃在進(jìn)入下一個切削循環(huán)時對于工件材料的沖擊力增大，切削刃在切削過程中與工件材料的摩擦力增大.這些因素都有可能使得理論上能夠達(dá)到塑性切削的加工過程不能得到實現(xiàn).因此針對無切削液（干切削）、霧狀切削液及澆注切削液3種狀況進(jìn)行實驗.

（3）切削前角計算

研究表明，刀具前角對于實現(xiàn)塑性切削硬脆性材料起著關(guān)鍵性作用.根據(jù)所采用刃口半徑及徑向切削深度dc，可以計算出切削時的實際切削前角

在銑削過程中，切削深度dc是從0到最大值再到0的一個變化值，最大值可以根據(jù)所采用的進(jìn)給量f等切削參數(shù)由式（2）計算得出.因此，實際切削前角為－90°到中間值再到－90°的一個均勻變化過程.根據(jù)式（3），計算得到中間的實際切削前角為－83.33°.結(jié)果表明，實驗過程中實際的刀具切削前角均為負(fù)值，有利于實現(xiàn)塑性切削.

2 微細(xì)銑削環(huán)境影響分析

實驗中所采用的切削液主要成分是煤油（80%）、聚異丁烯（15%）和硫酸烯（2%），該種切削液具有非常好的切削潤滑和散熱作用.運用上述給定切削參數(shù)，得到的3種切削狀態(tài)環(huán)境下SEM圖及對應(yīng)的表面粗糙度圖如圖1所示.

由圖1可看出，無切削液時，大部分面積沒有實現(xiàn)塑性切削，材料大部分以破碎的方式去除，表面粗糙度較大，Ry在微米級，Ra在亞微米級；在油霧切削液環(huán)境下，材料能夠以塑性切削的狀態(tài)去除，表面沒有明顯的凹坑和破碎，表面粗糙度較好，Ry在亞微米級，Ra小于亞微米級；在澆注式切削液下，材料完全以塑性狀態(tài)去除，表面粗糙度最好，Ry在納米級，Ra可以達(dá)到單納米級.

由實驗結(jié)果可知，微細(xì)銑削硬脆材料時，切削液的狀態(tài)對于塑性切削的實現(xiàn)起著非常重要的作用，其作用機(jī)理主要是由于切削液的潤滑作用使得在塑性切削的狀況下切屑與切削刃鈍圓表面、已加工表面與切削刃鈍圓表面之間的摩擦顯著降低，因此切削力下降，表面粗糙度下降.定量和深入地揭示其潤滑機(jī)理有待于進(jìn)一步的研究.

圖1 3種切削環(huán)境SEM結(jié)果及表面粗糙度圖

3 微細(xì)銑削參數(shù)研究

微細(xì)銑削環(huán)境影響實驗中軸向切削深度Ad值選用較為保守，以期突出分析微細(xì)銑削硬脆材料中的主要矛盾.在保證表面粗糙度要求的前提下，即在實現(xiàn)塑性切削的前提下，切削速度和f保持不變，微細(xì)銑削環(huán)境為澆注式切削液，為了實現(xiàn)較高的切削效率，Ad由小到大進(jìn)行實驗研究，其值以0.1μm為間隔逐漸增大到1μm，得到的加工表面粗糙度值如圖2所示.

由圖2可知，軸向切深A(yù)d在0.4μm以內(nèi)變化時，雖然表面粗糙度也呈單調(diào)遞增的趨勢，但是對其變化影響不大.但是在Ad大于0.4μm以后，表面粗糙度隨著Ad值單調(diào)遞增，而且增大趨勢變快.因此，為了得到較好的表面質(zhì)量，Ad取值較小為好，在本工藝系統(tǒng)下，取0.1μm最佳，為了提高加工效率，在粗加工時適當(dāng)增大Ad值，同時要保證因非塑性材料去除所產(chǎn)生的表面不會對所需最終表面造成不可逆轉(zhuǎn)的影響.另外在考慮具體的表面粗糙度要求的前提下，可以適當(dāng)增加Ad值.表面粗糙度隨著Ad增大超過0.4μm而劇增的原因應(yīng)該是材料的切除由塑性切削到開始出現(xiàn)局部少量破碎性切削、再到大面積出現(xiàn)破碎性切削引起的，因此，軸向切深A(yù)d在微細(xì)銑削硬脆性材料時的影響也應(yīng)該考慮到工藝參數(shù)的設(shè)定中.

圖2 不同Ad值下的表面粗糙度

4 結(jié)束語

塑性微細(xì)銑削加工是實現(xiàn)如單晶硅等硬脆性材料高精度三維特征機(jī)械式加工的一種關(guān)鍵加工技術(shù).實驗證明，正確的切削液供給方式與合適的切削參數(shù)選擇是實現(xiàn)塑性微細(xì)加工硬脆性材料的前提條件，上述結(jié)論為進(jìn)一步的塑性切削機(jī)理研究提供了一定的實踐基礎(chǔ).對切削液在硬脆材料的塑性切削實現(xiàn)過程進(jìn)行的建模與仿真研究，揭示了其內(nèi)在的作用機(jī)理.

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