激光原位輔助車削單晶鍺的表面質(zhì)量試驗研究

李洪達，石廣豐，張景然，李亮，孟巳崴，鄒春陽

長春理工大學(xué)金剛石工具技術(shù)聯(lián)合研究中心；長春理工大學(xué)重慶研究院

1 引言

單晶鍺是一種重要的光學(xué)晶體材料，也是一種典型的硬脆材料，用單點金剛石車削后，材料表面會顯示出類似花瓣的優(yōu)劣交叉表面[1，2]，這是因為單晶鍺具有各向異性，因而不同晶面和晶向具有不同的臨界切削深度，而采用相同的切削深度將導(dǎo)致脆性切削區(qū)域與韌性切削區(qū)域交替出現(xiàn)。在加工單晶鍺過程中，其表面容易形成裂紋和凹坑，所以需選取較小的進給量，但會降低加工效率。因此在保證加工表面質(zhì)量的前提下，高效加工單晶鍺是值得研究的問題。

激光原位輔助加工技術(shù)的原理是使激光束通過高透光率的金剛石刀具直接輻照在被加工工件的加工區(qū)域，瞬時軟化被加工材料，提高材料延性且降低材料脆性。相較于離位激光輔助加工，激光原位輔助加工技術(shù)具有以下優(yōu)勢[3]：激光束不會受到切屑流和冷卻液流干涉影響；高效利用激光能量可集中對工件加工區(qū)域局部加熱，使周圍材料區(qū)域的熱能輸入減為最小，因此在達到加工所需溫度時工件和刀具系統(tǒng)承受最小的熱負荷；激光系統(tǒng)可以很好地與刀具、刀架和機床系統(tǒng)集成。You Kaiyuan等[4]提出采用激光原位輔助車削工藝加工碳化鎢(WC)材料，研究表明，刀具前角和激光功率是影響表面粗糙度的主要因素。Chen Xiao等[5]通過超精密切削試驗和分子動力學(xué)模擬，分析了硅高壓的相變歷程，得出了激光加熱可以增強晶體材料位錯活性的結(jié)論。激光輔助加工已經(jīng)和切削[6]、銑削[7]、拋光[8]、鉆削[9]及刻劃[10]等多種傳統(tǒng)加工形成復(fù)合工藝。Bi Jiaolong等[11]利用有限元分析方法對超精密車削單晶鍺加工過程進行了建模與試驗。Xiao Mingqiang等[12]自主創(chuàng)新設(shè)計了一種原位輔助激光入射面與金剛石刀具前刀面平行的刀具，并建立了原位輔助激光與金剛石傳輸?shù)挠邢拊Ｐ瓦M行熱力耦合分析[13]。由此可見，激光輔助技術(shù)在超精密加工領(lǐng)域已成為新的研究熱點。

基于上述研究，通過對單晶鍺(111)晶面進行激光原位輔助單點金剛石車削試驗和常規(guī)單點金剛石車削試驗。在兩種加工方式下，對工件的表面粗糙度、位錯密度及殘余應(yīng)力進行檢測和分析，驗證了相較于常規(guī)單點金剛石車削加工，激光輔助單點金剛石車削工件的表面質(zhì)量有了明顯提升。

2 試驗方法與材料設(shè)備

為了進一步提高脆性材料的韌性，將傳統(tǒng)單點金剛石切削與激光輔助技術(shù)相結(jié)合，加工原理如圖1所示，一束激光通過光學(xué)透明的金剛石刀具，精確聚焦在刀—工界面，被加工材料在金剛石刀具誘導(dǎo)的高壓下更易吸收激光，光能轉(zhuǎn)變成熱能后達到材料的最佳軟化溫度。

圖1 激光原位輔助切削原理

車削試驗評估參數(shù)包括加工參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、進給量、切削深度及切削液)、光學(xué)參數(shù)(激光功率及激光光斑半徑大小)和刀具類型(單晶、多晶)等。受試驗條件限制，試驗中使用的加工參數(shù)見表1。

表1 加工參數(shù)

單晶鍺(111)晶面是重要的光學(xué)功能表面，也是解理面，在切削過程中容易發(fā)生解理破壞導(dǎo)致切削失敗，試驗選用直徑為40mm的單晶鍺(111)晶面進行車削加工，金剛石刀具參數(shù)如下：刀尖圓弧半徑1.15mm，刀具前角-25°，刀具后角10°。采用高斯光束輪廓和最小直徑約為10μm、波長λ為1064nm、最大功率Pmax為30W的紅外脈沖激光器。

在CA6136數(shù)控車床上進行試驗，數(shù)控車床安裝有與光束傳輸單元兼容的刀架(見圖2)，通過紅外數(shù)碼微型顯微鏡實時觀察加工過程(見圖3)。

圖3 激光原位輔助車削單晶鍺加工過程

3 試驗結(jié)果分析

激光加熱降低了材料的脆性，避免了加工區(qū)域材料的脆性斷裂。未加工鍺表面的光學(xué)顯微圖像如圖4a所示，圖4b為常規(guī)車削加工的工件表面形貌?？芍M管塑性切削的進給量較小，但在切削過程中仍然造成了許多缺陷；圖4c為激光原位加熱輔助切削下的工件表面形貌，可以明顯看出工件具有良好的表面質(zhì)量。

(a)未加工表面

3.1 激光功率對表面粗糙度的影響

采用WYKO NT1100光柵粗糙度測量儀測量單晶鍺工件的初始表面粗糙度為565nm。同時，利用光學(xué)顯微鏡對加工后的工件表面進行觀察，檢測是否發(fā)生脆性斷裂或者微裂紋。

用WYKO NT1100光柵粗糙度測量儀對常規(guī)加工和激光加熱輔助加工兩種方式加工后的工件進行檢測。經(jīng)過反復(fù)試驗，優(yōu)選出兩種加工方式的加工參數(shù)均為切削深度5μm，進給量5μm/r，激光光斑半徑0.2mm。試驗結(jié)果如圖5和圖6所示，單點金剛石常規(guī)車削加工后工件的表面粗糙度為193.3 nm，而在激光功率為20W時，其他參數(shù)不變的情況下，激光加熱輔助單點金剛石車削后的工件表面粗糙度為36.1nm。可以看出，由于激光熱效應(yīng)的存在，激光輔助加工后的工件表面粗糙度已經(jīng)顯著降低，獲得了更好的表面質(zhì)量。

(a)室溫車削晶體鍺表面

(a)兩種加工方式

激光輔助加工需嚴(yán)格選擇激光功率，這是因為精密加工的進給量很低(1μm/r)，若對激光功率選擇不當(dāng)，極有可能因為過熱而對工件表面造成損傷。在這種情況下，由于連續(xù)切削且光束直徑遠大于進給量，因此累計的熱量會導(dǎo)致工件局部溫度過高并超過最佳熱軟化溫度，從單晶鍺的物理化學(xué)特征、再結(jié)晶角度以及其他因素綜合考慮得出最佳熱軟化溫度為350℃～450℃，較低范疇的過熱會導(dǎo)致材料軟化并流向刀口的一側(cè)堆積起來，較高范疇的過熱會引起材料表面燒蝕，甚至?xí)鹌渌臒嵝?yīng)(如熱裂紋)，這將導(dǎo)致工件表面粗糙度增大。通過分析后，選用進給量為1μm/r，切削深度為5μm，激光光斑半徑為0.2mm，激光功率分別選取20W和30W進行激光原位輔助單點金剛石車削試驗。如圖6b所示，在激光功率為20W時，工件表面粗糙度為Ra17.5nm，而在激光功率為30W時，工件表面粗糙度增至Ra20.2nm，表面粗糙度數(shù)值上升，表明如果激光功率選擇不當(dāng)會導(dǎo)致加熱輔助溫度過高，進而降低表面質(zhì)量。

3.2 刀具角度對表面粗糙度的影響

刀具前角的大小也對表面粗糙度起著至關(guān)重要的作用。較大刀具負前角會產(chǎn)生較大的壓力，而加工陶瓷、半導(dǎo)體等硬脆材料實現(xiàn)高壓相變需較大的壓力，因此選擇合適的刀具前角是獲得最佳表面粗糙度的必要條件。單晶鍺一般可承受高壓力，但其斷裂韌性較低，抗拉能力較小，并且過大的刀具負前角會導(dǎo)致刀—工表面摩擦增大，加劇刀具磨損，甚至導(dǎo)致更差的表面粗糙度。

如圖7所示，在切削深度為5μm、進給量為1μm/r、刀具前角為-25°加工參數(shù)下，激光輔助單點金剛石車削后的工件表面粗糙度為Ra17.5nm。在其他加工參數(shù)不變的情況下，改變刀具前角為-45°，工件表面粗糙度達到了Ra26.8nm。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是前角刀具為-25°時，可以更好地去除材料，相對較鋒利。

圖7 刀具前角對工件表面粗糙度的影響

3.3 位錯密度

由于車削力的作用，加工面的表層會產(chǎn)生位錯，而位錯的存在同樣影響單晶鍺加工表面性能，因此也需要對加工后產(chǎn)生的位錯程度進行檢測?？赏ㄟ^X射線搖擺曲線檢測工件表面，而搖擺曲線的半峰寬可用來表征位錯密度[14]。

位錯密度與搖擺曲線的半峰寬度的關(guān)系為

(1)

從上式可以看出，位錯密度的大小與搖擺曲線半峰寬成正比，因此可以通過半峰寬間接反映位錯密度。

通過帕納科銳影X射線衍射儀分別對不同參數(shù)下加工工件表面進行檢測，結(jié)果見圖8所示，其右上角的數(shù)值自下而上分別為激光功率為0W，20W，30W所對應(yīng)的搖擺曲線半峰寬數(shù)值。半峰寬數(shù)值由58.9043降至43.2567，降低了26.6%。由此可見，常溫切削下，單晶鍺表面位錯密度較大，而采用激光原位輔助的加工方式可明顯降低位錯密度；激光功率越大，位錯密度越小。這是因為激光對材料進行了熱軟化，降低了材料的脆性，使材料的切削過程由脆性斷裂主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃巍?/p>

圖8 搖擺曲線檢測結(jié)果

3.4 殘余應(yīng)力

利用帕納科銳影X射線衍射儀的應(yīng)力分析模塊對工件的殘余應(yīng)力進行分析，通過晶面間距的變化程度來反映殘余應(yīng)力的大小[1]，當(dāng)存在拉應(yīng)力時，晶面的間距被拉大，導(dǎo)致衍射峰向低角度偏移。測量方法為在工件表面選取一點，以該點為中心，以水平方向為旋轉(zhuǎn)軸將樣品臺旋轉(zhuǎn)6次，分別對每次旋轉(zhuǎn)后的點進行測量，結(jié)果如表2所示。

表2 晶面間距變化程度測量結(jié)果

由圖6可知，采用激光原位輔助加工可以很大程度降低工件表面粗糙度和減小表面缺陷。但通過表2可得，常規(guī)加工的工件晶面變化百分比為4.213%，而激光輔助加工工件的晶面間距變化百分比為6.631%?？梢钥闯觯骈g距變化百分比增大，進而反映出殘余應(yīng)力變大。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是激光加熱升溫速率較高，但工件傳熱速率稍慢，因此造成熱應(yīng)力較大。由于殘余應(yīng)力增大幅度不大，對工件表面質(zhì)量影響較小，屬于可接受范圍。

4 結(jié)語

采用激光加熱技術(shù)和傳統(tǒng)單點金剛石車削加工相結(jié)合的激光原位輔助車削方法加工了單晶鍺(111)晶面，成功降低了工件表面粗糙度和位錯密度。表面粗糙度Ra從193.3nm降至17.5nm；位錯密度通過半峰寬數(shù)值表征，半峰寬數(shù)值由58.9043降至43.2567，降低了26.6%，可有效降低位錯密度；由于激光熱效應(yīng)的存在，通過晶面間距變化的百分比上升間接反映出工件的殘余應(yīng)力上升；同時針對激光過熱和刀具負前角的選擇給出了建議，即不宜過熱、負前角不宜過大，在激光輔助加工過程中二者對工件表面粗糙度均產(chǎn)生較大的影響；本工藝的優(yōu)點還在于激光軟化不受切削液和切屑影響，且不需要預(yù)熱，可以更好、更高效地去除材料。