激光輔助車(chē)削工藝參數(shù)對(duì)單晶硅表面質(zhì)量的影響

郭彥軍 楊曉京 姚 同 康 杰 李茂忠

（1 昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500）

（2 云南北方光學(xué)科技有限公司，昆明 650217）

文 摘 為了提高單晶硅激光輔助車(chē)削加工表面質(zhì)量，通過(guò)開(kāi)展激光輔助和常規(guī)車(chē)削加工試驗(yàn)，結(jié)合表面粗糙度、表面形貌及拉曼光譜檢測(cè)，研究激光輔助車(chē)削技術(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響?；谡辉囼?yàn)方法，研究單晶硅激光輔助車(chē)削工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響；通過(guò)方差分析和極差分析評(píng)估各因素對(duì)表面粗糙度的影響。研究結(jié)果表明：與常規(guī)車(chē)削相比，激光輔助車(chē)削可有效提高加工表面質(zhì)量，降低材料表面的殘余應(yīng)力。主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度和脈沖占空比對(duì)表面粗糙度的貢獻(xiàn)率分別為17.51%、44.48%、6.69%和14.70%。確定最佳加工參數(shù)組合如下：主軸速度為4 000 r/min，進(jìn)給速度為2 mm/min，切削深度為5 μm，脈沖占空比為30%，最終獲得表面粗糙度Rq為2.4 nm的高質(zhì)量表面。

0 引言

單晶硅因其優(yōu)異的光學(xué)性能和機(jī)械性能而被廣泛應(yīng)用于紅外光學(xué)系統(tǒng)，例如透鏡、棱鏡、窗口和濾光片等［1-3］。然而，由于其具有高硬度、脆性和低斷裂韌性等特點(diǎn)，單晶硅是一種典型的難加工材料［4］。F.Z.FANG 等［5-6］指出在延性切削模式下，單點(diǎn)金剛石車(chē)削可用于將單晶硅加工成具有復(fù)雜形狀的光學(xué)表面，但為獲得理想的表面質(zhì)量，需要適當(dāng)?shù)募庸?shù)。只有當(dāng)未變形切屑厚度低于約100～500 nm的臨界延-脆轉(zhuǎn)變（DBT）深度時(shí)，才能進(jìn)行這種延性切削過(guò)程［7］。SHARIF 等［8］發(fā)現(xiàn)，金剛石刀具在加工單晶硅時(shí)會(huì)遭受?chē)?yán)重磨損，從而導(dǎo)致已加工表面質(zhì)量和加工效率的降低。

激光輔助車(chē)削通過(guò)外部熱源在刀具前端對(duì)單晶硅材料局部進(jìn)行加熱并使材料軟化，可實(shí)現(xiàn)具有高表面質(zhì)量和低刀具磨損的切削工藝［9］。因此，激光輔助車(chē)削技術(shù)越來(lái)越多地被用于解決諸如單晶硅、硒化鋅等難切削材料的加工問(wèn)題。H.MOHAMMADI等［10］開(kāi)發(fā)了一種激光輔助車(chē)削（μ-LAM）方法并成功應(yīng)用于單晶硅加工，激光輻照引起的熱軟化可確保加工后的低表面粗糙度，同時(shí)延長(zhǎng)了刀具壽命。X.CHEN等［11］開(kāi)展了單晶硅的激光輔助錐度切削試驗(yàn)，當(dāng)激光輻照功率為20 W 時(shí)，臨界延-脆轉(zhuǎn)變深度從150 nm（無(wú)激光條件）增加到395 nm，并且在加工表面的刀具-工件接觸區(qū)域檢測(cè)到高壓相變。D.RAVINDRA 等［12-13］研究了激光輔助車(chē)削加工工藝參數(shù)對(duì)單晶硅殘余應(yīng)力和相純度的影響，在適當(dāng)條件下，單晶硅已加工表面顯示出較低殘余應(yīng)力、較高的相對(duì)相純度和相對(duì)結(jié)晶度。H.F.DAI 等［14］開(kāi)展了單晶硅材料的激光輔助車(chē)削和普通車(chē)削的分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究結(jié)果表明激光輔助車(chē)削條件下的材料去除率、切削力和結(jié)晶度方面有所改善。H.MOHAMMADI 等［9-10］研究了激光和切削參數(shù)對(duì)單晶硅切削的影響，結(jié)果表明適當(dāng)?shù)募す夂颓邢鲄?shù)有利于減少刀具磨損并改善表面質(zhì)量。

盡管研究者針對(duì)單晶硅激光輔助車(chē)削機(jī)理及工藝開(kāi)展了一系列工作，但很少有研究對(duì)單晶硅激光輔助車(chē)削的最佳工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，這對(duì)于激光輔助車(chē)削工藝的推廣十分必要。因此，本文通過(guò)開(kāi)展激光輔助和常規(guī)車(chē)削加工試驗(yàn)，結(jié)合表面粗糙度、表面形貌及拉曼光譜檢測(cè)，研究?jī)煞N車(chē)削技術(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響。基于正交試驗(yàn)方法，研究單晶硅激光輔助車(chē)削工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響。通過(guò)方差分析和極差分析評(píng)估各因素對(duì)表面粗糙度的影響，擬得到最佳加工參數(shù)組合。

1 實(shí)驗(yàn)

采用的單晶硅（100）通過(guò)直拉法制備，樣品尺寸為Φ25.4 mm×3.5 mm，使用前通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光法處理，表面粗糙度均方根值（Rq）低于1 nm。在單點(diǎn)金剛石車(chē)床（Innolite Gmbh，IL300）上搭載ILPAC 激光系統(tǒng)，激光束波長(zhǎng)為1 064 nm，光斑直徑為0.15～0.3 mm。共選用兩把金剛石刀具，刀具參數(shù)如表1所示。

使用輪廓儀（Taylor Hobson，PGI dimension XL）測(cè)量每次加工后的表面粗糙度Rq值，取多次測(cè)量的平均值作為Rq有效值。利用鎢絲燈掃描電子顯微鏡（TESCAN，VEGA-3SBH）和共焦顯微拉曼光譜儀（Renishaw inVia）對(duì)已加工表面進(jìn)行檢測(cè)。光譜儀激光功率為10 mW，波長(zhǎng)為532 nm，能夠測(cè)量到單晶硅表層厚度為350 nm 的相位及殘余應(yīng)力信息，測(cè)量分辨率為1.8 cm-1，結(jié)合光譜擬合方法即可得到拉曼峰信息。

單晶硅激光輔助車(chē)削加工特性受諸多因素影響，如切削參數(shù)和激光參數(shù)，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度是主要切削參數(shù)，而脈沖占空比是影響激光功率的主要因素，因此，這4 個(gè)因素被列為控制因素。激光功率固定為10 W，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖占空比進(jìn)行激光參數(shù)的控制，光斑直徑和激光-刀尖引導(dǎo)距離分別固定為0.3和0.5 mm。

首先開(kāi)展常規(guī)車(chē)削和激光輔助車(chē)削的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，刀具為T(mén)ool I，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2 所示，對(duì)加工表面粗糙度、表面微觀形貌、相位進(jìn)行檢測(cè)，以闡明激光輔助車(chē)削技術(shù)在單晶硅表面質(zhì)量提升方面的有效性。隨后，基于正交試驗(yàn)方法開(kāi)展單晶硅的激光輔助車(chē)削實(shí)驗(yàn)，采用了L1（644）標(biāo)準(zhǔn)正交表，刀具為T(mén)ool II，加工參數(shù)及水平設(shè)置如表3所示。

表2 常規(guī)車(chē)削和激光輔助車(chē)削對(duì)比實(shí)驗(yàn)的參數(shù)Tab.2 Test parameters for comparison of CT and LAT

表3 正交試驗(yàn)中的加工參數(shù)及水平Tab.3 Machining conditions and levels in orthogonal array

2 結(jié)果與分析

2.1 切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

在表2 所示常規(guī)車(chē)削和激光輔助車(chē)削的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，常規(guī)車(chē)削后的表面粗糙度值為6.3 nm，而激光輔助車(chē)削表面粗糙度值為2.7 nm。與常規(guī)車(chē)削相比，激光輔助車(chē)削后粗糙度降低了57.1%。兩種加工方式獲得的單晶硅加工表面形貌特征有所差異，通過(guò)肉眼可觀察到常規(guī)車(chē)削獲得的表面存在明顯的明暗相間現(xiàn)象。利用掃描電鏡對(duì)較暗區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在明顯車(chē)刀紋和凹坑，材料去除機(jī)理表現(xiàn)為脆性斷裂，如圖1（a）所示。出現(xiàn)明暗相間現(xiàn)象的是由于單晶硅材料的各向異性，不同晶向的DBT 深度存在差異。通過(guò)選擇最佳晶向進(jìn)行飛切加工、采取保守加工參數(shù)均可使整個(gè)加工表面的材料去除機(jī)理為延性去除。然而，飛切加工無(wú)法完全適應(yīng)單晶硅的光學(xué)加工，而選擇更低的進(jìn)給速度意味著加工效率的降低。利用激光輔助車(chē)削技術(shù)對(duì)單晶硅進(jìn)行加工能有效抑制裂紋出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)延性切削材料去除。在掃描電鏡下觀察到已加工表面整體十分光滑，僅有輕微車(chē)刀紋，無(wú)麻點(diǎn)凹坑，如圖1（b）所示，說(shuō)明激光輔助車(chē)削可有效提高表面質(zhì)量。

圖1 單晶硅已加工表面的微觀形貌Fig.1 Microscopy of machined surface of single crystal Si

2.2 拉曼光譜表征

單晶硅樣品的拉曼光譜如圖2 所示，位于520.507 cm-1處的峰值為單晶硅拉曼峰，將其與標(biāo)準(zhǔn)樣品的拉曼譜線進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)二者的譜線基本一致，均在300 cm-1附近出現(xiàn)非晶峰，650 cm-1附近出現(xiàn)TO（W）和TA（X）單晶硅拉曼峰。因此，以520.507 cm-1作為單晶硅的特征峰位。

圖2 實(shí)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)樣品的拉曼光譜Fig.2 Raman spectra of experimental and standard samples

圖3給出單晶硅加工前、常規(guī)車(chē)削以及激光輔助車(chē)削的拉曼光譜原始譜線?？梢钥闯?，加工后單晶硅表面的拉曼光譜630 和470 cm-1處微微隆起，這兩處為非晶硅的拉曼寬峰，300 cm-1處的非晶硅拉曼寬峰的峰強(qiáng)相比加工前有明顯降低，同時(shí)，在650 cm-1的TO（W）和TA（X）單晶硅拉曼峰也被淹沒(méi)。激光輔助車(chē)削和常規(guī)車(chē)削的拉曼譜線基本一致，不同的是常規(guī)車(chē)削拉曼光譜在300 和470 cm-1均出現(xiàn)微隆起，為非晶硅的拉曼寬峰，而激光輔助車(chē)削后的拉曼光譜僅300 cm-1附近出現(xiàn)非晶硅拉曼寬峰，在470 cm-1處未發(fā)現(xiàn)非晶硅特征峰。

圖3 單晶硅車(chē)削前后的拉曼光譜Fig.3 Raman spectra of single crystal Si before and after turning

通過(guò)Lorentz 分布函數(shù)擬合單晶硅拉曼峰，Gaussian分布函數(shù)擬合非晶硅拉曼峰，可得到單晶峰與非晶峰的峰位、半高寬以及峰值強(qiáng)度等信息。利用加工前后單晶硅拉曼峰的拉曼頻移可得到殘余應(yīng)力信息，當(dāng)殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，拉曼峰向高波數(shù)方向移動(dòng)；反之，當(dāng)殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，向低波數(shù)方向移動(dòng)。單晶硅激光輔助車(chē)削后拉曼光譜擬合結(jié)果見(jiàn)圖4，可知，激光輔助車(chē)削加工后單晶峰峰位在520.71 cm-1處，同理計(jì)算得到常規(guī)車(chē)削后單晶峰的峰位位于521.21 cm-1。因此，認(rèn)為無(wú)論是激光輔助車(chē)削還是常規(guī)車(chē)削，對(duì)材料表面造成的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且常規(guī)車(chē)削的殘余應(yīng)力要大于激光輔助車(chē)削。

圖4 激光輔助車(chē)削后工件表面拉曼光譜Fig.4 Raman spectra of machined surface under LAM

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 方差分析

正交表及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，以貢獻(xiàn)率作為指標(biāo)研究加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響的顯著性，如表5 所示?？梢杂^察到，主軸速度、進(jìn)給速度、切削深度和脈沖占空比的貢獻(xiàn)率分別為17.51%，44.48%，6.69%和14.70%。進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度起主要影響作用，進(jìn)給速度對(duì)單晶硅DBT 深度影響較大，較低的進(jìn)給速度有利于抑制裂紋，同時(shí)使材料表面更加充分地被激光輻照。增強(qiáng)了切削區(qū)域的軟化深度和程度。高強(qiáng)度的激光能量降低了刀具切削點(diǎn)之前材料硬度和強(qiáng)度，材料塑性增強(qiáng)。切削深度的貢獻(xiàn)率最低，這可能是由于脈沖激光輻照使材料內(nèi)部的溫度沿深度方向降低而導(dǎo)致預(yù)熱不足使材料無(wú)法被充分軟化。

表4 正交表及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Orthogonal table and experimental results

表5 表面粗糙度的方差分析Tab.5 Analysis of variance of surface roughness

2.3.2 極差分析

根據(jù)表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出與每個(gè)因素不同水平相對(duì)應(yīng)的平均表面粗糙度，如表6所示。各因素對(duì)加工后工件表面粗糙度影響的大小，按升序排列依次為切削深度ap、脈沖占空比P、主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度f(wàn)。因此，具有最低表面粗糙度值的最優(yōu)加工條件為：n=4 000 r/min，f=2 mm/min，ap=5 μm，P=30%。

表6 表面粗糙度的極差分析Tab.6 Range analysis of surface roughness

2.3.3 工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響如圖5 所示。表面粗糙度值隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而減小，當(dāng)切削區(qū)的溫度隨著主軸速度增加而增加時(shí)，材料剪切強(qiáng)度將會(huì)降低，這有利于機(jī)械加工。表面粗糙度隨著進(jìn)給速度的增加而增加，在高進(jìn)給速度下，切削系統(tǒng)的振動(dòng)增強(qiáng)，并且刀尖和工件界面間的摩擦增大；由于激光能量密度的降低，材料不能充分軟化。隨著切削深度增加，表面粗糙度緩慢增加，進(jìn)而導(dǎo)致切削力和切屑變形的增加；另一方面，切削區(qū)應(yīng)力無(wú)法立即釋放，加劇刀具磨損并導(dǎo)致較差的表面質(zhì)量。當(dāng)脈沖占空比低于30%，工件處于未充分軟化狀態(tài)，當(dāng)脈沖占空比增大時(shí)粗糙度逐漸減??；在30%的脈沖占空比下，表面粗糙度最小，此時(shí)由于高溫材料得到充分軟化，對(duì)實(shí)現(xiàn)延性域去除非常有利；但當(dāng)脈沖占空比進(jìn)一步增大時(shí)，表面粗糙度不降反升，這是因?yàn)榇藭r(shí)的激光輻照產(chǎn)生的高溫會(huì)使材料發(fā)生相變，造成一定的熱損傷，影響其加工表面質(zhì)量。

圖5 表面粗糙度的主效應(yīng)圖Fig.5 Main effect plots of surface roughness.

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證前文分析的準(zhǔn)確性，開(kāi)展了最佳加工參數(shù)組合的切削實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行粗糙度和掃描電鏡檢測(cè)。加工后的單晶硅表面未發(fā)現(xiàn)明暗相間現(xiàn)象，整個(gè)表面為鏡面，已加工表面相對(duì)光滑且無(wú)麻點(diǎn)、凹坑，材料去除機(jī)制為塑性變形。加工完成后的表面粗糙度Rq測(cè)量值可達(dá)到2.4 nm，其表面輪廓如圖6所示。

圖6 最佳加工參數(shù)下的表面輪廓Fig.6 Surface profile under optimal machining parameters

3 結(jié)論

（1）與常規(guī)車(chē)削相比，激光輔助車(chē)削加工可有效提高單晶硅加工表面質(zhì)量，減小表面粗糙度值，降低材料表面殘余應(yīng)力。

（2）影響表面粗糙度的主要因素是進(jìn)給速度，其次是主軸速度，切削深度和脈沖占空比對(duì)表面粗糙度的影響較小。主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度和脈沖占空比對(duì)表面粗糙度的貢獻(xiàn)率分別為17.51%、44.48%、6.69%和14.70%。

（3）確定了單晶硅激光輔助車(chē)削的最優(yōu)加工參數(shù)組合如下：主軸速度為4 000 r/min，進(jìn)給速度為2 mm/min，切削深度為5 μm，脈沖占空比為30%，最終獲得表面粗糙度Rq為2.4 nm的高質(zhì)量表面。