機械刻劃層分結構鋁膜刀具磨損研究*

張寶慶 馬 群 安陽杰 吉日嘎蘭圖 石廣豐 吳鐵華

（①長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022；②中國科學院長春光學精密機械與物理研究所國家光柵制造與應用工程技術研究中心，吉林 長春 130022；③中國第一汽車集團有限公司質量保證部新能源及動力總成質量部，吉林 長春 130022）

光柵作為一種分光元件，是光譜儀器的核心元件，可以將入射的復色光線散射形成拉曼光譜，主要用來檢測表面物質結構或分析化學成分[1-4]。其中中階梯光柵由于其特殊的槽型要求，必須采用機械刻劃法作為其加工方式[5]。機械刻劃光柵毛坯采用物理氣相沉積法，即真空熱蒸發(fā)鍍制方法鍍制而成，由三部分組成，包括光學玻璃基底、中間鍍鉻層和鋁膜鍍層。在此基礎上，由金剛石刻刀往復刻劃，形成相互平行、間隔均勻且具有特殊槽型的平面反射式衍射光柵[6]。與傳統(tǒng)切削加工不同，機刻光柵毛坯加工過程中不會有切屑產生，其利用了蒸鍍鋁膜的彈塑性流動特性而擠壓成槽[7]。

對于光柵成品而言，其較高的衍射效率得益于較好的鋁膜表面質量以及刻劃刀具對于成槽過程的精密控形。為此，眾多學者在鋁膜制備及刻劃刀具兩個方向展開了深入研究。

為提高中階梯光柵鋁膜制備水平，Yang H G 等[8]研究了鍍制過程中蒸發(fā)源與玻璃基底間的位置關系并進行調整，改善了大面積蒸鍍鋁膜難以保持較好均勻性的難題；高勁松等[9]提出了一種多次間斷共蒸發(fā)鍍膜工藝；隨后孫夢至等[10-11]探究了玻璃基底溫度與蒸鍍鋁膜表面質量間的內在影響，提出了一種多步鍍制工藝，該工藝較好地改善了蒸鍍鋁膜的晶粒尺寸，從而提高了鋁膜的致密程度并降低了其表面粗糙度，但并未對鋁膜分層現象深入研究；張寶慶等[12]建立了基于混合率方法的鋁膜層分結構模型，探究了層分構鋁膜與單層膜在力學性能與刻劃成槽時的差異性，并發(fā)現層分構鋁膜整體質量優(yōu)于單層鋁膜。

為改善金剛石刻劃刀具在長行程刻劃過程中的磨損行為，吉日嘎蘭圖[13]運用Deform 3D 有限元仿真軟件分析了刻劃過程中刀具的應力分布，針對性設計了金剛石刻劃刀具的刃口取向，提高了光柵刻劃刀具壽命；石廣豐等[14]研究了機械刻劃震顫磨損機理，提出了機械刻劃系統(tǒng)的“穩(wěn)定性閾”，從能量角度對于改善刻劃工藝、降低刀具磨損提供了新思路；史潮潮等[15]提出了一種單刀雙刃的重復刻劃工藝，并通過正交刻劃試驗驗證了其適用性，為提高成品光柵表面質量并減少刀具磨損建立了新方法。以上基于連續(xù)均勻介質的光柵刻劃研究對于層分構膜而言存在一定的局限性。由于層分構鋁膜與單層鋁膜差異明顯，且刻劃時刀具應力分布及磨損機理與刻劃單層膜時不同，因此，開展基于層分構鋁膜的刀具磨損研究具有理論深度與現實意義。

1 層分構鋁膜結構觀測及力學性能分析

1.1 分層構鋁膜結構觀測及分析

為后續(xù)刻劃仿真建立較為貼近實際情況的層分構鋁膜模型，本文將對采用分步鍍制法制作而成的分層鋁膜進行SEM 觀測。使用電子束蒸發(fā)鍍膜機在小面積玻璃基底上鍍制4 層約10.3 μm 的分層鋁膜，利用Crossbeam550 型掃描電鏡對其結構進行觀測，觀測結果如圖1 所示。

圖1 層分構鋁膜剖面觀測圖

由觀測圖可知，層分構鋁膜每層間晶界呈柱狀絲織類結構，且不同膜層晶粒間錯配分布，在縱向上可觀察出由上至下晶粒密度逐漸密集表現出一定的梯度關系。后文對分層鋁膜力學性能研究及模型建立需著重考慮以上結構分析。

1.2 基于層分構鋁膜的Hall-Petch 強化理論

從晶粒結構屬性上來看，純鋁晶粒屬于面心立方體（face-centered cubic）結構晶粒，本文提及的層分構鋁膜可簡單視為fcc/fcc 微米級多層薄膜，雖然此類多層薄膜界面對于位錯穿越膜層阻礙較小，但在微米、亞微米尺度內相似結構多層薄膜均滿足Hall-Petch 強化理論[16]，即在一定膜層厚度條件下（一般大于等于100 nm），多層膜強度隨膜層厚度減小而增加。因此，本文提及層分構鋁膜理應在強度上與單層鋁膜存在差異。

1.3 納米壓痕試驗

納米壓痕試驗可以較精確地表征出薄膜的硬度與彈性模量，因此本文采用Nano Indenter G200 型納米壓痕機，對分層鋁膜進行5 μm 壓痕試驗，對試驗中的壓深與載荷數據進行提煉，繪制出壓深-載荷曲線圖，如圖2 所示。

圖2 層分構鋁膜壓深-載荷曲線圖

經擬合后得出，層分構鋁膜平均硬度為0.48 GPa，彈性模量為65.2 GPa；單層鋁膜平均硬度為0.38 GPa，彈性模量為60.8 GPa。層分構鋁膜在硬度與彈性模量上均滿足Hall-Petch 強化理論。

2 有限元刻劃仿真及分析

2.1 機械刻劃光柵模型建立及參數設置

為探究層分構鋁模對殼劃刀具磨損影響，本文采用Deform 3D 有限元分析軟件，依據上文提及分層膜結構及力學參數，建立4 層與單層鋁膜模型。為得到較好的層分構膜模型，采用絕對尺寸定義法為鋁膜劃分網格，并在刻劃區(qū)域局部加密網格使其網格尺寸小于等于0.000 4，此時網格尺寸對于槽型影響基本可以忽略。經納米壓痕表征單、4 層鋁膜力學性能后，將金剛石刻劃刀具與鋁膜材料屬性列表（表1），而后采用表中參數設置材料屬性并進行仿真。

表1 鋁與金剛石材料參數

表1 中可明顯看出鋁膜與金剛石在硬度與彈性模量上存在數量級差距，所以將刻劃刀具設置為剛體鋁膜設置為彈塑性體。刀具刻劃速度為60 mm/s、刀尖角90°、俯仰角4.5°、方位角0°，且與鋁膜間接觸設置為剪切摩擦（μ=0.51），每層膜間設置為粘著接觸。由于機械刻劃過程中刻劃刀具磨損形式主要為粘結磨損，故采用Usui 磨損模型，公式如下：

式中：P為接觸壓力；V為相對速度；T為絕對溫度；dt為時間增量、a 與b 為系數常數，a=1×10-10,b=1 000。綜上建立分層鋁膜模型與機械刻劃光柵模型，如圖3 和圖4 所示。

圖3 層分構鋁膜模型

圖4 機械刻劃光柵模型

2.2 鋁膜模擬刻劃成槽結果分析

本文將刻劃深度設置在層分鋁膜界面附近，即刻深在2 μm 與4 μm 時，分別進行層分構鋁膜與單層鋁膜的刻劃模擬，并選取穩(wěn)定刻劃階段刀具磨損與鋁膜成槽應力分布定量分析。其中，當刻深在2 μm 時，單層與4 層鋁膜成槽應力云圖如圖5所示。

圖5 刻深2 μm 應力圖

刻劃深度在2 μm 時，單層鋁膜成槽時形變應力呈波紋型向工作面、非工作面與槽底角方向輻射并逐漸減小，且成槽形變應力集中于槽型輪廓上，其最大值可達169 MPa；反觀4 層鋁膜，鋁膜刻劃成槽時形變應力較集中于第一層膜，且非工作面應力大于工作面應力，其最大值分別為117 MPa 與97.8 MPa。4 層鋁膜刻劃成槽時可較為直觀地觀察出應力傳遞的“斷層”現象，表征了膜層界面對于位錯跨界面?zhèn)鬟f的阻礙作用。

刻深在4 μm 時（圖6），由于刻深增加，兩種類型鋁膜成槽時形變應力也隨之增加，其中單層鋁膜形變應力傳遞形式與刻深2 μm 時無異，且應力集中于槽型輪廓邊緣最大值可達180 MPa；而對于4 層鋁膜而言，隨著刻深超過第一層鋁膜的膜層厚度，第一、二層鋁膜界面對于位錯的跨界面?zhèn)鬟f阻礙作用減弱并屈服，使得刻劃時成槽形變應力傳遞到第二層鋁膜并集中于第一、二層鋁膜，其成槽形變應力最值可達173 MPa，并點狀分布于工作面與非工作面。

圖6 刻深4 μm 應力圖

2.3 刻劃刀具磨損模擬結果分析

觀察鋁膜刻劃成槽時的形變應力，反映了刀具在刻劃過程中各刀面的接觸壓力情況，并在Usui磨損模型中表征出不同的磨損狀態(tài)。在經刻深2 μm 與4 μm 刻劃模擬后，分別得到了刻劃相應單層和4 層鋁膜刻劃刀具磨損深度等線圖，如圖7 和圖8 所示。

圖7 刻深2 μm 刀具磨損圖

圖8 刻深4 μm 刀具磨損圖

刻深2 μm 時，此時刻劃深度并未超過第一、二層鋁膜界面，其中刻劃單層鋁模時，刀具磨損最大值可達52.5 nm，并集中于刃尖點兩側，主刻劃刃存在少量磨損，刀具非定向面磨損大于定向面磨損。相較于刻劃單層鋁膜，刻劃4 層鋁膜時刻劃刀具磨損明顯減小，其主要磨損集中于非定向面，磨損深度可達35 nm，且主刻劃刃幾乎沒有磨損。

刻深4 μm 時，此時刻劃深度已經突破第一、二層鋁膜界面，對比刻劃單層和4 層鋁膜刀具磨損后發(fā)現，刻劃4 層鋁膜時刀具磨損深度與磨損面積均小于刻劃單層鋁膜時的刀具磨損，如刻劃單層和4 層鋁膜時刃尖點處最大磨損分別可達45 nm 與35 nm，刻劃單層鋁膜時定向面與非定向面主要磨損深度為30 nm，刻劃4 層鋁膜兩工作面主要磨損深度為20 nm。二者刀具均在刃尖點兩側達到最大磨損深度，非定向面磨損面積與深度均大于定向面且主刻劃刃處磨損深度較小。

2.4 刻劃刀具法向受力模擬分析

上述刻劃單層和4 層鋁膜時刀具磨損存在明顯差異，究其原因，在溫度、刻劃速度相同的前提下，依據Usui 磨損模型，刀具與鋁膜接觸壓力是存在差異的根本原因。為此，將不同刻深刻劃單層與4層鋁膜時的刀具法向應力數據輸出成法向載荷-時間曲線，如圖9 所示。

圖9 刻深2 μm、4 μm 刀具法向受力曲線

由圖9 可見，刻深相同的情況下，刻劃4 層鋁膜時刀具法向受力遠小于刻劃單層鋁膜。在穩(wěn)定刻劃階段，刻深在2 μm 時，刻劃單層鋁膜平均法向載荷約為0.035 N，刻劃4 層鋁膜時約為0.01 N；刻深在4 μm 時，刻劃單層鋁膜平均法向載荷約為0.14 N，刻劃4 層鋁膜時約為0.05 N。綜上，刻深相同時，4 層鋁膜更易被刀具刻劃成槽，換言之，刻劃層分構鋁膜時刀具磨損將會更小。

3 機械刻劃光柵試驗

本文提及的刀具磨損是在中階梯光柵機械刻劃法加工工況下且以刻劃層分構鋁膜為前提開展研究的。因此，經層分構鋁膜機械刻劃試驗所得出的刀具磨損結果最具有說服力。

綜上，本文采用短程三坐標刻劃裝置對4 層鋁膜進行了刻深約4 μm 的機械刻劃試驗，其中刻劃速度V=60 mm/s、刀具俯仰角約為3°～4.5°、單次刻劃行程約為6 cm，經刻劃1 km 后對刻劃刀具刃尖點處Sem 觀測。

經機刻試驗后，刻劃刀具磨損主要集中于刃尖處，其中非定向面磨損較為明顯，而主刻劃刃與非定向面磨損較小，各刀面存在少量粘結磨損凹坑，如圖10 所示。

圖10 光柵刻劃刀具磨損圖

刀具磨損后刻劃成槽圖如圖11 所示?？虅澋毒吒鞯睹婺p后會使槽型輪廓隨之發(fā)生改變，如非定向面磨損凹陷后，刻槽非工作面隆起且表面粗糙度降低，會在一定程度上影響光柵成品衍射效率。綜上所述，試驗磨損結果大體上符合仿真結果。

圖11 刀具磨損后刻劃成槽圖

4 結語

（1）經分步鍍制法鍍制而成的層分構鋁膜界層明顯且晶粒較為細密，提高了機刻光柵表面光潔度。為探究層分構鋁膜相較單層鋁膜力學性能上的區(qū)別，經納米壓痕實驗后，擬合壓痕數據發(fā)現層分構鋁膜存在明顯的強化現象滿足Hall-Petch 強化理論。

（2）分別觀察刻深2 μm 與4 μm 的單層和4 層鋁膜后發(fā)現，層分構鋁膜刻劃時應力分布與傳遞受界面影響明顯，其本質是因為層分構鋁膜界面對于位錯跨膜層傳遞的阻礙作用，以上現象是位錯塞積的一種表征，且當刻深突破第一層鋁膜時，第一、二層鋁膜界面的阻礙作用消失，第二、三層鋁膜界面對應力傳遞阻礙作用仍然存在。

（3）刻劃單層和4 層鋁膜時刻劃刀具的磨損方式與分布大體相同，其磨損主要集中于定向面與非定向面?zhèn)热胁⑸倭看嬖谟谥骺虅澣?，但刻? 層鋁膜時刀具磨損明顯小于刻劃單層鋁膜。分析刻劃時刀具法向載荷后發(fā)現，刻深相同時，4 層鋁膜更易被刻劃成槽，這也解釋了刻劃4 層鋁膜時刀具磨損更小的原因。經機械刻劃試驗后，刀具試驗磨損結果與仿真結果大體相符。

以獲取高質量鋁膜為目的決定了分步鍍制工藝是目前鍍制鋁膜的最優(yōu)方法，為此本文首次開展了基于層分鋁膜的刀具磨損研究，為今后采用分步鍍制工藝的機刻光柵加工研究提供了嶄新的參考案例。