墨洪磊，鄭家洛，蘭 潔，陳 肖，許劍鋒

（1.上海航天控制技術(shù)研究所,上海201109;2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,武漢430074）

0 引言

隨著現(xiàn)代尖端技術(shù)、高新科技以及紅外光學(xué)技術(shù)地不斷發(fā)展,單晶硅、鍺以及各種光學(xué)玻璃等脆性材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、紅外探測(cè)、武器裝備等領(lǐng)域中。針對(duì)這些具有優(yōu)良性能的脆性材料,其超精密加工技術(shù)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。由于紅外透過率良好、折射率高、色散好,單晶硅已成為目前最重要的紅外光學(xué)材料之一,被廣泛用于高質(zhì)量制冷軍用紅外光學(xué)系統(tǒng)。單晶硅還具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)熱性好、材料均勻性好、熔點(diǎn)高等性質(zhì),因此可作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量器具、強(qiáng)激光反射鏡的襯底鏡、紅外光學(xué)成像鏡、深空物質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡捕捉成像鏡、紅外探測(cè)器、高速反導(dǎo)導(dǎo)彈頭罩襯底、防空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭光學(xué)鏡片等及其他紅外光學(xué)設(shè)備的窗口材料[1-2]。

目前,單晶硅材料的光學(xué)元件大多都是通過金剛石磨削、研磨、拋光得到的,這種工藝雖然可以得到很好的表面質(zhì)量,但是加工效率低,并且生產(chǎn)成本非常高。相較于磨削、研磨、拋光,車削的材料去除速率高得多,同時(shí)也可以加工前者加工不了的復(fù)雜形狀表面以及微結(jié)構(gòu)。但是由于切削單晶硅的過程中,單點(diǎn)金剛石刀具磨損劇烈,嚴(yán)重影響了單晶硅光學(xué)零件的加工精度。諸多研究者通過研究表明,單點(diǎn)金剛石刀具切削單晶硅時(shí)刀具磨損的類型主要是后刀面溝槽磨損[3-6]。切削過程中,傳統(tǒng)的潤(rùn)滑主要通過切削液本身來實(shí)現(xiàn),切削液在刀具和工件之間形成了液體潤(rùn)滑薄膜。但是,液體薄膜在刀具高壓接觸下非常容易破裂,所以切削液并不能有效降低切削單晶硅時(shí)刀具的磨損。將液體潤(rùn)滑薄膜替換成固體潤(rùn)滑薄膜,增強(qiáng)潤(rùn)滑薄膜的強(qiáng)度,增強(qiáng)潤(rùn)滑效果并降低摩擦是一種降低刀具磨損的可行方法。一些學(xué)者已經(jīng)驗(yàn)證了固體薄膜潤(rùn)滑的可行性,Rao等[7]在切削鋼時(shí)使用50μm硼酸顆粒進(jìn)行固體潤(rùn)滑,取得了很好的加工效果。Reddy等[8]使用2μm粒徑石墨和二硫化鉬顆粒在銑削鋼時(shí)進(jìn)行潤(rùn)滑,能夠降低銑削力并提高加工表面質(zhì)量。Yan等[9]將納米尺寸的銅、石墨、二硫化鉬、氧化銅顆粒與潤(rùn)滑脂混合后用于碳化硅切削,研究表明此方法能夠降低切削力和刀具磨損,能夠提高加工表面質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外還有其他學(xué)者對(duì)單點(diǎn)金剛石車削單晶硅等硬脆材料過程刀具磨損及抑制技術(shù)開展了研究,并取得了一定的成果[10-14]。

本文開展了納米顆粒潤(rùn)滑及超聲振動(dòng)輔助切削單晶硅技術(shù)研究,分析了納米顆粒的類型和質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及超聲振動(dòng)輔助切削對(duì)單晶硅超精密切削表面質(zhì)量和刀具磨損的影響,提出了抑制金剛石刀具磨損的方法,極大地提高了金剛石刀具的使用壽命,降低了生產(chǎn)成本,提高了加工表面質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)條件

分別選擇二硫化鉬、石墨、銅、氧化銅納米顆粒,按照表1中的參數(shù)配制納米潤(rùn)滑劑,四種納米顆粒形貌如圖1所示。切削實(shí)驗(yàn)在阿美泰克Precitech Nanoform X四軸超精密機(jī)床上進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,實(shí)驗(yàn)所采用的加工參數(shù)如表2所示。機(jī)床使用的刀具為單點(diǎn)金剛石刀具,其刀尖圓弧半徑為5mm,前角為－25°,后角為10°；加工樣件為平面樣件,其直徑為Φ25.4mm,厚度為4mm；采用Zygo白光干涉儀對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量。

表1 納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 List of nanoparticle mass fraction

圖1 納米顆粒形貌Fig.1 Diagram of nanoparticle morphology

圖2 納米顆粒潤(rùn)滑切削實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Diagram of nanoparticle lubrication cutting experiment device

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 List of experiment parameters

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米顆粒對(duì)加工表面質(zhì)量及刀具磨損的影響

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米顆粒對(duì)加工表面質(zhì)量及刀具磨損的影響結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,在使用納米顆粒潤(rùn)滑時(shí),加工表面質(zhì)量得到提升。隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,加工表面的質(zhì)量越來越好。在使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%石墨納米顆粒時(shí)的加工表面質(zhì)量最好,局部表面粗糙度Ra達(dá)到1.353nm,Rz達(dá)到5.883nm。

圖3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)粗糙度的影響曲線Fig.3 Influence curves of mass fraction on roughness

圖4為不同納米顆粒潤(rùn)滑下切削168.9m后刀具磨損的掃描電鏡圖。在一次切削過后,刀具的磨損量非常微小,只有前刀面存在很微小的坑狀磨損,而后刀面磨損太小不能清楚表征。從定性分析可以得到,隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,刀具磨損量越來越小,這和加工表面質(zhì)量規(guī)律是一致的。

圖4 不同納米顆粒潤(rùn)滑刀具磨損圖(5000倍放大)Fig.4 Tool wear diagram of different nanoparticle lubrication(5000 times magnification)

2.2 超聲振動(dòng)輔助切削刀具磨損

圖5為在超聲振動(dòng)輔助下切削182.8m之后刀具的磨損情況。由圖5（a）可知,刀具磨損非常劇烈,并伴隨大的崩刃,磨損帶高度達(dá)到了34.5μm。由圖5（b）可知,相比未使用納米顆粒潤(rùn)滑,刀具的磨損量要小,且沒有崩刃現(xiàn)象,磨損帶高度為18.5μm。納米顆粒潤(rùn)滑下的刀具磨損要比無納米顆粒潤(rùn)滑時(shí)小得多,但即使在納米顆粒潤(rùn)滑下,超聲振動(dòng)輔助切削硅時(shí)的刀具磨損量仍不能被接受,且超聲振動(dòng)輔助切削下的加工表面質(zhì)量比普通切削時(shí)差。

圖5 超聲振動(dòng)輔助切削下的刀具磨損情況(1500倍放大)Fig.5 Diagram of tool wear under ultrasonic vibration assisted cutting(1500 times magnification)

分析其原因,主要為:首先,在超聲振動(dòng)輔助切削單晶硅時(shí),由于刀具高頻率振動(dòng),單晶硅硬度高,刀具不斷與材料進(jìn)行碰撞,這是刀具發(fā)生崩刃的原因；其次,由于切削后的材料會(huì)發(fā)生膨脹以及恢復(fù),刀具在與材料分離的過程中會(huì)與已加工表面進(jìn)行機(jī)械摩擦,刀具實(shí)際加工的距離等于刀具振動(dòng)的總距離加上切削距離,刀具和工件實(shí)際接觸距離比普通切削時(shí)大,從而造成超聲振動(dòng)輔助切削單晶硅時(shí)刀具后刀面磨損更嚴(yán)重。而納米顆粒潤(rùn)滑可以在刀具和工件之間形成固體納米薄膜,能有效降低摩擦,從而抑制刀具的磨損。因此,納米顆粒潤(rùn)滑下刀具磨損量較小。

2.3 納米顆粒潤(rùn)滑下長(zhǎng)距離切削實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)給速度為6mm/min、切深為1μm、主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的納米石墨顆粒潤(rùn)滑工藝參數(shù)下進(jìn)行長(zhǎng)距離切削,樣件尺寸為Φ25.4mm,切削距離為5.067km。分別進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 切削距離5.067km之后的加工表面粗糙度及刀具磨損情況Fig.6 Diagram of surface roughness and tool wear after 5.067km cutting distance

由圖6可知,三組實(shí)驗(yàn)中零件的表面粗糙度分別為19.398nm、23.875nm、24.174nm,刀具磨損帶高度分別為 4.71μm、 4.85μm、 5.03μm。 實(shí)驗(yàn)研究表明,采用石墨納米顆粒作為潤(rùn)滑劑有助于減小單點(diǎn)金剛石刀具的磨損,提升刀具的使用壽命,保證加工后零件的表面質(zhì)量,也進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的采用石墨納米顆粒作為超精密車削潤(rùn)滑劑方案的可行性。

2.4 討論

納米顆粒潤(rùn)滑作用的原理為:納米顆粒在刀具的擠壓下發(fā)生變形甚至破裂,在刀具和工件之間形成一層極薄的固體薄膜,避免了刀具和加工表面直接粗暴的接觸,其原理如圖7所示。影響潤(rùn)滑效果的因素為納米顆粒的尺寸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及納米顆粒本身的性質(zhì)。納米顆粒的尺寸越小,其越容易進(jìn)入切削區(qū)域；而質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,在相同條件下進(jìn)入切削區(qū)域的納米顆粒數(shù)量越多。不同類型納米顆粒自身的性質(zhì)是不同的,納米石墨顆粒潤(rùn)滑效果最好的原因就是由它的性質(zhì)決定的。納米石墨顆粒的硬度是四種納米顆粒中最小的,最容易發(fā)生變形,并且納米石墨顆粒本身的潤(rùn)滑效果也是四種納米顆粒中最好的。

圖7 納米顆粒潤(rùn)滑作用原理Fig.7 Principle of nanoparticle lubrication

超聲振動(dòng)輔助切削雖然能促進(jìn)納米顆粒進(jìn)入切削區(qū)域、增強(qiáng)納米顆粒潤(rùn)滑效果,但是由于超聲振動(dòng)輔助切削的切削特性,其并不能抑制刀具的磨損。這是由于在超聲振動(dòng)輔助切削硅時(shí),由于刀具高頻率沿著切削方向振動(dòng),使得刀具不斷與硅未切削表面進(jìn)行碰撞,并且不斷與已加工表面進(jìn)行來回機(jī)械摩擦。納米顆粒潤(rùn)滑時(shí),刀具磨損量更小的原因?yàn)?由于刀具和工件之間形成的固體納米薄膜可以有效降低摩擦,從而降低了刀具的磨損。

3 結(jié)論

本文針對(duì)單晶硅光學(xué)零件在精密車削過程中存在刀具易磨損、刀具使用壽命短、加工后零件表面質(zhì)量差等問題,選取二硫化鉬、石墨、銅、氧化銅等四種納米顆粒作為潤(rùn)滑介質(zhì),開展了基于納米顆粒潤(rùn)滑的刀具磨損抑制技術(shù)研究,得出以下結(jié)論:

1）單點(diǎn)金剛石切削單晶硅材料時(shí),通過采用納米顆粒潤(rùn)滑可有效減小單點(diǎn)金剛石刀具的磨損,同時(shí)可提高加工后材料的表面質(zhì)量。在所研究的四種不同類型、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米顆粒潤(rùn)滑脂中,含10%納米石墨顆粒的潤(rùn)滑脂使用效果最好,得到的加工表面質(zhì)量最好,刀具磨損最低。

2）超聲振動(dòng)輔助切削單晶硅時(shí),刀具磨損非常嚴(yán)重。通過耦合納米顆粒潤(rùn)滑以及降低切削速度,刀具的磨損降低了,但磨損程度仍然非常嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,超聲振動(dòng)輔助切削不適合單晶硅這類硬脆材料的超精密切削加工。