孫旭峰，姚鵬，王慶偉，包曉宇，黃傳真

精密與超精密加工

碘化銫晶體的力學(xué)性能和超精密車削研究

孫旭峰1，姚鵬1，王慶偉1，包曉宇1，黃傳真2

（1.山東大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院 先進(jìn)射流工程技術(shù)研究中心 b.高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061；2.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

研究碘化銫（CsI）晶體(110)晶面的力學(xué)性能和以及車削參數(shù)對(duì)超精密車削表面粗糙度的影響。分別采用納米壓痕和霍普金森壓桿（SHPB）試驗(yàn)，獲得并分析CsI晶體(110)晶面在準(zhǔn)靜態(tài)下和高應(yīng)變率下的力學(xué)性能。采用單點(diǎn)金剛石車削（SPDT）的方法在不同的方向和車削參數(shù)對(duì)晶體進(jìn)行超精密加工，并使用白光干涉儀、測(cè)力儀和紅外熱像儀分別測(cè)量超精密車削過(guò)程中已加工表面的粗糙度、切削力和切削溫度。CsI晶體在壓痕過(guò)程中主要發(fā)生塑性變形，且無(wú)明顯的脆性裂紋，其(110)晶面的維氏硬度約為100 MPa。當(dāng)應(yīng)變率從6 000 s–1提高8 000 s–1時(shí)，晶體的屈服強(qiáng)度提高了7 MPa。在試驗(yàn)中，沿著270°方向車削，可以獲得為20 nm以下的表面粗糙度。沿著該方向使用10°前角的金剛石車刀、轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、進(jìn)給速度為4 μm/r、切削深度為2 μm時(shí)，可以獲得最好的表面質(zhì)量，平均表面粗糙度為8.53 nm，最大表面粗糙度為11.02 nm。CsI晶體具有較強(qiáng)的塑性，且硬度低，高應(yīng)變率下，材料的強(qiáng)度和硬度明顯提高。通過(guò)提高轉(zhuǎn)速即切削速度，增大超精密車削過(guò)程中的材料應(yīng)變率，改善了軟塑性材料的可加工性，使CsI晶體的表面粗糙度降低了80%。結(jié)合優(yōu)選的車削方向、刀具前角、進(jìn)給速度和切削深度等其他車削參數(shù)，獲得了在10 nm以下的光滑表面。

碘化銫晶體；超精密車削；表面粗糙度；力學(xué)性能；各向異性；高應(yīng)變率

由于碘化銫（CsI）閃爍晶體具有良好的光學(xué)、力學(xué)和閃爍性能，廣泛應(yīng)用在γ射線光譜分析、放射線照相術(shù)、各種探測(cè)器以及核醫(yī)學(xué)成像等方面[1-5]。CsI晶體具有良好的X射線或γ射線到可見(jiàn)光的轉(zhuǎn)換效率[6]，并且光產(chǎn)額高（54 photons/keV），可以提供較好的能量分辨率[7-8]。CsI晶體屬于立方晶體，其(110)面是優(yōu)勢(shì)面之一[9]，但本身硬度低，并且無(wú)解理面[10]，因此難以在加工中對(duì)CsI晶體進(jìn)行定向。CsI晶體可以溶于水和醇類，相比于摻鈉碘化銫晶體（CsI:Na），摻鉈碘化銫晶體（CsI:Tl）在通常的應(yīng)用環(huán)境中基本不會(huì)潮解，并且能承受更大的機(jī)械和熱沖擊[11]。雖然CsI:Tl可以在正常環(huán)境中存放和加工，但是水、醇類的接觸以及溫度的急劇變化還是會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生影響[12]。

由于CsI屬于低硬度材料，在磨削和拋光過(guò)程中，磨粒或拋光粉會(huì)劃傷或嵌入晶體表面，因此會(huì)降低材料加工后的表面質(zhì)量[13]。單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)（Single Point Diamond Turning，SPDT）起源于20世紀(jì)50年代，屬于應(yīng)用較為廣泛的一項(xiàng)超精密加工技術(shù)[14]。由于金剛石具有高的強(qiáng)度和硬度、良好的耐磨性和低的摩擦系數(shù)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此超精密車削過(guò)程中通常使用金剛石刀具[15-16]。目前，金剛石刀具的刃口鈍圓半徑可以達(dá)到30 nm，切削深度可以達(dá)到微米，甚至亞微米級(jí)，切削后的材料表面粗糙度（）可以小于10 nm[17-18]。

超精密車削適合加工有色金屬、光學(xué)塑料以及部分光學(xué)晶體材料[19-21]。目前許多學(xué)者對(duì)光學(xué)晶體的超精密車削進(jìn)行了相關(guān)的研究，主要包括單晶硅、單晶鍺和磷酸二氫鉀（KDP）晶體等。對(duì)于硬脆晶體材料，單晶硅超精密車削后的表面粗糙度可以達(dá)到4 nm[22]，單晶鍺球面鏡超精密車削后的表面粗糙度可以達(dá)到0.6 nm[23]；對(duì)于軟脆晶體材料，KDP晶體[24-25]、CaF2晶體[26]、ZnS晶體[27]和ZnSe晶體[28-29]超精密車削后的表面粗糙度分別可以達(dá)到3、6.3、0.88、1.5 nm。然而，晶體材料都有各向異性，不同晶面上的硬度和彈性模量等力學(xué)性能各不相同，因此不同的晶面以及晶面上不同的加工方向都會(huì)對(duì)表面質(zhì)量和切削力產(chǎn)生一定的影響[30]。同時(shí)，軟晶體材料的加工中也需要考慮溫度效應(yīng)，因?yàn)闇囟鹊纳邥?huì)使材料的硬度和彈性模量下降，塑性和斷裂韌性提高[31]。

目前關(guān)于CsI晶體加工的研究主要是切割和拋光方面。閆富有[32]將微量潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)圓鋸切中，解決了晶體加工中廢棄切削液污染和浪費(fèi)的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)調(diào)整加工參數(shù)，使切割后的晶體表面粗糙度下降到0.2 μm。該方法只是簡(jiǎn)單切割出晶體形狀，表面粗糙度仍無(wú)法滿足精密光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。沈陽(yáng)理工大學(xué)的殷際東等[33-34]采用水解拋光的方法對(duì)CsI晶體進(jìn)行加工，通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化拋光液配比、轉(zhuǎn)速和壓強(qiáng)等工藝參數(shù)，可以使加工表面粗糙度低于20 nm，但是該過(guò)程關(guān)于溶液pH值等的研究尚不充分，并且無(wú)法保證加工效率和表面粗糙度同時(shí)滿足要求。雖然相關(guān)學(xué)者研究了部分晶體材料的超精密車削以及CsI晶體的超精密拋光加工技術(shù)，但關(guān)于CsI晶體力學(xué)性能和超精密車削的研究較少。

本文分別采用納米壓痕和霍普金森壓桿（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）試驗(yàn)，獲得并分析了CsI晶體(110)晶面在準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下的力學(xué)性能。隨后在(110)晶面上開(kāi)展了超精密車削試驗(yàn)，首先確定了最佳的車削方向，然后進(jìn)行了同時(shí)考慮刀具前角、轉(zhuǎn)速（切削速度）、進(jìn)給速度和切削深度的響應(yīng)曲面試驗(yàn)，優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)組合，最后使用優(yōu)化的參數(shù)組合獲得了表面粗糙度小于10 nm的光滑表面。同時(shí)，本文對(duì)超精密車削CsI晶體過(guò)程中的切削力和切削熱也進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)

1.1 碘化銫晶體的力學(xué)性能試驗(yàn)

本文通過(guò)納米壓痕試驗(yàn)和霍普金森壓桿試驗(yàn)來(lái)研究CsI晶體(110)晶面的力學(xué)性能。其中，納米壓痕試驗(yàn)使用的設(shè)備為微納米壓痕與劃擦試驗(yàn)機(jī)（Nano Test Vantage）。試驗(yàn)使用的材料為CsI:Tl晶體，尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，所有試驗(yàn)均在(110)晶面上開(kāi)展。試驗(yàn)中選用壓痕低載模塊，最大壓深為20 μm，最大載荷為500 mN，壓頭為維氏壓頭。因?yàn)槌芮邢髦械牧Ψ浅Ｐ?，因此該納米壓痕試驗(yàn)選取比較小的載荷進(jìn)行。在5～30 mN每隔5 mN選取6組載荷進(jìn)行試驗(yàn)，保載時(shí)間為10 s，每個(gè)載荷進(jìn)行6次重復(fù)試驗(yàn)。壓痕結(jié)束后，使用3D 激光掃描顯微鏡VK-X200觀測(cè)壓痕形貌，放大倍數(shù)為1 000倍。

霍普金森壓桿試驗(yàn)的設(shè)備型號(hào)為 ZDSHPB-15，試驗(yàn)中使用的CsI:Tl晶體尺寸為2 mm×2 mm。試驗(yàn)使用的壓桿為6 mm的鋁桿，設(shè)定的壓強(qiáng)分別為0.05、0.06、0.07 MPa，達(dá)到的應(yīng)變率分別為6 123、7 170、8 115 s–1。

1.2 碘化銫晶體的超精密車削試驗(yàn)

CsI晶體的超精密車削試驗(yàn)包括(110)晶面最佳車削方向的確定以及刀具前角、轉(zhuǎn)速（切削速度）、進(jìn)給速度和切削深度等4個(gè)因素的響應(yīng)曲面試驗(yàn)。超精密車削試驗(yàn)在Moore Nanotech 350 FG 超精密加工中心上進(jìn)行，夾具端面外圈每隔90°開(kāi)有氣孔，晶片放置在氣孔區(qū)域，與夾具一起吸附在真空主軸的吸盤上。試驗(yàn)使用的CsI:Tl晶體尺寸為10 mm×10 mm× 1 mm，使用金剛石車刀的參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)中通過(guò)Kistler三向測(cè)力儀5080A采集車削過(guò)程中的切削力，采集到的切削力信號(hào)使用30 Hz的截止頻率進(jìn)行低通濾波。使用高速高分辨率制冷型顯微中紅外熱像測(cè)試分析系統(tǒng)FAST M200獲取切削過(guò)程中刀尖附近的切削溫度，加工后的表面形貌和粗糙度由便攜式高精度白光干涉儀SuperView WX120測(cè)量獲得。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中采用干切方式，噴嘴處吹冷風(fēng)，起冷卻和排屑的作用。

表1 金剛石刀具參數(shù)

Tab.1 Parameters of diamond tools

為了確定(110)晶面的最佳車削方向，從晶片任意一側(cè)開(kāi)始，沿逆時(shí)針?lè)较蛎扛?0°共4個(gè)位置進(jìn)行超精密車削試驗(yàn)（如圖1所示），比較沿4個(gè)方向加工后的表面粗糙度，獲取最佳的車削方向。試驗(yàn)中使用0°前角的金剛石車刀，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，進(jìn)給速度為4 μm/r，切削深度為6 μm。運(yùn)用Design Expert軟件對(duì)四因素三水平響應(yīng)曲面試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。上述每組試驗(yàn)均從晶片外側(cè)、中心、內(nèi)側(cè)3個(gè)位置分別測(cè)量表面粗糙度，比較每組試驗(yàn)的平均表面粗糙度和最大表面粗糙度，確定最優(yōu)加工工藝參數(shù)。

圖1 不同車削方向

在試驗(yàn)過(guò)程中，使用紅外熱像儀記錄車削過(guò)程中刀尖附近的溫度變化，使用測(cè)力儀實(shí)時(shí)采集車削過(guò)程中的切削力信號(hào)。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，該晶體車削過(guò)程中的切削力維持在較低水平，除了機(jī)床啟動(dòng)和停止的瞬間，由于加速度的原因出現(xiàn)力信號(hào)的突變外，整個(gè)切削過(guò)程中，沒(méi)有采集到切削力信號(hào)的變化，如圖2所示。車削加工中，刀尖附近的溫度變化也不顯著，如圖3所示。這是由于晶體本身硬度很低，屬于易切削材料，而且切削深度也較淺，同時(shí)晶片是吸附在夾具外圈的某一位置，整個(gè)車削過(guò)程屬于斷續(xù)切削，所以切削力和產(chǎn)生的切削熱都很小，且沒(méi)有顯著變化。同時(shí)，機(jī)床啟動(dòng)時(shí)有冷風(fēng)吹出，引起車削溫度略低于室溫的現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，在CsI晶體的超精密車削過(guò)程中，可以忽略切削力和切削熱對(duì)加工結(jié)果的影響，后續(xù)試驗(yàn)只對(duì)碘化銫晶體的已加工表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。

圖2 CsI晶體超精密車削過(guò)程中的切削力

圖3 CsI晶體超精密車削過(guò)程中的切削溫度

2 結(jié)果和分析

2.1 力學(xué)性能分析

CsI晶體(110)晶面納米壓痕試驗(yàn)的載荷–深度曲線如圖4所示。從圖4可以看出，不同載荷下，載荷–深度曲線的變化趨勢(shì)相同。在卸載之后，壓入深度的彈性恢復(fù)系數(shù)約為0.03，說(shuō)明該過(guò)程材料主要發(fā)生的是塑性變形，彈性變形小。5、15、30 mN載荷加載后的壓痕形貌分別如圖5a、b、c所示。從圖5中可以看出，壓痕處均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的脆性裂紋，進(jìn)一步證實(shí)了CsI晶體具有一定的塑性。各組載荷對(duì)應(yīng)的CsI晶體(110)晶面的維氏硬度如圖6所示?？梢钥闯觯珻sI晶體的維氏硬度約為100 MPa，并且隨著載荷的增加，維氏硬度值逐漸降低，然后趨于穩(wěn)定。由納米壓痕的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了CsI晶體是一種軟塑性材料，因而在加工過(guò)程中不需要考慮脆塑轉(zhuǎn)變的問(wèn)題。

考慮到CsI晶體材料硬度很低的特性，為了保證得到試驗(yàn)結(jié)果，因而在進(jìn)行(110)晶面的SHPB試驗(yàn)時(shí)，選用的壓強(qiáng)很小，0.05～0.07 MPa的壓強(qiáng)便可以達(dá)到6 000～8 000 s–1的應(yīng)變率。不同應(yīng)變率下，CsI晶體(110)晶面的應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖7所示?？梢钥闯?，隨著應(yīng)變率的增加，晶體的屈服強(qiáng)度提高了約7 MPa。因?yàn)閷?shí)際加工過(guò)程中的轉(zhuǎn)速或切削速度越高，應(yīng)變率也越高[35-36]。由此可得，提高切削速度和應(yīng)變率會(huì)增加CsI晶體的強(qiáng)度和硬度，改善其加工性能[37]。

圖4 納米壓痕的載荷–深度曲線

圖5 壓痕形貌

圖6 CsI晶體(110)面的維氏硬度

圖7 不同應(yīng)變率下CsI晶體(110)晶面的應(yīng)力–應(yīng)變曲線

2.2 車削方向和車削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

在CsI晶體(110)晶面上沿不同方向進(jìn)行的4組超精密車削試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，4組試驗(yàn)中心區(qū)域的白光干涉表面形貌如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，沿270°方向車削，可以獲得最好的表面質(zhì)量，整體表面粗糙度低于20 nm。沿不同方向車削后，材料的表面質(zhì)量有所差異，體現(xiàn)了CsI晶體力學(xué)性能的各向異性。因此，為了保證材料加工后的表面質(zhì)量，首先需要確定加工方向。由表4和圖8可以看出，沿270°方向車削后，材料的表面粗糙度最低，表面缺陷較少，具有較高的表面質(zhì)量，因此是該晶片相對(duì)最優(yōu)的切削方向。

表4 沿不同方向車削的表面粗糙度結(jié)果

Tab.4 Results of surface roughness in different turning orientations

在(110)面上進(jìn)行的響應(yīng)曲面試驗(yàn)選取的因素及其水平見(jiàn)表5，具體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及對(duì)應(yīng)的表面粗糙度結(jié)果見(jiàn)表6。平均粗糙度表示測(cè)量表面的整體質(zhì)量，最大表面粗糙度表示該參數(shù)下測(cè)量表面的最低質(zhì)量水平。

圖8 (110)晶面沿不同方向進(jìn)行超精密車削的白光干涉圖像

在實(shí)際的X射線三維顯微鏡應(yīng)用中，要求晶片的表面粗糙度低于20 nm，以此為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。由表6中可得，選擇10°前角的金剛石車刀、轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、進(jìn)給速度為4 μm/r、切削深度為2 μm時(shí)，可以獲得最好的表面質(zhì)量。此時(shí)車削后的平均表面粗糙度為8.53 nm，最大表面粗糙度為11.02 nm。若使用0°前角的刀具，推薦的車削參數(shù)是：轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，進(jìn)給速度6 μm/r，切削深度6 μm。此時(shí)車削后的平均表面粗糙度為9.07 nm，最大表面粗糙度為17.36 nm，使用該參數(shù)獲得的車削表面白光干涉表面形貌如圖9所示。

響應(yīng)曲面試驗(yàn)獲得的平均表面粗糙度和最大表面粗糙度與各參數(shù)間的關(guān)系均為線性，表明各因素之間無(wú)交互作用。然后對(duì)該試驗(yàn)進(jìn)行單因素分析，各車削參數(shù)在無(wú)量綱區(qū)間上對(duì)平均表面粗糙度和最大表面粗糙度的影響分別如圖10和圖11所示?？梢钥闯觯D(zhuǎn)速或切削速度（因素B）對(duì)表面粗糙度的影響最顯著，轉(zhuǎn)速越高，表面粗糙度越低，獲得的表面質(zhì)量越好。這可能是由于轉(zhuǎn)速或切削速度的增加，引起應(yīng)變率的提高，使材料的強(qiáng)度和硬度提高，從而改善了材料加工后的表面質(zhì)量。結(jié)合表6中13—16組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，其他因素不變的情況下，轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min增加到3 000 r/min時(shí)，平均表面粗糙度降低了約80%。刀具前角（因素A）對(duì)表面粗糙度也有一定程度的影響，其中正前角的刀具具有良好的切削效果，而負(fù)前角的刀具對(duì)于軟塑性材料來(lái)說(shuō)則不太適用。進(jìn)給速度（因素C）和切削深度（因素D）對(duì)表面粗糙度整體的影響不顯著，進(jìn)給速度的提高會(huì)使表面粗糙度略有上升，可以在實(shí)際加工中適當(dāng)提高進(jìn)給速度和切削深度來(lái)提高加工效率。

表5 響應(yīng)曲面試驗(yàn)的因素及其水平

Tab.5 Factors and levels of response surface experiments

表6 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其結(jié)果

Tab.6 Design and results of response surface experiments

圖9 α=0°、n=3 000 r/min、f=6 μm/r、ap=6 μm 時(shí)超精密車削的白光干涉圖像

圖10 車削參數(shù)對(duì)平均表面粗糙度的影響

圖11 車削參數(shù)對(duì)最大表面粗糙度的影響

試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)晶片車削后，外側(cè)的表面粗糙度從外向內(nèi)依次增加。整體來(lái)看，外側(cè)和中心區(qū)域的表面質(zhì)量好，而內(nèi)側(cè)區(qū)域明顯較差，如圖9所示。出現(xiàn)這種情況的原因可能有2個(gè)，首先是粉屑堆積引起的粘刀現(xiàn)象。由于CsI晶體屬于軟塑性材料，而且試驗(yàn)中采用的切削深度很小，極薄的厚度無(wú)法形成帶狀切屑，而是產(chǎn)生粉屑。另一個(gè)原因可能是切削速度的差異造成的，回轉(zhuǎn)加工過(guò)程中，外側(cè)的實(shí)際切削速度稍大，經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，晶片外側(cè)和內(nèi)側(cè)的切削速度分別為440 m/min和377 m/min，因而外側(cè)的表面質(zhì)量更好，與前面得到的結(jié)論相一致。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)CsI晶體(110)晶面進(jìn)行納米壓痕試驗(yàn)、霍普金森壓桿試驗(yàn)以及超精密車削試驗(yàn)，獲得了以下的結(jié)論：

1）CsI晶體屬于典型的軟塑性材料，硬度低，維氏硬度只有100 MPa左右，彈性恢復(fù)系數(shù)約為0.03。當(dāng)應(yīng)變率從6 000 s–1提高到8 000 s–1時(shí)，CsI晶體的屈服強(qiáng)度增加了約7 MPa。高應(yīng)變率下，強(qiáng)度和硬度的提高有利于軟材料加工獲得良好的表面質(zhì)量。

2）CsI晶體有明顯的各向異性，沿不同方向車削，其表面質(zhì)量不同。在本試驗(yàn)中，沿270°方向車削可以使整體表面粗糙度低于20 nm，因此作為本試驗(yàn)的最佳車削方向。實(shí)際加工過(guò)程中，確定最優(yōu)車削方向有利于提高加工表面質(zhì)量。

3）本試驗(yàn)中選擇10°前角的金剛石車刀，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，進(jìn)給速度為4 μm/r，切削深度為2 μm時(shí)，可以獲得最好的表面質(zhì)量，平均表面粗糙度為8.53 nm，最大表面粗糙度為11.02 nm。使用0°前角的刀具時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，進(jìn)給速度為6 μm/r，切削深度為6 μm時(shí)，加工后的平均表面粗糙度為9.07 nm，最大表面粗糙度為17.36 nm。

4）通過(guò)提高切削速度，增大超精密車削過(guò)程中的材料應(yīng)變率，改善了軟塑性材料的可加工性，使CsI晶體的表面粗糙度降低了80%。結(jié)合優(yōu)選的車削方向、刀具前角、進(jìn)給速度和切削深度，獲得了在10 nm以下的光滑表面。

[1] CHA B K, HYUNG BAE J, LEE C H, et al. The Sensitivity and Spatial Resolution Dependence on the Microstructures of CsI: Tl Scintillation Layer for X-Ray Imaging Detectors[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectro-meters, Detectors and Associated Equipment, 2011, 633: S297-S299.

[2] RAO A R, PATIL M H, BHARGAVA Y, et al. Charged Particle Monitor on the Astrosat Mission[J]. Journal of Astrophysics and Astronomy, 2017, 38(2): 1-6.

[3] SUN Yu, SUN Zhi-yu, YU Yu-hong, et al. Temperature Dependence of CsI: Tl Coupled to a PIN Photodiode and a Silicon Photomultiplier[J]. Nuclear Science and Tech-niques, 2019, 30(2): 1-9.

[4] 陳靜. CsI: Tl光轉(zhuǎn)換機(jī)理及余輝特性的研究[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2015.

CHEN Jing. Research on Light Conversionmechanism and Afterglow Characteristics of CsI: Tl[D]. Chengdu: Unive-rsity of Electronic Science and Technology of China, 2015.

[5] 趙廣軍, 徐軍. 高光輸出快衰減高溫?zé)o機(jī)閃爍晶體的研究與發(fā)展[J]. 人工晶體學(xué)報(bào), 2002, 31(3): 291-297.

ZHAO Guang-jun, XU Jun. Developments of High Tem-perature Inorganic Scintillation Single Crystals with High Light Output and Fast Decay Time Constant[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2002, 31(3): 291-297.

[6] CHEN C C, CHEN S H, YANG J E, et al. High Aspect Ratio Single Crystal of Cesium Iodide Column[J]. ECS Transactions, 2016, 75(11): 25-31.

[7] MOUHTI I, ELANIQUE A, MESSOUS M Y, et al. Cha-racterization of CsI(Tl) and LYSO(Ce) Scintillator Detec-tors by Measurements and Monte Carlo Simulations[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2019, 154: 108878.

[8] RINALDI D, DEZI, SCALISE L, et al. Comparative Evaluation of Cesium Iodide Scintillators Coupled to a Silicon Photomultiplier (SiPM): Effect of Thickness and Doping on the Scintillators[C]//BIOMEP 2017. [s. l.]:IOP Publishing, 2017.

[9] WADENG I, SAENGKAEW P, YORDSRI V, et al. Growth and Characterization of Calcium-Doped Cesium Iodide (CSI:Ca) Optical Crystals for Radiation Detec-tion[J]. The International Society for Optical Engineering, 2019, 11028(38): 1-11.

[10] SEERAM E. Digital Mammography: An Overview[J]. Canadian Journal of Medical Radiation Technology, 2005, 36(4): 15-23.

[11] YANG Pin, HARMON C D, DOTY F P, et al. Effect of Humidity on Scintillation Performance in Na and Tl Activated CsI Crystals[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2014, 61(2): 1024-1031.

[12] MIANOWSKA Z, MOSZYNSKI M, DZIEDZIC A, et al. The Light Response of CsI: Tl Scintillators with Tl Con-centrations of 0.05wt% to 0.13wt% for a Temperature Range of 303 K to 203 K[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2019, 914: 165-172.

[13] GAO Hang, WANG Xu, GUO Dong-ming, et al. Rese-arch Progress on Ultra-Precision Machining Technologies for Soft-Brittle Crystal Materials[J]. Frontiers of Mecha-nical Engineering, 2017, 12(1): 77-88.

[14] 袁巨龍, 王志偉, 文東輝, 等. 超精密加工現(xiàn)狀綜述[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007, 43(1): 35-48.

YUAN Ju-long, WANG Zhi-wei, WEN Dong-hui, et al. Review of the Current Situation of ultra-Precision Machi-ning[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(1): 35-48.

[15] ALTUKHOV A A, AFANAS'EV M S, KVASKOV V B, et al. Application of Diamond in High Technology[J]. Inorganic Materials, 2004, 40: S50-S70.

[16] PANIZZA M, CERISOLA G. Application of Diamond Electrodes to Electrochemical Processes[J]. Electrochi-mica Acta, 2005, 51(2): 191-199.

[17] FUNG K Y, TANG C Y, CHEUNG C F. Molecular Dynamics Analysis of the Effect of Surface Flaws of Diamond Tools on Tool Wear in Nanometric Cutting[J]. Computational Materials Science, 2017, 133: 60-70.

[18] ZHANG S J, TO S, WANG S J, et al. A Review of Sur-face Roughness Generation in Ultra-Precision Machining[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2015, 91: 76-95.

[19] YUAN Ju-long, LYU Bing-hai, HANG Wei, et al. Review on the Progress of Ultra-Precision Machining Technolo-gies[J]. Frontiers of Mechanical Engineering, 2017, 12(2): 158-180.

[20] GUO Jiang, ZHANG Jian-guo, PAN Ya-nan, et al. A Critical Review on the Chemical Wear and Wear Suppre-ssion of Diamond Tools in Diamond Cutting of Ferrous Metals[J]. International Journal of Extreme Manufactu-ring, 2020, 2(1): 012001.

[21] OBATA K. Single-Crystal Diamond Cutting Tool for Ultra-Precision Processing[J]. SEI Technical Review, 2016(82): 82-88.

[22] LIAO Lu, LI Guo, ZHANG Jun-jie, et al. Experimental Investigation of Cutting Parameters Dependence in Dia-mond Turning of Monocrystalline Silicon[J]. AIMS Mat-erials Science, 2019, 6(5): 635-645.

[23] 唐雙林, 楚翀, 賈魯. 鍺單晶球面鏡超精密車削加工研究[J]. 機(jī)械制造, 2019, 57(6): 29-30.

TANG Shuang-lin, CHU Chong, JIA Lu. Research on Ultra-Precision Turning of Germanium Crystal Spherical Mirror[J]. Machinery, 2019, 57(6): 29-30.

[24] CHEN Hao-feng, DAI Yi-fan, ZHENG Zi-wen, et al. Effect of Crystallographic Orientation on Cutting Forces and Surface Finish in Ductile Cutting of Kdp Crystals[J]. Machining Science and Technology, 2011, 15(2): 231-242.

[25] ZHANG Shuo, ZHANG Hai-jun, ZONG Wen-jun. Mode-ling and Simulation on the Effect of Tool Rake Angle in Diamond Turning of KDP Crystal[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2019, 273: 116259.

[26] 朱筱群. CaF2晶體非球面光學(xué)元件超精密車削工藝研究[D]. 西安: 西安工業(yè)大學(xué), 2007.

ZHU Xiao-qun. The study of Super-Precision Turning Process for Aspheric Optical Elements Made of CaF2[D]. Xi'an: Xi'an Technological University, 2007.

[27] FANG F Z, VENKATESH V C, ZHANG G X. Diamond Turning of Soft Semiconductors to Obtain Nanometric Mirror Surfaces[J]. The International Journal of Adva-nced Manufacturing Technology, 2002, 19(9): 637-641.

[28] HUANG Wei-hai, YAN Ji-wang. Surface Formation Mec-hanism in Ultraprecision Diamond Turning of Coarse- Grained Polycrystalline ZnSe[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2020, 153: 103554.

[29] 耿瑞文, 謝啟明, 張萬(wàn)清, 等. 硒化鋅晶體超精密切削材料去除機(jī)理研究[J]. 紅外與激光工程, 2021, 50(6): 146-155.

GENG Rui-wen, XIE Qi-ming, ZHANG Wan-qing, et al. Study on the Material Removal Mechanism of ZnSe Crystal via Ultra-Precision Diamond Turning[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(6): 146-155.

[30] 姜文彬. CaF2晶體各向異性特性分析及切削仿真[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.

JIANG Wen-bin. Analysis on Mechanical Property of Anisotropy of Crystal CaF2and Simulation of Cutting Process in the Ductile Mode[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009.

[31] LIU Qi, LIAO Zhi-rong, AXINTE D. Temperature Effect on the Material Removal Mechanism of Soft-Brittle Crys-tals at Nano/Micron Scale[J]. International Journal of Mac-hine Tools and Manufacture, 2020, 159: 103620.

[32] 閆富有. 碘化銫晶體內(nèi)圓鋸切中微量潤(rùn)滑技術(shù)的應(yīng)用[J]. 機(jī)電信息, 2019(21): 88-89.

YAN Fu-you. Application of Minimal Quantity Lubrica-tion Technology in Circular Saw Cutting of Cesium IodideCrystal[J]. Mechanical and Electrical Information, 2019(21): 88-89.

[33] 殷際東. 碘化銫晶體的拋光研究[D]. 沈陽(yáng): 沈陽(yáng)理工大學(xué), 2017.

YIN Ji-dong. Research on Polishing Technology for CSI Crystals[D]. Shenyang: Shenyang Ligong University, 2017.

[34] 殷際東, 呂玉山, 劉新偉, 等. 碘化銫晶體的水解拋光實(shí)驗(yàn)研究[J]. 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 36(3): 77-80.

YIN Ji-dong, LYU Yu-shan, LIU Xin-wei, et al. Polishing Experiments Based on the Hydrolysis of Cesium Iodide Crystal[J]. Journal of Shenyang Ligong University, 2017, 36(3): 77-80.

[35] OXLEY P L B. A Mechanics of Machining Approach to Assessing Machinability[C]//Proceedings of the 22nd Inter-national Machine Tool Design and Research Conference. [s. l.]:Macmillan Publishers, 1982.

[36] 張克國(guó), 劉勇, 王延剛. 高速切削過(guò)程材料變形的應(yīng)變率研究[J]. 航空學(xué)報(bào), 2018, 39(3): 258-264.

ZHANG Ke-guo, LIU Yong, WANG Yan-gang. Strain Rate on Material Deformation in High Speed Metal Cut-ting Process[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2018, 39(3): 258-264.

[37] WANG Bing, LIU Zhan-qiang, SU Guo-sheng, et al. Inv-estigations of Critical Cutting Speed and Ductile-to-Brittle Transition Mechanism for Workpiece Material in Ultra-High Speed Machining[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2015, 104: 44-59.

Mechanical Properties and Ultra-precision Turning of Cesium Iodide Crystal

1,1,1,1,2

(1. a. School of Mechanical Engineering, b. Center for Advanced Jet Engineering Technologies, c. Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture Ministry of Education, Shandong University, Jinan 250061, China; 2. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066004, China)

This work aims to reveal the mechanical properties of CsI (cesium iodide) crystal on (110) plane and the influ-ence of turning parameters on surface roughness in an ultra-precision turning process. Firstly, the mechanical properties under quasi-static and high strain rates were obtained and analyzed by nano-indentation and split Hopkinson pressure bar (SHPB) experiments, respectively. Then, single point diamond turning (SPDT) experiments on crystal were conducted in different cutting orientations with different turning parameters. Meanwhile, white light interferometer, dynamometer and infrared thermal imager were utilized to measure the machined surface roughness, cutting force, and cutting temperature during the ultra-preci-sion turning process, respectively. Experimental results show that CsI crystal mainly undergoes plastic deformation during the indentation process without obvious brittle cracks and the elastic recovery coefficient is 0.03. The Vickers hardness of (110) crystal plane is about 100 MPa. These results indicate that CsI crystal is one kind of typical soft and ductile materials. In SPHB experiments, when strain rate increases from 6 000 s–1to 8 000 s–1, the yield strength of crystal increases by 7 MPa, which proves that the hardness and strength of this material can be improved by high strain rate. In the turning experiments, overall surface roughness below 20 nm was obtained by turning along the orientation of 270°, while along the turning orientations of 0°, 90°, 180°, surface roughnessof some positions on the machined crystal reached 80 nm. The results of response surface experiment along this direction indicate that the best surface quality can be obtained when the tool rake angle is 10°, rotational speed is 2 000 r/min, feed rate is 4 μm/r, and the depth of cut is 2 μm. The mean surface roughness is8.53 nm, and the maximum surface roughness is11.02 nm. When utilizing a 0° rake angle tool, and the rotational speed is 3 000 r/min, feed rate is 6 μm/r, and the depth of cut is 6 μm, a finish surface can also be obtained. The mean surface roughness is9.07 nm, and the maximum surface roughness is17.36 nm. The negative rake angle tool is not suitable for turning the CsI crystal. As for the influence of turning parameters, the surface roughness is mainly affected by the rotational speed (cutting speed) in the experiments, and higher cutting speed is beneficial for better machined surface. However, the impact of feed rate and depth of cut on the surface roughness is not significant. The machining efficiency can be raised by relative high feed rate and large depth of cut in the rough machining process. Through above experiments and analysis, it can be concluded that the CsI crystal is a kind of ductile material with low hardness. The strength and the hardness increase significantly under high strain rate. Increased cutting speed and strain rate in the ultra-precision turning process improved the machinability of soft and ductile materials, and the surface roughness of the CsI crystal was reduced by 80%. A smooth surface below10 nm was obtained by combining with other optimized turning parameters, such as the turning orientation, tool rake angle, feed rate and depth of cut.

cesium iodide crystal; ultra-precision turning; surface roughness; mechanical properties; anisotropy; high strain rate

TG501

A

1001-3660(2022)10-0284-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.10.030

2021–11–09；

2022–03–09

2021-11-09；

2022-03-09

國(guó)家自然科學(xué)基金（52075302, 51875321）

The National Natural Science Foundation of China (52075302, 51875321)

孫旭峰（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槌芮邢骷夹g(shù)。

SUN Xu-feng (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: ultra-precision cutting technology.

姚鵬（1979—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)槟ハ髋c超精密加工技術(shù)、多能場(chǎng)復(fù)合精密加工技術(shù)、激光微納加工技術(shù)、智能制造與檢測(cè)技術(shù)。

YAO Peng (1979-), Male, Doctor, Professor, Research focus: grinding and ultra-precision machining technology, multi-energy field complex precision machining technology, laser micro-nano machining technology and intelligent manufacturing and detection technology.

孫旭峰, 姚鵬, 王慶偉, 等. 碘化銫晶體的力學(xué)性能和超精密車削研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(10): 284-292.

SUN Xu-feng, YAO Peng, WANG Qing-wei, et al. Mechanical Properties and Ultra-precision Turning of Cesium Iodide Crystal[J]. Surface Technology, 2022, 51(10): 284-292.

責(zé)任編輯：劉世忠