單晶銅四棱錐光功能織構模芯的切削晶面設計及表面質量評價*

周 飛，許志龍，王大鎮，李 煌

(集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門 361021)

0 引言

表面功能織構在航空航天、機械電子、光學等領域都具有非常重要的應用價值和極其廣闊的應用前景。研究發現將光面晶體硅與表面光功能織構膜進行復合，光面晶體硅-光功能織構膜復合電池的光電轉換效率會有所提高[1-3]。表面光功能織構膜利用壓印技術制備需先加工出帶織構的模芯，再把模芯織構壓印到光學薄膜表面[4]。因此，光功能織構模芯的加工質量直接決定其織構膜的表面質量。微切削技術是采用微小型刀具實現超精密加工的一種微切削方式，具有加工精度高、可加工復雜形狀等特點[5-8]，是表面功能微織構的有效加工手段。

表面功能織構模芯材料大多數采用多晶銅制備，而多晶材料中存在的晶界、晶粒等微觀結構會影響位錯缺陷演化及亞表層損傷的形成及演變,進而影響多晶銅的加工精度及性能[9-10]。文獻[11]分別對單晶銅和多晶銅材料進行了金剛石車削正交切削實驗，發現單晶銅和多晶銅的表面質量和切削形貌都有著顯著差異，多晶銅由于晶界和內部晶粒的各向異性導致其加工的表面質量較差。單晶銅以其優異的力學性能和物理性能、良好塑性加工和抗疲勞等性能在精密儀器和電子領域具有重要的應用價值，是制作精密元件的理想材料[12]，相對于多晶銅而言，用于光功能織構模芯的加工材料可以取得更好的表面質量。

單晶銅沿不同晶體取向的原子排列周期性和疏密程度不同，導致單晶銅的力學、物理性能呈現各向異性。一些學者針對單晶材料各向異性的切削實驗和切削機理進行了大量的研究[13-18]。文獻[19]研究了材料的晶體取向在單晶銅和單晶鋁金剛石切削中對切削力和表面質量的影響，實驗結果表明：工件材料的晶體取向對切削力和表面粗糙度有較大的影響，采用超精密車削單晶銅(110)和(111)晶面時，發現其加工表面粗糙度明顯不同，加工(111)晶面的表面粗糙度要小于(110)晶面；沿著(111)晶面的切削力要小于(110)晶面的切削力；同時也發現沿著切削力較小的晶面加工對應的表面粗糙度也較小。文獻[20]采用單晶金剛石刀具車削實驗，沿著單晶銅 (001)，(110)，(111)三種晶面進行實驗研究分析，探究了不同晶面的表面粗糙度隨著加工晶面和進給速度的變化，同樣發現不同晶面的單晶銅車削表面質量是存在各向異性。綜上所述，單晶銅的各向異性引起的切削力變化會導致加工表面質量差異，切削力大小影響著表面粗糙度的大小。但是，大多數學者是采用實驗和仿真去研究單晶銅各向異性的切削加工特點進行基礎性機理分析研究，還沒有結合這種特性用于實際加工應用，去達到優化加工表面質量的效果。

本文在深入了解單晶銅晶體結構以及對單晶銅三種晶面間結合力的理論計算，得出(111)面的結合力最小；采用結合力最小的(111)晶面構建四棱錐織構的4個側面，規劃出四棱錐織構模芯的切削方案；并展開單晶銅四棱錐光功能織構模芯的表面質量評價，為獲得單晶銅四棱錐光功能織構模芯最佳表面質量提供相應的指導。

1 單晶銅四棱錐光功能織構模芯切削方案設計

1.1 單晶銅晶面原子結合力

單晶銅是典型的面心立方晶體結構，有8個頂點處的銅原子，6個面上的銅原子，由于相鄰晶胞間的原子共用原則，故一個單晶銅晶胞實際包含4個銅原子。單晶銅晶體在不同晶面上原子間的結合力不同，在受到外力作用時常常沿著晶面結合力較小的方向破裂。單晶銅原子之間結合力主要是由庫倫力作用[21]，單晶銅晶面原子之間結合力F(hkl)為：

F(hkl)=N(hkl)·S(hkl)·FK

(1)

式中，N(hkl)是晶面密度；S(hkl)是晶面面積；Fk是單晶銅原子之間的庫倫力，其大小與單晶銅晶面原子間距dhkl的平方成反比。

在晶體學基礎中，定義晶面密度N(hkl)是晶面上原子的個數N與晶面面積S(hkl)的比值[20]。在單晶銅結構中(100)，(110)，(111)晶面密度和晶面面積比值分別為：

(2)

(3)

晶面之間的距離稱為晶面間距，以dhkl表示單晶銅晶面之間的距離，單晶銅結構三種晶面間距模型，如圖1所示。

圖1 單晶銅結構三種晶面間距模型

得到單晶銅(100)，(110)，(111)晶面間距比值為：

(4)

將式(2)～式(4)代入式(1)中，即，單晶銅(100)，(110)，(111)晶面原子結合力比值為：

F(111 ):F(110):F(100)= 3:8:4

(5)

由單晶銅三種晶面結合力的計算分析，得出：單晶銅(111)面間結合力最小，(100)晶面結合力其次，(110)晶面結合力最大。

1.2 單晶銅四棱錐切削晶面設計

基于對三種晶面結合力的分析計算，可知：(111)晶面結合力最小，沿著這種晶面結合力較小的方向最容易發生塑性變形。基于此研究思路，選擇(111)晶面作為單晶銅四棱錐光功能織構模芯的4個側表面。目前最常用的四棱錐織構模芯加工方法是依次切削兩個互成90°切削方向V1、V2的V形槽來完成，當完成V1方向所有V形槽的加工，加工V2方向的V形槽;當完成V2方向所有V形槽的加工，得到四棱錐光功能織構模芯，如圖2所示。

圖2 四棱錐織構切削原理示意圖

實驗采用成形法利用單點金剛石V形刀具刨削單晶銅工件得到4個側面均為(111)晶面的四棱錐光功能織構模芯，需要確定單點金剛石V形刀具的刀尖角大小，切削基面及切削方向。(111)晶面的四棱錐織構切削原理，如圖3所示，β為單點金剛石V形刀具刀尖角。

圖3 (111)晶面的四棱錐織構切削原理示意圖

β=180ο-∠ADO-∠BDC=70.5°

(6)

即，單點金剛石V形刀具刀尖角β取70.5°。

2 單晶銅四棱錐光功能織構模芯切削試驗

2.1切削條件設置

(1)實驗裝置

實驗采用自主搭建的超精密五軸加工機床，如圖4所示。驅動裝置中的X向、Y向采用直線電動機驅動，其優點是：定位精度高、加速度大、磨損小、可靠性好，其定位精度可達0.1 μm，最大運動速度分別為：X軸450 mm/s、Y軸450 mm/s，工作行程為：X軸為400 mm、Y軸為400 mm；驅動裝置中控制刀具上下移動方向的Z向采用直線電機伺服控制系統，具有移動精度高、易于控制等優點，其定位精度可達0.1 μm；Z軸最大速度100 mm/s；驅動工作臺的U軸由旋轉電機控制，轉動范圍為：0～360°，轉動速度90 °/s；工件與刀具安裝的相對位置，通過Z軸調整切削深度，由工作臺Y方向移動完成主切削運動，U軸實現不同方向的切削加工，變角度工件裝夾裝置可以實現工件繞Y軸不同角度的切削加工，轉動范圍：-60°～60°。

(a)超精密五軸加工機床 (b)精密移動平臺圖4 實驗裝置

(2)刀具和材料

刀具采用單晶金剛石，具有優良的耐磨性、穩定的化學性能等，是微切削加工常用的刀具類型，單晶金剛石材料特性如表1所示。實驗采用成形法精密刨削形成四棱錐光功能織構模芯，V形單晶金剛石刀具前角為0°，其目的是減小刀具形狀誤差對成形法刨削精度的影響；基于前面的計算結果，選用刀具的刀尖角度β為70.5°，刀具幾何主要參數如表2所示。選擇的工件是單晶銅材料，其物理特性如表3所示。

表1 單晶金剛石材料參數[22]

表2 刀具幾何參數

表3 工件材料特性

(3)切削參數及檢測設備

根據精密刨削的特點，實際切削速度即為Y軸的運動速度。為了避開中速切削產生積削瘤，經預實驗選擇主切削速度為60 mm/s。為了保證得到的表面質量較好，每個方向V形槽的切削采用多步切削工藝；同時，為了提高加工效率采用粗切削后再進行精切削的加工方式，精切削的切削深度為1 μm。檢測設備選擇基恩VK-1000X 3D激光共聚焦顯微鏡：主要用于加工后表面的粗糙度檢測；phenom XL掃描電鏡:主要用于加工后表面形貌的檢測分析。

3.2 切削實驗

實驗采用成形法利用V形單晶金剛石刀具首先對單晶銅工件不同晶面進行A、B、C三組微刨削V形槽試驗，分別形成(111),(110)和(100)三種晶面的加工表面；當完成A、B、C三組V形槽切削加工后，以單晶銅工件(001)晶面為基準面，將工件繞Z軸旋轉90°刨削V形槽，最終形成4個側表面均為(111)晶面的四棱錐光功能織構模芯。

四棱錐光功能織構模芯加工過程具體為：采用刀尖夾角為70.5°的V形單點金剛石刀具進行微刨削單晶銅試驗，單點金剛石刀具首先在單晶銅工件(100)面上完成V形槽刨削形成(111)晶面的加工表面后，緊接著單晶銅工件繞Y軸順時針旋轉54.75°進行刨削形成單側(100)晶面的加工表面，然后工件繞Y軸逆時針旋轉35.25°進行刨削形成單側(110)晶面的加工表面，三組V形槽均加工至140 μm切削深度；最后，單晶銅工件繞Z軸旋轉90°刨削V形槽，當完成(100)面上的V形槽切削后，最終形成4個側表面均為(111)晶面的四棱錐光功能織構模芯，四棱錐光功能織構模芯切削過程，如圖5所示。

(a) 單晶銅工件 模型圖 (b) 三種晶面切削 示意圖 (c) 四棱錐光功能織構 切削示意圖

選用激光共聚焦顯微鏡分別測量A、B、C三組V型槽單側3個區域：上，中，下部位表面粗糙度，單晶銅A、B、C三組表面粗糙度檢測位置，如圖6所示。

圖6 單晶銅三種晶面粗糙度檢測位置

A、B、C三組3個側面采樣區域所測得的表面粗糙度，如圖7所示。

圖7 單晶銅不同加工晶面的表面粗糙度

結果表明，形成的(111)晶面加工表面獲得平均表面粗糙度最小；(100)晶面的加工平均表面粗糙度次之；(110)晶面的加工平均表面粗糙度最大。其主要原因是由于晶體取向的變化，加工表面粗糙度的變化與晶面間結合力特性之間一致性，較小結合力對應于較小的表面粗糙度。

3 四棱錐光功能織構模芯表面質量評價

3.1 四棱錐織構模芯表面粗糙度

單晶銅四棱錐光功能織構模芯的表面粗糙度會直接影響陷光膜的光功能，采用激光共聚焦顯微鏡測量四棱錐織構模芯側面粗糙度Ra。為評價單晶銅四棱錐光功能織構模芯的表面質量，如圖8所示依次選取3個區域:A1、A2、A3的單晶銅四棱錐織構模芯單元作為采樣區域；每個單晶銅四棱錐織構模芯單元檢測區域分別為：區域1、區域2、區域3、區域4，每個區域分別選取上、中、下3個位置檢測其表面粗糙度并取其平均粗糙度，檢測結果如表4所示。

(a) 單晶銅四棱錐織構 模芯二維圖 (b) 單晶銅四棱錐織構 模芯三維圖

表4 四棱錐光功能織構模芯表面粗糙度Ra

結果表明，采用單晶金剛石刀具微刨削得到4個側面均為(111)晶面的四棱錐光功能織構模芯，平均表面粗糙度達到6.57 nm,符合光功能表面織構表面質量要求。

3.2 四棱錐織構模芯逆反射比表面積

單晶銅四棱錐織構模芯的切削加工會在四棱錐棱邊上形成毛刺等缺陷，這些模芯加工缺陷會復制到四棱錐光功能織構膜上，形成無效逆反射區域，如圖8所示。定義原始模逆反射比表面積KS為有效光功能投影面積與底面積的比值[23]，其中有效光功能投影面積為去除棱邊毛刺投影面積部分。

(7)

式中，a為四棱錐單元底邊長度，Li為四棱錐單元棱邊毛刺投影長度，n為四棱錐織構單元數，hi為毛刺投影寬度。如圖8所示依次選取3個區域:A1、A2、A3的單晶銅四棱錐織構模芯單元作為采樣區域，由逆反射比表面積的計算公式算出KS值，如表5所示。

表5 逆反射比表面積KS

結果表明，采用單晶金剛石刀具微刨削4個側面為(111)的四棱錐光功能織構模芯，平均逆反射比表面積平均值KS=96.6%，滿足光功能織構的逆反射要求。

4 結論

(2)通過對單晶銅微刨削三種晶面加工表面的表面質量分析，得出(111)加工表面的粗糙度最小，與晶面結合力具有一致性，較小晶面結合力對應較小表面粗糙度。

(3)通過單晶銅微刨削四棱錐光功能織構模芯，對四棱錐光功能織構模芯的表面質量和逆反射比表面積KS進行了分析評價，驗證了沿著這種切削方案的可行性，為獲得單晶銅四棱錐光功能表面織構切削基面及切削方向的確定提供了依據。