碘化銫晶體的力學性能和超精密車削研究

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 a.機械工程學院 先進射流工程技術研究中心 b.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南 250061；2.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004）

研究碘化銫（CsI）晶體(110)晶面的力學性能和以及車削參數(shù)對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，獲得并分析CsI晶體(110)晶面在準靜態(tài)下和高應變率下的力學性能。采用單點金剛石車削（SPDT）的方法在不同的方向和車削參數(shù)對晶體進行超精密加工，并使用白光干涉儀、測力儀和紅外熱像儀分別測量超精密車削過程中已加工表面的粗糙度、切削力和切削溫度。CsI晶體在壓痕過程中主要發(fā)生塑性變形，且無明顯的脆性裂紋，其(110)晶面的維氏硬度約為100 MPa。當應變率從6 000 s–1提高8 000 s–1時，晶體的屈服強度提高了7 MPa。在試驗中，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、轉速為2 000 r/min、進給速度為4 μm/r、切削深度為2 μm時，可以獲得最好的表面質量，平均表面粗糙度為8.53 nm，最大表面粗糙度為11.02 nm。CsI晶體具有較強的塑性，且硬度低，高應變率下，材料的強度和硬度明顯提高。通過提高轉速即切削速度，增大超精密車削過程中的材料應變率，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%。結合優(yōu)選的車削方向、刀具前角、進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；力學性能；各向異性；高應變率

由于碘化銫（CsI）閃爍晶體具有良好的光學、力學和閃爍性能，廣泛應用在γ射線光譜分析、放射線照相術、各種探測器以及核醫(yī)學成像等方面[1-5]。CsI晶體具有良好的X射線或γ射線到可見光的轉換效率[6]，并且光產額高（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)勢面之一[9]，但本身硬度低，并且無解理面[10]，因此難以在加工中對CsI晶體進行定向。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）在通常的應用環(huán)境中基本不會潮解，并且能承受更大的機械和熱沖擊[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對其性能產生影響[12]。

由于CsI屬于低硬度材料，在磨削和拋光過程中，磨粒或拋光粉會劃傷或嵌入晶體表面，因此會降低材料加工后的表面質量[13]。單點金剛石車削技術（Single Point Diamond Turning，SPDT）起源于20世紀50年代，屬于應用較為廣泛的一項超精密加工技術[14]。由于金剛石具有高的強度和硬度、良好的耐磨性和低的摩擦系數(shù)，化學性質穩(wěn)定，因此超精密車削過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到30 nm，切削深度可以達到微米，甚至亞微米級，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、光學塑料以及部分光學晶體材料[19-21]。目前許多學者對光學晶體的超精密車削進行了相關的研究，主要包括單晶硅、單晶鍺和磷酸二氫鉀（KDP）晶體等。對于硬脆晶體材料，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到0.6 nm[23]；對于軟脆晶體材料，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對表面質量和切削力產生一定的影響[30]。同時，軟晶體材料的加工中也需要考慮溫度效應，因為溫度的升高會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]將微量潤滑技術應用于內圓鋸切中，解決了晶體加工中廢棄切削液污染和浪費的問題，同時通過調整加工參數(shù)，使切割后的晶體表面粗糙度下降到0.2 μm。該方法只是簡單切割出晶體形狀，表面粗糙度仍無法滿足精密光學領域的應用。沈陽理工大學的殷際東等[33-34]采用水解拋光的方法對CsI晶體進行加工，通過調整和優(yōu)化拋光液配比、轉速和壓強等工藝參數(shù)，可以使加工表面粗糙度低于20 nm，但是該過程關于溶液pH值等的研究尚不充分，并且無法保證加工效率和表面粗糙度同時滿足要求。雖然相關學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，但關于CsI晶體力學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，獲得并分析了CsI晶體(110)晶面在準靜態(tài)和高應變率下的力學性能。隨后在(110)晶面上開展了超精密車削試驗，首先確定了最佳的車削方向，然后進行了同時考慮刀具前角、轉速（切削速度）、進給速度和切削深度的響應曲面試驗，優(yōu)化試驗參數(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，本文對超精密車削CsI晶體過程中的切削力和切削熱也進行了研究。

1 試驗

1.1 碘化銫晶體的力學性能試驗

本文通過納米壓痕試驗和霍普金森壓桿試驗來研究CsI晶體(110)晶面的力學性能。其中，納米壓痕試驗使用的設備為微納米壓痕與劃擦試驗機（Nano Test Vantage）。試驗使用的材料為CsI:Tl晶體，尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，所有試驗均在(110)晶面上開展。試驗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。因為超精密切削中的力非常小，因此該納米壓痕試驗選取比較小的載荷進行。在5～30 mN每隔5 mN選取6組載荷進行試驗，保載時間為10 s，每個載荷進行6次重復試驗。壓痕結束后，使用3D 激光掃描顯微鏡VK-X200觀測壓痕形貌，放大倍數(shù)為1 000倍。

霍普金森壓桿試驗的設備型號為 ZDSHPB-15，試驗中使用的CsI:Tl晶體尺寸為2 mm×2 mm。試驗使用的壓桿為6 mm的鋁桿，設定的壓強分別為0.05、0.06、0.07 MPa，達到的應變率分別為6 123、7 170、8 115 s–1。

1.2 碘化銫晶體的超精密車削試驗

CsI晶體的超精密車削試驗包括(110)晶面最佳車削方向的確定以及刀具前角、轉速（切削速度）、進給速度和切削深度等4個因素的響應曲面試驗。超精密車削試驗在Moore Nanotech 350 FG 超精密加工中心上進行，夾具端面外圈每隔90°開有氣孔，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)見表1。試驗中通過Kistler三向測力儀5080A采集車削過程中的切削力，采集到的切削力信號使用30 Hz的截止頻率進行低通濾波。使用高速高分辨率制冷型顯微中紅外熱像測試分析系統(tǒng)FAST M200獲取切削過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測量獲得。整個試驗過程中采用干切方式，噴嘴處吹冷風，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，從晶片任意一側開始，沿逆時針方向每隔90°共4個位置進行超精密車削試驗（如圖1所示），比較沿4個方向加工后的表面粗糙度，獲取最佳的車削方向。試驗中使用0°前角的金剛石車刀，轉速為2 000 r/min，進給速度為4 μm/r，切削深度為6 μm。運用Design Expert軟件對四因素三水平響應曲面試驗進行設計。上述每組試驗均從晶片外側、中心、內側3個位置分別測量表面粗糙度，比較每組試驗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

在試驗過程中，使用紅外熱像儀記錄車削過程中刀尖附近的溫度變化，使用測力儀實時采集車削過程中的切削力信號。測量發(fā)現(xiàn)，該晶體車削過程中的切削力維持在較低水平，除了機床啟動和停止的瞬間，由于加速度的原因出現(xiàn)力信號的突變外，整個切削過程中，沒有采集到切削力信號的變化，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，同時晶片是吸附在夾具外圈的某一位置，整個車削過程屬于斷續(xù)切削，所以切削力和產生的切削熱都很小，且沒有顯著變化。同時，機床啟動時有冷風吹出，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程中，可以忽略切削力和切削熱對加工結果的影響，后續(xù)試驗只對碘化銫晶體的已加工表面粗糙度進行測量。

圖2 CsI晶體超精密車削過程中的切削力

圖3 CsI晶體超精密車削過程中的切削溫度

2 結果和分析

2.1 力學性能分析

CsI晶體(110)晶面納米壓痕試驗的載荷–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相同。在卸載之后，壓入深度的彈性恢復系數(shù)約為0.03，說明該過程材料主要發(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，壓痕處均沒有出現(xiàn)明顯的脆性裂紋，進一步證實了CsI晶體具有一定的塑性。各組載荷對應的CsI晶體(110)晶面的維氏硬度如圖6所示。可以看出，CsI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。由納米壓痕的試驗結果驗證了CsI晶體是一種軟塑性材料，因而在加工過程中不需要考慮脆塑轉變的問題。

考慮到CsI晶體材料硬度很低的特性，為了保證得到試驗結果，因而在進行(110)晶面的SHPB試驗時，選用的壓強很小，0.05～0.07 MPa的壓強便可以達到6 000～8 000 s–1的應變率。不同應變率下，CsI晶體(110)晶面的應力–應變曲線如圖7所示。可以看出，隨著應變率的增加，晶體的屈服強度提高了約7 MPa。因為實際加工過程中的轉速或切削速度越高，應變率也越高[35-36]。由此可得，提高切削速度和應變率會增加CsI晶體的強度和硬度，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 不同應變率下CsI晶體(110)晶面的應力–應變曲線

2.2 車削方向和車削參數(shù)對表面粗糙度的影響

在CsI晶體(110)晶面上沿不同方向進行的4組超精密車削試驗的試驗結果見表4，4組試驗中心區(qū)域的白光干涉表面形貌如圖8所示。試驗結果表明，沿270°方向車削，可以獲得最好的表面質量，整體表面粗糙度低于20 nm。沿不同方向車削后，材料的表面質量有所差異，體現(xiàn)了CsI晶體力學性能的各向異性。因此，為了保證材料加工后的表面質量，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，具有較高的表面質量，因此是該晶片相對最優(yōu)的切削方向。

表4 沿不同方向車削的表面粗糙度結果

Tab.4 Results of surface roughness in different turning orientations

在(110)面上進行的響應曲面試驗選取的因素及其水平見表5，具體的試驗設計及對應的表面粗糙度結果見表6。平均粗糙度表示測量表面的整體質量，最大表面粗糙度表示該參數(shù)下測量表面的最低質量水平。

圖8 (110)晶面沿不同方向進行超精密車削的白光干涉圖像

在實際的X射線三維顯微鏡應用中，要求晶片的表面粗糙度低于20 nm，以此為優(yōu)化目標，對響應曲面試驗結果進行優(yōu)化。由表6中可得，選擇10°前角的金剛石車刀、轉速為2 000 r/min、進給速度為4 μm/r、切削深度為2 μm時，可以獲得最好的表面質量。此時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：轉速為3 000 r/min，進給速度6 μm/r，切削深度6 μm。此時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。

響應曲面試驗獲得的平均表面粗糙度和最大表面粗糙度與各參數(shù)間的關系均為線性，表明各因素之間無交互作用。然后對該試驗進行單因素分析，各車削參數(shù)在無量綱區(qū)間上對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。可以看出，轉速或切削速度（因素B）對表面粗糙度的影響最顯著，轉速越高，表面粗糙度越低，獲得的表面質量越好。這可能是由于轉速或切削速度的增加，引起應變率的提高，使材料的強度和硬度提高，從而改善了材料加工后的表面質量。結合表6中13—16組的試驗數(shù)據可以看出，其他因素不變的情況下，轉速從1 000 r/min增加到3 000 r/min時，平均表面粗糙度降低了約80%。刀具前角（因素A）對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，而負前角的刀具對于軟塑性材料來說則不太適用。進給速度（因素C）和切削深度（因素D）對表面粗糙度整體的影響不顯著，進給速度的提高會使表面粗糙度略有上升，可以在實際加工中適當提高進給速度和切削深度來提高加工效率。

表5 響應曲面試驗的因素及其水平

Tab.5 Factors and levels of response surface experiments

表6 響應曲面試驗設計及其結果

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 時超精密車削的白光干涉圖像

圖10 車削參數(shù)對平均表面粗糙度的影響

圖11 車削參數(shù)對最大表面粗糙度的影響

試驗中還發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)晶片車削后，外側的表面粗糙度從外向內依次增加。整體來看，外側和中心區(qū)域的表面質量好，而內側區(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，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，而且試驗中采用的切削深度很小，極薄的厚度無法形成帶狀切屑，而是產生粉屑。另一個原因可能是切削速度的差異造成的，回轉加工過程中，外側的實際切削速度稍大，經過計算，當轉速為2 000 r/min時，晶片外側和內側的切削速度分別為440 m/min和377 m/min，因而外側的表面質量更好，與前面得到的結論相一致。

3 結論

本文通過對CsI晶體(110)晶面進行納米壓痕試驗、霍普金森壓桿試驗以及超精密車削試驗，獲得了以下的結論：

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，彈性恢復系數(shù)約為0.03。當應變率從6 000 s–1提高到8 000 s–1時，CsI晶體的屈服強度增加了約7 MPa。高應變率下，強度和硬度的提高有利于軟材料加工獲得良好的表面質量。

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

3）本試驗中選擇10°前角的金剛石車刀，轉速為2 000 r/min，進給速度為4 μm/r，切削深度為2 μm時，可以獲得最好的表面質量，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，當轉速為3 000 r/min，進給速度為6 μm/r，切削深度為6 μm時，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）通過提高切削速度，增大超精密車削過程中的材料應變率，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%。結合優(yōu)選的車削方向、刀具前角、進給速度和切削深度，獲得了在10 nm以下的光滑表面。

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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

國家自然科學基金（52075302, 51875321）

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

孫旭峰（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向為超精密切削技術。

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

姚鵬（1979—），男，博士，教授，主要研究方向為磨削與超精密加工技術、多能場復合精密加工技術、激光微納加工技術、智能制造與檢測技術。

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. 碘化銫晶體的力學性能和超精密車削研究[J]. 表面技術, 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.

責任編輯：劉世忠