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單晶硅非球面超精密加工機理與關鍵工藝技術研究

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2020-04-15 訪問數:

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單晶硅非球面是紅外光學系統中不可或缺的光學元件,廣泛應用于各種光學系統,如:夜視儀、導彈導引系統等。然而目前單晶硅非球面的加工周期長,重復性、穩定性難以保證。

金剛石車削是應對非球面加工的有效手段。然而單晶硅與金剛石的親和性使得刀具使用過程易磨損,使得加工表面產生裂紋等瑕疵,與此同時也會有切削刀紋殘留,影響成像質量。需引入拋光技術,進一步提高加工質量。磁流變拋光是應對非球面加工的有效方法。磁流變拋光與超精密切削技術的結合,在彌補磁流變拋光非球面加工效率的同時,可消除單晶硅金剛石切削表面的刀紋殘留,有效去除表面脆性裂紋,減小單晶硅加工表面損傷,提高加工精度和表面粗糙度。

因此,本研究意欲將金剛石切削技術和磁流變拋光技術相結合,解決單晶硅非球面光學元件的超精密加工問題。

1  單晶硅非球面切削機理與工藝方法

切削過程,單晶硅材料在刀具刃口作用下的微觀塑性變形與去除機制決定了加工表面質量的優劣。通過構建車削仿真計算(1),研究了單晶硅切削表面的形成機制。結果表明切削后的材料表面恢復會提高材料在刀具刃口作用下的側向流動,從而間接的提高加工表面粗糙度(PV’’變為PV2’’)。然而,總體上,材料的恢復減小了加工表面粗糙度(減小值為rs),而側流是引起加工表面粗糙度偏離理想量值的主要因素。相關模擬計算結果已經通過了實驗驗證。在切削加工時,選用較小的負前角可保證單晶硅塑性域切削的同時,抑制側流,提高切削表面粗糙度。

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與此同時,金剛石刀具切削過程中的耐用度,決定了單晶硅非球面優質切削表面質量與較高加工精度的獲得。因而,從刀具耐磨損角度,針對切削參數與刀具幾何參數進行了系統性的優化,結果表明,提高切削速度、進給率,并適當的較小吃刀量,可實現較大尺寸單晶硅的切削。在刀具幾何參數的優選方面,采用大刀尖半徑可使刀具的磨損量迅速減小,這是由于切削區域變大,刀尖強度變高,相應的也能采用較大的進給,從而進一步提高了切削性能。與此同時,發現適當的負前角可較大程度上提高刀具耐用度,但進一步增大刀具負前角的大小,其耐磨損性能增加不明顯。綜上,從提高刀具耐用度角度出發,改善單晶硅非球面的切削表面質量,抑制刀具磨損對非球面切削精度的影響,所選擇的大尺寸單晶硅非球面的半精加工與精加工參數如圖2所示。加工結果表明,實現了單晶硅從霧面向鏡面的轉變,且加工表面粗糙度Ra4~6 nm,非球面加工表面面形PV0.73 μm。

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2  單晶硅非球面磁流變拋光機理與工藝方法

單晶硅磁流變拋光過程中,在拋光液流體動壓力及剪切力作用下,拋光顆粒對單晶硅表面產生微小塑性去除。單晶硅很難與現有磁流變拋光液體系發生化學反應,其材料去除機理以機械剪切去除為主。單晶硅材料表面較硬,極易產生劃痕,因此采用磁流變拋光技術,既需要提高去除效率,同時避免劃痕等缺陷產生。因此,比較了氧化鈰、金剛石水基磁流變拋光液的性能[3a],結果表明,氧化鈰拋光液去除效率低,拋光斑形態不佳,而金剛石拋光液去除率較高,且拋光斑形態較好。金剛石拋光液大大提高了單晶硅的去除效率,因而選擇金剛石拋光液有利于獲得有效的去除效率。

在優化拋光液體系時發現拋光液的黏度是影響缺陷形成的主要因素,鐵粉顆粒質量較大,當拋光液黏度較高、浸入深度較大或拋光輪轉速較高時,鐵粉顆粒將在單晶硅表面產生沖蝕損傷??刂启驶F粉粒徑、降低拋光液黏度、降低浸入深度和拋光輪轉速,都將有利于減小損傷。優化了磁流變拋光液體系和工藝參數[3b],采用黏度較低的超光滑金剛石拋光液,同時采用機械去除強度較低的工藝參數,實現了單晶硅表面低缺陷超光滑控制。

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3  單晶硅非球面金剛石切削與磁流變拋光的組合加工

形成了圖4所示的單晶硅非球面金剛石切削與磁流變拋光組合加工工藝方法,并實現了實驗驗證,加工結果如圖5所示,切削后的單晶硅非球面面形PV<1 μm,粗糙度Rq<6 nm。采用合理的磁流變拋光工藝對切削后的單晶硅進行拋光,拋光過程選用金剛石拋光顆粒,拋光后的面形PV<0.5 μm,粗糙度Rq<5  nm,表面近無缺陷,達到了產品的最終要求。

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