激光輔助車削工藝參數對單晶硅表面質量的影響

郭彥軍 楊曉京 姚 同 康 杰 李茂忠

（1 昆明理工大學機電工程學院，昆明 650500）

（2 云南北方光學科技有限公司，昆明 650217）

文 摘 為了提高單晶硅激光輔助車削加工表面質量，通過開展激光輔助和常規車削加工試驗，結合表面粗糙度、表面形貌及拉曼光譜檢測，研究激光輔助車削技術對加工質量的影響?；谡辉囼灧椒?，研究單晶硅激光輔助車削工藝參數對表面粗糙度的影響；通過方差分析和極差分析評估各因素對表面粗糙度的影響。研究結果表明：與常規車削相比，激光輔助車削可有效提高加工表面質量，降低材料表面的殘余應力。主軸轉速、進給速度、切削深度和脈沖占空比對表面粗糙度的貢獻率分別為17.51%、44.48%、6.69%和14.70%。確定最佳加工參數組合如下：主軸速度為4 000 r/min，進給速度為2 mm/min，切削深度為5 μm，脈沖占空比為30%，最終獲得表面粗糙度Rq為2.4 nm的高質量表面。

0 引言

單晶硅因其優異的光學性能和機械性能而被廣泛應用于紅外光學系統，例如透鏡、棱鏡、窗口和濾光片等［1-3］。然而，由于其具有高硬度、脆性和低斷裂韌性等特點，單晶硅是一種典型的難加工材料［4］。F.Z.FANG 等［5-6］指出在延性切削模式下，單點金剛石車削可用于將單晶硅加工成具有復雜形狀的光學表面，但為獲得理想的表面質量，需要適當的加工參數。只有當未變形切屑厚度低于約100～500 nm的臨界延-脆轉變（DBT）深度時，才能進行這種延性切削過程［7］。SHARIF 等［8］發現，金剛石刀具在加工單晶硅時會遭受嚴重磨損，從而導致已加工表面質量和加工效率的降低。

激光輔助車削通過外部熱源在刀具前端對單晶硅材料局部進行加熱并使材料軟化，可實現具有高表面質量和低刀具磨損的切削工藝［9］。因此，激光輔助車削技術越來越多地被用于解決諸如單晶硅、硒化鋅等難切削材料的加工問題。H.MOHAMMADI等［10］開發了一種激光輔助車削（μ-LAM）方法并成功應用于單晶硅加工，激光輻照引起的熱軟化可確保加工后的低表面粗糙度，同時延長了刀具壽命。X.CHEN等［11］開展了單晶硅的激光輔助錐度切削試驗，當激光輻照功率為20 W 時，臨界延-脆轉變深度從150 nm（無激光條件）增加到395 nm，并且在加工表面的刀具-工件接觸區域檢測到高壓相變。D.RAVINDRA 等［12-13］研究了激光輔助車削加工工藝參數對單晶硅殘余應力和相純度的影響，在適當條件下，單晶硅已加工表面顯示出較低殘余應力、較高的相對相純度和相對結晶度。H.F.DAI 等［14］開展了單晶硅材料的激光輔助車削和普通車削的分子動力學模擬，研究結果表明激光輔助車削條件下的材料去除率、切削力和結晶度方面有所改善。H.MOHAMMADI 等［9-10］研究了激光和切削參數對單晶硅切削的影響，結果表明適當的激光和切削參數有利于減少刀具磨損并改善表面質量。

盡管研究者針對單晶硅激光輔助車削機理及工藝開展了一系列工作，但很少有研究對單晶硅激光輔助車削的最佳工藝參數進行系統分析，這對于激光輔助車削工藝的推廣十分必要。因此，本文通過開展激光輔助和常規車削加工試驗，結合表面粗糙度、表面形貌及拉曼光譜檢測，研究兩種車削技術對加工質量的影響?；谡辉囼灧椒?，研究單晶硅激光輔助車削工藝參數對表面粗糙度的影響。通過方差分析和極差分析評估各因素對表面粗糙度的影響，擬得到最佳加工參數組合。

1 實驗

采用的單晶硅（100）通過直拉法制備，樣品尺寸為Φ25.4 mm×3.5 mm，使用前通過化學機械拋光法處理，表面粗糙度均方根值（Rq）低于1 nm。在單點金剛石車床（Innolite Gmbh，IL300）上搭載ILPAC 激光系統，激光束波長為1 064 nm，光斑直徑為0.15～0.3 mm。共選用兩把金剛石刀具，刀具參數如表1所示。

使用輪廓儀（Taylor Hobson，PGI dimension XL）測量每次加工后的表面粗糙度Rq值，取多次測量的平均值作為Rq有效值。利用鎢絲燈掃描電子顯微鏡（TESCAN，VEGA-3SBH）和共焦顯微拉曼光譜儀（Renishaw inVia）對已加工表面進行檢測。光譜儀激光功率為10 mW，波長為532 nm，能夠測量到單晶硅表層厚度為350 nm 的相位及殘余應力信息，測量分辨率為1.8 cm-1，結合光譜擬合方法即可得到拉曼峰信息。

單晶硅激光輔助車削加工特性受諸多因素影響，如切削參數和激光參數，主軸轉速、進給速度和切削深度是主要切削參數，而脈沖占空比是影響激光功率的主要因素，因此，這4 個因素被列為控制因素。激光功率固定為10 W，通過調節脈沖占空比進行激光參數的控制，光斑直徑和激光-刀尖引導距離分別固定為0.3和0.5 mm。

首先開展常規車削和激光輔助車削的對比實驗，刀具為Tool I，實驗參數如表2 所示，對加工表面粗糙度、表面微觀形貌、相位進行檢測，以闡明激光輔助車削技術在單晶硅表面質量提升方面的有效性。隨后，基于正交試驗方法開展單晶硅的激光輔助車削實驗，采用了L1（644）標準正交表，刀具為Tool II，加工參數及水平設置如表3所示。

表2 常規車削和激光輔助車削對比實驗的參數Tab.2 Test parameters for comparison of CT and LAT

表3 正交試驗中的加工參數及水平Tab.3 Machining conditions and levels in orthogonal array

2 結果與分析

2.1 切削參數對表面粗糙度的影響

在表2 所示常規車削和激光輔助車削的對比實驗中，常規車削后的表面粗糙度值為6.3 nm，而激光輔助車削表面粗糙度值為2.7 nm。與常規車削相比，激光輔助車削后粗糙度降低了57.1%。兩種加工方式獲得的單晶硅加工表面形貌特征有所差異，通過肉眼可觀察到常規車削獲得的表面存在明顯的明暗相間現象。利用掃描電鏡對較暗區域進行觀測，發現該區域存在明顯車刀紋和凹坑，材料去除機理表現為脆性斷裂，如圖1（a）所示。出現明暗相間現象的是由于單晶硅材料的各向異性，不同晶向的DBT 深度存在差異。通過選擇最佳晶向進行飛切加工、采取保守加工參數均可使整個加工表面的材料去除機理為延性去除。然而，飛切加工無法完全適應單晶硅的光學加工，而選擇更低的進給速度意味著加工效率的降低。利用激光輔助車削技術對單晶硅進行加工能有效抑制裂紋出現，實現延性切削材料去除。在掃描電鏡下觀察到已加工表面整體十分光滑，僅有輕微車刀紋，無麻點凹坑，如圖1（b）所示，說明激光輔助車削可有效提高表面質量。

圖1 單晶硅已加工表面的微觀形貌Fig.1 Microscopy of machined surface of single crystal Si

2.2 拉曼光譜表征

單晶硅樣品的拉曼光譜如圖2 所示，位于520.507 cm-1處的峰值為單晶硅拉曼峰，將其與標準樣品的拉曼譜線進行對比可以發現二者的譜線基本一致，均在300 cm-1附近出現非晶峰，650 cm-1附近出現TO（W）和TA（X）單晶硅拉曼峰。因此，以520.507 cm-1作為單晶硅的特征峰位。

圖2 實驗和標準樣品的拉曼光譜Fig.2 Raman spectra of experimental and standard samples

圖3給出單晶硅加工前、常規車削以及激光輔助車削的拉曼光譜原始譜線?？梢钥闯?，加工后單晶硅表面的拉曼光譜630 和470 cm-1處微微隆起，這兩處為非晶硅的拉曼寬峰，300 cm-1處的非晶硅拉曼寬峰的峰強相比加工前有明顯降低，同時，在650 cm-1的TO（W）和TA（X）單晶硅拉曼峰也被淹沒。激光輔助車削和常規車削的拉曼譜線基本一致，不同的是常規車削拉曼光譜在300 和470 cm-1均出現微隆起，為非晶硅的拉曼寬峰，而激光輔助車削后的拉曼光譜僅300 cm-1附近出現非晶硅拉曼寬峰，在470 cm-1處未發現非晶硅特征峰。

圖3 單晶硅車削前后的拉曼光譜Fig.3 Raman spectra of single crystal Si before and after turning

通過Lorentz 分布函數擬合單晶硅拉曼峰，Gaussian分布函數擬合非晶硅拉曼峰，可得到單晶峰與非晶峰的峰位、半高寬以及峰值強度等信息。利用加工前后單晶硅拉曼峰的拉曼頻移可得到殘余應力信息，當殘余應力為壓應力時，拉曼峰向高波數方向移動；反之，當殘余應力為拉應力時，向低波數方向移動。單晶硅激光輔助車削后拉曼光譜擬合結果見圖4，可知，激光輔助車削加工后單晶峰峰位在520.71 cm-1處，同理計算得到常規車削后單晶峰的峰位位于521.21 cm-1。因此，認為無論是激光輔助車削還是常規車削，對材料表面造成的殘余應力均為壓應力，且常規車削的殘余應力要大于激光輔助車削。

圖4 激光輔助車削后工件表面拉曼光譜Fig.4 Raman spectra of machined surface under LAM

2.3 正交試驗結果分析

2.3.1 方差分析

正交表及實驗結果如表4所示，首先對實驗數據進行方差分析，以貢獻率作為指標研究加工參數對表面粗糙度影響的顯著性，如表5 所示?？梢杂^察到，主軸速度、進給速度、切削深度和脈沖占空比的貢獻率分別為17.51%，44.48%，6.69%和14.70%。進給速度對表面粗糙度起主要影響作用，進給速度對單晶硅DBT 深度影響較大，較低的進給速度有利于抑制裂紋，同時使材料表面更加充分地被激光輻照。增強了切削區域的軟化深度和程度。高強度的激光能量降低了刀具切削點之前材料硬度和強度，材料塑性增強。切削深度的貢獻率最低，這可能是由于脈沖激光輻照使材料內部的溫度沿深度方向降低而導致預熱不足使材料無法被充分軟化。

表4 正交表及實驗結果Tab.4 Orthogonal table and experimental results

表5 表面粗糙度的方差分析Tab.5 Analysis of variance of surface roughness

2.3.2 極差分析

根據表4的實驗結果，計算出與每個因素不同水平相對應的平均表面粗糙度，如表6所示。各因素對加工后工件表面粗糙度影響的大小，按升序排列依次為切削深度ap、脈沖占空比P、主軸轉速n、進給速度f。因此，具有最低表面粗糙度值的最優加工條件為：n=4 000 r/min，f=2 mm/min，ap=5 μm，P=30%。

表6 表面粗糙度的極差分析Tab.6 Range analysis of surface roughness

2.3.3 工藝參數對表面粗糙度的影響

工藝參數對表面粗糙度的影響如圖5 所示。表面粗糙度值隨主軸轉速的增加而減小，當切削區的溫度隨著主軸速度增加而增加時，材料剪切強度將會降低，這有利于機械加工。表面粗糙度隨著進給速度的增加而增加，在高進給速度下，切削系統的振動增強，并且刀尖和工件界面間的摩擦增大；由于激光能量密度的降低，材料不能充分軟化。隨著切削深度增加，表面粗糙度緩慢增加，進而導致切削力和切屑變形的增加；另一方面，切削區應力無法立即釋放，加劇刀具磨損并導致較差的表面質量。當脈沖占空比低于30%，工件處于未充分軟化狀態，當脈沖占空比增大時粗糙度逐漸減??；在30%的脈沖占空比下，表面粗糙度最小，此時由于高溫材料得到充分軟化，對實現延性域去除非常有利；但當脈沖占空比進一步增大時，表面粗糙度不降反升，這是因為此時的激光輻照產生的高溫會使材料發生相變，造成一定的熱損傷，影響其加工表面質量。

圖5 表面粗糙度的主效應圖Fig.5 Main effect plots of surface roughness.

2.4 實驗驗證

為驗證前文分析的準確性，開展了最佳加工參數組合的切削實驗，并進行粗糙度和掃描電鏡檢測。加工后的單晶硅表面未發現明暗相間現象，整個表面為鏡面，已加工表面相對光滑且無麻點、凹坑，材料去除機制為塑性變形。加工完成后的表面粗糙度Rq測量值可達到2.4 nm，其表面輪廓如圖6所示。

圖6 最佳加工參數下的表面輪廓Fig.6 Surface profile under optimal machining parameters

3 結論

（1）與常規車削相比，激光輔助車削加工可有效提高單晶硅加工表面質量，減小表面粗糙度值，降低材料表面殘余應力。

（2）影響表面粗糙度的主要因素是進給速度，其次是主軸速度，切削深度和脈沖占空比對表面粗糙度的影響較小。主軸轉速、進給速度、切削深度和脈沖占空比對表面粗糙度的貢獻率分別為17.51%、44.48%、6.69%和14.70%。

（3）確定了單晶硅激光輔助車削的最優加工參數組合如下：主軸速度為4 000 r/min，進給速度為2 mm/min，切削深度為5 μm，脈沖占空比為30%，最終獲得表面粗糙度Rq為2.4 nm的高質量表面。