一种晶体材料超精密车削加工损伤控制方法与流程

本发明涉及一种超精密车削加工方法。

背景技术：

金刚石车削可以追溯到20世纪40年代第二次世界大战时期，经过长期发展，已经成为现代超精密加工的核心技术之一，其应用领域也从军事国防扩展到科研与民用。在超精密机床与高硬度、高刚度刀具的保证下，金刚石车削能够完成十分准确的刀具运动，实现光学级表面加工，其面形精度与表面粗糙度分别可达亚微米与纳米量级。此外，超精密车削是目前光学自由曲面加工的最佳方案，与磨削相比，它不仅能够满足复杂的面形要求，还可以有效缓解加工损伤，减少甚至无需最终的抛光工艺。

不同材料的切削加工性能有很大差异，由于大多数晶体是脆性材料，因此在车削过程中极易发生断裂并造成表面破碎，严重影响产品质量。为了实现对晶体材料的塑性域加工，获得光学级产品表面，可以采用表面改性的方法降低工件表层的脆性，这一过程能够通过离子束辐照实现。在辐照过程中，材料会从结晶状态转变为非晶状态，机械强度与脆性降低，实现改性效果。但现有的辐照改性技术目标是形成单非晶层，其范围达到材料表面。这一过程需要大剂量的离子辐照，增加了制造成本。

附图说明

图1晶体车削缺陷控制示意图,a.晶体车削损伤的产生b.非晶层阻碍裂纹扩展

图2切削厚度与脆塑转变厚度关系示意图,a.金刚石车削材料去除厚度b.多层非晶结构可提高材料去除量

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是克服现有技术对辐照离子消耗量大、制造成本高的不足，结合超精密车削加工刀具与工件的相互作用过程，提出一种晶体材料超精密车削加工损伤控制方法。本发明通过控制辐照参数实现多层非晶结构，抑制加工中材料的脆性断裂破坏表面，有效降低离子辐照改性剂量。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种晶体材料超精密车削加工损伤控制方法，包括下列的步骤：

1)根据待加工材料、切削参数设计多层非晶系统，确定非晶层个数、深度及厚度，并利用蒙特卡洛数值方法模拟离子辐照过程，计算出离子源、注入能量与剂量参数组合。

2)根据计算的注入参数采用离子注入机或高能加速器进行离子辐照，完成材料内部多层非晶结构的制备，制成改性晶体；

3)结合刀具圆弧半径、切削深度、非晶层几何参数以及工件材料的脆塑转变厚度，确定车削允许的最大进给速率；

4)按照上述车削参数，对改性晶体进行平面加工。

注入参数可以如下：离子源为f，注入能量为160-400kev之间，注入剂量为9.5×10¹⁴-1.5×10¹⁵cm^-2。

本发由于采用以上技术方案，与现有技术相比具有以下优点：

(1)显著降低加工成本。现有技术中，单层非晶结构的形成需要很高的注入剂量。这是由于非晶化的形成需要在辐照过程中产生高密度的晶格损伤，而损伤密度在材料表面处很低。因此辐照过程中，虽然材料内部已经发生非晶化，但仍需不断增加离子剂量来保证非晶层扩展到表面。然而在本发明中，非晶层厚度小、个数多，且不要求扩展到材料表面，从而能够极大程度地降低辐照剂量与加工成本。

(2)更加充分地发挥离子辐照技术的灵活性与可控性。离子辐照技术能够精确地在材料内部指定深度实现特定浓度的外来粒子掺杂，有效保证了纳米级厚度、多层非晶结构对加工设备的高精度要求。对于不同的材料与金刚石车削参数，能够对非晶层个数以及每个非晶层的厚度进行灵活设计，从而调整材料对加工过程脆性断裂的抵抗能力。

具体实施方式

晶体材料在车削时的断裂产生于未加工表面一侧，如图1a所示。当裂纹在刀具作用下扩展延伸至已加工表面深度时，就会造成加工损伤。基于这一问题，本发明的技术方案是预先在材料中制备多个非晶薄层(见图1b)。表面附近的裂纹扩展到非晶层后会收到阻碍，停止或减慢其向材料内部的进一步运动，从而保护加工表面。根据不同材料与车削参数，灵活控制非晶层厚度、深度与个数，调整多层非晶系统对裂纹的阻碍能力。如对于高脆性材料，需要形成更多的非晶层保护加工表面。

对于圆弧形刃口的金刚石刀具，车削时的材料去除量在圆弧刃的不同位置是变化的，越接近未加工表面处切削厚度越大，也越容易发生脆性断裂。在一般的加工过程中，必须保证刃口整个范围内的最大切削厚度低于材料的脆塑转变厚度(见图2a)。当材料内部存在多层非晶后，虽然最大切削厚度可能超过脆塑转变厚度而发生断裂，但裂纹能够中止于较深的非晶层，无法破坏加工表面。同时需要保证非晶层处的切削量低于被加工材料的脆塑转变厚度，如图2b所示。

多层非晶采用离子注入技术实现其制备，通过特定的离子源、加速电压与注入剂量就能够获得准确的非晶层分布。该部分是材料科学与离子注入技术的基本知识，通过查阅相关参考文献获得[1,2]。

参考文献

[1]pelazl,marquésla,barbollaj.ion-beam-inducedamorphizationandrecrystallizationinsilicon.journalofappliedphysics2004；96(11)；5947-76.

[2]walshp,omeltchenkoa,kaliark,etal.nanoindentationofsiliconnitride:amultimillion-atommoleculardynamicsstudy.appliedphysicsletters,2003,82(1):118-120.

实施例如下：

1.根据待加工材料、切削参数设计多层非晶系统，确定非晶层个数、深度及厚度，并利用蒙特卡洛(采用srim软件实现)数值方法模拟离子辐照过程，计算出离子源、注入能量与剂量参数组合。

2.根据计算的注入参数采用商用离子注入机或高能加速器进行离子辐照，完成材料内部多层非晶结构的制备；

3.结合刀具圆弧半径、切削深度、非晶层几何参数以及工件材料的脆塑转变厚度，确定车削允许的最大进给速率；

4.按照上述车削参数，对改性晶体与普通晶体进行平面加工实验。

上述实施例的离子注入参数如下表：

附表1实施例中的离子注入参数

(注：切削深度1μm，刀具圆弧半径0.5mm)。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种晶体材料超精密车削加工损伤控制方法，包括：根据待加工材料、切削参数设计多层非晶系统，确定非晶层个数、深度及厚度，并利用蒙特卡洛数值方法模拟离子辐照过程，计算出离子源、注入能量与剂量参数组合；根据计算的注入参数采用离子注入机或高能加速器进行离子辐照，完成材料内部多层非晶结构的制备；结合刀具圆弧半径、切削深度、非晶层几何参数以及工件材料的脆塑转变厚度，确定车削允许的最大进给速率；按照上述车削参数，对改性晶体进行平面加工。

技术研发人员：张效栋;王金石;房丰洲
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2017.05.19
技术公布日：2017.09.26