单晶硅微结构激光原位辅助金刚石车削低损伤加工机理与工艺研究

Surface damage and tool wear are two urgent issues in diamond turning of infrared optical elements microstructures of brittle materials. The proposal takes the processing of monocrystalline silicon microlens array as the research object, puts forward a new technology of laser assisted in-situ diamond turning, uses the laser direct heating cutting area and spray lubrication, improves the cutting performance of monocrystalline silicon, reduces the tool wear, improves the processing quality and controls the surface damage. The research contains include: analyzing the influence of laser energy density on the temperature field, stress field and surface damage of single crystalline silicon, study on the relationship between laser heating and the silicon material removal process and crack formation. The multiscale simulation model of thermal-mechanical coupling for laser-assisted diamond turning is established, the mechanism of surface material migration and cutting deformation in machining process is revealed. The interaction and evolution process between diamond tool and workpiece interface are analyzed, and the micro-mechanical behavior of contact friction under interface action is clarified. Development of low damage machining technology of laser assisted diamond turning and its optimization technology, realize the high performance machining of single crystalline silicon microlens array surface quality. The research results can provide theoretical foundation and technical support for the surface processing of brittle materials, which is of great significance to develop infrared micro-optics technology.

表面损伤和刀具磨损是目前金刚石车削脆性材料微结构红外光学元件亟待解决的两大难题。项目以单晶硅微透镜阵列的加工为研究对象，提出激光原位辅助金刚石车削新方法，利用激光直接加热切削区域和喷雾润滑，改善单晶硅切削性能，减小刀具磨损，以提高加工质量，控制表面损伤。研究内容包括：分析激光功率对单晶硅的温度场、应力场及表面损伤的影响规律，研究加热裂纹生成机理与消除策略，揭示单晶硅激光原位辅助金刚石车削加工机理；构建与实际加工尺度相匹配的激光辅助金刚石车削热力耦合多尺度仿真模型，揭示加工过程中表面材料迁移与切削变形机理；分析加工过程中金刚石刀具与工件界面的相互作用及演变过程，厘清接触摩擦的微观力学行为与刀具磨损机理；开发激光辅助金刚石车削低损伤加工技术及其优化工艺，实现单晶硅微透镜阵列表面质量的高性能加工。研究成果可为脆性材料微结构表面加工提供理论基础和技术保障，对推动红外微光学技术的发展具有重要意义。

单晶硅由于其红外透过率良好、折射率高、色散好、熔点高、导热性好、材料均匀性好、密度低、化学性质稳定等特点在航空航天、红外探测、武器装备等领域中的应用越来越广泛。然而，作为一种典型难加工材料，单晶硅具有高脆性和低韧性的特点，表面损伤和刀具磨损是目前金刚石车削单晶硅微结构红外光学元件亟待解决的两大难题。因此，研发降低单晶硅加工损伤和刀具磨损的金刚石超精密切削技术及工艺迫在眉睫。项目开发了一种激光原位辅助金刚石车削新技术，利用激光直接加热切削区域和喷雾润滑，改善单晶硅微透镜阵列切削性能，减小刀具磨损，以提高加工质量，控制表面损伤。首先，设计完成激光原位加热辅助单晶硅超精密切削加工平台，建立激光加热单晶硅温度场模型，仿真分析激光功率、主轴转速对单晶硅内部温度场分布及表面热应力的影响规律，得出单晶硅温度场、传热深度及表面损伤的关系。然后，建立激光辅助条件下单晶硅离散元模型，通过单晶硅高温压痕、划痕试验，依据裂纹变化规律研究温度对单晶硅损伤的抑制作用；分析亚表面晶体结构变化对材料塑性变形的影响，探索单晶硅高温塑性变形机理，得到不同加工参数和温度变化对裂纹扩展的影响规律。接着，借助XPS/XRD/EDS等分析试验方法，探究刀具和工件界面相互作用和微观行为，对加工表面质量和刀具磨损机理进行了研究，得到刀具磨损形态、切削力与切削距离的关系；采用喷雾润滑方法改善加工过程润滑条件，通过对比试验得到具有良好效果的纳米颗粒材料。最后，开发激光辅助金刚石车削低损伤加工技术及其优化工艺，实现单晶硅微透镜阵列表面质量的高性能加工。项目完成14项成果，发表论文10篇（其中SCI检索7篇、1篇论文被评为“2019年福建省机械工程学会学术年会优秀学术论文奖”），授权专利4项（其中发明专利2项），培养硕士研究生7名。