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超精密切削氟化钙时单晶金刚石刀具的磨损研究

浏览:1033    时间:2018-05-11    来源:

氟化钙(CaF2) 晶体在深紫外波段具有高透过率、低双折射率等优异性能使它成为深紫外光刻机光刻物镜系统所必需的光学材料之一,相比常规的光学材料( K9、熔石英等),CaF2晶体为典型的单晶软脆材料,其质地软、温度膨胀系数大、脆性高和各向异性等材料特性。


传统光学加工CaF2晶体难以满足深紫外光刻物镜的表面质量要求,超精密切削技术具有高效率、可加工复杂面形和无杂质嵌入的加工特性,使它可以代替传统光学研抛工艺,为后续的磁流变、离子束高精度修形工序提供粗加工。因此,对CaF2晶体超精密切削技术提出如下要求:

①实现CaF2晶体延性域切削,使工件表面光滑,粗糙度达到纳米级,面形精度进入干涉仪测量范围

②在大口径CaF2 晶体切削过程中,避免刀具磨损对切削表面质量的影响,得到全口径一致性超光滑的切削表面。当前,国内外对脆性晶体的超精密切削研究主要集中在单晶硅、碳化硅等几种材料上,研究人员对切削这些材料的刀具磨损机理和影响进行了研究。


为此,为了掌握CaF2晶体延性域切削过程中的刀具磨损演变过程以及其对切削模式的影响,为大口径CaF2晶体超精密切削提供技术支持,本文对CaF2晶体进行了超精密切削实验,在切削一定的路程长度后,采用光学显微镜对金刚石刀具和切削表面的微观形貌进行了观测,使用白光干涉仪、三维动态测力仪分别对切削表面粗糙度和切削力进行了测量分析了刀具磨损随切削路程的演变过程,探讨了刀具磨损机理,通过分析刀具磨损对切削表面形貌、切削力的影响探讨了刀具磨损对切削模式的影响。


一、实验设备及过程

1、实验与检测设备

CaF2晶体超精密切削实验在超精密车床上进行,切削实验示意图如图1所示:

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工件CaF2晶体通过热熔胶粘贴于铝盘上,铝盘通过真空吸盘安装于车床主轴上,三维动态测力仪,安装在金刚石刀架下面,测力仪所测力信号通过信号器放大,然后通过Sony PC204Ax记录,最后,切削力数据传输到计算机上进行在线显示和分析。采用光学显微镜对金刚石刀具和工件切削表面的微观形貌进行观测:用白光干涉仪对工件切削表面粗糙度进行测量。


2、工件样品及制备

工件氟化钙晶体 ( 中非人工晶体研究院 ) 为紫外级,它的主要材料特性及其跟金刚石刀具的对比见表1,从表中可以看出,相比于金刚石刀具,CaF2晶体的机械特性为软脆晶体,且其热导率低、热膨胀系数大,对超精密加工过程提出了严格的工艺要求。


实验工件通过XRD射线仪定向于晶面,样品尺寸为<50mm×10mm,预先通过传统的研磨、抛光工艺加工工件毛坯,为超精密切削实验提供表面光滑一致的样品。


3、金刚石刀具

刀具磨损实验中所采用的刀具为天然金刚石圆弧刀具,其主要参数如下:刀尖圆弧半径为1mm,前角为0°,后角为7°,新刀具刀刃的SEM微观形貌如图2所示。

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4、实验过程

对CaF2晶体延性域切削工艺参数优化的研究,得出CaF2晶体实现延性域切削的最小临界切削厚度为115nm,当最大未变形切削厚度dmax小于此临界值时,切削过程一般为延性域切削。其中,圆弧刀具最大未变形切削厚度的计算公式为:

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在进行不同循环次数的端面切削实验后,分别对金刚石刀具和工件表面进行观测。


二、实验结果与分析

1、刀具形貌演变过程

图3为经历不同切削路程长度后刀具前刀面和后刀面的微观形貌图,图3a为未切削时新刀具的微观形貌,随着切削路程增加,当切削路程长度达到L=31535km时,后刀面开始出现沟槽磨损,而前刀面无任何磨损发生,如图3b所示。


当切削路程长度进一步增大到 21.21km时,后刀面的磨损带长度增大到约10μm,同时前刀面开始出现缺口破损,如图3c所示。

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当前刀面开始出现缺口破损后,随着切削路程长度进一步增加,后刀面磨损带长度、宽度和前刀面缺口破损的增大速度显著提高,当切削路程长度达到27.573km时,后刀面的磨损带长度增大到约30μm,前刀面缺口破损半径增大到约3μm。对上面的刀具形貌演变过程进行分析可以得到如下结论 :CaF2晶体超精密切削过程的刀具磨损可以分为两个主要阶段:开始阶段主要为后刀面沟槽磨损,随着后刀面磨损带长度增加到一定程度后,前刀面开始出现缺口破损,第二阶段为后刀面沟槽磨损和前刀面缺口破损同时发生,刀具磨损和破损速度急剧加速。

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图4所示为后刀面磨损带最大长度随切削路程的变化曲线。


2、刀具磨损机理分析

图5为对CaF2晶体超精密进行切削,路程长度达到27。573km后金刚石刀具的SEM微观形貌图,从图5可以看出,刀具后刀面的磨损为典型的沟槽磨损,前刀面为缺口破损。

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通过图5的刀具磨损形貌,结合CaF2晶体的脆性材料特性, 对硅晶体超精密切削刀具磨损机理的分析,对CaF2晶体刀具磨损机理进行如下初步分析:在延性域切削CaF2晶体的初始阶段,刀具后刀面与工件紧密接触。摩擦使刀具后刀面碳元素扩散,扩散的碳元素在切削区域高温高压催化下极易发生团聚和重结晶,从而形成高硬度的类金刚石碳结构,对刀具后刀面发生刻划和耕犁,导致切削初期刀具后刀面沟槽磨损:随着切削路程长度的增大,当后刀面磨损带长度增加到一定程度时,就会使CaF2晶体切削模式从延性去除转变为脆性去除,切削模式的转变导致切削力幅值和波动增大、致使刀具前刀面发生微坑破损,产生微小金刚石碎片,这些碎片对刀具后刀面的刻画和耕犁加剧了后刀面的沟槽磨损。同时随着刀具磨损的加剧,切削模式进一步向脆性去除转变,进而导致前刀面发生微坑破损的尺寸变大,产生的金刚石碎片数量增加、尺寸变大,进而导致严重的刀具磨损和破损。


3、刀具磨损对切削过程的影响

从上述磨损机理分析可以看出:后刀面沟槽磨损的加大导致切削模式开始从延性去除向脆性去除转变,同时脆性去除导致前刀面破损的发生,进而加剧了刀具磨损和表面破损的发生。下面通过切削过程工件表面微观形貌、粗糙度和切削力的变化来分析刀具磨损对切削过程的影响。


1)刀具磨损对切削表面的影响

图6为不同切削路程下的工件切削表面微观形貌图。图6a为初始切削时的延性域切削模式,切削的表面为超光滑表面:图6b为切削路程长度L=15.68km后的工件表面微观形貌,切削模式仍为延性域,但由于刀具后刀面存在大于5μm长的沟槽带,造成切削纹路比较明显:图6c为切削路程长度L=21.36km后的切削表面微观形貌,表面出现破损点,表示切削模式开始向脆性去除转变,图6d为切削路程长度L= 27.57km后的工件表面的微观形貌,整个表面充满破损点,表示切削模式为完全脆性去除。

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从图6可以看出,不同切削路程下的切削表面微观形貌反映了刀具磨损对切削模式转变的影响。图7为切削表面表面粗糙度在不同切削路程的变化曲线图,从图7可见,切削表面粗糙度变化曲线随切削路程长度而上升的变化趋势跟图 4 的刀具磨损变化曲线趋势完全一致。

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2)刀具磨损对切削力的影响

不同切削路程长度下所测得的切削力如图8所示。图8a为切削初期,切削法向力大于切向力,当切削路程增长到L=21.21km,刀具前刀面发生缺口破损时,切削力的切向力开始变大,大小跟法向力Ft相近,如图8b所示。

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随着切削路程进一步增长到L=27.573km时,切向力急剧增大,如图8c所示。造成这种现象的原因如下:由于前刀面的破损对切向力的影响比较大,而后刀面的沟槽磨损因为纵向微刻槽,所以法向力变化不大。




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