CN116238058B - 一种脆性材料高效低损加工方法 - Google Patents

Abstract

一种脆性材料高效低损加工方法，属于脆性材料精密加工技术领域。包括以下步骤：1）、确定拟加工脆性材料后，对拟加工的脆性材料进行单向裂纹扩展临界切削深度的确定；2）、确定对拟加工的脆性材料的实际加工深度，实际加工深度小于脆性材料进行单向裂纹扩展临界切削深度；3）、对工件的预加工面进行对刀，调整刀具姿态，使刀具向预走刀进给方向旋转一定角度，并配合刀具沿振动轨迹对拟加工的脆性材料进行切削；利用多次走刀方式，此次走刀产生的已加工表面偏向预走刀进给方向一侧的裂纹，将在下次走刀过程中被去除，循环往复，实现脆性材料的加工。通过该方法，可以有效提高脆性材料低损伤加工的切削深度，切削效率高、成本低。

Description

一种脆性材料高效低损加工方法

技术领域

一种脆性材料高效低损加工方法，属于脆性材料精密加工技术领域。

背景技术

随着超精密加工技术的发展，脆性材料（诸如单晶硅、陶瓷、玻璃等硬脆性材料和碲锌镉、氟化钙、硒化锌等软脆材料）在航空航天、国防军事、微电子信息与光学制造等领域得到了广泛的应用。然而，脆性材料的断裂韧性低，极易在加工过程中产生裂纹，使其可加工性能极差，加工效率和精度受微裂纹等缺陷的影响，限制了其进一步应用的发展。因此，如何实现脆性材料高效、低损伤的精密加工是推动其进一步应用和相关领域快速发展的关键，同时也是当前业界内需要解决的关键问题。针对该问题，众多学者开展了相关方法和装备的研究，取得了许多有益成果。目前，脆性材料的高质量加工仍然依赖于磨抛技术，其加工效率较低。为改善脆性材料的可加工性，有学者提出激光辅助加工、表面改性、振动辅助加工等方式，试图在保证加工质量的前提下，进一步提高加工效率，上述方法的有效性也得到了实验的验证。然而，激光辅助加工受限于装备的复杂性及高成本，表面改性则会在基体材料表面引入其他离子造成表面污染。相比于激光辅助加工和表面改性两种方法，振动辅助加工是实现脆性材料高效、低成本、低损伤创成的有效手段，但其对应的脆塑转变临界切削深度通常较低。当前提高脆性材料加工效率的基本思想是通过提高脆塑转变临界切削深度，将实际切削深度控制在其脆塑转变临界切削深度之内，实现脆性材料的延性去除。采用激光辅助加工、表面改性和振动辅助加工等均是以提高脆性材料的脆塑转变临界切削深度为目的，一定程度上局限了改善脆性材料可加工性的方法与技术的发展。因此，目前针对脆性材料低成本、高效、延性精密加工技术还有待进一步发展，从而满足各相关领域更广泛的应用需求。

中国专利CN114226866A公开了一种设定轨迹循环振动切削方法，公开了以下技术内容：实际切削厚度大于临界切削厚度时，若脆性域切削产生的脆性裂纹尚未传播到理想加工面深度，该瞬时裂纹可通过下一振动周期直接切除而不影响最终加工面质量。但是其所说的临界切削厚度其实是脆塑转变临界切削深度，其并未发现还存在单向裂纹扩展临界切削深度，所以其并不能控制裂纹的扩展方向，这就造成刀具横向进给方向的反方向上的裂纹无法消除，如果两个方向加工则导致加工效率降低，并且在此基础上，其切削深度也有限，效率并不能大幅提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种脆性材料高效低损加工方法，能够主动调控加工过程中微裂纹的扩展方向，实现对脆性材料在脆塑转变临界切削深度限制外的低损伤塑性加工，具有高效率、低成本的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该脆性材料高效低损加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、确定拟加工脆性材料后，对拟加工的脆性材料进行单向裂纹扩展临界切削深度的确定；

单向裂纹扩展临界切削深度为刀具加工脆性材料过程中，沟槽表面产生的裂纹仅在沟槽的一侧，且裂纹即将扩展至沟槽最底部位置时的切削深度，加工过程中刀具向一侧偏转，使刀具的切削刃与切削速度方向形成夹角；

2）、确定对拟加工的脆性材料的实际加工深度，实际加工深度大于脆塑转变临界切削深度，小于单向裂纹扩展临界切削深度，脆塑转变临界切削深度即为沟槽内产生第一处裂纹损伤的切削深度，实际切削深度小于单向裂纹扩展临界切削深度，即为达到单向裂纹扩展临界切削深度之前的切削深度，使得在实际切削深度下分布于一侧的加工表面裂纹距离沟槽最底部有一定距离；

3）、对工件的预加工面进行对刀，并且调整刀具姿态，使刀具向横向进给方向偏转一定角度，刀具的切削刃与切削速度方向形成夹角，并配合刀具沿规划的振动轨迹对拟加工的脆性材料进行切削；利用多次走刀方式，此次走刀产生的已加工表面偏向预走刀进给方向一侧的裂纹，将在下次走刀过程中被去除，循环往复，实现脆性材料的加工。

进一步地，步骤1）中对单向裂纹扩展临界切削深度的确定方法如下：

刀具对拟加工的脆性材料进行变切削深度的连续刻划，直至刻划沟槽内的裂纹至少扩展至沟槽最底部。

进一步地，将拟加工的脆性材料与水平面倾斜一定角度固定，刀具对倾斜固定的拟加工的脆性材料进行连续刻划，使切削深度沿切削方向增加。

进一步地，步骤3）中刀具的偏转角度与步骤1）中刀具的偏转角度相同。

进一步地，步骤3）中由精密旋转平台调整刀具的姿态，精密旋转平台在不改变刀尖位置的基础上旋转刀具，实现刀具姿态变化。精密旋转平台安装在加工机床上，将刀具固定在精密旋转平台上，对刀具的姿态进行精确调整。

进一步地，步骤2）中还确定刀具的横向进给量，刀具的横向进给量的确定是令连续走刀的刀具轮廓部分重叠，保证下一次走刀将本次走刀残留的加工表面裂纹切削去除。

根据所选择刀具调制切削方式中刀具的振动轨迹对刀具的姿态进行调整，使刀具旋转一定的角度后实现斜角切削，令斜角切削与刀具的振动轨迹相互配合，使工件加工表面裂纹在一定深度内偏向一侧扩展。

进一步地，步骤3）中刀具采用椭圆振动轨迹的方式对拟加工的脆性材料进行切削。

进一步地，所述椭圆振动轨迹为二维椭圆振动或三维椭圆振动。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

本发明首先确定拟加工的脆性材料的单向裂纹扩展临界切削深度，实际加工深度大于脆塑转变临界切削深度，从而使得加工过程中产生的裂纹只偏向走刀进给方向一侧，将在下次走刀过程中被去除，循环往复，实现脆性材料在脆塑转变临界切削深度限制外的高效延性低损伤加工，通过该方法，可以有效提高脆性材料低损伤加工的切削深度，切削效率高、成本低。

当刀具的切削刃与切削速度方向垂直时，切削沟槽内所产生的裂纹是向两侧扩展的，而当刀具的切削刃偏转一定角度后，即刀具的切削刃与切削速度方向不垂直，切削沟槽内的裂纹就会集中在沟槽的一侧，并且裂纹位于切削方向一侧，反方向的沟槽内并不存在裂纹，这样就可以找到单向裂纹扩展临界切削深度，提高切削深度的同时通过下一次走刀将本次走刀残留的加工表面裂纹切削去除。

还通过确定刀具的横向进给量，保证下一次走刀将本次走刀残留的加工表面裂纹切削去除，仅留下低表面损伤的被加工表面，在保证加工质量的同时，进一步提高加工效率。

附图说明

图1为该脆性材料高效低损加工方法的三维原理示意图。

图2为该脆性材料高效低损加工方法的原理示意图的俯视图。

图3为确定单向裂纹扩展临界切削深度的变切削深度连续刻划示意图。

图4为三维椭圆振动辅助斜角切削方式变切削深度刻划的光学显微镜下单晶硅沟槽的图像。

图5为平板类工件的平面高效低损伤加工原理示意图。

图6为圆柱类工件的端面高效低损伤加工原理示意图。

图7为圆柱类工件的圆柱面高效低损伤加工原理示意图。

其中：1、刀具 2、脆性材料 3、脆塑转变临界切削深度 4、单向裂纹扩展临界切削深度 5、裂纹；

图中，θ为刀具刀面朝向与切削速度方向的夹角，a为切削方向，b为刀具振动轨迹，C为机床C轴，L1为单向裂纹扩展临界切削深度所处位置，L2为脆塑转变临界切削深度所处位置， S为裂纹损伤区域，c1为刀具切削时的第一次走刀，c2为第二次走刀，c3为第三次走刀，c4为第四次走刀。

具体实施方式

图1~7是该脆性材料高效低损加工方法的最佳实施例，下面结合附图1~7对本发明做进一步说明。

参见图1~2，该脆性材料高效低损加工方法，具体包括以下步骤：

1）确定拟加工面形，选定待加工的脆性材料2和刀具1；拟加工面形可选为平面、圆柱面和圆柱端面，待加工的脆性材料2可选择为单晶硅、陶瓷、光学玻璃、蓝宝石、KDP晶体等硬脆材料或软脆材料，切削刀具1一般采用金刚石刀具。

2）将待加工的工件根据拟加工面形固定于超精密机床的运动轴，选择合适的刀具1配置形式；采用四轴x、y、z、C轴超精密机床进行优选实施例中不同面形的切削，根据加工面形为平面、圆柱面和圆柱端面，分别将工件固定于C轴合适位置，调整刀具1姿态令前刀面朝向走刀进给方向并与切削速度方向成θ角，然后可控制x轴、y轴和z轴方向的刀具1运动进行对刀并实现如图1和图2所示的加工原理。

3）对刀具1的调制切削方式进行选择。

4）对刀具1的姿态进行调整，令刀具1旋转一定的角度使得刀具1的切削刃与切削速度方向不垂直。

5）调整加工工艺参数，对拟加工的脆性材料2进行脆塑转变临界切削深度3和单向裂纹扩展临界切削深度4的确定。

6）根据加工目标的尺寸特征和单向裂纹扩展临界切削深度4确定实际加工的切削深度，确定每次走刀的横向进给量，结合所选用刀具1的规格对刀具1的运动路径进行规划，优化工艺参数并形成数控代码，将代码导入超精密机床控制系统。

7）对工件的预加工面进行对刀，开始加工。

8）根据上述步骤基于超精密机床开展脆性材料2高效低损伤的加工，通过刀具1姿态的调整与刀具1振动轨迹的协同配合，利用多次走刀方式，实现脆性材料2的高效低损伤加工。

上述步骤8）中，由精密旋转平台调整刀具1的姿态，精密旋转平台在不改变刀尖位置的基础上旋转刀具1，实现刀具1姿态变化。精密旋转平台安装在加工机床上，将刀具1固定在精密旋转平台上，对刀具1的姿态进行精确调整。刀具1采用振动轨迹的方式对拟加工的脆性材料2进行切削，振动轨迹包括但不限于二维椭圆振动、三维椭圆振动，根据拟加工面形选择合适的刀具1调制切削方式。

经过试验可以发现当刀具1偏转使得刀具1的切削刃与切削速度方向不垂直后，切削深度在一定范围内时，刀具1加工工件所产生的裂纹5仅向刀具1偏转的一侧扩展，而不会向另一侧扩展，该深度范围就是脆塑转变临界切削深度3至单向裂纹扩展临界切削深度4，而每一种材料的脆塑转变临界切削深度3与单向裂纹扩展临界切削深度4均不相同，需要对每一种材料进行试验。

参见图3~4，上述步骤5）单向裂纹扩展临界切削深度4的确定方法如下：

刀具1向预走刀进给方向旋转一定角度，对拟加工的脆性材料2进行变切削深度的连续刻划，单向裂纹扩展临界切削深度4为工件加工表面裂纹5分布于刻划沟槽最底部一侧即将到达沟槽最底部的深度，脆塑转变临界切削深度3为脆性材料2切削时产生第一处裂纹损伤的切削深度。

本实施例以单晶硅工件为脆性材料2为例，采用调整刀具1姿态配合三维椭圆振动辅助切削的加工方式对典型脆性材料2单晶硅的平面进行沟槽的变切削深度加工，图3中箭头a为切削方向，箭头b为刀具1振动轨迹，通过给刀具1施加一个三维椭圆振动位移信号，锁定C轴，令单晶硅工件倾斜0.1°使切削深度沿切削方向增加，调整刀具1的倾斜角度为30°，进行变切削深度加工，便得到如图4所示的沟槽表面形貌，图4中虚线L2即为脆塑转变临界切削深度3所处位置，是产生第一处裂纹损伤的位置，在切削深度小于单晶硅的脆塑转变临界切削深度3时，沟槽的表面无裂纹5损伤产生，在切削深度大于单晶硅的脆塑转变临界切削深度3时，沟槽的表面产生裂纹5损伤，但裂纹5损伤仅在沟槽一侧产生，且沟槽的最底部无裂纹5损伤，图4中虚线L1即为单向裂纹扩展临界切削深度4所处位置，此时裂纹损伤即将扩展至沟槽最底部位置，图4中可以看出区域S中裂纹损伤偏向加工表面的一侧，说明在单向裂纹扩展临界切削深度4之内，可通过该加工参数设定，利用多次走刀方式，使得下次走刀可去除本次走刀产生的裂纹5损伤，循环往复，便可高效、低成本、低损伤地加工出光滑表面。刀具1的倾斜角度并不局限于30°，还可以进行其他角度的选择。

采用调整刀具1姿态配合二维或三维椭圆振动辅助切削的加工方式对脆性材料2进行加工，通过给刀具1施加一个二维或三维椭圆振动位移信号，配合刀具1沿x轴向的移动，便形成如图1所示的刀具1运动轨迹，在单向裂纹扩展临界切削深度4之内的深度进行加工会使工件表面产生集中于一侧的裂纹损伤，如图2所示，另一侧为光滑表面，利用多次走刀方式，此次走刀产生的已加工表面偏向预走刀进给方向一侧的裂纹5，将在下次走刀过程中被去除，循环往复，便高效、低成本、低损伤地加工出光滑脆性材料2表面。

参见图5，图中c1为第一次走刀，c2为第二次走刀，c3为第三次走刀，采用调整刀具1姿态配合二维或三维椭圆振动辅助切削的加工方式对平板类脆性材料2的平面进行加工，通过给刀具1施加一个二维或三维椭圆振动位移信号，配合刀具1沿x向的移动，便可以通过多次走刀方式实现脆性材料2在脆塑转变临界切削深度3限制外的高效低损伤加工，对平板类工件的平面进行切削，令刀具1向着工件未加工表面偏转，因为实时切深大于对应参数下的脆塑转变临界切削深度3，所以在第二次走刀过程中靠近未加工表面的一侧残留了裂纹5损伤，此时这些脆裂损伤并没有扩展至该次走刀所加工的沟槽底部，因此通过控制横向进给，在第三次走刀过程中可以完全地把上次走刀引起的裂纹5损伤去除，图5中横向进给第一次走刀残留的裂纹5损伤已被第二次走刀去除，仅留下光滑已加工表面，往复循环，便得到平面脆性材料2工件的高效、低成本、延性加工。

参见图6，图中c1为第一次走刀，c2为第二次走刀，c3为第三次走刀，采用调整刀具1姿态配合二维或三维椭圆振动辅助切削的加工方式对圆柱类脆性材料2的端面进行加工，通过给刀具1施加一个二维或三维椭圆振动位移信号，配合C轴的旋转运动，便可以通过依次进给走刀方式实现脆性材料2在延性切削深度限制外的高效延性加工，如图6对圆柱类工件的端面进行切削，令刀具1向着工件未加工一侧偏转，控制切削深度在单向裂纹扩展临界切削深度4之内进行加工，使已加工表面裂纹5向一侧扩展，另一侧为光滑表面，此时这些脆裂损伤并没有触及到该次走刀所加工的沟槽底部，因此通过控制走刀进给量，在第三次走刀过程中可以完全地把第二次走刀引起的裂纹5损伤去除，往复循环，便得到圆柱端面脆性材料2工件的高效、低成本、低损伤加工。

参见图7，图中c1为第一次走刀，c2为第二次走刀，c3为第三次走刀，c4为第四次走刀，采用调整刀具1姿态配合二维或三维椭圆振动轨迹的加工方式对圆柱类脆性材料2的外圆面进行加工，通过给刀具1施加一个二维或三维椭圆振动位移信号，配合C轴的旋转运动，便可以通过依次进给走刀方式实现脆性材料2在延性切削深度限制外的高效延性加工，如图7对圆柱类工件的外圆面进行切削，令刀具1向着工件未加工一侧偏转，控制切削深度在脆塑转变临界切削深度3和单向裂纹扩展临界切削深度4之间进行加工，使已加工表面裂纹5偏向预走刀进给方向的一侧扩展，另一侧为光滑表面，此时这些脆裂损伤并未扩展至该次走刀所加工的沟槽底部，因此通过控制走刀进给量，在第四次走刀过程中可以完全地把第三次走刀引起的裂纹5损伤去除，往复循环，便得到圆柱外圆面脆性材料工件的高效、低成本、低损伤加工。

当刀具1的切削刃与切削速度方向垂直时，切削沟槽内所产生的裂纹5是向两侧扩展的，而当刀具1的切削刃偏转一定角度后，即刀具1的切削刃与切削速度方向不垂直，切削沟槽内的裂纹5就会集中在沟槽的一侧，并且裂纹5位于切削方向一侧，反方向的沟槽内并不存在裂纹，这样就可以通过试验找到该材料的单向裂纹扩展临界切削深度4，提高切削深度的同时通过下一次走刀将本次走刀残留的加工表面裂纹切削去除，从而有效提高加工效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种脆性材料高效低损加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、确定拟加工脆性材料（2）后，对拟加工的脆性材料（2）进行单向裂纹扩展临界切削深度（4）的确定；

单向裂纹扩展临界切削深度（4）为刀具（1）加工脆性材料（2）过程中，沟槽表面产生的裂纹（5）仅在沟槽的一侧，且裂纹（5）即将扩展至沟槽最底部位置时的切削深度，加工过程中刀具（1）向一侧偏转，使刀具（1）的切削刃与切削速度方向形成夹角；

2）、确定对拟加工的脆性材料（2）的实际加工深度，实际加工深度小于单向裂纹扩展临界切削深度（4）；

3）、对工件的预加工面进行对刀，并且调整刀具（1）姿态，使刀具（1）向横向进给方向偏转一定角度，刀具（1）的切削刃与切削速度方向形成夹角，并配合刀具（1）沿规划的振动轨迹对拟加工的脆性材料（2）进行切削；利用多次走刀方式，此次走刀产生的裂纹（5），将在下次走刀过程中被去除，循环往复，实现脆性材料（2）的加工。

2.根据权利要求1所述的脆性材料高效低损加工方法，其特征在于：步骤1）中对单向裂纹扩展临界切削深度（4）的确定方法如下：

刀具（1）对拟加工的脆性材料（2）进行变切削深度的连续刻划，直至刻划沟槽内的裂纹（5）至少扩展至沟槽最底部。

3.根据权利要求2所述的脆性材料高效低损加工方法，其特征在于：将拟加工的脆性材料（2）与水平面倾斜一定角度固定，刀具（1）对拟加工的脆性材料（2）进行连续刻划，使切削深度沿切削方向增加。

4.根据权利要求1所述的脆性材料高效低损加工方法，其特征在于：步骤3）中刀具（1）的偏转角度与步骤1）中刀具（1）的偏转角度相同。

5.根据权利要求1所述的脆性材料高效低损加工方法，其特征在于：步骤3）中由精密旋转平台调整刀具（1）的姿态，精密旋转平台在不改变刀尖位置的基础上旋转刀具（1），实现刀具（1）姿态变化。

6.根据权利要求1所述的脆性材料高效低损加工方法，其特征在于：步骤2）中还确定刀具（1）的横向进给量，刀具（1）的横向进给量的确定是令连续走刀的刀具轮廓部分重叠，保证下一次走刀将本次走刀残留的加工表面裂纹（5）切削去除。

7.根据权利要求1所述的脆性材料高效低损加工方法，其特征在于：步骤3）中刀具（1）采用椭圆振动轨迹的方式对拟加工的脆性材料（2）进行切削。

8.根据权利要求7所述的脆性材料高效低损加工方法，其特征在于：所述椭圆振动轨迹为二维椭圆振动或三维椭圆振动。

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