刀具前角对单晶硅超精密加工表面质量的影响

2020-10-23王明海王福宁尤思尧

沈阳航空航天大学学报 2020年4期

王明海，王福宁，王奔，刘琪，尤思尧

(沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136)

具有高精度、均匀一致的表面质量的单晶硅元件在当今高速发展的航空航天和国防事业中扮演了非常重要的角色，高质量单晶硅的需求量也逐年增加。但是单晶硅元件表面质量的不一致性严重制约了其使用性能的进一步提高[1]。硅晶片微结构的变化和缺陷导致的热冲击损伤阈值和反射率分布不均效应[2]，成为限制采用薄壁大口径单晶硅元件的高性能光学系统发展的关键因素之一。如何消减或消除单晶硅加工表面各向异性带来的相变程度不一致、亚表面损伤等缺陷，已经成为我国先进光学、光电和武器系统发展过程中亟待解决的问题。

文献[3]、[4]表明,刀具前角角度对加工表面质量具有重要影响，负前角刀具切削过程中在切削区域产生的压应力场有利于抑制微裂纹的产生和扩展，且刀具前角在-15°～-25°的范围内容易得到较高的加工质量。戴厚富等[5]指出,使用负前角刀具切削单晶硅时更容易出现位错，使用较大的后角刀具会使亚表面损伤降低，并产生较小的切削力和切削热。Amir Mir等[17]指出,在超精密切削中，硅的塑性变形机制依赖于使用负前角刀具造成的压力导致的连续材料去除。而使用正前角刀具去除材料时，容易形成裂纹，最终的加工表面质量取决于裂纹的方向。梅志坚和杨叔子等[6]提出一种在线调整刀具前角和后角来抑制切削加工颤振的方法，他们分析了刀具前角和后角变化对金属切削特性的影响，建立相应的非线性理论模型，采用计算机模拟仿真和实验验证了该工艺方法抑制金属切削颤振的有效性。

本文主要研究调整不同刀具前角对单晶硅加工表面质量的影响，找到切削单晶硅表面各晶向合适的刀具前角。研究方法采用分子动力学(MD)仿真方法建立大规模纳米切削模型，分析4组刀具负前角对单晶硅加工表面各向异性的消减影响，并得出最优刀具前角。

1 不同刀具前角切削的建模

调整不同刀具前角的MD切削模型如图1所示。工件分为牛顿层、恒温层和边界层，刀具设置成刚体，金刚石刀具切削牛顿层，恒温层吸收切削热，防止系统温度过高影响切削结果。牛顿层和恒温层原子都遵循经典牛顿力学定律，边界层防止工件在切削过程中整体发生刚性移动，模型沿z方向设定为周期性边界条件。

图1 不同刀具前角的MD切削模型

在刃口钝圆处以刃口半径假设一个微切圆，刀具绕着微切圆圆心转动以调整刀具前角，刀具楔角不变，保证参与加工的只有一把刀具，在最大程度上模拟实际的超精密加工。调整刀具前角到-10°、-20°、-30°、-40°，其它参数见表1所示。切削方向沿-x方向，切削距离为26 nm。仿真的切削速度定为300 m/s，比实际的加工速度要大，但是与其他学者仿真结果对比可以保证加工精度和提高效率[9,13]。切削过程由LAMMPS软件进行编程模拟，使用Tersoff势描述Si-Si的相互作用，Morse势描述C-Si的相互作用。MD模型由可视化软件Ovito输出。

2 结果与讨论

图2为刀具前角调整到-10°、-20°、-30°、-40°时切削单晶硅26 nm后的形貌截面图，图2中将刀具隐藏以便观察工件切削状况,可以看到4种加工表面质量各不相同。

2.1 相变分析

纳米切削的亚表面损伤包括非晶化、多晶化、微裂纹和位错形成等。刀具切削过程中，刀具对工件施加的压力会使工件原子发生高压相变。在初始切削阶段硅,原子是键长为2.35Å、配位数为4的金刚石原子结构，具有稳定结构。随着刀具前进，配位数为5和6的硅原子出现[14，15]，5、6配位数硅原子不具有稳定性，在压力减小到一定程度时将会转变为非晶相。因此亚表面损伤主要是由具有5和6配位数的硅原子组成。图3为4种切削前角下工件中具有不同配位数硅原子的分布情况，可以看出具有5、6配位数的硅原子大部分存在于刀具刃口钝圆前方和后刀面下方对应的工件部位及亚表面损伤层。

表1 工件和刀具参数

对比图3a～3d发现，-10°前角刀的后刀面对已加工表面的挤压面积最大，这可能对刀具后刀面磨损有很大影响[7]。图3展示4种调整角度刀具切削后的亚表面损伤微结构，其锯齿方向都与切削方向成约30°，每组图中的较大锯齿结构相互平行，而-40°前角刀产生的部分锯齿微结构和切削方向约成-30°。

表2为4种调整前角切削下表面非晶硅层与亚表面损伤高度。表面非晶层高度代表了已加工表面的平整度。刀具最下方接触工件部位与已加工表面最高点之间的部分中，具有大于4配位数的硅原子构成了表面非晶层。表2中随着负角度增加，非晶层厚度逐渐变大。工件内部不具有4配位数的硅原子构成了亚表面损伤层。而亚表面损伤高度最高产生在-10°前角刀处，最低为-20°前角刀切削产生。已加工表面与亚表面的非晶层高度最低值是由-20°前角刀切削产生的。文献[8]表明表面完整性取决于亚表面损伤的程度，亚表面损伤程度越严重，表面完整性越差。

图2 不同刀具前角下切削形貌截面图

表2 表面非晶硅层与亚表面损伤高度

图4为4种调整前角刀具切削26 nm后工件产生具有5、6配位数的硅原子以及发生相变的硅原子总数统计图。图4中具有5配位数的硅原子的数量明显多于具有6配位数的硅原子。-10°前角刀切削产生配位数为5的硅原子最多，-20°前角刀产生数最少，而具有6配位数的硅原子随着刀具负前角增加而增多。具有5和6配位数的硅原子数越多，亚表面损伤情况越严重。结合图4与表2所知，-10°前角刀切削产生的亚表面损伤最严重，-20°前角刀产生的亚表面损伤最低。

图4 不同刀具前角下工件具有5、6配位数原子数

2.2 应力分析

静水应力[16]由公式(1)计算，由可视化软件Ovito根据计算结果对工件原子着色，得出4种调整刀具前角纳米切削单晶硅的平均静水应力分布截面图，如图5所示。

σhydro=(1/3)(σxx+σyy+σzz)

(1)

式(1)中，σij为正应力。

从图5可以看出，无论在哪种前角刀具切削下，静水压力都存在于切削刃的前方、下方以及亚表面损伤层深处，而静压峰值只存在于切削刃前方对应工件的狭小位置。刀具切削刃前方对应的待加工区域也有较小的静压。在图5的4种角度中，用-30°前角刀切削时，能得到最大静水压力-15.33GPa，-20°前角刀产生的静压峰值最小，但也足以使硅原子发生相变[9]。由于刀具离开，已加工表面下方亚表面的静压较低，不足以维持已产生的高压相变硅，这就很好地解释了该处5、6配位数的硅原子数较少的原因。把图5与图3进行比较发现，静水压力的分布和硅原子相位变化是一致的，说明刀具对工件的静压对硅原子的高压相变有很大的影响。根据前人研究[10]，在连续介质中，静水应力会影响体积变化，从而会发生经典热力学相变。文献[18]指出，静水压力在-10～-13 GPa范围内单晶硅会发生金属相转变(脆性变成塑性)，静应力超过此范围值，单晶硅发生相变数量将会增多，进一步增大亚表面损伤。

图5 不同刀具前角下工件的静水应力分布

图6为不同调整角度下的平均静水应力，-10°前角刀切削产生的平均静压最大，切削产生的具有5、6配位数硅原子数也是最多的，造成亚表面损伤最深，形状也最复杂，加工表面较差。

在实际的超精密加工过程中，通过不断调整刀具前角，产生最合适的切削静水应力来控制单晶硅的高压相变，从而控制单晶硅的收缩-膨胀机制，实现对加工表面各向异性的消减，最终能够获得均匀一致的加工表面。

图6 不同前角下的平均静水应力

2.3 切削力与摩擦系数分析

图7为平衡阶段不同刀具前角下的平均切削力。可以看出平衡阶段中，4种调整前角的平均法向力Fy都要大于平均切向力Fx。在负前角刀具切削中，刀具的前面会形成一个区域，这个区域的原子密度比通常的原子密度更大。因此需要一部分法向力被用来克服原子的致密化和一部分切向力被用来打破Si-Si键[11，12]。图7中，平均切向力随调整角度增加而增大，-20°和-30°前角的切向力近似相等。调整负前角从-10°～-30°，法向力逐渐减小，-40°前角的法向力反而增加。可以看出，法向力Fy的变化和具有5配位数原子数变化以及静水应力变化一致。

图7 平衡阶段不同刀具前角下的切削力

图8为不同刀具前角切削产生的摩擦系数。摩擦系数为Fx/Fy。图8中，摩擦系数并不随负前角的增加而线性增大，最高值产生在-30°前角处。摩擦系数越大，工件原子对刀具会有更大的阻力。最小值产生在-10°前角处，摩擦系数虽然较低，但是法向力是最大的，产生相变原子最多，这会导致亚表面损伤最严重，加工表面的弹性恢复程度最差。