单晶铜四棱锥光功能织构模芯的切削晶面设计及表面质量评价*

周 飞，许志龙，王大镇，李 煌

(集美大学机械与能源工程学院，福建 厦门 361021)

0 引言

表面功能织构在航空航天、机械电子、光学等领域都具有非常重要的应用价值和极其广阔的应用前景。研究发现将光面晶体硅与表面光功能织构膜进行复合，光面晶体硅-光功能织构膜复合电池的光电转换效率会有所提高[1-3]。表面光功能织构膜利用压印技术制备需先加工出带织构的模芯，再把模芯织构压印到光学薄膜表面[4]。因此，光功能织构模芯的加工质量直接决定其织构膜的表面质量。微切削技术是采用微小型刀具实现超精密加工的一种微切削方式，具有加工精度高、可加工复杂形状等特点[5-8]，是表面功能微织构的有效加工手段。

表面功能织构模芯材料大多数采用多晶铜制备，而多晶材料中存在的晶界、晶粒等微观结构会影响位错缺陷演化及亚表层损伤的形成及演变,进而影响多晶铜的加工精度及性能[9-10]。文献[11]分别对单晶铜和多晶铜材料进行了金刚石车削正交切削实验，发现单晶铜和多晶铜的表面质量和切削形貌都有着显著差异，多晶铜由于晶界和内部晶粒的各向异性导致其加工的表面质量较差。单晶铜以其优异的力学性能和物理性能、良好塑性加工和抗疲劳等性能在精密仪器和电子领域具有重要的应用价值，是制作精密元件的理想材料[12]，相对于多晶铜而言，用于光功能织构模芯的加工材料可以取得更好的表面质量。

单晶铜沿不同晶体取向的原子排列周期性和疏密程度不同，导致单晶铜的力学、物理性能呈现各向异性。一些学者针对单晶材料各向异性的切削实验和切削机理进行了大量的研究[13-18]。文献[19]研究了材料的晶体取向在单晶铜和单晶铝金刚石切削中对切削力和表面质量的影响，实验结果表明：工件材料的晶体取向对切削力和表面粗糙度有较大的影响，采用超精密车削单晶铜(110)和(111)晶面时，发现其加工表面粗糙度明显不同，加工(111)晶面的表面粗糙度要小于(110)晶面；沿着(111)晶面的切削力要小于(110)晶面的切削力；同时也发现沿着切削力较小的晶面加工对应的表面粗糙度也较小。文献[20]采用单晶金刚石刀具车削实验，沿着单晶铜 (001)，(110)，(111)三种晶面进行实验研究分析，探究了不同晶面的表面粗糙度随着加工晶面和进给速度的变化，同样发现不同晶面的单晶铜车削表面质量是存在各向异性。综上所述，单晶铜的各向异性引起的切削力变化会导致加工表面质量差异，切削力大小影响着表面粗糙度的大小。但是，大多数学者是采用实验和仿真去研究单晶铜各向异性的切削加工特点进行基础性机理分析研究，还没有结合这种特性用于实际加工应用，去达到优化加工表面质量的效果。

本文在深入了解单晶铜晶体结构以及对单晶铜三种晶面间结合力的理论计算，得出(111)面的结合力最小；采用结合力最小的(111)晶面构建四棱锥织构的4个侧面，规划出四棱锥织构模芯的切削方案；并展开单晶铜四棱锥光功能织构模芯的表面质量评价，为获得单晶铜四棱锥光功能织构模芯最佳表面质量提供相应的指导。

1 单晶铜四棱锥光功能织构模芯切削方案设计

1.1 单晶铜晶面原子结合力

单晶铜是典型的面心立方晶体结构，有8个顶点处的铜原子，6个面上的铜原子，由于相邻晶胞间的原子共用原则，故一个单晶铜晶胞实际包含4个铜原子。单晶铜晶体在不同晶面上原子间的结合力不同，在受到外力作用时常常沿着晶面结合力较小的方向破裂。单晶铜原子之间结合力主要是由库伦力作用[21]，单晶铜晶面原子之间结合力F(hkl)为：

F(hkl)=N(hkl)·S(hkl)·FK

(1)

式中，N(hkl)是晶面密度；S(hkl)是晶面面积；Fk是单晶铜原子之间的库伦力，其大小与单晶铜晶面原子间距dhkl的平方成反比。

在晶体学基础中，定义晶面密度N(hkl)是晶面上原子的个数N与晶面面积S(hkl)的比值[20]。在单晶铜结构中(100)，(110)，(111)晶面密度和晶面面积比值分别为：

(2)

(3)

晶面之间的距离称为晶面间距，以dhkl表示单晶铜晶面之间的距离，单晶铜结构三种晶面间距模型，如图1所示。

图1 单晶铜结构三种晶面间距模型

得到单晶铜(100)，(110)，(111)晶面间距比值为：

(4)

将式(2)～式(4)代入式(1)中，即，单晶铜(100)，(110)，(111)晶面原子结合力比值为：

F(111 ):F(110):F(100)= 3:8:4

(5)

由单晶铜三种晶面结合力的计算分析，得出：单晶铜(111)面间结合力最小，(100)晶面结合力其次，(110)晶面结合力最大。

1.2 单晶铜四棱锥切削晶面设计

基于对三种晶面结合力的分析计算，可知：(111)晶面结合力最小，沿着这种晶面结合力较小的方向最容易发生塑性变形。基于此研究思路，选择(111)晶面作为单晶铜四棱锥光功能织构模芯的4个侧表面。目前最常用的四棱锥织构模芯加工方法是依次切削两个互成90°切削方向V1、V2的V形槽来完成，当完成V1方向所有V形槽的加工，加工V2方向的V形槽;当完成V2方向所有V形槽的加工，得到四棱锥光功能织构模芯，如图2所示。

图2 四棱锥织构切削原理示意图

实验采用成形法利用单点金刚石V形刀具刨削单晶铜工件得到4个侧面均为(111)晶面的四棱锥光功能织构模芯，需要确定单点金刚石V形刀具的刀尖角大小，切削基面及切削方向。(111)晶面的四棱锥织构切削原理，如图3所示，β为单点金刚石V形刀具刀尖角。

图3 (111)晶面的四棱锥织构切削原理示意图

β=180ο-∠ADO-∠BDC=70.5°

(6)

即，单点金刚石V形刀具刀尖角β取70.5°。

2 单晶铜四棱锥光功能织构模芯切削试验

2.1切削条件设置

(1)实验装置

实验采用自主搭建的超精密五轴加工机床，如图4所示。驱动装置中的X向、Y向采用直线电动机驱动，其优点是：定位精度高、加速度大、磨损小、可靠性好，其定位精度可达0.1 μm，最大运动速度分别为：X轴450 mm/s、Y轴450 mm/s，工作行程为：X轴为400 mm、Y轴为400 mm；驱动装置中控制刀具上下移动方向的Z向采用直线电机伺服控制系统，具有移动精度高、易于控制等优点，其定位精度可达0.1 μm；Z轴最大速度100 mm/s；驱动工作台的U轴由旋转电机控制，转动范围为：0～360°，转动速度90 °/s；工件与刀具安装的相对位置，通过Z轴调整切削深度，由工作台Y方向移动完成主切削运动，U轴实现不同方向的切削加工，变角度工件装夹装置可以实现工件绕Y轴不同角度的切削加工，转动范围：-60°～60°。

(a)超精密五轴加工机床 (b)精密移动平台图4 实验装置

(2)刀具和材料

刀具采用单晶金刚石，具有优良的耐磨性、稳定的化学性能等，是微切削加工常用的刀具类型，单晶金刚石材料特性如表1所示。实验采用成形法精密刨削形成四棱锥光功能织构模芯，V形单晶金刚石刀具前角为0°，其目的是减小刀具形状误差对成形法刨削精度的影响；基于前面的计算结果，选用刀具的刀尖角度β为70.5°，刀具几何主要参数如表2所示。选择的工件是单晶铜材料，其物理特性如表3所示。

表1 单晶金刚石材料参数[22]

表2 刀具几何参数

表3 工件材料特性

(3)切削参数及检测设备

根据精密刨削的特点，实际切削速度即为Y轴的运动速度。为了避开中速切削产生积削瘤，经预实验选择主切削速度为60 mm/s。为了保证得到的表面质量较好，每个方向V形槽的切削采用多步切削工艺；同时，为了提高加工效率采用粗切削后再进行精切削的加工方式，精切削的切削深度为1 μm。检测设备选择基恩VK-1000X 3D激光共聚焦显微镜：主要用于加工后表面的粗糙度检测；phenom XL扫描电镜:主要用于加工后表面形貌的检测分析。

3.2 切削实验

实验采用成形法利用V形单晶金刚石刀具首先对单晶铜工件不同晶面进行A、B、C三组微刨削V形槽试验，分别形成(111),(110)和(100)三种晶面的加工表面；当完成A、B、C三组V形槽切削加工后，以单晶铜工件(001)晶面为基准面，将工件绕Z轴旋转90°刨削V形槽，最终形成4个侧表面均为(111)晶面的四棱锥光功能织构模芯。

四棱锥光功能织构模芯加工过程具体为：采用刀尖夹角为70.5°的V形单点金刚石刀具进行微刨削单晶铜试验，单点金刚石刀具首先在单晶铜工件(100)面上完成V形槽刨削形成(111)晶面的加工表面后，紧接着单晶铜工件绕Y轴顺时针旋转54.75°进行刨削形成单侧(100)晶面的加工表面，然后工件绕Y轴逆时针旋转35.25°进行刨削形成单侧(110)晶面的加工表面，三组V形槽均加工至140 μm切削深度；最后，单晶铜工件绕Z轴旋转90°刨削V形槽，当完成(100)面上的V形槽切削后，最终形成4个侧表面均为(111)晶面的四棱锥光功能织构模芯，四棱锥光功能织构模芯切削过程，如图5所示。

(a) 单晶铜工件 模型图 (b) 三种晶面切削 示意图 (c) 四棱锥光功能织构 切削示意图

选用激光共聚焦显微镜分别测量A、B、C三组V型槽单侧3个区域：上，中，下部位表面粗糙度，单晶铜A、B、C三组表面粗糙度检测位置，如图6所示。

图6 单晶铜三种晶面粗糙度检测位置

A、B、C三组3个侧面采样区域所测得的表面粗糙度，如图7所示。

图7 单晶铜不同加工晶面的表面粗糙度

结果表明，形成的(111)晶面加工表面获得平均表面粗糙度最小；(100)晶面的加工平均表面粗糙度次之；(110)晶面的加工平均表面粗糙度最大。其主要原因是由于晶体取向的变化，加工表面粗糙度的变化与晶面间结合力特性之间一致性，较小结合力对应于较小的表面粗糙度。

3 四棱锥光功能织构模芯表面质量评价

3.1 四棱锥织构模芯表面粗糙度

单晶铜四棱锥光功能织构模芯的表面粗糙度会直接影响陷光膜的光功能，采用激光共聚焦显微镜测量四棱锥织构模芯侧面粗糙度Ra。为评价单晶铜四棱锥光功能织构模芯的表面质量，如图8所示依次选取3个区域:A1、A2、A3的单晶铜四棱锥织构模芯单元作为采样区域；每个单晶铜四棱锥织构模芯单元检测区域分别为：区域1、区域2、区域3、区域4，每个区域分别选取上、中、下3个位置检测其表面粗糙度并取其平均粗糙度，检测结果如表4所示。

(a) 单晶铜四棱锥织构 模芯二维图 (b) 单晶铜四棱锥织构 模芯三维图

表4 四棱锥光功能织构模芯表面粗糙度Ra

结果表明，采用单晶金刚石刀具微刨削得到4个侧面均为(111)晶面的四棱锥光功能织构模芯，平均表面粗糙度达到6.57 nm,符合光功能表面织构表面质量要求。

3.2 四棱锥织构模芯逆反射比表面积

单晶铜四棱锥织构模芯的切削加工会在四棱锥棱边上形成毛刺等缺陷，这些模芯加工缺陷会复制到四棱锥光功能织构膜上，形成无效逆反射区域，如图8所示。定义原始模逆反射比表面积KS为有效光功能投影面积与底面积的比值[23]，其中有效光功能投影面积为去除棱边毛刺投影面积部分。

(7)

式中，a为四棱锥单元底边长度，Li为四棱锥单元棱边毛刺投影长度，n为四棱锥织构单元数，hi为毛刺投影宽度。如图8所示依次选取3个区域:A1、A2、A3的单晶铜四棱锥织构模芯单元作为采样区域，由逆反射比表面积的计算公式算出KS值，如表5所示。

表5 逆反射比表面积KS

结果表明，采用单晶金刚石刀具微刨削4个侧面为(111)的四棱锥光功能织构模芯，平均逆反射比表面积平均值KS=96.6%，满足光功能织构的逆反射要求。

4 结论

(2)通过对单晶铜微刨削三种晶面加工表面的表面质量分析，得出(111)加工表面的粗糙度最小，与晶面结合力具有一致性，较小晶面结合力对应较小表面粗糙度。

(3)通过单晶铜微刨削四棱锥光功能织构模芯，对四棱锥光功能织构模芯的表面质量和逆反射比表面积KS进行了分析评价，验证了沿着这种切削方案的可行性，为获得单晶铜四棱锥光功能表面织构切削基面及切削方向的确定提供了依据。