基于晶体结构的单晶锗超精密加工刀具前角自适应控制方法

摘要

基于晶体结构的单晶锗超精密加工刀具前角自适应控制方法，首先对单晶材料进行力学性能的分析，尤其对晶体内各晶面的力学性能进行相应的研究，得到其各晶面的力学指标，判断各晶面产生滑移的难易程度。通过对要进行切削的晶面，在不同的载荷下，切削区的受力状况进行分析，然后以获得最佳切削表面质量为目的，对切削过程中，各晶面内的位错滑移数量就行相应的计算，得到沿不同晶面进行切削时，最佳的刀具前角，最后在此刀具前角下，对同一晶面内沿不同晶向进行切削时，所产生的位错数量进行相应的计算，得到沿该晶向切削时的刀具角度，进而调整刀具的前角，获得最佳的表面质量。

说明书

技术领域：本发明涉及一种材料的切削方法，尤其是一种基于晶体结构的单晶锗超精密加工刀具前角自适应控制方法，属于材料加工技术领域。

背景技术：由于单晶锗材料特殊的光学性能而被广泛应用于航天探测、武器装备等等高新技术领域。但是单晶锗的晶体结构的方向性导致了其物理和力学性能的各向异性，也导致了切削加工后表面质量的各向异性。学术领域在上世纪80年代初期就开始了单晶锗晶体结构对切削加工表面质量影响规律的研究，但目前的研究成果还仅限于对切削加工现象的一般性描述，对于如何解决单晶材料超精密切削加工表面质量受晶体结构的影响的工艺方法却没有提出可行的方法。

发明内容：本发明的目的是为解决上述问题而提供的基于晶体结构的单晶锗超精密加工刀具前角自适应控制方法

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于晶体结构的单晶锗超精密加工刀具前角自适应控制方法，首先对单晶材料进行力学性能的分析，尤其对晶体内各晶面的力学性能进行相应的研究，得到其各晶面的力学指标，判断各晶面产生滑移的难易程度。通过对要进行切削的晶面，在在不同的载荷下，切削区的受力状况进行分析，然后以获得最佳切削表面质量为目的，对切削过程中，各晶面内的位错滑移数量就行相应的计算，得到沿不同晶面进行切削时，最佳的刀具前角，最后在此刀具前角下，对同一晶面内沿不同晶向进行切削时，所产生的位错数量进行相应的计算，得到沿该晶向切削时的刀具角度，进而调整刀具的前角，获得最佳的表面质量。其具体步骤为：

1)分析该单晶锗材料晶体结构；

2)以1)中的结果为依据，通过材料数据库对该材料各晶面的力学性能进行分析，得到该晶体内各晶面的弹性模量、剪切模量以及泊松比随其晶向的变化规律，进而判断各晶面产生滑移的难易程度，进而得到最易产生滑移的晶面；

3)利用断裂力学和位错力学对各晶面在不同载荷下位错发生过程进行相应的计算，得到各个晶向最佳受力情况；

4)以2)和3)得到的结果为依据，计算在该晶面内沿不同晶向切削时所产生的位错数量，进而判断其最佳的切削刀具角度；

5)对于给定的切削速度，实时计算加工过程中单晶锗工件在不同时间点上刀具的刀尖与被加工晶面不同晶向之间的相对位置；

6)将计算得到的刀尖与晶向的相对位置关系实时对比，通过计算机自适应地控制刀具前角的大小，完成基于单晶锗晶体结构的刀具前角的自适应控制。

该方法通过基于单晶锗的晶体结构自适应地控制刀具前角，可以使单晶锗各个晶向始终处于最佳的受力状态，从而得到最佳的超精密切削加工表面质量，使已形成表面质量明显的提高。

附图说明：

图1是单晶锗的晶体结构图。

图2是单晶锗(111)晶面与滑移面晶体方位关系图。

图3是单晶锗(100)晶面与滑移面晶体方位关系图。

图4是单晶锗(110)晶面与滑移面晶体方位关系图。

具体实施方式：

1)分析单晶锗的晶体结构如下：单晶锗与单晶硅和金刚石具有相同的晶体结构，单晶锗有三个晶面分别是(111)、(110)、(100)晶面，晶体结构如图1所示，其中(111)晶面是滑移面。

当沿着不同晶面切削加工时被加工晶面与滑移面之间的晶体学关系如图2-图4所示。

2)计算每个晶面的力学性能

弹性模量和泊松比：

$\frac{1}{E}=S_{11}-2[(S_{11}-S_{12})-\frac{1}{2}{S}_{44}]({l_1}^2{l_2}^2+{l_2}^2{l_3}^2+{l_3}^2{l_1}^2)$

$v=-E[S_{12}+(S_{11}-S_{12}-\frac{1}{2}{S}_{44})({l_1}^2{m_1}^2+{l_2}^2{m_2}^2+{l_2}^2{m_2}^2)]$

式中S_ij——柔度系数；l_i——晶体学取向方向余弦，i＝1，2，3；m_i——与晶体学取向正交的晶向的方向余弦，i＝1，2，3。

断裂韧性：

${K^2}_{\mathrm{cleave}}\approx 4G\frac{{\mathrm{Ea}}_0}{72(1-2v)}$

a₀——常数，a₀＝0.543nm；v——单晶硅的泊松比；E——弹性模量；G——剪切模量。

裂纹发射位错的临界应力强度因子：

$K_{\mathrm{IIe}}={\left(\frac{{2\mathrm{Gr}}_{\mathrm{\mu s}}}{1-v}\right)}^{1/2}$

式中γ_μs——为不稳定堆垛能，b——伯格斯矢量。

3)计算得到各个晶向最佳受力情况

根据线弹性理论，在I和II型外加载荷kI和kII作用下，滑移面上的应力为：

${\sigma }_{\theta }=\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\pi r}}}\cos \frac{\theta }{2}[k_I(1+\cos \theta )-3k_{\mathrm{II}}\sin \theta ]$

${\sigma }_{\mathrm{r\theta }}==\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\pi r}}}\cos \frac{\theta }{2}[k_I\sin \theta +k_{\mathrm{II}}(3\cos \theta -1)]$

位错从裂纹尖端发射后，沿滑移面已发射位错产生的应力强度因子为：

$k_{\mathrm{Is}}=-\frac{1}{2\sqrt{2\pi r_c}}\frac{\mathrm{Gb}}{(1-v)}3\sin \theta \cos \frac{\theta }{2}$

$k_{\mathrm{IIs}}=-\frac{1}{2\sqrt{2\pi r_c}}\frac{\mathrm{Gb}}{(1-v)}(3\cos \theta -1){\cos }^2\frac{\theta }{2}$

4)计算在该晶面内沿不同晶向切削时所产生的位错数量，进而判断其最佳的切削刀具角度：

$\frac{k_{\mathrm{II}}}{k_I}=\tan {\psi }_0$

5)对于给定的切削速度v，实时计算加工过程中单晶锗工件在不同时间点上刀具的刀尖与被加工晶面圆周上不同晶向之间的相对位置：

n＝1000v/πd(rev/min)

根据切削加工的时间，可利用上式计算出刀刃与晶面的位置，

6)将计算得到的刀尖与晶向的相对位置关系与计算通过第1)、2)、3)、4)步骤中得到单晶锗的材料性能实时对比，通过计算机自适应地控制刀具前角的大小，完成基于单晶锗晶体结构的刀具前角的自适应控制。

采用本发明的超精密切削加工控制刀具前角的方法与常规固定的刀具前角固定方法对比切削单晶锗实验发现，超精密切削单晶锗被加工表面质量的不均匀性显著降低，表面质量一致性显著提高，表面粗糙度波动范围在8nm～12nm之间，而采用常规方法加工的单晶锗表面粗糙度波动范围在10nm～31nm之间。