反应烧结碳化硅微透镜阵列超精密金刚石车削中的异相调控材料去除

《Journal of Manufacturing Processes》：Heterogeneous-phase-regulated material removal in ultra-precision diamond turning of RB-SiC microlens arrays

　　

**摘要**

反应结合碳化硅（RB-SiC）是一种极具前景的高精度光学模具和航天器部件材料，但其高硬度、脆性以及异质的Si/SiC微观结构使得曲率微结构的确定性制造尤为困难。本研究采用慢速刀具伺服（STS）单点金刚石车削（SPDT）直接加工了RB-SiC微透镜阵列，并阐明了相依赖的表面形成机理。成功加工了四枚微透镜，几何一致性良好，表面粗糙度达到纳米级（≤10 nm），同时有效抑制了切入、切出、进刀和退刀区域的严重损伤。有限元仿真和切削力测量揭示，切削响应由刀具与异质相之间的局部相互作用控制。SiC相承受的应力高于Si相，而Si相较低的硬度导致刀具进入富Si区域时切削力降低。这种相间的差异尽管在未变形切削厚度几何对称分布的情况下，仍产生了波动且不对称的切削力。表面观察进一步显示，加工后SiC颗粒仍轻微凸出，根据局部应力集中和刀具-颗粒相互作用的差异，呈现光滑、凹坑和微裂纹等不同的形貌特征。卷曲且呈片状的切屑表明，材料去除主要通过韧性变形而非灾难性脆性断裂进行。这些发现建立了相异质性与切削力演化及表面完整性之间的机理联系，为制造高质量陶瓷微透镜阵列和先进光学系统的精密模具提供了可行途径。

**引言**

反应结合碳化硅（RB-SiC）是一种重要的结构/光学陶瓷材料，由于其高比刚度、高强度、高导热率、低密度和低热膨胀系数，成为下一代精密工程的重要材料。这些特性使RB-SiC在空间反射镜、高稳定性光学元件和精密玻璃模具等领域极具吸引力，在这些领域尺寸稳定性和热可靠性至关重要[1]–[4]。然而，赋予RB-SiC功能优势的同种机械和化学鲁棒性也使其极难加工。RB-SiC是一种异质陶瓷复合材料，主要由碳化硅（SiC）和残余硅（Si）组成。两相均表现出硬而脆的特性，且两者在硬度、断裂行为和变形响应方面存在巨大差异，导致加工过程中材料去除不均匀、表面损伤和刀具磨损。因此，在RB-SiC上实现光滑、无损伤且几何精度高的微结构的确定性制造仍然是一个关键挑战。

RB-SiC的传统加工方法，包括磨削[5]、抛光[6]、超声辅助磨削[7]和激光辅助超声磨削[8]，已被广泛用于提高表面光洁度。这些方法对平面或缓变曲面有效，但不适合在形式精度、表面完整性和加工效率方面要求严格的自由曲面或高度局部化的微结构表面上加工[9]。随着先进光学系统对曲率微结构（如微透镜阵列、自由曲面模具和功能光学纹理）的需求不断增加，这一局限性变得更加突出。与传统的磨料加工相比，结合慢速刀具伺服（STS）的单点金刚石车削（SPDT）提供了一种基于确定性刀具路径的策略，可加工具有纳米级表面光洁度和高形式精度的复杂曲面[10]–[12]。在STS金刚石车削过程中，刀具在进给方向的运动与主轴旋转和进给运动同步，从而能够直接生成非轴对称和曲率微结构。这使得SPDT结合STS成为在难加工陶瓷上制造光学微结构的有前景的途径。

已有大量研究工作致力于理解和改善RB-SiC及相关SiC材料的可加工性。Zhang等[13]研究了RB-SiC在金刚石车削过程中的材料去除行为，证明了使用金刚石刀具改善加工表面质量的可行性。Yan等[14]进一步阐明了RB-SiC的去除机理，报道在适当条件下可实现较高的材料去除率和数十纳米级的表面粗糙度。纳米颗粒润滑也被证明可以改进RB-SiC切削时的表面质量并减少刀具磨损[44]。刀具磨损仍然是主要障碍，因为坚硬的SiC相会在金刚石刀具上引起周期性沟槽磨损，从而恶化表面生成并限制加工稳定性[15]。为克服这些局限，提出了刀具摆动切削技术，以在刀刃上重新分配磨损并延长有效切削距离。

除传统金刚石车削外，还开发了热辅助和动态辅助加工方法来促进RB-SiC的韧性去除。激光辅助金刚石切削可以在适当的激光功率下增大脆韧性转变深度，抑制SiC颗粒的大面积脆性断裂并减少亚表面缺陷[16], [45]。原位激光辅助切削也被报道可以通过促进交叉滑移和高密度堆垛层错来增强RB-SiC的塑性变形，同时减少高温下Si相与SiC相之间的有害相互作用[17], [18]。椭圆振动辅助金刚石车削为改善RB-SiC的韧性可加工性提供了另一种途径，合适的振动幅度和频率可以抑制颗粒断裂并细化切削性能[19], [20]。

有限元仿真可以准确表征切削过程中动态机械响应、损伤演化和材料去除机理，为工艺参数优化奠定低成本、高精度的基础[21], [22], [46]。在RB-SiC复合材料的加工中，该方法可以准确模拟刀具切削经过不同相时力的演化和应力场分布[19]。研究表明，颗粒位移可能引起微孔或点蚀缺陷，且颗粒与刀具之间的相对取向是决定加工零件表面完整性的关键因素[20]。RB-SiC的材料去除涉及多种并存的机理，包括摩擦引起的塑性流动、材料性能差异导致的相界开裂和空洞、应力集中引起的基体撕裂以及界面剪切下的分层失效[23]。通过清晰地再现颗粒断裂、基体剥落和界面失效的过程，仿真可以加深我们对切削机理的理解。这些研究推进了对RB-SiC加工的理解，但大多数研究集中在平面、单次切削或辅助切削策略上，RB-SiC在曲率微结构制造过程中的材料去除行为仍有待深入研究。

微透镜阵列是先进光学应用的代表性曲率微结构，包括成像系统、波前传感器、光束整形和精密玻璃成型。先前的研究表明，STS金刚石车削可以在单晶Si、氟化钙和单晶SiC等材料上生成微透镜或微凹坑结构。对于单晶Si，Mukaida和Yan表明STS金刚石车削可以产生具有纳米级表面粗糙度的微凹坑，尽管在进给速度或切削方向不利时可能发生脆性断裂和非晶相形成。Tanikawa等[24]使用分段切削策略制造了随机微结构表面，形式误差控制在纳米级。Huang等[25]报道在CaF?微透镜阵列金刚石车削过程中，切入和切出区域可能形成微裂纹，但当最大未变形切削厚度足够小时可以获得无裂纹表面。最近，单晶SiC曲率微结构的研究揭示表面裂纹与刀具-工件界面处的拉应力密切相关，且晶体学取向强烈影响表面开裂、亚表面损伤和刀具磨损[26]。激光和振动辅助方法也被用于改进硅上微透镜的加工，增大脆韧性转变深度并将表面粗糙度降至10 nm以下[27], [28]。

尽管取得了上述进展，RB-SiC微透镜阵列仍然面临一个独特的且尚未解决的科学问题。与单晶SiC不同，RB-SiC含有具有不同力学性能、空间分布和去除响应的异质Si相和SiC相。在曲率微结构加工过程中，刀具并非简单地去除均质脆性材料，而是在时变未变形切削厚度下与相界、凸出的SiC颗粒和富Si区域持续相互作用。这种曲率刀具路径几何与相异质性之间的耦合可能导致不对称切削力、局部应力集中、颗粒凸出、点蚀、微裂纹和刀具磨损。因此，系统理解相依赖变形、切削力演化与表面形成之间的联系，对于实现高完整性RB-SiC微透镜阵列是必要的。

本研究使用SPDT结合STS方法研究了RB-SiC微透镜阵列的制造和材料去除机理。首先建立了有限元模型，分析RB-SiC加工过程中应力分布、表面形貌演化以及相依赖的切削响应。然后在RB-SiC表面上加工微透镜阵列，并通过光学显微镜、白光干涉仪、扫描电镜和拉曼光谱进行表征。考察了加工表面、切屑和磨损金刚石刀具的形貌，以阐明材料去除模式和损伤形成机理。最后，将切削力测量与仿真应力场和局部Si/SiC相分布相关联，揭示异质相相互作用如何控制曲率微结构生成过程中的表面完整性。与单晶SiC微透镜的加工相比，本研究揭示了RB-SiC中SiC/Si双相异质性所引发的复杂切削行为，并阐明了异质相相互作用在曲率微结构形成过程中影响表面完整性的主导机理。最终，本工作验证了通过STS金刚石车削制造纳米级RB-SiC微透镜阵列的可行性，并建立了异质陶瓷微结构和光学模具精密加工的机理框架。

**片段摘要**

**工件材料及初始表征**

RB-SiC被用作工件材料。抛光的RB-SiC试样直径为40 mm，厚度为8 mm，由长春长光金晶复合材料有限公司提供。该材料由约75 vol%的SiC和25 vol%的Si组成。加工前，工件的初始表面粗糙度为8.0 nm，为微透镜制造和后续表面完整性评估提供了明确的参考表面，如图1所示。

**初始形貌与有限元仿真结果**

首先进行了有限元仿真，以阐明异质Si/SiC微观结构如何控制RB-SiC金刚石车削过程中的材料去除。与均质脆性材料不同，RB-SiC含有高体积分数SiC相和具有不同力学性能的残余Si相。在切削过程中，金刚石刀具不仅与持续变化的未变形切削厚度相互作用，还受到具有不同局部相界和颗粒的影响。

**结论**

本研究证明了通过STS SPDT制造高完整性RB-SiC微透镜阵列的可行性。成功加工了四枚形貌一致性的微透镜，其表面粗糙度分别为7.435 nm、7.354 nm、7.122 nm和8.442 nm。在切入、切出、进刀和退刀区域未出现严重断裂、边缘坍塌和界面失效，证实了可以在这种异质硬脆陶瓷上实现稳定的曲率微结构生成。

**CRediT作者贡献声明**

Chen Shuang：撰写—原稿，方法论，调查研究，正式分析，概念化。Zhang Lin：撰写—审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。Peng Lirong：撰写—审阅与编辑，可视化，验证，软件。Lin Jieqiong：撰写—审阅与编辑，资源，调查研究，数据整理。

**资金支持**

本研究由国家自然科学基金（批准号：52305445, 22FAA01871, U24A20126）和吉林省科技发展计划项目（批准号：YDZJ202401338ZYTS）资助。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Chen Shuang | Zhang Lin | Peng Lirong | Lin Jieqiong