单晶硅激光辅助超精密切削工艺优化与表面特性

陈肖; 柯金洋; 佘中迪; 张建国; 许剑锋

doi:10.37188/OPE.20233101.0099

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单晶硅激光辅助超精密切削工艺优化与表面特性

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2023-02-07

- 单晶硅激光辅助超精密切削工艺优化与表面特性
- Optimization of process parameters and surface characteristics in laser-assisted ultra-precision cutting of monocrystalline silicon
- 光学精密工程 2023年31卷第1期页码：99-108
- 作者机构：
  
  1.湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉430068
  2.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉430074
  3.国家数字化设计与制造创新中心，湖北武汉 430206
- 作者简介：
  
  [ "陈肖（1987-），男，湖北荆州人，博士，教授， 2011年、2014年于华中科技大学分别获得硕士、博士学位，主要从事超精密制造方面的研究。E-mail： chenxiao1987jz@163.com" ]
  [ "许剑锋（1979-），男，湖南邵阳人，博士，教授，2001 年于新加坡国立大学获得硕士学位，2008 年于美国加州大学圣地亚哥分校获得博士学位，主要从事超精密与智能制造方面的研究。E-mail：jfxu@hust.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(51905195);工信部重大短板装备专项(TH200H021)
- DOI：10.37188/OPE.20233101.0099
  中图分类号： TH703;TP27
- 收稿日期：2022-06-25，
  
  修回日期：2022-08-02，
  
  纸质出版日期：2023-01-10
- 稿件说明：
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陈肖,柯金洋,佘中迪等.单晶硅激光辅助超精密切削工艺优化与表面特性[J].光学精密工程,2023,31(01):99-108.

CHEN Xiao,KE Jinyang,SHE Zhongdi,et al.Optimization of process parameters and surface characteristics in laser-assisted ultra-precision cutting of monocrystalline silicon[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(01):99-108.
陈肖,柯金洋,佘中迪等.单晶硅激光辅助超精密切削工艺优化与表面特性[J].光学精密工程,2023,31(01):99-108. DOI： 10.37188/OPE.20233101.0099.

CHEN Xiao,KE Jinyang,SHE Zhongdi,et al.Optimization of process parameters and surface characteristics in laser-assisted ultra-precision cutting of monocrystalline silicon[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(01):99-108. DOI： 10.37188/OPE.20233101.0099.

摘要

为了获得优化的单晶硅激光辅助超精密切削工艺，探究切削加工后单晶硅元件的表面特性，采用正交实验方法对单晶硅的激光原位辅助单点金刚石切削工艺参数进行优化，并对切削加工单晶硅表面质量、面形精度、残余应力和光学透过率等表面特性进行了测量与分析。通过正交实验数据的表面粗糙度方差分析和信噪比分析，获得的优化工艺参数组合为主轴转速为1 500 r/min、进给速率为5 mm/min、切削深度为3 μm、激光功率为4.5 W。采用上述工艺参数加工的165 mm口径单晶硅非球面光学元件的表面粗糙度和面形精度PV分别为2.74 nm和0.52 μm。激光辅助切削加工后的单晶硅表面存在（

1 760.8±362.1） MPa的残余压应力。激光辅助超精密切削加工的单晶硅光学元件在3~5 μm中红外波段镀膜前后的透过率分别为55%和98%，折射率为3.43。实验结果表明，激光辅助超精密切削技术可作为单晶硅光学元件的半精加工或最终精加工工序，以提升复杂面形单晶硅元件的制造效率。

Abstract

To achieve an optimized laser-assisted ultra-precision cutting process for monocrystalline silicon and to explore the surface characteristics of monocrystalline silicon components after cutting， the in-situ laser-assisted single-point diamond cutting process parameters of monocrystalline silicon are optimized by the orthogonal experimental method. Various parameters of monocrystalline silicon are measured and analyzed， such as surface quality and accuracy， residual stress， and optical transmittance. Through the variance analysis of the surface roughness and signal-to-noise ratio analysis of the orthogonal experimental data， the optimized process parameters are obtained as follows： spindle speed=1 500 r/min， feed rate=5 mm/min， cutting depth=3 μm， and laser power=4.5 W. The surface roughness and accuracy PV are 2.74 nm and 0.52 μm， respectively， for the 165 mm monocrystalline silicon aspheric optical lens processed with the above process parameters. After the laser-assisted cutting， there is residual stress of （

1 760.8±362.1） MPa on the monocrystalline silicon. The machined monocrystalline silicon's refractive index is 3.43， and the transmittance before and after the coating is 55% and 98%， respectively， in the common 3–5 μm mid-infrared band. The above research results show that laser-assisted ultra-precision machining technology can be used as the semi or final finishing process to improve the manufacturing efficiency of complex surface monocrystalline silicon lenses.

关键词

Keywords

references

王亚霁，孙玉利，墨洪磊，等 . 单晶硅透镜铣磨工艺参数优化研究［J］. 航空制造技术， 2021 ， 64 （ 7 ）： 90 - 94 .

WANG Y J ， SUN Y L ， MO H L ， et al . Study on optimization of grinding process parameters of monocrystalline silicon lens ［J］. Aeronautical Manufacturing Technology ， 2021 ， 64 （ 7 ）： 90 - 94 . （in Chinese）

王紫光，康仁科，周平，等 . 单晶硅反射镜的超精密磨削工艺［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 5 ）： 1087 - 1095 . doi: 10.3788/OPE.20192705.1087 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192705.1087

WANG Z G ， KANG R K ， ZHOU P ， et al . Ultra-precision grinding of monocrystalline silicon reflector ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 5 ）： 1087 - 1095 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20192705.1087 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192705.1087

刘珂，李丽娟 . 空空导弹与红外导引系统发展评述［J］. 激光与红外， 2016 ， 46 （ 1 ）： 5 - 10 . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2016.01.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2016.01.001

LIU K ， LI L J . Development analysis of air to air missile and infrared guidance ［J］. Laser ＆ Infrared ， 2016 ， 46 （ 1 ）： 5 - 10 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2016.01.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2016.01.001

宋辞，田野，石峰，等 . 单晶硅柱面反射镜离子束倾斜入射加工工艺优化［J］. 光学学报， 2020 ， 40 （ 12 ）： 167 - 177 . doi: 10.3788/aos202040.1222001 http://dx.doi.org/10.3788/aos202040.1222001

SONG C ， TIAN Y ， SHI F ， et al . Process optimization for cylindrical single-crystal silicon mirror with a tilted incident ion beam figuring ［J］. Acta Optica Sinica ， 2020 ， 40 （ 12 ）： 167 - 177 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos202040.1222001 http://dx.doi.org/10.3788/aos202040.1222001

李明，吴介立，吴永前，等 . X射线反射镜研制技术的现状和发展［J］. 光电工程， 2020 ， 47 （ 8 ）： 62 - 73 .

LI M ， WU J L ， WU Y Q ， et al . A review on the f abrication technology of X-ray reflector ［J］. Opto-Electronic Engineering ， 2020 ， 47 （ 8 ）： 62 - 73 . （in Chinese）

郭兵，赵清亮，陈冰，等 . 复杂表面光学元件的超精密磨削加工及其在位砂轮精密修整技术［J］. 航空制造技术， 2019 （ 9 ）： 24 - 35 .

GUO B ， ZHAO Q L ， CHEN B ， et al . Ultra-precision grinding and on-machine precision truing for optical elements with complex surfaces ［J］. Aeronautical Manufacturing Technology ， 2019 （ 9 ）： 24 - 35 . （in Chinese）

KE J Y ， CHEN X ， LIU C L ， et al . Enhancing the ductile machinability of single-crystal silicon by laser-assisted diamond cutting ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2022 ， 118 （ 9 ）： 3265 - 3282 . doi: 10.1007/s00170-021-08132-w http://dx.doi.org/10.1007/s00170-021-08132-w

王之岳，陈灶灶，朱利民，等 . 微透镜阵列单点金刚石车削补偿技术［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 7 ）： 813 - 820 . doi: 10.37188/OPE.20223007.0813 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223007.0813

WANG ZH Y ， CHEN Z Z ， ZHU L M ， et al . Single point diamond turning and compensation for micro-lens array ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 7 ）： 813 - 820 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223007.0813 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223007.0813

王波，杨彦佶，王殿龙，等 . X射线聚焦镜的超精密制造［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 8 ）： 1839 - 1846 . doi: 10.37188/OPE.20212908.1839 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212908.1839

WANG B ， YANG Y J ， WANG D L ， et al . Ultra-precision manufacture of X-ray focusing mirror ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 8 ）： 1839 - 1846 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212908.1839 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212908.1839

张建国，李江，黄凯，等 . 高频高精快刀伺服系统优化［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 1 ）： 78 - 88 . doi: 10.37188/OPE.20223001.0078 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223001.0078

ZHANG J G ， LI J ， HUANG K ， et al . Optimal design of high frequency and high precision fast tool servo system ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 1 ）： 78 - 88 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223001.0078 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223001.0078

YAN J W ， SYOJI K ， KURIYAGAWA T ， et al . Ductile regime turning at large tool feed ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2002 ， 121 （ 2/3 ）： 363 - 372 . doi: 10.1016/s0924-0136(01)01218-3 http://dx.doi.org/10.1016/s0924-0136(01)01218-3

MUKAIDA M ， YAN J W . Ductile machining of single-crystal silicon for microlens arrays by ultraprecision diamond turning using a slow tool servo ［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture ， 2017 ， 115 ： 2 - 14 . doi: 10.1016/j.ijmachtools.2016.11.004 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2016.11.004

YAN J W ， SYOJI K ， TAMAKI J . Some observations on the wear of diamond tools in ultra-precision cutting of single-crystal silicon ［J］. Wear ， 2003 ， 255 （ 7/8/9/10/11/12 ）： 1380 - 1387 . doi: 10.1016/s0043-1648(03)00076-0 http://dx.doi.org/10.1016/s0043-1648(03)00076-0

LIU K ， WANG H ， ZHANG X Q . Ductile Mode Cutting of Brittle Materials ［M］. Singapore ： Springer Nature Singapore Press ， 2020 . doi: 10.1007/978-981-32-9836-1_14 http://dx.doi.org/10.1007/978-981-32-9836-1_14

刘冰，徐宗伟，李蕊，等 . 单晶硅脆塑转变临界厚度的原位实验［J］. 工程科学学报， 2019 ， 41 （ 3 ）： 343 - 349 .

LIU B ， XU Z W ， LI R ， et al . In-situ experiment on critical thickness of brittle-ductile transition of single-crystal silicon ［J］. Chinese Journal of Engineering ， 2019 ， 41 （ 3 ）： 343 - 349 . （in Chinese）

YAN J W ， ASAMI T ， HARADA H ， et al . Crystallographic effect on subsurface damage formation in silicon microcutting ［J］. CIRP Annals ， 2012 ， 61 （ 1 ）： 131 - 134 . doi: 10.1016/j.cirp.2012.03.070 http://dx.doi.org/10.1016/j.cirp.2012.03.070

ZHANG J G ， ZHANG J J ， CUI T ， et al . Sculpturing of single crystal silicon microstructures by elliptical vibration cutting ［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2017 ， 29 ： 389 - 398 . doi: 10.1016/j.jmapro.2017.09.003 http://dx.doi.org/10.1016/j.jmapro.2017.09.003

MOHAMMADI H ， RAVINDRA D ， KODE S K ， et al . Experimental work on micro laser-assisted diamond turning of silicon （111）［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2015 ， 19 ： 125 - 128 . doi: 10.1016/j.jmapro.2015.06.007 http://dx.doi.org/10.1016/j.jmapro.2015.06.007

CHEN X ， LIU C L ， KE J Y ， et al . Subsurface damage and phase transformation in laser-assisted nanometric cutting of single crystal silicon ［J］. Materials & Design ， 2020 ， 190 ： 108524 . doi: 10.1016/j.matdes.2020.108524 http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108524

MIA M ， DHAR N R . Optimization of surface roughness and cutting temperature in high-pressure coolant-assisted hard turning using Taguchi method ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2017 ， 88 （ 1 ）： 739 - 753 . doi: 10.1007/s00170-016-8810-2 http://dx.doi.org/10.1007/s00170-016-8810-2

KONG M C ， LEE W B ， CHEUNG C F ， et al . A study of materials swelling and recovery in single-point diamond turning of ductile materials ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2006 ， 180 （ 1/2/3 ）： 210 - 215 . doi: 10.1016/j.jmatprotec.2006.06.006 http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.06.006

朱蓓蓓，刘青，秦琳，等 . 半球谐振子金属化镀膜残余应力的测量方法及影响因素研究［J］. 真空， 2022 ， 59 （ 2 ）： 55 - 61 .

ZHU B B ， LIU Q ， QIN L ， et al . Research on residual stress measuring method and influencing factors of metallized coating on hemispherical harmonic oscillator ［J］. Vacuum ， 2022 ， 59 （ 2 ）： 55 - 61 . （in Chinese）

陈树华，武华，周弘毅，等 . 硅片表面粗糙度对界面态的影响［J］. 电子科技， 2013 ， 26 （ 9 ）： 50 - 53 . doi: 10.3969/j.issn.1007-7820.2013.09.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-7820.2013.09.016

CHEN SH H ， WU H ， ZHOU H Y ， et al . Influence of silicon surface roughness on the interface states ［J］. Electronic Science and Technology ， 2013 ， 26 （ 9 ）： 50 - 53 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-7820.2013.09.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-7820.2013.09.016

VILLA J J . Additional data on the refractive index of silicon ［J］. Applied Optics ， 1972 ， 11 （ 9 ）： 2102 - 2103 . doi: 10.1364/ao.11.002102 http://dx.doi.org/10.1364/ao.11.002102

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