CN111638305A - 一种用于确定单晶材料最优加工方向的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于确定单晶材料最优加工方向的方法，所述方法为制作单晶材料样品，确定单晶材料样品所有的潜在最优加工方向，对单晶材料沿着每个潜在最优加工方向进行加工；在每次加工中获取用于测评该潜在最优加工方向的评定特征；所述的评定特征包括加工过程中的加工力、加工完成后的表面形貌特征和亚表面损伤层深度；所述的加工力包括切向力和法向力；最后根据评定特征，选择出最优加工方向，提高加工效率和加工的质量。
Description
技术领域
本发明涉及单晶材料加工技术领域，尤其涉及一种用于确定单晶材料最优加工方向的方法。
背景技术
单晶材料由于其优异的性能被广泛的应用，但是由于其各向异性的性质，使用相同的工艺参数沿着不同方向进行磨削、切削和线切割加工时，材料的表面质量、加工效率、加工力、或工具磨损也有明显的差异。
申请号为CN201380047765.4的专利公开了显示出稳定的超弹性的Cu-Al-Mn系合金材料及其制造方法，在制造后要求70％以上的晶粒<001>晶向偏离角度为0°～50°的范围内，但是并没有提出如何能够确定最佳加工方向。专利申请号为CN201010598282.1的专利公开了一种基于切削力波动特性的单晶材料切削方法及微调刀架，可以实现单晶材料切削过程中切削方向的调整，但是并没有提出哪个切削方向为最优加工方向。
因此，亟需一种方法，可以实现对单晶材料加工方向的优选，从而在单晶材料的磨削、切削或线切割加工中，能够减小加工力、提高加工效率和提高加工质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定单晶材料最优加工方向的方法，利用所述方法实现对单晶材料加工方向的优选，所述方法适用于单晶材料的磨削、线切割或切削加工中，能够减小加工力、提高加工效率和加工质量。
本发明采用的技术方案为：
一种用于确定单晶材料最优加工方向的方法，包括以下步骤：
步骤一：制作单晶材料样品，确定单晶材料样品所有的潜在最优加工方向；设定单晶材料样品的潜在最优加工方向有n个；
步骤二：对单晶材料沿着每个潜在最优加工方向进行加工；设定第i次加工为沿第i个潜在最优加工方向进行的加工；
步骤三：在第i次加工中，获取用于测评第i个潜在最优加工方向的评定特征；
所述的评定特征包括加工过程中的加工力、加工完成后的表面形貌特征和亚表面损伤层深度；所述的加工力包括切向力和法向力；
3.1：通过力信号采集系统采集第i次加工过程中的加工力；
3.2：通过光学测量设备对第i次加工完成后的表面形貌进行检测，获取表面形貌特征；
3.3：通过破坏性检测方式获取第i次加工完成后的截面形貌，通过截面形貌获取获取与第i个潜在最优加工方向对应的亚表面损伤层深度；
步骤四：重复步骤三，直至通过n次加工，分别完成对n个潜在最优加工方向的加工，获取与n个潜在最优加工方向一一对应的n组评定特征；
步骤五：根据评定特征，从n个潜在最优加工方向中选择出最优加工方向。
所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法包括以下步骤：
步骤一：所述的潜在最优加工方向为潜在最优磨削方向；
步骤二：对单晶材料样品沿着每个潜在最优磨削方向进行加工；设定第i次加工为沿第i个潜在最优磨削方向进行的加工；
步骤三：在第i次加工中，获取用于测评第i个潜在最优磨削方向的评定特征；所述的评定特征中，所述的加工力为磨削力，所述的表面形貌特征为表面粗糙度；
3.1：通过力信号采集系统对第i次加工过程中的磨削力进行采集；
3.2：通过光学测量设备对第i次加工完成后的表面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优磨削方向对应的表面粗糙度；
3.3：通过破坏性检测方式对第i次加工完成后的截面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优磨削方向对应的亚表面损伤层深度；
步骤四：重复步骤三，直至通过n次加工，分别完成对n个潜在最优磨削方向的加工，获取与n个潜在最优磨削方向一一对应的n组评定特征；
步骤五：根据评定特征，从n个潜在最优磨削方向中选择出最优磨削方向；磨削力的切向力最小、磨削力的法向力最小、表面粗糙度最小和亚表面损伤层深度最小的评定特征对应的潜在最优磨削方向，即为最优磨削方向。
所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法包括以下步骤：
步骤一：所述的潜在最优加工方向为潜在最优切削方向；
步骤二：对单晶材料样品沿着每个潜在最优切削方向进行加工；设定第i次加工为沿第i个潜在最优切削方向进行的加工；
步骤三：在第i次加工中，获取用于测评第i个潜在最优切削方向的评定特征； 所述的评定特征中，所述的加工力为切削力、所述的表面形貌特征为材料去除体积；所述的材料去除体积为下一步加工工序需要去除的材料体积；
3.1：通过力信号采集系统对第i次加工过程中的切削力进行采集；
3.2：通过光学测量设备对第i次加工完成后的表面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优切削方向对应的材料去除体积；
3.3：通过破坏性检测方式对第i次加工完成后的截面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优切削方向对应的亚表面损伤层深度；
步骤四：重复步骤三，直至通过n次加工，分别完成对n个潜在最优切削方向的加工，获取与n个潜在最优切削方向一一对应的n组评定特征；
步骤五：根据评定特征，从n个潜在最优切削方向中选择出最优切削方向；切削力的法向力最小、切削力的切向力最小、材料去除体积最小和亚表面损伤层深度最小的评定特征对应的潜在最优切削方向，即为最优切削方向。
所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法包括以下步骤：
步骤一：所述的潜在最优加工方向为最优线切割方向；
步骤二：对单晶材料样品沿着每个潜在最优线切割方向进行加工；设定第i次加工为沿第i个潜在最优线切割方向进行的加工；
步骤三：在第i次加工中，获取用于测评第i个潜在最优线切割方向的评定特征；所述的评定特征中，所述的加工力为线切割力、表面形貌特征为材料去除体积；所述的材料去除体积为下一步加工工序需要去除的材料体积；
3.1：通过力信号采集系统对第i次加工过程中的线切割力进行采集，所述的线切割力包括切向力和法向力；
3.2：通过光学测量设备对第i次加工完成后的表面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优线切割方向对应的材料去除体积；所述的材料去除体积为下一步加工工序需要去除的材料体积；
3.3：通过破坏性检测方式对第i次加工完成后的截面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优线切割方向对应的亚表面损伤层深度；
步骤四：重复步骤三，直至通过n次加工，分别完成对n个潜在最优线切割方向的加工，获取与n个潜在最优线切割方向一一对应的n组评定特征；
步骤五：根据评定特征，从n个潜在最优线切割方向中选择出最优线切割方向；线切割力的法向力最小、线切割力的切向力最小、材料去除体积最小和亚表面损伤层深度最大的评定特征对应的潜在最优线切割方向，即为最优线切割方向。
所述的破坏性检测方式包括TEM、FIB加工、截面抛光法、斜面抛光法、溶液腐蚀法等。
所述的潜在最优磨削方向通过单晶材料晶体结构的各向异性确定。
所述的潜在最优切削方向通过单晶材料晶体结构的各向异性确定。
所述的潜在最优线切割方向根据单晶材料晶体结构的对称性以及线切割加工往复性确定。
所述的切割力的切向力为加工过程中工具运动换向前后的力的差值的二分之一。
所述的切割力的法向力通过抬线法获得。
本发明所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法，通过对单晶材料样品的所有的潜在最优加工方向进行一一加工，采集每个潜在最优加工方向的加工力、加工后的表面形貌特征和亚表面损伤层深度。加工力越小、表面形貌特征越好，亚表面损伤层深度最小或最大（根据加工方式不同确定），则说明该加工方向更优，从而通过各个潜在最优加工方向特征的对比确定最优加工方向，沿最优加工方向进行加工，从而减小加工力、提高加工效率和加工质量。
附图说明
图1为本发明的所述的方法流程图；
图2为本发明的所述金刚石的晶体示意图；
图3为本发明的潜在最优磨削方向[112]晶向示意图；
图4为本发明的潜在最优磨削方向[100]晶向示意图；
图5为本发明的潜在最优磨削方向[11-2]晶向示意图；
图6为本发明从不同的潜在最优磨削方向磨削时的磨削力的法向力；
图7为本发明从不同的潜在最优磨削方向磨削时的磨削力的切向力；
图8为本发明从不同的潜在最优磨削方向磨削时的表面粗糙度；
图9为本发明从不同的潜在最优磨削方向磨削时的亚表面损伤层深度；
图10为本发明所述的KDP晶体的晶体结构示意图；
图11为本发明潜在最优切削方向[010]、[011]和[001]晶向示意图；
图12为本发明从不同方向刨削时不同刨削深度下的切向力；
图13为本发明从不同方向刨削时不同刨削深度下的法向力；
图14为本发明从不同方向刨削时不同线速度和进给速度下的材料去除体积；
图15为本发明从不同方向刨削时的亚表面损伤层深度；
图16为本发明的蓝宝石的晶体结构示意图；
图17为本发明的蓝宝石切割样品示意图；
图18为本发明的潜在最优切割方向示意图；
图19为本发明的线切割加工线速度为200m/min时不同进给速度时的切向力；
图20为本发明的线切割加工线速度为200m/min时不同进给速度时的法向力；
图21为本发明的线切割加工线速度为600m/min时不同进给速度时的切向力；
图22为本发明的线切割加工线速度为600m/min时不同进给速度时的法向力；
图23为本发明的线切割加工线速度为200m/min时不同进给速度时的材料去除体积；
图24为本发明的线切割加工线速度为600m/min时，不同进给速度时的材料去除体积；
图25为本发明的C面蓝宝石划擦后截面形貌图；
图26为本发明的M面蓝宝石划擦后截面形貌图；
图27为本发明的R面蓝宝石划擦后截面形貌图；
图28为本发明从不同潜在最优线切割方向切割时的中位裂纹深度；
1、{111}晶面；2、[112]晶向；3、[100]晶向；4、[11-2]晶向；5、{100}晶面；6、[010]晶向；7、[011]晶向；8、[001]晶向；9、A面；10、C面；11、R面；12、M面；13、A-C方向；14、A-R方向；15、A-M方向。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括一种用于确定单晶材料最优加工方向的方法，包括以下步骤：
步骤一：制作单晶材料样品，确定单晶材料样品所有的潜在最优加工方向；设定单晶材料样品的潜在最优加工方向有n个；
步骤二：对单晶材料样品沿着每个潜在最优加工方向进行加工；设定第i次加工为沿第i个潜在最优加工方向进行的加工；
步骤三：在第i次加工中，获取用于测评第i个潜在最优加工方向的评定特征；
所述的评定特征包括加工过程中的加工力、加工完成后的表面形貌特征和亚表面损伤层深度；所述的加工力包括切向力和法向力；
3.1：通过力信号采集系统采集第i次加工过程中的加工力；所述的加工力包括切向力和法向力；
3.2：通过光学测量设备对第i次加工完成后的表面形貌进行检测，获取表面形貌特征；
3.3：通过破坏性检测方式获取第i次加工完成后的截面形貌，通过截面形貌获取与第i个潜在最优加工方向对应的亚表面损伤层深度。
步骤四：重复步骤三，直至通过n次加工，完成对n个潜在最优加工方向的加工，获取与n个潜在最优加工方向一一对应的n组评定特征；
步骤五：根据评定特征，从n个潜在最优加工方向中选择出最优加工方向。
所述的破坏性检测方式包括TEM、FIB加工、截面抛光法、斜面抛光法、溶液腐蚀法。
本发明所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法，通过对单晶材料样品的所有的潜在最优加工方向进行一一加工，采集每个潜在最优加工方向的加工过程中的加工力、加工完成后的表面形貌特征和亚表面损伤层深度，加工力越小、表面形貌特征越好，根据加工种类所获得的不同亚表面损伤层深度越小或越大，则说明该加工方向更优，从而通过各个潜在最优加工方向的评定特征的对比，从所有潜在最优加工方向中确定最优加工方向。
以下结合具体的实施例，分别说明确定单晶材料的最优磨削方向、最优切削方向和最优线切割方向的确定方法。
以下为单晶材料最优磨削方向的确定方法，具体包括以下步骤：
步骤一：制作单晶材料样品，确定单晶材料样品所有的潜在最优磨削方向；设定单晶材料样品的潜在最优磨削方向有n个；根据单晶材料晶体结构的各向异性确定所有潜在最优磨削方向。晶体结构的各向异性是指晶体材料沿不同晶格方向原子周期性排列不同导致不同方向材料性能存在差异，单晶材料是力学性能各向异性的材料，包括但不仅限于单晶硅、碳化硅、KDP、蓝宝石；
本实施例中，具体将金刚石的{111}晶面1作为磨削加工对象。图2为金刚石晶体示意图，通过对金刚石晶体结构的分析，确定金刚石的{111}晶面1所有的潜在最优磨削方向为3个，即n=3。
三个潜在最优磨削方向分别为[112]晶向2、[100]晶向3和[11-2]晶向4，分别对应图3、图4和图5中的箭头所指示的潜在最优磨削方向。图3为沿[112]晶向2进行磨削加工，图4为沿[100]晶向3进行磨削加工，图5为沿[11-2]晶向4进行磨削加工。
步骤二：对单晶材料样品沿着每个潜在最优磨削方向进行加工；设定第i次加工为沿第i个潜在最优磨削方向进行的加工；本实施例中，分别从[112]晶向2、[100]晶向3和[11-2]晶向4使用陶瓷结合剂砂轮进行平面磨削。金刚石样品的尺寸为17mm×17mm，在沿三个潜在最优磨削方向进行加工的过程中，砂轮转速为3000rpm，进给速度为10mm/s，磨削深度为2μm，使用水作为冷却液；
步骤三：在第i次加工中，获取用于测评第i个潜在最优磨削方向的评定特征；所述的评定特征中，所述的加工力为磨削力，表面形貌特征为表面粗糙度；
3.1：通过力信号采集系统对第i次加工过程中的磨削力进行采集，所述的磨削力包括切向力和法向力。
本实施例中，使用Kistler 9119AA2测力系统对加工过程中的磨削力进行采集。图6所示为从[112]晶向2、[100]晶向3和[11-2]晶向4磨削时的磨削力的法向力。图7所示为从[112]晶向2、[100]晶向3和[11-2]晶向4磨削时的磨削力的切向力。从图6、图7中可以看出从[11-2]晶向4磨削时，磨削力的切向力和法向力均为最小，也就是沿着[11-2]晶向4磨削时比较容易加工。
3.2：通过光学测量设备对第i次加工完成后的表面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优磨削方向对应的表面粗糙度；通过光学测量设备可完成二维粗糙度或者三维粗糙度的检测，检测方式包括接触式或非接触式检测，可以获得加工完成后的{111}晶面1的粗糙度信息。
本实施例中，使用Zygo白光干涉仪对从[112]晶向2、[100]晶向3和[11-2]晶向4磨削完成后的{111}晶面1的表面形貌进行检测，获取沿[112]晶向2、[100]晶向3和[11-2]晶向4磨削完成后的{111}晶面1的表面粗糙度。
如图8所示，从[11-2]晶向4磨削时的表面粗糙度值最小，说明沿[11-2]晶向4加工完成后单晶材料的表面形貌最好。
3.3：通过破坏性检测方式对第i次加工完成后的截面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优磨削方向对应的亚表面损伤层深度。
本实施例中，通过FIB加工的方式沿着垂直于磨削方向制作TEM样品，观察沿着[112]晶向2、[100]晶向3和[11-2]晶向4磨削时单晶材料的亚表面损伤层深度，[112]晶向2、[100]晶向3和[11-2]晶向4磨削完成后的亚表面损伤层深度如图9所示，从图9中可以看出沿[11-2]晶向4磨削时亚表面损伤层深度是最小的，对单晶材料的亚表面损伤层深度最轻。
步骤四：重复步骤三，直至通过n次加工，完成对n个潜在最优磨削方向的加工，获取与n个潜在最优磨削方向一一对应的n组评定特征；
本实施例中，获取与[112]晶向2、[100]晶向3和[11-2]晶向4对应的3组评定特征。
步骤五：根据评定特征，从n个潜在最优磨削方向中选择出最优磨削方向；磨削力的切向力最小、磨削力的法向力最小、表面粗糙度最小和亚表面损伤层深度最小的评定特征对应的潜在最优磨削方向，即为最优磨削方向。
本实施例中，[11-2]晶向4对应的磨削力的切向力、磨削力的法向力最小、表面粗糙度最小且亚表面损伤层深度最小，因此，确定[11-2]晶向4为最优磨削方向。
以下为单晶材料最优切削方向的确定方法，包括以下步骤：
步骤一：制作单晶材料样品，确定单晶材料样品所有的潜在最优切削方向；设定单晶材料样品的潜在最优切削方向有n个；通过单晶材料晶体结构的各向异性确定所有的潜在最优切削方向；
本实施例中，具体采用KDP晶体的{100}晶面5作为切削加工对象。图10为KDP晶体的晶体示意图，通过对KDP晶体结构的分析，确定KDP晶体的{100}晶面5的所有的潜在最优切削方向为3个，即n=3。
三个潜在最优切削方向为分别为[010]晶向6、[011]晶向7和[001] 晶向8，所述的图11中的三个箭头分别指示三个潜在最优切削方向。
步骤二：对单晶材料样品沿着每个潜在最优切削方向进行加工；设定第i次加工为沿第i个潜在最优切削方向进行的加工；
本实施例中，分别从图11所示的[010]晶向6、[011] 晶向7和[001] 晶向8通过金刚石刀具进行刨削加工，金刚石刀具刃口半径为100nm，KDP晶体样品的尺寸为30mm×30mm×8mm。刨削深度分别为2、4、6、8μm，线速度为5m/s。
步骤三：在第i次加工中，获取用于测评第i个潜在最优切削方向的评定特征； 所述的评定特征中，加工力为切削力、表面形貌特征为材料去除体积；所述的材料去除体积为下一步加工工序需要去除的材料体积；
3.1：通过力信号采集系统对第i次加工过程中的切削力进行采集，所述的切削力包括切向力和法向力；本实施例中，加工过程中的力信号使用Kistler 9119AA2测力系统对刨削加工过程中的切向力和法向力进行采集。
图12所示为从[010]晶向6、[011]晶向7和[001]晶向8刨削时，不同刨削深度下的切向力数据。图13为本发明从不同方向刨削时不同刨削深度下的法向力数据。
从图12和图13可以看出，对于KDP晶体的{100}晶面5，从[011]晶向加工时的切向力和法向力均是最小的。
3.2：通过光学测量设备对第i次加工完成后的表面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优切削方向对应的材料去除体积。
本实施例中，使用的光学测量设备为Wyko NT 9300，通过去噪、滤波和填充三个步骤对表面形貌进行重构之后，对单晶材料最低点所在的平面到材料表面的材料体积进行统计，获取下一步加工工序需要去除的材料体积，即材料去除体积。
图14所示为不同线速度和进给速度下，[010]晶向6、[011]晶向7和[001]晶向8对应的材料去除体积。从图14中可以看出从[011]晶向切入时，材料去除体积是最小的。
3.3：通过破坏性检测方式对第i次加工完成后的截面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优切削方向对应的亚表面损伤层深度；
本实施例中，沿着图11中[010]晶向6、[011]晶向7和[001]晶向8对KDP晶体进行变载荷划擦。使用的设备为Keysight G200 Nano Indenter。使用的压头为球型压头，半径为4.5μm。划擦长度为200μm，载荷从0-100mN。每个方向重复3次，选取划痕的脆性阶段也就是中间位置（50μm处）进行亚表面损伤的检测。通过聚焦离子束（FIB）加工的方式观察截面的裂纹形式和扩展深度。从图15可以看出沿着[011]晶向加工时裂纹深度是最小的，也就是说在相同的工艺条件下沿着[011]晶向加工时能够获得较小的亚表面损伤层深度。
步骤四：重复步骤三，直至通过n次加工，完成对n个潜在最优切削方向的加工，获取与n个潜在最优切削方向一一对应的n组评定特征；
步骤五：根据评定特征，从n个潜在最优切削方向中选择出最优切削方向；切削力中的法向力和切向力最小、材料去除体积最小和损伤层深度最小的评定特征对应的潜在最优切削方向，为最优切削方向。
本实施例中，结合加工过程中的切削力的法向力、切向力、材料去除体积最小以及从不同晶向划擦时的亚表面损伤层深度综合考虑，对于KDP晶体{100}晶面5的刨削加工沿着[011]晶向加工时，切向力、材料去除体积最小且亚表面损伤层深度最小， [011] 晶向为最优切削方向。
以下为单晶材料最优线切割方向的确定方法，包括以下步骤：
步骤一：制作单晶材料样品，确定单晶材料样品所有的潜在最优线切割方向；设定单晶材料样品的潜在最优线切割方向有n个；根据单晶材料晶体结构的对称性以及线切割加工往复性确定所述的潜在最优线切割方向；
如图16所示，选择A面蓝宝石衬底的加工为加工对象，图16为蓝宝石的晶体示意图，通过对蓝宝石晶体结构和线切割加工的运动方式分析，A面蓝宝石的线切割加工可以从3个方向切入，即n=3。
图16所示的晶面还包括C面10、R面11、M面12，为了方便表述分别，定义三个线切割方向分别为A-C方向13、A-R方向14和A-M方向15，从C面10切入时标记为A-C方向13、从R面11切入时标记为A-R方向14和从M面12切入时标记为A-M方向15。
步骤二：对单晶材料样品沿着每个潜在最优线切割方向进行加工；设定第i次加工为沿第i个潜在最优线切割方向进行的加工；
本实施例中，从A-C方向13、A-R方向14和A-M方向15，通过往复式电镀金刚石线锯进行线切割加工。
具体的蓝宝石切割样品如图17所示，加工方向A-C方向13、A-R方向14和A-M方向15的示意图如图18所示。蓝宝石样品的尺寸为17mm×17mm，为了避免切割进给方向上尺寸不一致给数据采集和处理带来其他干扰因素，三次加工中，线锯的张紧力为30N，线速度分别为200m/min和600m/min，进给速度分别为0.2mm/min、0.3mm/min、0.4mm/min、0.5mm/min、0.6mm/min。使用水作为冷却液。
步骤三：在第i次加工中，获取用于测评第i个潜在最优线切割方向的评定特征；所述的评定特征中，加工力为线切割力、表面形貌特征为材料去除体积，所述的亚表面损伤层深度具体为中位裂纹深度；所述的材料去除体积为下一步加工工序需要去除的材料体积；
本实施例中，对沿A-C方向13、A-R方向14和A-M方向15进行加工，每个方向均按照线速度为200m/min、进给速度分别为0.2mm/min、0.3mm/min、0.4mm/min、0.5mm/min、0.6mm/min，线速度为600m /min、进给速度分别为0.2mm/min、0.3mm/min、0.4mm/min、0.5mm/min、0.6mm/min时，分别进行评定特征采集。
3.1：通过力信号采集系统对第i次加工过程中的线切割力进行采集，所述的线切割力包括切向力和法向力。
使用Kistler 9119AA2测力系统对切割过程中的力进行采集。
本实施例中，所述的切向力为加工过程中工具运动换向前后的力的差值的二分之一。所述的法向力通过抬线法获得，也就是加工过程中将机床运动停止，将工具抬起来与蓝宝石样品分离，那么分开前后力的差值就是法向力。
图19为线速度为200m/min时，不同进给速度时的切向力。
图20为线速度为200m/min时，不同进给速度时的法向力。
图21为线速度为600m/min时，不同进给速度时的切向力。
图22为线速度为600m/min时，不同进给速度时的法向力。
从图19、图20、图21和图22中可以看出，在不同的线速度下不同的进给速度下，从A-M方向15切入时的切向力和法向力都是最小的。
3.2：通过光学测量设备对第i次加工完成后的表面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优线切割方向对应的材料去除体积；所述的材料去除体积为下一步加工工序需要去除的材料体积；
本实施例中，使用的光学测量设备为Wyko NT 9300，通过Masking、滤波和填充三个步骤对表面形貌进行重构之后，对材料最低点所在的平面到材料表面的材料体积进行统计，这个体积为下一步加工工序需要去除的材料体积，即材料去除体积。
图23所示线速度为200m/min时，不同进给速度时的材料去除体积。图24所示线速度为600m/min时，不同进给速度时的材料去除体积。从图23、图24中可以看出在不同的线速度下不同的进给速度下，从A-M方向15切入时，材料去除体积都是最小的。
3.3：通过破坏性检测方式对第i次加工完成后的截面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优线切割方向对应的中位裂纹深度。
本实施例中，沿着A-C方向13、A-R方向14和A-M方向15对蓝宝石进行变载荷划擦。使用的设备为Keysight G200 Nano Indenter，使用的压头为球型压头，半径为4.5μm，划擦长度为400μm，载荷从0-400mN。选取划痕的脆性阶段也就是中间位置进行亚表面损伤的检测。通过聚焦离子束（FIB）加工的方式观察截面的裂纹形式和扩展深度。
图25为C面蓝宝石划擦后截面形貌；图26为M面蓝宝石划擦后截面形貌；图27为R面蓝宝石划擦后截面形貌；从图25、图26和图27中，可以看出M面蓝宝石的中位裂纹是最深的。也就是说在相同的工艺条件下M面12是最容易向下发生裂纹扩展的。
步骤四：重复步骤三，直至通过n次加工，完成对n个潜在最优线切割方向的加工，获取与n个潜在最优线切割方向一一对应的n组评定特征；
步骤五：根据评定特征，从n个潜在最优线切割方向中选择出最优线切割方向；线切割力中的法向力最小、线切割力中切向力最小、材料去除体积最小和中位裂纹深度最深的评定特征对应的潜在最优线切割方向，即为最优线切割方向。
本实施例中，结合加工过程中的切削力的切向力、法向力、材料去除体积最小以及从不同晶向划擦时的中位裂纹深度综合考虑，A面蓝宝石衬底的线切割加工沿着A-M方向15加工时，切向力、材料去除体积最小且中位裂纹深度最深，因此，确定A-M方向15为最优线切割方向。
Claims (10)
1.一种用于确定单晶材料最优加工方向的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：制作单晶材料样品，确定单晶材料样品所有的潜在最优加工方向；设定单晶材料样品的潜在最优加工方向有n个；
步骤二：对单晶材料沿着每个潜在最优加工方向进行加工；设定第i次加工为沿第i个潜在最优加工方向进行的加工；
步骤三：在第i次加工中，获取用于测评第i个潜在最优加工方向的评定特征；
所述的评定特征包括加工过程中的加工力、加工完成后的表面形貌特征和亚表面损伤层深度；所述的加工力包括切向力和法向力；
3.1：通过力信号采集系统采集第i次加工过程中的加工力；
3.2：通过光学测量设备对第i次加工完成后的表面形貌进行检测，获取表面形貌特征；
3.3：通过破坏性检测方式获取第i次加工完成后的截面形貌，通过截面形貌获取获取与第i个潜在最优加工方向对应的亚表面损伤层深度；；
步骤四：重复步骤三，直至通过n次加工，分别完成对n个潜在最优加工方向的加工，获取与n个潜在最优加工方向一一对应的n组评定特征；
步骤五：根据评定特征，从n个潜在最优加工方向中选择出最优加工方向。
2.根据权利要求1所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：所述的潜在最优加工方向为潜在最优磨削方向；
步骤二：对单晶材料样品沿着每个潜在最优磨削方向进行加工；设定第i次加工为沿第i个潜在最优磨削方向进行的加工；
步骤三：在第i次加工中，获取用于测评第i个潜在最优磨削方向的评定特征；所述的评定特征中，所述的加工力为磨削力，所述的表面形貌特征为表面粗糙度；
3.1：通过力信号采集系统对第i次加工过程中的磨削力进行采集；
3.2：通过光学测量设备对第i次加工完成后的表面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优磨削方向对应的表面粗糙度；
3.3：通过破坏性检测方式对第i次加工完成后的截面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优磨削方向对应的亚表面损伤层深度；
步骤四：重复步骤三，直至通过n次加工，分别完成对n个潜在最优磨削方向的加工，获取与n个潜在最优磨削方向一一对应的n组评定特征；
步骤五：根据评定特征，从n个潜在最优磨削方向中选择出最优磨削方向；磨削力的切向力最小、磨削力的法向力最小、表面粗糙度最小和亚表面损伤层深度最小的评定特征对应的潜在最优磨削方向，即为最优磨削方向。
3.根据权利要求1所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：所述的潜在最优加工方向为潜在最优切削方向；
步骤二：对单晶材料样品沿着每个潜在最优切削方向进行加工；设定第i次加工为沿第i个潜在最优切削方向进行的加工；
步骤三：在第i次加工中，获取用于测评第i个潜在最优切削方向的评定特征； 所述的评定特征中，所述的加工力为切削力、所述的表面形貌特征为材料去除体积；所述的材料去除体积为下一步加工工序需要去除的材料体积；
3.1：通过力信号采集系统对第i次加工过程中的切削力进行采集；
3.2：通过光学测量设备对第i次加工完成后的表面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优切削方向对应的材料去除体积；
3.3：通过破坏性检测方式对第i次加工完成后的截面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优切削方向对应的亚表面损伤层深度；
步骤四：重复步骤三，直至通过n次加工，分别完成对n个潜在最优切削方向的加工，获取与n个潜在最优切削方向一一对应的n组评定特征；
步骤五：根据评定特征，从n个潜在最优切削方向中选择出最优切削方向；切削力的法向力最小、切削力的切向力最小、材料去除体积最小和亚表面损伤层深度最小的评定特征对应的潜在最优切削方向，即为最优切削方向。
4.根据权利要求1所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：所述的潜在最优加工方向为最优线切割方向；
步骤二：对单晶材料样品沿着每个潜在最优线切割方向进行加工；设定第i次加工为沿第i个潜在最优线切割方向进行的加工；
步骤三：在第i次加工中，获取用于测评第i个潜在最优线切割方向的评定特征；所述的评定特征中，所述的加工力为线切割力、表面形貌特征为材料去除体积；所述的材料去除体积为下一步加工工序需要去除的材料体积；
3.1：通过力信号采集系统对第i次加工过程中的线切割力进行采集，所述的线切割力包括切向力和法向力；
3.2：通过光学测量设备对第i次加工完成后的表面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优线切割方向对应的材料去除体积；所述的材料去除体积为下一步加工工序需要去除的材料体积；
3.3：通过破坏性检测方式对第i次加工完成后的截面形貌进行检测，获取与第i个潜在最优线切割方向对应的亚表面损伤层深度；
步骤四：重复步骤三，直至通过n次加工，分别完成对n个潜在最优线切割方向的加工，获取与n个潜在最优线切割方向一一对应的n组评定特征；
步骤五：根据评定特征，从n个潜在最优线切割方向中选择出最优线切割方向；线切割力的法向力最小、线切割力的切向力最小、材料去除体积最小和亚表面损伤层深度最大的评定特征对应的潜在最优线切割方向，即为最优线切割方向。
5.根据权利要求2、3或4所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法，其特征在于：所述的破坏性检测方式包括TEM、FIB加工、截面抛光法、斜面抛光法或溶液腐蚀法。
6.根据权利要求2所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法，其特征在于：
所述的潜在最优磨削方向通过单晶材料晶体结构的各向异性确定。
7.根据权利要求3所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法，其特征在于：
所述的潜在最优切削方向通过单晶材料晶体结构的各向异性确定。
8.根据权利要求4所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法，其特征在于：
所述的潜在最优线切割方向根据单晶材料晶体结构的对称性以及线切割加工往复性确定。
9.根据权利要求4所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法，其特征在于：
所述的切割力的切向力为加工过程中工具运动换向前后的力的差值的二分之一。
10.根据权利要求4所述的用于确定单晶材料最优加工方向的方法，其特征在于：
所述的切割力的法向力通过抬线法获得。
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