CN117359802A - 氟化钙晶体切削加工方法和氟化钙晶体 - Google Patents
氟化钙晶体切削加工方法和氟化钙晶体 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117359802A CN117359802A CN202311558294.5A CN202311558294A CN117359802A CN 117359802 A CN117359802 A CN 117359802A CN 202311558294 A CN202311558294 A CN 202311558294A CN 117359802 A CN117359802 A CN 117359802A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cutting
- model
- brittle
- feed
- calcium fluoride
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 title claims abstract description 244
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 68
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 title claims abstract description 54
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 45
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 32
- 238000003672 processing method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 15
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 8
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 6
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 4
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 3
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000233 ultraviolet lithography Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
- B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
- B28D1/00—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
- B28D1/22—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor by cutting, e.g. incising
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
- B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
- B28D7/00—Accessories specially adapted for use with machines or devices of the preceding groups
- B28D7/005—Devices for the automatic drive or the program control of the machines
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Algebra (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Software Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Milling Processes (AREA)
Abstract
本发明涉及一种氟化钙晶体切削加工方法和氟化钙晶体，包括S1、获得普通切削加工时的第一最小脆塑性转变临界切削深度；S2、基于椭圆振动超精密切削加工工艺，建立刀具运动轨迹模型；S3、基于运动轨迹模型，建立三维切削厚度模型，获得最大瞬时有效切削厚度；S4、判断最大瞬时有效切削厚度是否小于第一最小脆塑性转变临界切削深度；若是，执行步骤S5；若否，执行步骤S2；S5、获得脆塑转变临界切削深度模型；S6、基于脆塑转变临界切削深度模型加工工件，获得塑性域去除的氟化钙晶体。本发明所述的氟化钙晶体切削加工方法和氟化钙晶体，满足后续工序中的高表面质量要求、提高加工效率，为提升氟化钙晶体光学零件制造水平提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及光学零件加工技术领域，尤其涉及氟化钙晶体切削加工方法和氟化钙晶体。
背景技术
高端芯片的生产需要先进的半导体制造装备支撑，光刻机是高端芯片研制与生产的关键设备，其光刻所采用的波段是决定光刻分辨率的重要因素。根据现阶段的国际半导体技术发展路线与趋势，近期高端芯片量产中采用的主流光刻技术依然是193nm深紫外光刻。
投影光刻物镜系统是紫外光刻机的核心部件，能够获得接近衍射极限精度的成像质量。鉴于单晶氟化钙(CaF2)在紫外波段具有高透过率、低双折射率与高激光损伤阈值等优异性能，它是制造深紫外投影光刻物镜所必需的光学材料。
目前，氟化钙晶体投影光刻物镜的超光滑光学表面能够通过超精密切削-金刚石微粉抛光-硅溶胶抛光-离子束修形的工艺流程来实现，最终加工表面能够获得全频段亚纳米精度，全频段包括面形、波度和表面粗糙度。
其中，超精密切削方法是获得氟化钙晶体投影光刻物镜超光滑光学表面的关键基础工艺手段之一。氟化钙晶体的超精密切削加工工艺要满足后续抛光与离子束修形所提出的高表面质量要求，包括无裂纹与低亚表面损伤、纳米级表面粗糙度与干涉仪可测的面形精度。而塑性域去除是满足高表面质量要求的关键，但是氟化钙晶体作为典型的各向异性软脆性材料，其很难高效加工获得塑性域去除的低亚表面损伤超光滑光学表面。
现有技术中，氟化钙晶体超精密切削在极小切削深度(50nm)条件下，能够实现任意晶面与晶向的塑性域去除，但存在效率低的问题。近年来，具有小切削力、低切削热和高抗粘结磨损等特性的椭圆振动辅助方法在单晶硅、碳化硅和碳化钨等难加工脆性材料的超精密切削加工中具有提高脆塑转变临界切削深度从而提高加工效率的潜力，但材料各向异性与椭圆振动效应对氟化钙晶体塑性域去除的影响尚不清晰，难以实现稳定可控的塑性域切削，无法提供提高加工效率的理论依据。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术难以对氟化钙晶体实现高效、可控的塑性域去除，提供一种氟化钙晶体切削加工方法和氟化钙晶体，满足后续工序中的高表面质量要求的同时提高加工效率，为提升氟化钙晶体光学零件制造水平提供技术支撑。
本发明提供了一种氟化钙晶体切削加工方法，包括以下步骤：
S1、获得普通切削加工时的第一最小脆塑性转变临界切削深度；
S2、基于椭圆振动超精密切削加工工艺，建立刀具切削工件时的运动轨迹模型；
S3、基于所述运动轨迹模型，建立所述刀具切削所述工件时的三维切削厚度模型，获得椭圆振动超精密切削加工时的最大瞬时有效切削厚度；
S4、判断所述最大瞬时有效切削厚度是否小于所述第一最小脆塑性转变临界切削深度；若是，执行步骤S5；若否，执行步骤S2；
S5、获得椭圆振动超精密切削加工时的脆塑转变临界切削深度模型；
S6、基于所述脆塑转变临界切削深度模型加工所述工件，获得椭圆振动超精密切削塑性域去除的氟化钙晶体。
在本发明的一个实施例中，所述运动轨迹模型包括沿所述刀具的切削运动方向的第一运动轨迹模型；步骤S2包括：
S21、获取所述第一运动轨迹模型；
以所述刀具的刀尖的椭圆振动轨迹的中心为原点O1建立O1XZ1坐标系，X轴与所述刀具的切削运动方向平行，Z1轴与所述X轴垂直；
所述第一运动轨迹模型为：
x(t)＝Acsin(2πf′t)-vt
其中，x(t)为所述刀具在X方向上的位移，z(t)为所述刀具在Z1方向上的位移，Ac为切削运动方向的振幅，Ad为切深方向的振幅，f′为振动频率，v为切削速度，为相位差，t为时间。
在本发明的一个实施例中，所述三维切削厚度模型包括沿所述刀具的切削运动方向的第一切削厚度模型；步骤S3包括：
S31、基于所述第一运动轨迹模型，获取所述第一切削厚度模型；
设第一次走刀的起点时间为k,第二次走刀的起点时间为则所述第一次走刀的轨迹为：
x(k)＝Acsin(2πf′k)-vk
所述第二次走刀的轨迹为：
所述第一次走刀的轨迹和所述第二次走刀的轨迹之间的距离，即所述第一次走刀的轨迹和所述第二次走刀的轨迹之间的第一瞬时有效切削厚度；将一个周期内x(k)到的时间离散为n个数值，分别为k1、k2、…、kn；对应相邻两次走刀的轨迹之间的距离为d1、d2、…、dn；
所述第一切削厚度模型为：
S32、基于所述第一切削厚度模型dn，获得沿所述刀具的切削运动方向的第一最大瞬时有效切削厚度Max(dn)。
在本发明的一个实施例中，步骤S4包括：
S41、判断所述第一最大瞬时有效切削厚度Max(dn)是否小于所述第一最小脆塑性转变临界切削深度；若是，执行步骤S51；若否，执行步骤S21；
所述脆塑转变临界切削深度模型包括沿所述刀具的切削运动方向的第一脆塑转变临界切削深度模型；
步骤S5包括：
S51、记与所述第一最大瞬时有效切削厚度Max(dn)相对应的数学模型为所述第一脆塑转变临界切削深度模型；执行步骤S6。
在本发明的一个实施例中，所述运动轨迹模型包括沿所述刀具的进给运动方向的第二运动轨迹模型；步骤S2包括：
S22、获取所述第二运动轨迹模型；
所述第二运动轨迹模型包括多条走刀界面轮廓曲线，每条所述走刀界面轮廓曲线由所述刀具在进给过程中的一次走刀所形成；任取一条走刀界面轮廓曲线，记为第一走刀界面轮廓曲线；
沿所述进给运动方向，取所述第一走刀界面轮廓曲线上距离其最低点A3’二分之一进给量的其中一个点O2为原点，建立O2YZ2坐标系，Y轴与所述刀具的进给运动方向平行，Z2轴与所述Y轴垂直；
所述第一走刀界面轮廓曲线为：
记与所述第一走刀界面轮廓曲线相差一个进给量的后一条走刀界面轮廓曲线为第二走刀界面轮廓曲线，所述第二走刀界面轮廓曲线为：
其中，m为正整数，zm为所述刀具在Z2方向上的位移，y为所述刀具在Y方向上的位移，f为进给量，rε为所述刀具圆弧半径。
在本发明的一个实施例中，所述三维切削厚度模型包括沿所述刀具的进给运动方向的第二切削厚度模型；步骤S3包括：
S33、基于所述第二运动轨迹模型，获取所述第二切削厚度模型；
所述第二切削厚度模型为：
其中，D为切削深度；
S34、基于所述第二切削厚度模型De，获得沿所述刀具的进给运动方向的第二最大瞬时有效切削厚度Max(De)。
在本发明的一个实施例中，步骤S4包括：
S42、判断所述第二最大瞬时有效切削厚度Max(De)是否小于所述第一最小脆塑性转变临界切削深度；若是，执行步骤S52；若否，执行步骤S22；
所述脆塑转变临界切削深度模型包括沿所述刀具的进给运动方向的第二脆塑转变临界切削深度模型；
步骤S5包括：
S52、记与所述第二最大瞬时有效切削厚度Max(De)相对应的数学模型为所述第二脆塑转变临界切削深度模型；执行步骤S6。
在本发明的一个实施例中，步骤S1包括：
S11、取相同的所述工件，进行变切深刻划实验，获得对照工件；
S12、观测分析所述对照工件的沟槽表面脆塑性变形特征，获得所述第一最小脆塑转变临界切削深度。
在本发明的一个实施例中，步骤S11包括：
取相同的所述工件，在所述工件的(100)晶面、(110)晶面和(111)晶面上每隔30°角度方向上进行变切深刻划实验；每个方向的变切深刻划实验重复三次，获得对照工件。
本发明还提供一种氟化钙晶体，所述氟化钙晶体基于上述任意一项所述的氟化钙晶体切削加工方法加工获得。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的氟化钙晶体切削加工方法，基于脆塑转变临界切削深度模型和椭圆振动超精密切削加工工艺对工件进行切削加工，能够实现在不同切削参数条件下，对任意晶面、晶向的工件的高效、稳定、可控的塑性域切除，为提升氟化钙晶体光学零件制造水平提供技术支撑。通过本发明所述的氟化钙晶体切削加工方法对工件进行加工，既能够满足后续工序中的高表面质量要求，又能够提高了脆塑转变临界切削深度、从而提高加工效率。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，
图1为本发明优选实施例中氟化钙晶体切削加工方法的流程图；
图2为本发明优选实施例中切削加工时的三维结构示意图；
图3为本发明优选实施例中沿刀具进给运动方向的切削过程示意图；
图4为本发明优选实施例中沿刀具切削运动方向的切削过程示意图；
图5为本发明优选实施例中对应点位沿刀具进给运动方向上的截面图。
说明书附图标记说明：10、刀具；11、前刀面；12、后刀面；13、刀尖；D1、切削运动方向；D2、进给运动方向；20、工件；31、第一次走刀的轨迹；32、第二次走刀的轨迹；33、第一走刀界面轮廓曲线；34、第二走刀界面轮廓曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示本发明公开了一种氟化钙晶体切削加工方法，包括以下步骤：
S1、获得普通切削加工时的第一最小脆塑性转变临界切削深度；
S2、基于椭圆振动超精密切削加工工艺，建立刀具10切削工件20时的运动轨迹模型；
S3、基于所述运动轨迹模型，建立所述刀具10切削所述工件20时的三维切削厚度模型，获得椭圆振动超精密切削加工时的最大瞬时有效切削厚度；
S4、判断所述最大瞬时有效切削厚度是否小于所述第一最小脆塑性转变临界切削深度；若是，执行步骤S5；若否，执行步骤S2；
S5、获得椭圆振动超精密切削加工时的脆塑转变临界切削深度模型；
S6、基于所述脆塑转变临界切削深度模型加工所述工件20，获得椭圆振动超精密切削塑性域去除的氟化钙晶体。
现有技术中，氟化钙晶体需要在塑性域条件下进行切削，才能够保证加工表面无裂纹。然而，氟化钙晶体在普通切削时的脆塑转变临界切削深度很小，每次只能够切削很薄的一层材料。通过椭圆振动超精密切削能够提高氟化钙晶体的脆塑转变临界切削深度，每次能够切削的厚一点，因此其相较于普通切削能够提高加工效率。但材料各向异性与椭圆振动效应对氟化钙晶体塑性域去除的影响尚不清晰。为了保证稳定性，通常将切削深度设置在一个较小的值，该值远小于实际的脆塑转变临界切削深度，导致难以实现高效、稳定、可控的塑性域切削。
本发明所述的氟化钙晶体切削加工方法，基于脆塑转变临界切削深度模型和椭圆振动超精密切削加工工艺对工件20进行切削加工，能够实现在不同切削参数条件下，对任意晶面、晶向的工件20的高效、稳定、可控的塑性域切除，为提升氟化钙晶体光学零件制造水平提供技术支撑。通过本发明所述的氟化钙晶体切削加工方法对工件20进行加工，既能够满足后续工序中的高表面质量要求，又能够提高了脆塑转变临界切削深度、从而提高加工效率。
椭圆振动超精密切削加工工艺为现有技术，参照图2所示，在加工过程中，待加工的工件20固定，而加工的刀具10相对工件20运动。优选的，选择圆弧刃金刚石作为刀具10，能够保证加工效率和加工质量。刀具10包括前刀面11、后刀面12和刀尖13。能够将刀具10的相对运动分为沿进给运动方向D2的运动和沿切削运动方向D1的运动，在完成一次沿切削运动方向D1的加工后，刀具10沿进给运动方向D2进给一个进给量f，并进行下一次的切削。
一、获得普通切削加工时的第一最小脆塑性转变临界切削深度：
S11、取相同的工件20，进行变切深刻划实验，获得对照工件。
具体的，在工件20的(100)晶面、(110)晶面和(111)晶面上每隔30°角度方向上进行变切深刻划实验。每个方向的变切深刻划实验重复三次，以得到对照工件。对于各个晶面的定义为本领域技术人员的公知常识，不再赘述。
优选的，采用超精密车床、圆弧刃单晶金刚石刀具10与经过超精密抛光预处理的氟化钙晶体工件进行变切深普通刻划实验。能够高效的获得对应的最小脆塑转变临界切削深度。
S12、观测分析对照工件的沟槽表面脆塑性变形特征，获得第一最小脆塑转变临界切削深度。优选的，采用扫描电子显微镜(SEM)和白光干涉仪对对照工件的沟槽表面脆塑性变形特征进行观测分析，结果精确。对于如何观测分析脆塑性变形特征，属于公知常识，不再赘述。
二、基于椭圆振动超精密切削加工工艺，建立刀具10切削工件20时的运动轨迹模型：
对加工过程中，刀具10与工件20的相对运动过程解析。
S21、获取第一运动轨迹模型。
参照图2和图3所示，运动轨迹模型包括沿刀具10的切削运动方向D1的第一运动轨迹模型。
在沿刀具10的切削运动方向D1上，刀具10做椭圆振动运动。以刀具10的刀尖13的椭圆振动轨迹的中心为原点O1建立O1XZ1坐标系，其中，X轴与刀具10的切削运动方向D1平行，Z1轴与X轴垂直。图中，阴影部分表示切削层的截面面积。
第一运动轨迹模型为：
x(t)＝Acsin(2πf′t)-vt (1)
其中，x(t)为刀具10在X方向上的位移，z(t)为刀具10在Z1方向上的位移，Ac为切削运动方向D1的振幅，Ad为切深方向的振幅，f′为振动频率，v为切削速度，为相位差，t为时间。基于公式(1)和公式(2)，能够精确表达出刀具10沿切削运动方向D1的第一运动轨迹模型。
S22、获取所述第二运动轨迹模型。
参照图2和图4所示，运动轨迹模型还包括沿刀具10的进给运动方向D2的第二运动轨迹模型。
第二运动轨迹模型包括多条走刀界面轮廓曲线，每条走刀界面轮廓曲线由刀具10在进给过程中的一次走刀所形成，每条走刀界面轮廓曲线均为圆弧状曲线。任取一条走刀界面轮廓曲线，记为第一走刀界面轮廓曲线33。
沿进给运动方向D2，取第一走刀界面轮廓曲线33上距离其最低点A3’二分之一进给量的其中一个点O2为原点，建立O2YZ2坐标系，其中，Y轴与刀具10的进给运动方向D2平行，Z2轴与Y轴垂直。需要说明的是，第一走刀界面轮廓曲线33上的最低点A3’表示该点在Z2轴上所对应的值最小。
第一走刀界面轮廓曲线33为：
记与第一走刀界面轮廓曲线33相差一个进给量的后一条走刀界面轮廓曲线为第二走刀界面轮廓曲线34，第二走刀界面轮廓曲线34为：
其中，m为正整数，zm为刀具10在Z2方向上的位移，y为刀具10在Y方向上的位移，f为进给量，rε为刀具10圆弧半径。基于公式(3)和公式(4)，能够精确的表达出刀具10沿进给运动方向D2的第二运动轨迹模型。
三、基于运动轨迹模型，建立刀具10切削工件20时的三维切削厚度模型，获得椭圆振动超精密切削加工时的最大瞬时有效切削厚度：
通过解析切削参数、刀具10几何参数、椭圆振动参数，以及实际切削过程中瞬时有效切削厚度之间的映射关系，建立虑及刀具10进给影响的、反应椭圆振动超精密切削加工时三维状态的三维切削厚度模型，进而获得最大瞬时有效切削厚度。
S31、基于第一运动轨迹模型，获取第一切削厚度模型。
三维切削厚度模型包括沿刀具10的切削运动方向D1的第一切削厚度模型。
设第一次走刀的起点时间为k,第二次走刀的起点时间为则第一次走刀的轨迹31为：
x(k)＝Acsin(2πf′k)-vk (5)
第二次走刀的轨迹32为：
第一次走刀的轨迹31和第二次走刀的轨迹32之间的距离，即第一次走刀的轨迹31和第二次走刀的轨迹32之间的第一瞬时有效切削厚度。
将一个周期内x(k)到的时间离散为n个数值，分别为k1、k2、…、kn；对应相邻两次走刀的轨迹之间的距离为d1、d2、…、dn。
第一切削厚度模型为：
通过于公式(5)至公式(8)带入各参数进行计算，再将结果带入公式(9)中，即能够获得对应的第一瞬时有效切削厚度。
S32、基于第一切削厚度模型dn，获得沿刀具10的切削运动方向D1的第一最大瞬时有效切削厚度Max(dn)。
通过比较各个第一瞬时有效切削厚度的大小，即能够获得第一最大瞬时有效切削厚度Max(dn)。
S33、基于第二运动轨迹模型，获取第二切削厚度模型。
三维切削厚度模型包括沿刀具10的进给运动方向D2的第二切削厚度模型。
第二切削厚度模型为：
其中，D为切削深度；
通过于公式(3)和公式(4)中带入各参数进行计算，再将结果带入公式(10)中即能够获得对应的第二瞬时有效切削厚度。
S34、基于第二切削厚度模型De，获得沿刀具10的进给运动方向D2的第二最大瞬时有效切削厚度Max(De)。
通过比较各个第二瞬时有效切削厚度的大小，即能够获得第二最大瞬时有效切削厚度Max(De)。
下面对y的范围限定进行分析。
参照图4和图5所示，弧O2A5为刀具10的切削刃与工件20所接触的有效弧段，沿弧O2A5第二瞬时有效切削厚度会不断变化。
其中，点O2为第一走刀界面轮廓曲线33上距离其最低点A3’二分之一进给量的点。点A5为第二次走刀结束时，刀具10的切削刃与工件20待加工表面接触点。
于弧O2A5上取四个点，分别为点A1、点A2、点A3和点A4。其中点A3为第二走刀界面轮廓曲线34上的最低点。
因此能够得知，在进给运动方向D2上，点O2与点A3’之间的距离为二分之一个进给量、即a，而点A3与点A3’之间的距离为一个进给量、即f，对应公式(11)和公式(13)。
点A1和点A2为点O2和点A3之间任意两点。点A5’为第一次走刀结束时、刀具10的切削刃与工件20待加工表面接触点，而点A4为沿点A5’做垂线、垂线与弧O2A5的交点，对应公式(12)。
能够得知，在弧O2A5上，点A4处的第二有效切削厚度最大，而位于点A4两侧的点所对应的第二有效切削厚度逐渐减小至0。
四、判断最大瞬时有效切削厚度是否小于第一最小脆塑性转变临界切削深度：
控制椭圆振动超精密切削加工时的最大瞬时有效切削厚度小于普通切削加工时的第一最小脆塑性转变临界切削深度，是高效加工获得塑性域去除的低亚表面损伤超光滑光学表面的关键点之一。
S41、判断第一最大瞬时有效切削厚度Max(dn)是否小于第一最小脆塑性转变临界切削深度。若是，执行步骤S51；若否，执行步骤S21。
S42、判断第二最大瞬时有效切削厚度Max(De)是否小于第一最小脆塑性转变临界切削深度。若是，执行步骤S52；若否，执行步骤S22。
五、获得椭圆振动超精密切削加工时的脆塑转变临界切削深度模型：
脆塑转变临界切削深度模型包括沿刀具10的切削运动方向D1的第一脆塑转变临界切削深度模型，以及沿刀具10的进给运动方向D2的第二脆塑转变临界切削深度模型。
S51、记与所述第一最大瞬时有效切削厚度Max(dn)相对应的数学模型为第一脆塑转变临界切削深度模型。
S52、记与所述第二最大瞬时有效切削厚度Max(De)相对应的数学模型为第二脆塑转变临界切削深度模型。
六、基于脆塑转变临界切削深度模型加工工件20，获得椭圆振动超精密切削塑性域去除的氟化钙晶体：
具体的，基于第一脆塑转变临界切削深度模型和第二脆塑转变临界切削深度模型加工工件20，获得椭圆振动超精密切削塑性域去除的氟化钙晶体。
本发明还公开了一种氟化钙晶体，所述氟化钙晶体基于上述任意一个实施例中所述的氟化钙晶体切削加工方法加工获得。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种氟化钙晶体切削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获得普通切削加工时的第一最小脆塑性转变临界切削深度；
S2、基于椭圆振动超精密切削加工工艺，建立刀具切削工件时的运动轨迹模型；
S3、基于所述运动轨迹模型，建立所述刀具切削所述工件时的三维切削厚度模型，获得椭圆振动超精密切削加工时的最大瞬时有效切削厚度；
S4、判断所述最大瞬时有效切削厚度是否小于所述第一最小脆塑性转变临界切削深度；若是，执行步骤S5；若否，执行步骤S2；
S5、获得椭圆振动超精密切削加工时的脆塑转变临界切削深度模型；
S6、基于所述脆塑转变临界切削深度模型加工所述工件，获得椭圆振动超精密切削塑性域去除的氟化钙晶体。
2.根据权利要求1所述的氟化钙晶体切削加工方法，其特征在于，所述运动轨迹模型包括沿所述刀具的切削运动方向的第一运动轨迹模型；步骤S2包括：
S21、获取所述第一运动轨迹模型；
以所述刀具的刀尖的椭圆振动轨迹的中心为原点O1建立O1XZ1坐标系，X轴与所述刀具的切削运动方向平行，Z1轴与所述X轴垂直；
所述第一运动轨迹模型为：
x(t)＝Acsin(2πf′t)-vt
其中，x(t)为所述刀具在X方向上的位移，z(t)为所述刀具在Z1方向上的位移，Ac为切削运动方向的振幅，Ad为切深方向的振幅，f′为振动频率，v为切削速度，为相位差，t为时间。
3.根据权利要求2所述的氟化钙晶体切削加工方法，其特征在于，所述三维切削厚度模型包括沿所述刀具的切削运动方向的第一切削厚度模型；步骤S3包括：
S31、基于所述第一运动轨迹模型，获取所述第一切削厚度模型；
设第一次走刀的起点时间为k,第二次走刀的起点时间为则所述第一次走刀的轨迹为：
x(k)＝Acsin(2πf′k)-vk
所述第二次走刀的轨迹为：
所述第一次走刀的轨迹和所述第二次走刀的轨迹之间的距离，即所述第一次走刀的轨迹和所述第二次走刀的轨迹之间的第一瞬时有效切削厚度；将一个周期内x(k)到的时间离散为n个数值，分别为k1、k2、…、kn；对应相邻两次走刀的轨迹之间的距离为d1、d2、…、dn；
所述第一切削厚度模型为：
S32、基于所述第一切削厚度模型dn，获得沿所述刀具的切削运动方向的第一最大瞬时有效切削厚度Max(dn)。
4.根据权利要求3所述的氟化钙晶体切削加工方法，其特征在于，步骤S4包括：
S41、判断所述第一最大瞬时有效切削厚度Max(dn)是否小于所述第一最小脆塑性转变临界切削深度；若是，执行步骤S51；若否，执行步骤S21；
所述脆塑转变临界切削深度模型包括沿所述刀具的切削运动方向的第一脆塑转变临界切削深度模型；
步骤S5包括：
S51、记与所述第一最大瞬时有效切削厚度Max(dn)相对应的数学模型为所述第一脆塑转变临界切削深度模型；执行步骤S6。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的氟化钙晶体切削加工方法，其特征在于，所述运动轨迹模型包括沿所述刀具的进给运动方向的第二运动轨迹模型；步骤S2包括：
S22、获取所述第二运动轨迹模型；
所述第二运动轨迹模型包括多条走刀界面轮廓曲线，每条所述走刀界面轮廓曲线由所述刀具在进给过程中的一次走刀所形成；任取一条走刀界面轮廓曲线，记为第一走刀界面轮廓曲线；
沿所述进给运动方向，取所述第一走刀界面轮廓曲线上距离其最低点A3’二分之一进给量的其中一个点O2为原点，建立O2YZ2坐标系，Y轴与所述刀具的进给运动方向平行，Z2轴与所述Y轴垂直；
所述第一走刀界面轮廓曲线为：
记与所述第一走刀界面轮廓曲线相差一个进给量的后一条走刀界面轮廓曲线为第二走刀界面轮廓曲线，所述第二走刀界面轮廓曲线为：
其中，m为正整数，zm为所述刀具在Z2方向上的位移，y为所述刀具在Y方向上的位移，f为进给量，rε为所述刀具圆弧半径。
6.根据权利要求5所述的氟化钙晶体切削加工方法，其特征在于，所述三维切削厚度模型包括沿所述刀具的进给运动方向的第二切削厚度模型；步骤S3包括：
S33、基于所述第二运动轨迹模型，获取所述第二切削厚度模型；
所述第二切削厚度模型为：
其中，D为切削深度；
S34、基于所述第二切削厚度模型De，获得沿所述刀具的进给运动方向的第二最大瞬时有效切削厚度Max(De)。
7.根据权利要求6所述的氟化钙晶体切削加工方法，其特征在于，步骤S4包括：
S42、判断所述第二最大瞬时有效切削厚度Max(De)是否小于所述第一最小脆塑性转变临界切削深度；若是，执行步骤S52；若否，执行步骤S22；
所述脆塑转变临界切削深度模型包括沿所述刀具的进给运动方向的第二脆塑转变临界切削深度模型；
步骤S5包括：
S52、记与所述第二最大瞬时有效切削厚度Max(De)相对应的数学模型为所述第二脆塑转变临界切削深度模型；执行步骤S6。
8.根据权利要求1所述的氟化钙晶体切削加工方法，其特征在于，步骤S1包括：
S11、取相同的所述工件，进行变切深刻划实验，获得对照工件；
S12、观测分析所述对照工件的沟槽表面脆塑性变形特征，获得所述第一最小脆塑转变临界切削深度。
9.根据权利要求8所述的氟化钙晶体切削加工方法，其特征在于，步骤S11包括：
取相同的所述工件，在所述工件的(100)晶面、(110)晶面和(111)晶面上每隔30°角度方向上进行变切深刻划实验；每个方向的变切深刻划实验重复三次，获得对照工件。
10.一种氟化钙晶体，其特征在于，所述氟化钙晶体基于如权利要求1-9中任意一项所述的氟化钙晶体切削加工方法加工获得。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311558294.5A CN117359802A (zh) | 2023-11-21 | 2023-11-21 | 氟化钙晶体切削加工方法和氟化钙晶体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311558294.5A CN117359802A (zh) | 2023-11-21 | 2023-11-21 | 氟化钙晶体切削加工方法和氟化钙晶体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117359802A true CN117359802A (zh) | 2024-01-09 |
Family
ID=89402441
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311558294.5A Pending CN117359802A (zh) | 2023-11-21 | 2023-11-21 | 氟化钙晶体切削加工方法和氟化钙晶体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117359802A (zh) |
-
2023
- 2023-11-21 CN CN202311558294.5A patent/CN117359802A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hatefi et al. | Review of single-point diamond turning process in terms of ultra-precision optical surface roughness | |
| EP2687321B1 (en) | Ultraprecision composite processing device and ultraprecision composite processing method | |
| EP1762321B1 (en) | Single crystal diamond cutting tool for ultraprecision machining | |
| Ngoi et al. | Ductile regime finish machining-a review | |
| Nath et al. | A study on the effect of tool nose radius in ultrasonic elliptical vibration cutting of tungsten carbide | |
| JP2007245335A (ja) | 精密機械加工システムと方法 | |
| WO2013089282A1 (ja) | 超精密複合加工装置における加工手段の判断方法および超精密複合加工装置 | |
| JP4466956B2 (ja) | ダイヤモンド工具の製造方法 | |
| Sun et al. | An investigation in the ultra-precision fly cutting of freeform surfaces on brittle materials with high machining efficiency and low tool wear | |
| Yan et al. | Crystallographic effects in micro/nanomachining of single-crystal calcium fluoride | |
| CN110090967B (zh) | 基于多自由度振动的切削成形方法 | |
| CN107116707A (zh) | 一种脆性材料复杂曲面的加工方法 | |
| Shi et al. | A study on micro-machining spinel by applying ordinary cutting and ultra-sonic elliptical vibration cutting | |
| Zhu et al. | Fast-tool-servo-controlled shear-thickening micropolishing | |
| CN107309657A (zh) | 脆性材料光学复杂曲面超精密快速切削组合加工成型方法 | |
| CN117359802A (zh) | 氟化钙晶体切削加工方法和氟化钙晶体 | |
| CN112685872A (zh) | 一种用于低频振动辅助钻孔加工的工艺优化方法 | |
| CN114578752B (zh) | 一种超声切削直刃尖刀的转角控制方法 | |
| Dong et al. | Comparison of fly cutting and transverse planing for micropyramid array machining on nickel phosphorus plating | |
| TWM618559U (zh) | 導光板拋銑刀具 | |
| Jia et al. | Critical grinding depth of ultrasonic vibration-assisted electrolytic in-process dressing grinding in ZTA ceramics | |
| CN117497109A (zh) | 氟化钙晶体加工效率与损伤深度的协调方法和氟化钙晶体 | |
| JP4670249B2 (ja) | 加工装置、加工方法及びダイヤモンド工具 | |
| JPH10166202A (ja) | フレネルレンズ成形用金型の加工方法 | |
| Yan et al. | Nano precision on-machine profiling of curved diamond cutting tools using a white-light interferometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |