氟化钙晶体切削加工方法和氟化钙晶体

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(CaF

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O

所述第一运动轨迹模型为：

x(t)＝A

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Z

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

x(k)＝A

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

所述第一切削厚度模型为：

S32、基于所述第一切削厚度模型d

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(d

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(d

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O

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，z

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D

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(D

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(D

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O

第一运动轨迹模型为：

x(t)＝A

其中，x(t)为刀具10在X方向上的位移，z(t)为刀具10在Z

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O

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，z

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

x(k)＝A

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

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d

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(d

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D

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(D

下面对y的范围限定进行分析。

参照图4和图5所示，弧O

其中，点O

于弧O

因此能够得知，在进给运动方向D2上，点O

点A1和点A2为点O

能够得知，在弧O

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(d

S42、判断第二最大瞬时有效切削厚度Max(D

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(d

S52、记与所述第二最大瞬时有效切削厚度Max(D

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。