2.1 切削的基本理論

2.1.1 切削變形區(qū)

為便于對(duì)切削過(guò)程的分析，應(yīng)首先了解切削變形區(qū)的劃分。如圖2-1所示，切削中的工件根據(jù)其塑性變形特性可分為以下三個(gè)變形區(qū)：

第Ⅰ變形區(qū)：這個(gè)區(qū)域的材料在進(jìn)入該區(qū)之前只有彈性變形，進(jìn)入之后發(fā)生剪切變形并隨之出現(xiàn)加工硬化^[59]，因此又叫作剪切區(qū)。

第Ⅱ變形區(qū)：當(dāng)切屑已經(jīng)形成并沿刀具前面與工件材料分離時(shí)，切屑上底部的材料同前面接觸受到強(qiáng)烈的擠壓和摩擦，使這部分材料再次變形并流動(dòng)變緩。

第Ⅲ變形區(qū)：已加工的工件表面受到切削刃下方的擠壓和后面的摩擦，這個(gè)區(qū)域的材料再次發(fā)生變形。

這三個(gè)變形區(qū)都隨著刀具的向前運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，且都集聚在切削刃附近。三個(gè)變形區(qū)的應(yīng)力比較集中而且復(fù)雜，切屑與工件在第Ⅰ變形區(qū)分離，隨后切屑在第Ⅱ變形區(qū)和已加工表面在第Ⅲ變形區(qū)分別受到前面和后面的擠壓和摩擦。

2.1.2 超精密切削機(jī)理及最小切削深度

1.超精密切削機(jī)理

超精密加工就是在超精密機(jī)床設(shè)備上，對(duì)材料進(jìn)行微量切削，以獲得鏡面和很高形狀精度的加工過(guò)程，其精度從微米到亞微米，乃至納米^[60]。用金剛石刀具在精密機(jī)床上進(jìn)行超精密切削，還可在芯片基底上加工出高精度的微納結(jié)構(gòu)。精密切削的切削深度非常小，最小切削深度可達(dá)到1nm。精密切削使用的單晶金剛石刀具要求刃口極為鋒利，切削刃鈍圓半徑為0.5～0.01μm^[61]。

在實(shí)際超精密切削工件材料時(shí)，切削刃和前面的主要任務(wù)是去除工件上的材料，刀具前角γ和切削刃鈍圓半徑ρ的大小直接影響塑性變形的程度和切屑形狀，并對(duì)切削過(guò)程中產(chǎn)生的物理現(xiàn)象和已加工表面質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。超精密切削時(shí)，工件材料被通過(guò)分流點(diǎn)O且平行于已加工表面的分流線分為上、下兩部分^[62]（見(jiàn)圖2-2），分流線以上的材料（也稱為切削層）沿前面向上移動(dòng)形成切屑，分流線以下的材料（也稱為塑性變形層）被O點(diǎn)以下的切削刃碾壓和受到后面的摩擦后形成已加工表面。這個(gè)過(guò)程中被加工的工件材料經(jīng)過(guò)后面的擠壓產(chǎn)生壓縮彈塑性變形，塑性變形不可恢復(fù)，已加工表面殘留壓應(yīng)力，對(duì)已加工表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。三個(gè)變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，應(yīng)力集中造成工件材料中的位錯(cuò)集中，導(dǎo)致工件產(chǎn)生塑性變形和滑移分離。刃口半徑越小，越能進(jìn)行極薄的超精密切削加工，其切削刃前方的材料應(yīng)力越集中，越易變形，加工表面質(zhì)量好。

2.最小切削深度

超精密切除加工方法所能達(dá)到的加工精度取決于這種加工方法能夠移除的極限最小切削深度h_Dmin。能切除的h_Dmin越小，工件材料抵抗塑性變形的能力越強(qiáng)，工件最終工序的最小切削深度應(yīng)等于或小于零件的加工精度（允許的加工誤差）。因此最小切削深度反映了它的精加工能力。

在精密和超精密切削中，極限最小切削深度h_Dmin與切削刃鈍圓半徑ρ有密切的關(guān)系^[63]，如圖2-3a所示。A為極限臨界點(diǎn)，A點(diǎn)以上的工件材料受到刀具擠壓后，將堆積起來(lái)形成切屑，與工件分離。而A以下，被加工的材料經(jīng)彈塑性變形而形成已加工表面。

現(xiàn)在對(duì)A點(diǎn)的受力情況進(jìn)行分析。如圖2-3b，在A點(diǎn)處工件受水平力F_x和垂直力F_y作用。這兩個(gè)力也可分解為A點(diǎn)處的切向力μN(yùn)（μ為摩擦因數(shù)）和法向力N，則N和μN(yùn)可用下式計(jì)算：

化簡(jiǎn)后為

在實(shí)際摩擦力（μN(yùn)）^′大于μN(yùn)為前提時(shí)，切削刃鈍圓半徑處的圓弧與正在切削加工中的材料沒(méi)有相對(duì)滑移，分流線以上的材料將隨切削刃前進(jìn)，逐漸堆積，最后形成切屑而被切除。故：

極限最小切削深度h_Dmin應(yīng)為

化簡(jiǎn)后為

分析上述方程可知，當(dāng)切削刃鈍圓半徑ρ為某一值時(shí)，能切下的最小切削深度h_Dmin和臨界點(diǎn)處的^yF 比值、刀具工件材料間摩擦因數(shù)有關(guān)。當(dāng)切削深度小于最小切削深度很多時(shí)，在工件表面產(chǎn)生彈性變形，隨著切削的繼續(xù)進(jìn)行，已加工表面彈性恢復(fù)，沒(méi)有切屑產(chǎn)生；隨著切削深度的增加，切削深度仍然在最小切削深度以下，工件表面將會(huì)殘留下刀具經(jīng)過(guò)的塑性變形，此時(shí)也沒(méi)有切屑產(chǎn)生；當(dāng)切削深度大于最小切削深度時(shí)，便開(kāi)始產(chǎn)生切屑。

切削時(shí)，A點(diǎn)處的F 比值一般在0.8～1范圍內(nèi)。對(duì)于用金剛石刀具的超精

密切削，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以取F_y=0.9F_x。由文獻(xiàn)[64]可知金剛石刀具與單晶硅之間的摩擦因數(shù)μ是0.07。用前面的公式可以算出：在F_y=0.9F_x，μ=0.07時(shí)，h_Dmin=0.316ρ。

3.單晶硅單層膜的制備概述

在微納機(jī)電系統(tǒng)中，單晶硅構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)界面間的黏附、摩擦和磨損將影響系統(tǒng)的可靠性和壽命。為此，在單晶硅構(gòu)件表面自組裝一層低摩擦因數(shù)的結(jié)構(gòu)，以改善單晶硅表面的黏附性，成為解決這類潤(rùn)滑問(wèn)題的主要途徑。微納結(jié)構(gòu)的加工是先按照人為設(shè)計(jì)的圖案，通過(guò)機(jī)械刻劃達(dá)到微納結(jié)構(gòu)在形狀位置上的可控，同時(shí)結(jié)合在溶液中的有機(jī)分子的化學(xué)自組裝技術(shù)，在機(jī)械刻劃后的結(jié)構(gòu)圖形上連接不同末端基團(tuán)的有機(jī)分子。利用機(jī)械-化學(xué)方法在單晶硅表面自組裝單層膜和制造自組裝微納結(jié)構(gòu)，這個(gè)過(guò)程需要在液態(tài)環(huán)境中進(jìn)行，首先通過(guò)機(jī)械刻劃（本書使用的是金剛石刀具刻劃）使單晶硅表面的化學(xué)鍵如Si—O或Si—H、Si—Si鍵斷裂，形成單晶硅的自由基，進(jìn)而引發(fā)它們與溶液中含有的有機(jī)分子共價(jià)結(jié)合以形成表面單層膜結(jié)構(gòu)和微納結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單晶硅表面的功能化。