本文關鍵詞：單晶硅超精密切削仿真與實驗研究

  更多相關文章： 單晶硅 超精密切削 脆塑轉變 有限元仿真 飛切實驗

【摘要】：單晶硅等脆性材料在紅外光學、微機械等高科技領域的應用日益廣泛。目前單晶硅片主要采用研拋工藝進行加工,而金剛石超精密切削技術展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢和前景,是一種低表面損傷、高效率的加工方式。單晶硅屬于硬脆材料,獲得光滑表面的關鍵是控制條件實現(xiàn)脆塑轉變,從而使材料以塑性域切削方式去除。雖然學者們通過切削試驗成功實現(xiàn)了單晶硅的塑性域切削,但是由于試驗成本高、加工過程非常復雜,單晶硅的超精密切削技術仍然未能實現(xiàn)工程應用。并且單晶硅存在各向異性,確定的脆塑轉變切削厚度對實現(xiàn)脆塑轉變從而切削出一致光滑的表面至關重要。本文結合理論預測、仿真分析、試驗檢測的方法獲取單晶硅脆塑轉變切削厚度,基于此進行單晶硅端面車削試驗獲得一致光滑的加工表面,研究成果對于深入理解硬脆材料超精密切削加工過程具有重要意義。進行單晶硅納米壓痕實驗,測定材料的基本力學性能參數(shù),并繪制載荷-位移曲線;通過最大未變形切屑厚度模型、脆塑轉變切削厚度和最小切削厚度的分析,確定實現(xiàn)塑性域切削的切削厚度判斷條件;建立脆性材料切削模型,進行切削力和脆塑轉變切削厚度的理論預測。結合有限元軟件確定單晶硅材料模型參數(shù)并建立仿真模型。通過有限元仿真分析了切削參數(shù)和刀具前角的變化對切削力的影響,通過分析切削厚度對應力分布和切屑形成的影響,判斷脆塑轉變的切削厚度范圍。采用擴展有限元法分析切削初始和切削過程中的裂紋產(chǎn)生規(guī)律;建立變切削深度三維切削模型,仿真切削厚度的變化引起單晶硅的脆塑轉變,并確定脆塑轉變切削厚度的范圍。通過超精密車床進行單晶硅片的飛切試驗,確定脆塑轉變切削厚度范圍和變化規(guī)律,驗證仿真的合理性;針對單晶硅切削的各向異性現(xiàn)象進行不同方向的飛切試驗,總結脆塑轉變切削厚度的各向異性;根據(jù)脆塑轉變切削厚度和最大未變形切屑厚度模型進行切削參數(shù)的選擇并進行單晶硅端面車削試驗,最終獲得一致光滑的加工表面。
【關鍵詞】：單晶硅 超精密切削 脆塑轉變 有限元仿真 飛切實驗
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG506
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-18
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義9-10
• 1.2 國內(nèi)外單晶硅切削加工研究現(xiàn)狀及分析10-16
• 1.2.1 塑性域切削機理10
• 1.2.2 單晶硅切削加工仿真10-12
• 1.2.3 單晶硅切削加工實驗12-14
• 1.2.4 國內(nèi)外文獻綜述分析14-16
• 1.3 主要研究內(nèi)容16-18
• 第2章 單晶硅納米壓痕實驗和脆塑轉變條件18-27
• 2.1 引言18
• 2.2 單晶硅力學性能測試18-20
• 2.2.1 納米壓痕儀和試件18-19
• 2.2.2 納米壓痕實驗結果分析19-20
• 2.3 單晶硅塑性域車削條件20-25
• 2.3.1 最大未變形切屑厚度20-22
• 2.3.2 脆塑轉變切削厚度22-24
• 2.3.3 最小切削厚度24-25
• 2.4 本章小結25-27
• 第3章 單晶硅切削過程仿真與分析27-46
• 3.1 引言27
• 3.2 切削過程有限元模型建立27-31
• 3.2.1 材料本構模型28-30
• 3.2.2 切削仿真網(wǎng)格劃分和邊界條件30
• 3.2.3 切屑分離準則30-31
• 3.3 二維仿真結果分析31-35
• 3.3.1 切削厚度對切削過程的影響31-33
• 3.3.2 切削速度和刀具前角對切削過程的影響33-35
• 3.4 裂紋產(chǎn)生規(guī)律研究35-40
• 3.4.1 擴展有限元法35
• 3.4.2 建立裂紋產(chǎn)生分析模型35-36
• 3.4.3 切削初始階段裂紋產(chǎn)生分析36-38
• 3.4.4 切削過程中裂紋產(chǎn)生分析38-40
• 3.5 單晶硅切削過程三維仿真40-44
• 3.5.1 三維切削仿真建模40-41
• 3.5.2 三維塑形域切削仿真結果分析41-42
• 3.5.3 變深度切削過程模擬42-44
• 3.6 本章小結44-46
• 第4章 單晶硅切削加工實驗46-68
• 4.1 引言46
• 4.2 單晶硅切削實驗準備工作46-48
• 4.2.1 實驗設備及檢測儀器46-47
• 4.2.2 金剛石刀具和單晶硅試件47-48
• 4.3 單晶硅飛切試驗48-58
• 4.3.1 飛切表面模型48-49
• 4.3.2 飛切實驗條件和方案設計49-51
• 4.3.3 飛切實驗結果檢測51-54
• 4.3.4 飛切結果分析54-58
• 4.4 單晶硅車削試驗58-64
• 4.4.1 實驗裝置和切削參數(shù)范圍的確定58-59
• 4.4.2 實驗結果分析59-64
• 4.5 刀具磨損簡析64-66
• 4.6 本章小結66-68
• 結論68-69
• 參考文獻69-74
• 致謝74

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 趙清亮,陳明君,梁迎春,董申,鄧馳;金剛石車刀前角與切削刃鈍圓半徑對單晶硅加工表層質(zhì)量的影響[J];機械工程學報;2002年12期

2 張建國;宗文俊;孫濤;;超精密車削單晶硅刀具振動頻譜分析[J];納米技術與精密工程;2010年06期

3 房豐洲;賴敏;;納米切削機理及其研究進展[J];中國科學:技術科學;2014年10期

4 郭永博;梁迎春;;晶體材料納米切削加工機理的研究[J];機械工程學報;2014年05期

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 呂揚;單晶硅晶體特性的壓痕仿真與試驗研究[D];吉林大學;2013年

，

本文編號：1009912