硫化锌晶体的超精密车削加工技术研究

发布时间：2017-06-27 23:04

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【摘要】：近年来,由于空间技术的进步、国防尖端科技的发展以及军事科学领域的迫切需求,有关红外光学材料的制备工艺、特性分析及其超光滑镜面的加工技术等问题,均受到世界各国的特殊关注。此外,这些技术的进步还会对计算机和光纤通讯产业等民用科技的发展产生强烈的促进作用,并将带来广泛的应用价值和巨大的经济效益。同时,随着单点金刚石超精密车削技术(SPDT)的日趋成熟,人们迫切期望采用此种高精度、高效率、低成本、工艺简单的方法来完成多种复杂光学元器件的超精密加工任务,进而弥补传统磨削、抛光工艺的诸多不足。据称目前国外对于Zn S等多种红外材料,已能够进行较为成熟的SPDT镜面车削加工,但鉴于其重要的军事科研价值,该加工工艺具有高度的保密特性且有关其具体加工形式、加工设备和工艺条件等问题的报道更为鲜见。因而,我们必须独立研究该类材料在超精密加工中的关键技术问题。而探寻一种新型的、适于Zn S等软脆多晶材料的超精密车削加工工艺将具有重大的科研价值和实际意义。本文主要围绕多晶Zn S材料的超精密车削加工工艺展开系统研究。归纳相关研究成果具体涵盖以下几方面内容:首先,利用维氏压痕实验对Zn S晶体材料的力学性能和压痕形貌进行了深入研究,并通过理论计算求得了该材料发生裂纹扩展时的临界载荷条件。而基于纳米压痕实验和量纲分析的方法,利用载荷-位移曲线求得了Zn S晶体材料的应力-应变关系。综合分析两实验结果,获得了该材料的诸多性能指标,为后续理论建模和仿真研究奠定了实验基础。其次,基于“飞刀”斜角刻划的实验方法,利用独立振子模型和等效晶体理论,建立起了脆性材料临界未变形切削厚度(CUCT)的预测模型,并得到了实验验证,为揭示切削刃钝圆半径与脆性工件最小切削厚度之间的联系提供了理论依据。此外,深入研究了超精密斜角车削过程,并建立了耦合材料特性、刀具特征和加工参数的脆性材料的超精密斜角切削模型。基于所提出的“脆-塑耦合”临界加工条件,利用超精密斜角切削模型分别对刀具进给率、切削深度、刀具前角、刀尖圆弧半径和刀具斜切角的临界参数范围进行预测或优选,这为分析此类材料镜面加工中的脆-塑耦合去除过程提供了理论指导。再次,根据实验求得的Zn S晶体材料本构关系,应用LS-DYNA非线性有限元分析软件对动态冲击条件下的脆性材料切削过程进行了模拟仿真,基于最大剪切变形理论对各工艺参数与材料去除过程之间的关系进行了深入分析,其结果与实验基本吻合。此外,还利用SWOT分析方法优化了各工艺参数,并获得它们的工艺优先级次序为:1)刀具前角2)切削深度3)刀尖圆弧半径4)刀具斜切角度5)刀具进给率,这为后续实验设计和切削工艺参数的优选提供了基本依据。最后,利用单因素实验方法对前文理论建模和有限元仿真结果进行了验证,系统研究了各工艺参数对改善Zn S晶体加工表面质量的作用及其内在联系。以抑制或消除工件表面的麻点和凹坑、减小刀具磨损为目标,对Zn S晶体的最佳车削工艺进行了优选,由此达到了较为理想的镜面加工效果。
【关键词】：超精密车削 ZnS晶体 斜角车削 脆-塑转变 临界切削厚度 压痕实验 有限元仿真
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ132.41;O786
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题来源及研究的背景和意义11-13
• 1.1.1 课题来源11
• 1.1.2 课题研究的背景和意义11-13
• 1.2 国内外研究现状及分析13-19
• 1.2.1 红外光学材料特性及车削加工技术研究现状13-16
• 1.2.2 斜角车削理论与实验研究现状16-18
• 1.2.3 国内外文献综述及简析18-19
• 1.3 本课题研究的主要内容19-21
• 第2章 ZnS晶体材料特性及实验研究21-37
• 2.1 引言21
• 2.2 压痕实验原理21-23
• 2.3 压痕实验设备及方案23-26
• 2.3.1 ZnS晶体试件制备23-24
• 2.3.2 压痕实验设备24-25
• 2.3.3 压痕实验方案25-26
• 2.4 ZnS晶体维氏压痕实验结果及分析26-33
• 2.4.1 压痕特征分析26-28
• 2.4.2 断裂韧性及极限应力求解28-30
• 2.4.3 裂纹产生的临界条件及验证30-33
• 2.5 ZnS晶体纳米压痕实验结果及分析33-36
• 2.5.1 实验结果及载荷-位移曲线33-34
• 2.5.2 ZnS晶体的应力-应变关系34-35
• 2.5.3 ZnS晶体的材料特性35-36
• 2.6 本章小结36-37
• 第3章 ZnS晶体超精密车削理论建模及分析37-62
• 3.1 引言37
• 3.2 ZnS晶体的变切深划痕实验37-41
• 3.2.1 实验设备及步骤37-38
• 3.2.2 划痕形貌与临界未变形切屑厚度38-41
• 3.3 ZnS晶体的临界未变形切屑厚度建模41-49
• 3.3.1 塑性变形极限力求解41-43
• 3.3.2 微观摩擦力求解43-44
• 3.3.3 临界未变形切屑厚度模型44-46
• 3.3.4 实验验证及分析46-49
• 3.4 ZnS晶体的超精密斜角车削过程建模49-53
• 3.4.1 斜角切削几何模型49-51
• 3.4.2 临界切削厚度计算51-53
• 3.4.3 镜面切削的临界条件53
• 3.5 ZnS晶体镜面切削的临界工艺参数研究53-60
• 3.5.1 临界进给率54-55
• 3.5.2 临界切削深度55-57
• 3.5.3 临界刀具前角57-58
• 3.5.4 刀尖圆弧半径优选58-60
• 3.6 本章小结60-62
• 第4章 ZnS晶体超精密车削过程的有限元模拟仿真62-78
• 4.1 引言62
• 4.2 三维切削模型建立62-65
• 4.2.1 几何模型62-63
• 4.2.2 网格划分63
• 4.2.3 材料定义63-64
• 4.2.4 接触与摩擦条件设置64-65
• 4.3 工艺参数对临界切削过程的影响与实验研究65-75
• 4.3.1 进给率对切削效果的影响65-67
• 4.3.2 切削深度对切削效果的影响67-69
• 4.3.3 刀具前角对切削效果的影响69-71
• 4.3.4 刀尖圆弧半径对切削效果的影响71-73
• 4.3.5 刀具斜切角对切削效果的影响73-75
• 4.4 工艺参数的优选75-76
• 4.5 本章小结76-78
• 第5章 ZnS晶体超精密车削工艺实验78-96
• 5.1 引言78
• 5.2 实验及检测设备78-80
• 5.3 工艺参数对改善加工效果的作用及分析80-92
• 5.3.1 刀具前角对加工表面质量的影响80-82
• 5.3.2 切削深度对加工表面质量的影响82-84
• 5.3.3 刀尖圆弧半径对加工表面质量的影响84-87
• 5.3.4 刀具斜切角对加工表面质量的影响87-90
• 5.3.5 进给率对加工表面质量的影响90-92
• 5.4 ZnS晶体最佳车削工艺方案的优选92-94
• 5.4.1 最优工艺方案及加工效果92-93
• 5.4.2 其他因素的影响及简析93-94
• 5.5 本章小结94-96
• 结论96-98
• 参考文献98-105
• 攻读硕士学位期间所获得的学术成果及其他105-107
• 致谢107

【参考文献】

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本文编号：491553