单晶硅超精密切削仿真与实验研究

发布时间：2017-10-11 02:14

  本文关键词：单晶硅超精密切削仿真与实验研究

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【摘要】：单晶硅等脆性材料在红外光学、微机械等高科技领域的应用日益广泛。目前单晶硅片主要采用研抛工艺进行加工,而金刚石超精密切削技术展现出了巨大的优势和前景,是一种低表面损伤、高效率的加工方式。单晶硅属于硬脆材料,获得光滑表面的关键是控制条件实现脆塑转变,从而使材料以塑性域切削方式去除。虽然学者们通过切削试验成功实现了单晶硅的塑性域切削,但是由于试验成本高、加工过程非常复杂,单晶硅的超精密切削技术仍然未能实现工程应用。并且单晶硅存在各向异性,确定的脆塑转变切削厚度对实现脆塑转变从而切削出一致光滑的表面至关重要。本文结合理论预测、仿真分析、试验检测的方法获取单晶硅脆塑转变切削厚度,基于此进行单晶硅端面车削试验获得一致光滑的加工表面,研究成果对于深入理解硬脆材料超精密切削加工过程具有重要意义。进行单晶硅纳米压痕实验,测定材料的基本力学性能参数,并绘制载荷-位移曲线;通过最大未变形切屑厚度模型、脆塑转变切削厚度和最小切削厚度的分析,确定实现塑性域切削的切削厚度判断条件;建立脆性材料切削模型,进行切削力和脆塑转变切削厚度的理论预测。结合有限元软件确定单晶硅材料模型参数并建立仿真模型。通过有限元仿真分析了切削参数和刀具前角的变化对切削力的影响,通过分析切削厚度对应力分布和切屑形成的影响,判断脆塑转变的切削厚度范围。采用扩展有限元法分析切削初始和切削过程中的裂纹产生规律;建立变切削深度三维切削模型,仿真切削厚度的变化引起单晶硅的脆塑转变,并确定脆塑转变切削厚度的范围。通过超精密车床进行单晶硅片的飞切试验,确定脆塑转变切削厚度范围和变化规律,验证仿真的合理性;针对单晶硅切削的各向异性现象进行不同方向的飞切试验,总结脆塑转变切削厚度的各向异性;根据脆塑转变切削厚度和最大未变形切屑厚度模型进行切削参数的选择并进行单晶硅端面车削试验,最终获得一致光滑的加工表面。
【关键词】：单晶硅 超精密切削 脆塑转变 有限元仿真 飞切实验
【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】：TG506
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
• 1.2 国内外单晶硅切削加工研究现状及分析10-16
• 1.2.1 塑性域切削机理10
• 1.2.2 单晶硅切削加工仿真10-12
• 1.2.3 单晶硅切削加工实验12-14
• 1.2.4 国内外文献综述分析14-16
• 1.3 主要研究内容16-18
• 第2章 单晶硅纳米压痕实验和脆塑转变条件18-27
• 2.1 引言18
• 2.2 单晶硅力学性能测试18-20
• 2.2.1 纳米压痕仪和试件18-19
• 2.2.2 纳米压痕实验结果分析19-20
• 2.3 单晶硅塑性域车削条件20-25
• 2.3.1 最大未变形切屑厚度20-22
• 2.3.2 脆塑转变切削厚度22-24
• 2.3.3 最小切削厚度24-25
• 2.4 本章小结25-27
• 第3章 单晶硅切削过程仿真与分析27-46
• 3.1 引言27
• 3.2 切削过程有限元模型建立27-31
• 3.2.1 材料本构模型28-30
• 3.2.2 切削仿真网格划分和边界条件30
• 3.2.3 切屑分离准则30-31
• 3.3 二维仿真结果分析31-35
• 3.3.1 切削厚度对切削过程的影响31-33
• 3.3.2 切削速度和刀具前角对切削过程的影响33-35
• 3.4 裂纹产生规律研究35-40
• 3.4.1 扩展有限元法35
• 3.4.2 建立裂纹产生分析模型35-36
• 3.4.3 切削初始阶段裂纹产生分析36-38
• 3.4.4 切削过程中裂纹产生分析38-40
• 3.5 单晶硅切削过程三维仿真40-44
• 3.5.1 三维切削仿真建模40-41
• 3.5.2 三维塑形域切削仿真结果分析41-42
• 3.5.3 变深度切削过程模拟42-44
• 3.6 本章小结44-46
• 第4章 单晶硅切削加工实验46-68
• 4.1 引言46
• 4.2 单晶硅切削实验准备工作46-48
• 4.2.1 实验设备及检测仪器46-47
• 4.2.2 金刚石刀具和单晶硅试件47-48
• 4.3 单晶硅飞切试验48-58
• 4.3.1 飞切表面模型48-49
• 4.3.2 飞切实验条件和方案设计49-51
• 4.3.3 飞切实验结果检测51-54
• 4.3.4 飞切结果分析54-58
• 4.4 单晶硅车削试验58-64
• 4.4.1 实验装置和切削参数范围的确定58-59
• 4.4.2 实验结果分析59-64
• 4.5 刀具磨损简析64-66
• 4.6 本章小结66-68
• 结论68-69
• 参考文献69-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 赵清亮,陈明君,梁迎春,董申,邓驰;金刚石车刀前角与切削刃钝圆半径对单晶硅加工表层质量的影响[J];机械工程学报;2002年12期

2 张建国;宗文俊;孙涛;;超精密车削单晶硅刀具振动频谱分析[J];纳米技术与精密工程;2010年06期

3 房丰洲;赖敏;;纳米切削机理及其研究进展[J];中国科学:技术科学;2014年10期

4 郭永博;梁迎春;;晶体材料纳米切削加工机理的研究[J];机械工程学报;2014年05期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 吕扬;单晶硅晶体特性的压痕仿真与试验研究[D];吉林大学;2013年

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本文编号：1009912