金刚石刀具超精密切削单晶硅的分子动力学仿真

发布时间：2021-03-29 17:28

　　目前,单晶硅元件表面质量的不一致性严重制约了其使用性能的进一步提高。为深入研究单晶硅加工表面质量各向异性的形成机理并消减表面质量的各向异性,已成为亟待解决的科学问题。此外,在单晶硅的纳米切削过程中,金刚石刀具易在较短的时间内发生严重的磨损,导致加工表面质量迅速恶化。因此,本文围绕金刚石刀具前角动态调整纳米切削单晶硅这一新颖的加工方法,采用分子动力学方法开展了如下几个方面的研究工作:首先,为模拟纳米切削过程,建立了新改进的金刚石刀具角度动态调整的单晶硅纳米切削模型。并选择适当的势函数,积分方法及系综等参数。其次,在相同的切削条件下,将刀具摆动调整到0°,-7°,-15°,-21°,-30°以及-45°这六种不同的切削前角进行仿真模拟。通过切削力,摩擦系数,温度,径向分布函数和磨损率进一步分析不同的调整角度对刀具磨损行为的影响。通过模拟结果得出磨损程度最大的调整角度,并进一步解释了这一现象产生的原因,证明了该现象的正确性。再次,基于大规模得单晶硅工件的纳米切削反正模型,分析刀具角度的动态调整对单晶硅纳米切削行为的影响,将刀具摆动到-10°,-15°,-20°,-25°,-30°,-35°以... 

【文章来源】：沈阳航空航天大学辽宁省

【文章页数】：58 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

单晶硅的加工表面质量各向异性示意图

图 1.2 旋转刀具(spin-turning)超精密车削单晶硅工艺方法示意图 R.March 通过旋转刀具装置来解决大直径单晶硅的超精密切削刀具磨损和，提高切削加工的质量，研究结果还指出该工艺方法产生的面形精度与固ary-tool)车削方式产生的面形精度都 能控制在 100nm 以内。在他的研究中电晶体测力仪和声发射传感器，检测到了由于不同晶体学方向上不同切削削力和声信号的各向异性波动。分别研究了不转动刀具、断续快速转动刀转动刀具三种情况，研究表明，不转动刀具时，经过一段时间的加工后，射信号和切削力信号都呈现明显的各向异性，说明刀具很快磨损；当小角速转动刀具时，不断有新的切削刃进入切削区域，此时声发射信号的各向均匀，说明由于刃口磨损的部位被转换出切削区域后，切削加工后的表面好，但是由于断续转动刀具，声发射信号产生了跳跃，意味着断续快速转了切削过程的不连续；但缓慢的连续转动刀具时，获得声发射信号变得连被磨损的刀具不断被旋转出切削区域，切削表面质量进一步获得优化。但

基于新改进的切削模型，模拟研究配位数，应力，温度，切削力，势能对单晶硅摆动切削行为的影响，以及研究出最佳的调整角度。1.5 研究方案及技术路线本项目涉及的多变形尺度、多影响因素复杂过程的理论研究，综合晶体学、位错力学、细观应变梯度塑性理论、断裂力学和切削理论中的有关知识进行理论分析和建模，同时采用分子动力学模拟和计算模拟等多种方式对加工过程中的现象进行研究，并充分应用各种现代实验手段，如纳米压痕、中子衍射成像、透射电镜成像、纳米原位测量、原子力显微镜等技术，开展实验验证，总体研究思路如图 1.3 所示。

【参考文献】：
期刊论文
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[3]飞秒激光对两种不同的单晶硅的辐照损伤研究[J]. 马鹏飞,刘中山,常方高,宋桂林,王克栋.  人工晶体学报. 2013(01)
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[5]高功率激光发射系统的一级扩束设计[J]. 邵帅,高云国,郭劲.  激光与红外. 2010(07)
[6]KDP晶体微纳米加工表层缺陷对其激光损伤阈值的影响[J]. 陈明君,姜伟,庞启龙,刘新艳.  强激光与粒子束. 2010(01)
[7]非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术[J]. 罗松保,张建明.  光学精密工程. 2003(01)
[8]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]. 赵清亮,陈明君,梁迎春,董申,邓驰.  机械工程学报. 2002(12)
[9]在线调整刀具前角和后角抑制颤振的原理与试验研究[J]. 梅志坚,杨叔子,昌松,师汉民,陈日曜.  武汉工学院学报. 1989(01)

博士论文
[1]基于分子动力学的单晶硅纳米切削过程中刀具磨损的研究[D]. 王治国.哈尔滨工业大学 2015
[2]基于刀具摆动进给的非球曲面超精密车削方法及系统研究[D]. 李国.哈尔滨工业大学 2010



本文编号：3107902