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原子精度制造新原理和新方法

中国科学基金 2024年第1期38卷 146-158页

作者：张振宇李琳巨阳陈云飞许剑锋闫永达徐飞飞周天丰段辉高黄志权徐凯臣朱吴乐彭小强邓辉司伟王吉王金石吕鹏冯俊元大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室中国科学院宁波材料技术与工程研究所激光极端制造研究中心浙江大学机械工程学院东南大学机械工程学院华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室哈尔滨工业大学精密工程研究所中国工程物理研究院机械制造工艺研究所北京理工大学机械与车辆学院湖南大学机械与运载工程学院国家自然科学基金委员会工程与材料科学部太原科技大学机械工程学院国防科技大学智能科学学院南方科技大学机械工学院天津大学精密仪器与光电子工程学院杭州电子科技大学机械工程学院

目前航空航天、核物理、微电子、光电子和半导体等国家战略领域高性能装备的性能需求日渐严苛，核心零部件的制造精度必须迈进原子级水平，亟需研究原子精度的高性能制造新原理和新方法。本文归纳并提出了目前迫切需求的原子级表面精度... 详细信息

目前航空航天、核物理、微电子、光电子和半导体等国家战略领域高性能装备的性能需求日渐严苛，核心零部件的制造精度必须迈进原子级水平，亟需研究原子精度的高性能制造新原理和新方法。本文归纳并提出了目前迫切需求的原子级表面精度、原子级结构精度、原子级损伤控制以及原子级特征尺寸结构创成四大原子精度制造核心能力，从能场辅助原子级切削、多能场辅助原子有序排布、表面能弱化原子精度材料去除以及超光学衍射极限的原子精度制造四大方向进行系统梳理，介绍了面向不同应用场景的原子精度制造新原理和新方法的研究现状，并概述了各类方法的优势和缺点，从中提炼出多能场耦合条件下的能量和原子间相互作用机理这一关键科学问题，并从四大方向上对未来我国原子级制造的基础研究提出了建议。

关键词：原子精度制造原子级切削原子有序排布表面能弱化加工超光学衍射极限加工

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光刻胶掩膜材料超光滑表面切削

光学精密工程 2023年第13期31卷 1909-1921页

作者：李秋怡周天丰周佳胡君剑赵斌北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京理工大学重庆创新中心重庆401120 江西联创电子有限公司江西南昌330000

鉴于以光刻胶为代表的高分子材料的切削特性决定了掩膜微细结构的加工质量,以SU8为研究对象,结合实验和仿真分析研究了光刻胶掩膜的切削特性。通过纳米压痕法测试了光刻胶SU8的应力-应变关系,建立了基于能量法的SU8切削仿真模型,然后采... 详细信息

鉴于以光刻胶为代表的高分子材料的切削特性决定了掩膜微细结构的加工质量,以SU8为研究对象,结合实验和仿真分析研究了光刻胶掩膜的切削特性。通过纳米压痕法测试了光刻胶SU8的应力-应变关系,建立了基于能量法的SU8切削仿真模型,然后采用AdvantEdge FEM模拟了不同切削参数下光刻胶SU8的切削过程,最后开展了光刻胶SU8的超精密加工实验。结合仿真与实验结果,分析了切削参数和刀具前角对表面质量的影响规律,优化了光刻胶SU8的切削加工参数。结果表明:表面粗糙度随着切削速度的增大呈现减小的趋势,随着进给速度和切削深度的增加呈现增大的趋势;当切削速度为2.09 m/s、进给速度为1 mm/min、切削深度为2μm、刀具前角为0°时,光刻胶掩膜的表面粗糙度Ra达到最优为7.4 nm,无微裂纹等微观缺陷。基于切削仿真与实验结果对加工参数进行优化,并在光刻胶SU8掩膜上实现了高精度微透镜阵列结构的加工。

关键词：超精密切削掩膜加工切削仿真光刻胶SU8 微透镜阵列

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精密制造工学基础

骨组织微创切削微细铣刀设计制备及铣削实验研究

2018年

作者：王西彬焦黎周天丰

本书面向“明精计划”机械工程学科培养新体系，以制造精度、效率、性能的概念和实现方法为主线，在本科生阶段建立关于零件精度、几何形状制造、材料去除加工原理、制造装备、工艺误差、检测与控制方法、工艺设计和生产规划的基础知识... 详细信息

ISBN: (数字)9787568250429

本书面向“明精计划”机械工程学科培养新体系，以制造精度、效率、性能的概念和实现方法为主线，在本科生阶段建立关于零件精度、几何形状制造、材料去除加工原理、制造装备、工艺误差、检测与控制方法、工艺设计和生产规划的基础知识体系。

关键词：工业技术机械、仪表工业机械制造工艺

来源：汇雅图书（南通市图书馆... 评论

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汇雅图书（南通市图书馆）

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兵工学报 2020年第1期41卷 152-160页

作者：高鹏梁志强王西彬李世迪周天丰北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京理工大学医工融合研究院北京100081 北京理工大学先进加工技术国防重点学科实验室北京100081

针对医疗骨组织微创切削用超小直径微细铣刀的特殊需求,开展了异形结构微细铣刀结构优化设计研究。设计并制备了直径50μm的螺旋形、□形和△形3种超小直径微细铣刀,并对比研究其切削性能。分析不同形状的微细刀具几何结构特征,对微细... 详细信息

针对医疗骨组织微创切削用超小直径微细铣刀的特殊需求,开展了异形结构微细铣刀结构优化设计研究。设计并制备了直径50μm的螺旋形、□形和△形3种超小直径微细铣刀,并对比研究其切削性能。分析不同形状的微细刀具几何结构特征,对微细铣刀进行静力学仿真分析,研究不同几何结构对微细铣刀刚度和强度的影响;分析3种微细刀具精密刃磨方法和刃磨质量;开展骨组织微创切削微细铣刀切削实验,对骨组织微细切削形貌进行检测,对比分析不同刀具对骨组织切削质量的影响。实验结果表明:在微细铣刀切削骨组织实验中,螺旋形微细铣刀在切削过程中过早地发生了刀具的整体折断,△形和□形铣刀能够进行长时间切削;△形铣刀切削的沟槽毛刺和崩边较小,表面质量明显优于其他刀具,更适合骨组织微创伤切削。

关键词：微细铣刀骨组织微创切削铣削实验

玻璃模压成形用微沟槽磷化镍模具的超精密切削加工

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光学精密工程 2017年第12期25卷 2986-2993页

作者：董晓彬周天丰庞思勤阮本帅王西彬北京理工大学机械与车辆学院北京100081

最佳邻接量是高精度加工玻璃模压成形用磷化镍镀层材料微沟槽模具的重要参数。本文提出了一种利用小角度微沟槽交叉切削技术快速确定微沟槽最佳邻接量极限范围的方法。该方法利用沟槽小角度交叉切削材料去除形式与沟槽邻接切削相近的特... 详细信息

最佳邻接量是高精度加工玻璃模压成形用磷化镍镀层材料微沟槽模具的重要参数。本文提出了一种利用小角度微沟槽交叉切削技术快速确定微沟槽最佳邻接量极限范围的方法。该方法利用沟槽小角度交叉切削材料去除形式与沟槽邻接切削相近的特点,对微沟槽邻接量的极限范围进行预测。首先,以沟槽交叉角度和交叉沟槽深度为变量设定切削条件,得到多组渐变棱;然后,观测交叉渐变棱形貌并结合材料塑性变形法则与脆塑转变理论分析棱边上的材料去除状态;通过观察交叉渐变棱与沟槽邻接脊部在切削过程中去除材料的截面形貌建立二者的关系;最后,分析交叉渐变切入棱与切出棱形貌的差异,确定脆塑转变的邻接量范围。基于上述方法,观测了交叉渐变棱的形貌并进行几何计算,确定磷化镍模具微沟槽邻接切削产生脆性剥离现象的临界邻接量范围为570~720nm。利用微沟槽模具超精密切削加工实验验证了该方法的有效性,加工出了高质量模具并用于微沟槽玻璃模压成形,实现了玻璃微沟槽的精密制造。

关键词：模具制造磷化镍镀层微沟槽切削脆塑转变模压成形

等法向前角和等径向后角微细球头铣刀刃磨研究

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机械工程学报 2019年第5期55卷 196-203页

作者：梁志强李世迪周天丰高鹏张东东王西彬北京理工大学先进加工技术国防重点学科实验室北京100081

微细球头铣刀因其在制造复杂的曲面和零部件方面具有很大的优势而广泛应用于微机械加工领域。目前多轴数控磨削方法仍是实现微细球头铣刀批量化制造的主要方法,但是由于微细球头铣刀尺寸小,误差敏感性大,在刃磨过程中难以保证其制造精... 详细信息

微细球头铣刀因其在制造复杂的曲面和零部件方面具有很大的优势而广泛应用于微机械加工领域。目前多轴数控磨削方法仍是实现微细球头铣刀批量化制造的主要方法,但是由于微细球头铣刀尺寸小,误差敏感性大,在刃磨过程中难以保证其制造精度和质量,因此迫切需要精确高效的刃磨方法来提高微细球头铣刀制造精度,降低其刃磨制备难度。为此,基于球面等导程螺旋线切削刃曲线,提出了用于等法向前角前刀面的刃磨模型。为了实现球部和圆柱形部分的后刀面的平滑连接,提出了等径向后角后刀面的刃磨模型。基于提出的刃磨模型和6轴CNC磨床运动原理,通过Matlab编程求解等法向前角和等径向后刀面微细球头铣刀刃磨过程中机床各轴运动轨迹。最后,通过磨削仿真和实验成功制造了直径为0.5mm的硬质合金微细球头铣刀,其最大几何误差不超过5%,从而验证了磨削方法的正确性和有效性。

关键词：微细球头铣刀刃磨方法数学模型前刀面后刀面

耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料本构建模与仿真

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北京理工大学学报 2017年第9期37卷 893-898页

作者：周天丰车江涛鲁陈立梁志强王西彬北京理工大学先进加工技术国防重点学科实验室北京100081 北京电力设备总厂有限公司北京102446

针对耐热不锈钢X8CrNi25-21的材料特性,基于弹塑性力学理论和位错动力学对经典的Johnson-Cook(JC)本构模型进行修正,引入位错塞积理论,并在本构中考虑晶粒尺寸和晶体取向等微观参数,建立了基于尺度效应的耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度... 详细信息

针对耐热不锈钢X8CrNi25-21的材料特性,基于弹塑性力学理论和位错动力学对经典的Johnson-Cook(JC)本构模型进行修正,引入位错塞积理论,并在本构中考虑晶粒尺寸和晶体取向等微观参数,建立了基于尺度效应的耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料响应行为本构模型.通过采用介观尺度非标准件,并利用热处理工艺改变材料的晶粒尺寸,开展准静态拉伸实验、动态霍普金森压杆实验进行介观尺度材料测试,建立了晶体尺寸与介观尺度材料塑性变形与断裂行为特征的变化规律,并最终确定了耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料本构模型各参数值.

关键词：耐热不锈钢材料本构介观尺度位错理论有限元仿真

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超声振动辅助微镦粗仿真及试验研究

哈尔滨工业大学学报 2021年第1期53卷 70-77页

作者：庞思勤马春峰周天丰李广梁志强王西彬北京理工大学机械与车辆学院北京100081 先进加工技术国防重点学科实验室(北京理工大学) 北京100081

为改善材料塑性,降低微镦粗成形力,延长模具寿命,提高微镦粗成形质量,开展了超声振动辅助微镦粗研究.对紫铜超声振动辅助微墩粗进行建模仿真,研究超声参数对微墩粗成形力、试件变形的作用规律;搭建超声振动辅助微成形平台并进行试验,获... 详细信息

为改善材料塑性,降低微镦粗成形力,延长模具寿命,提高微镦粗成形质量,开展了超声振动辅助微镦粗研究.对紫铜超声振动辅助微墩粗进行建模仿真,研究超声参数对微墩粗成形力、试件变形的作用规律;搭建超声振动辅助微成形平台并进行试验,获取不同超声功率下紫铜微镦粗成形力曲线和成形件表面形貌、尺寸等参数.仿真结果表明:超声振动使微镦粗成形力降低,试件变形增大,且成形力降低量、试件变形增大量与超声振幅成正线性关系,与超声频率成非线性正相关.试验结果表明:超声功率越大,微镦粗成形力降低值越大;超声功率小于1.5 kW,超声功率越大,成形件表面越平整;超声功率大于1.5 kW,超声功率越大,成形件表面越粗糙;超声功率小于1.8 kW,超声功率越大,成形件鼓形越小,成形越均匀;超声功率达到1.8 kW后,成形件变形集中在两端,微镦粗成形严重不均匀.仿真和试验研究表明,超声振动可以降低微镦粗成形力,加速材料塑性变形,提高微镦粗成形效率,改善成形件表面形貌,减小微镦粗鼓形并提高微镦粗均匀性.

关键词：超声振动辅助微镦粗软化现象有限元仿真成形力表面形貌均匀性

机床进给用永磁同步直线伺服单元的设计与实验研究

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中国机械工程 2006年第23期17卷 2421-2425页

作者：赵彤王先逵刘成颖吴丹周天丰林家春清华大学北京100084 中国农业大学北京100083

在与其他形式电机比较的基础上,研究了满足数控机床要求的永磁同步直线电机电磁结构设计和伺服控制系统的软硬件开发,解决了直线电机性能实验加载、与速度相关的参数记录等问题,对研制开发的实验样机进行了性能测试,特别给出了定位力的... 详细信息

在与其他形式电机比较的基础上,研究了满足数控机床要求的永磁同步直线电机电磁结构设计和伺服控制系统的软硬件开发,解决了直线电机性能实验加载、与速度相关的参数记录等问题,对研制开发的实验样机进行了性能测试,特别给出了定位力的实验方法和测试结果,测试结果表明所开发的样机具有较好的性能。

关键词：永磁同步直线电机电机设计伺服控制性能测试