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基于纳米压痕与纳米划痕实验的单晶硅超精密切削特性研究

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人工晶体学报 2023年第9期52卷 1651-1659页

作者：崔杰杨晓京李云龙张高赞李宗睿昆明理工大学机电工程学院昆明650500

为研究单晶硅超精密切削特性,采用纳米压痕仪配合Berkovich金刚石压头对单晶硅晶面进行纳米压痕与纳米划痕实验。纳米压痕实验分别以10、30和50 mN载荷将压头压入单晶硅表面,发现30 mN载荷下载荷-位移曲线产生微小波动,而在50 mN载荷下... 详细信息

为研究单晶硅超精密切削特性,采用纳米压痕仪配合Berkovich金刚石压头对单晶硅晶面进行纳米压痕与纳米划痕实验。纳米压痕实验分别以10、30和50 mN载荷将压头压入单晶硅表面,发现30 mN载荷下载荷-位移曲线产生微小波动,而在50 mN载荷下发生“pop-out”现象,说明材料此时有突然的应力变化并有脆性破坏发生,预测了单晶硅脆塑转变的临界载荷略小于30 mN。开展变载荷纳米划痕实验,用0~100 mN的载荷刻划单晶硅表面,根据载荷-位移曲线观察到单晶硅在变载荷刻划中分为弹塑性去除和脆性去除阶段。弹塑性去除阶段,载荷-位移曲线波动平稳,而脆性去除阶段曲线波动较大,得到单晶硅脆塑转变的临界载荷为27 mN,临界深度为392 nm。通过恒载荷纳米划痕实验,在塑性加工域内分别以5、10和20 mN的恒载荷刻划单晶硅表面,并通过扫描电子显微镜(SEM)观察恒载荷划痕后的单晶硅表面形貌,分析刻划数据发现切削力和弹性回复率随着载荷的增加而增大,摩擦系数则先增大后减小。因此单晶硅超精密切削加工应选择合理的载荷,并充分考虑弹性回复的影响。

关键词：单晶硅超精密切削纳米压痕纳米划痕脆塑转变切削力弹性回复率摩擦系数

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超精密切削铝合金的激光烧蚀特性研究

超精密切削铝合金的激光烧蚀特性研究

作者：刘军民哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着相关技术的发展,高能激光系统中的光学元件所承受的激光通量激增。因此,为了保证光学元件的可靠性,对系统内部洁净度提出了更加严格的要求。但是,当系统中的杂散光照射到内部机械构件时,会有污染物产生,进而降低系统内部洁净度。并... 详细信息

随着相关技术的发展,高能激光系统中的光学元件所承受的激光通量激增。因此,为了保证光学元件的可靠性,对系统内部洁净度提出了更加严格的要求。但是,当系统中的杂散光照射到内部机械构件时,会有污染物产生,进而降低系统内部洁净度。并且,系统的洁净控制环节中,缺少对采用传统加工方式的机械构件在加工制造阶段的洁净控制。因此,需要研究机械构件的加工制造阶段对高能激光系统洁净环境的影响,分析实现机械构件超洁净制造的能力与条件,研究结果对高能激光系统内部机械构件加工参数的合理选择具有重要意义。首先,本文利用分子动力学理论进行了铝合金的超精密切削仿真,分析了切削过程中切削参数对切削力、切削热、残余应力和切削塑性变形的影响。通过统计切削亚表层中各原子的温度、密度和应力,研究了切削参数对亚表层温度、密度、应力的均值变化速率和最终表现的影响,认为晶格结构的变化不仅会引起亚表层应力的变化还会引起亚表层密度的变化。其次,以超精密切削模型制得的铝合金加工件作为基体,采用基于双温模型的分子动力学理论建立了激光烧蚀模型。通过提取基体在深度方向上的动能峰值和原子负移动峰值,分析了加工件亚表层对激光的能量传输速率和应力波波速的影响,认为基体的塑性变形比例会影响激光能量的传输速率,基体内受激发的原子会阻碍应力波传播。通过聚类分析算法和三维凸包拟合对铝合金加工件产生的污染物进行了统计分析,揭示了加工参数对铝合金加工件产生颗粒污染物的数量和体积的影响规律。通过对加载局部激光的基体进行深度方向的分层,研究了颗粒污染物的来源,认为污染物绝大部分来自于激光辐照的区域。再次,利用分形函数理论模拟机加工表面,通过分子动力学仿真获得具有不同粗糙度的铝合金基体,并以此建立了激光烧蚀模型。分析了粗糙度对激光能量传输和应力波传输的影响,认为粗糙度对激光在基体内部的能量传输速率和应力波波速没有影响。对团簇污染物进行统计分析,认为粗糙度会影响铝合金基体最终产生污染物的数量、角度和体积。通过提取加载局部激光的粗糙表面铝合金基体产生的烧蚀坑体积,揭示了烧蚀坑体积与基体粗糙度的线性关系。最后,建立了因激光烧蚀而溅射的高速污染物与粗糙表面铝合金基体的吸附模型,分别分析了高速颗粒型污染物和高温高速平面型污染物在铝合金粗糙表面的吸附行为,并研究了粗糙度对污染物与基体之间吸附能大小的影响。

关键词：超精密切削激光烧蚀污染物分子动力学超洁净制造

超精密切削铝亚表层缺陷演变及其对表面洁净影响研究

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超精密切削铝亚表层缺陷演变及其对表面洁净影响研究

作者：陶明方哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

当超精密切削加工实现纳米级去除材料时,工件亚表层缺陷结构对工件的加工质量和使用寿命等都有直接影响。基于铝材料的优点,金属铝被广泛应用于高能激光系统的组件中,对其加工表面质量和洁净性具有很高的要求。因此,从分子和原子层面研... 详细信息

当超精密切削加工实现纳米级去除材料时,工件亚表层缺陷结构对工件的加工质量和使用寿命等都有直接影响。基于铝材料的优点,金属铝被广泛应用于高能激光系统的组件中,对其加工表面质量和洁净性具有很高的要求。因此,从分子和原子层面研究亚表层缺陷结构的演变过程,对提高加工表面质量和解释工件表层污染具有理论和实际意义。基于分子动力学仿真理论,本文进行了真空中金属铝的切削仿真,研究切削机理和切削现象。主要研究工件亚表层缺陷结构的演变特征,分析应力诱导位错形核扩展的机制;通过统计亚表层缺陷原子数目和计算原子占比,研究切削深度对亚表层晶体结构变化的影响。对于多晶铝的切削仿真,重点分析了晶界对位错滑移扩展的阻碍作用、以及晶界和位错对切削力波动和应力分布的影响。建立水介质中金属铝的切削仿真模型,对比相同参数下真空中的仿真结果,研究水介质对工件亚表层晶体结构变化的影响,发现水介质中位错积聚时间较长;通过观察切削过程中水介质在工件和刀具之间的分布,分析工件表面应力和温度的分布状态,揭示水介质能够有效减弱刀具后刀面对材料的黏着现象,并且降低工件的整体温度;进一步分析了切削过程中切削力的变化,分析水介质对切削力变化和波动幅度的影响。建立有机介质中单晶铝的切削仿真模型,详细分析了三种加工环境中单晶铝亚表层位错演变过程,进一步分析水介质和有机介质的冷却润滑性能;通过分析亚表层不同晶体结构原子数目的变化、表面原子的排列、表面应力的分布和表面有机物的残留量,研究切削深度对亚表层晶体结构变化、表面质量以及表面洁净的影响规律;同时在单晶铝工件表面上建立不同宽度的矩形槽,以模拟已经存在的缺陷对加工表面质量和表面洁净的影响,从微观层面分析工件内部产生污染源的过程。最后进行不同切削深度下的金属铝的超精密车削实验,对试件的表面粗糙度和表面成分进行检测,分析工件的加工表面质量与表面洁净的关系。

关键词：超精密切削亚表层缺陷演变表面洁净分子动力学

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6061铝合金超精密切削仿真与实验研究

机械设计与制造 2023年第7期389卷 147-150页

作者：王海龙王素娟广东工业大学机电工程学院广东省微纳加工技术与装备重点实验室广东广州510006

利用单晶金刚石超精密切削6061铝合金(Al6061)实验与有限元仿真计算方法(FEM),研究Al6061的单晶金刚石超精密切削机理。通过构建不考虑Al6061材料中杂质与二次相特性的超精密切削2D有限元模型(Al6061 FEM),与相同切削条件下Al6061单晶... 详细信息

利用单晶金刚石超精密切削6061铝合金(Al6061)实验与有限元仿真计算方法(FEM),研究Al6061的单晶金刚石超精密切削机理。通过构建不考虑Al6061材料中杂质与二次相特性的超精密切削2D有限元模型(Al6061 FEM),与相同切削条件下Al6061单晶金刚石切削实验对比,切屑形态与切削力等参数两者较吻合。研究发现,当切削深度为2μm,切削速度为500mm/min时,模型计算的切屑为锯齿形层层叠加在一起;切削力受切屑形态的影响,随单个锯齿形成过程先增加后减小,呈周期变化;切削表面出现单元格损伤缩颈变形和塑性恢复变形,两者综合作用生成切削表面,而实际Al6061切削加工生成表面受材料中杂质与二次相的影响,不考虑Al6061材料中杂质与二次相的切削生成表面计算结果无法评估实际切削表面生成过程;切削热主要受Al6061切屑层挤压变形作用产生,切屑与前刀面以及新生成的表面与后刀面摩擦生热量相对较小。对比有限元计算结果,实验切削力波动范围大,主要受材料特性的影响。

关键词：单晶金刚石超精密切削 Al6061 FEM 切削机理

回转对称微结构光学模具的超精密切削B轴旋转加工工艺

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清华大学学报（自然科学版） 2017年第2期57卷 120-127页

作者：高兴李勇钟昊岳全李朝将清华大学机械工程系精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室摩擦学国家重点实验室北京100084

为避免回转对称微结构光学模具加工中产生的毛刺、尖角缺损及表面划痕,提出一种基于超精密切削的B轴旋转加工工艺。通过实验研究加工路径、切削速度、B轴旋转速度及切深等影响微模具面形精度和表面质量的主要因素,优化切削轨迹规划与加... 详细信息

为避免回转对称微结构光学模具加工中产生的毛刺、尖角缺损及表面划痕,提出一种基于超精密切削的B轴旋转加工工艺。通过实验研究加工路径、切削速度、B轴旋转速度及切深等影响微模具面形精度和表面质量的主要因素,优化切削轨迹规划与加工参数,开展了2种微结构模具的加工实验,得到尺寸精度小于1.4μm、表面粗糙度小于14nm的结构完整性较好、表面无划痕的模具。实验结果验证了回转对称微结构光学模具B轴旋转加工工艺的可行性。

关键词：超精密切削 B轴旋转加工工艺回转对称微结构光学模具结构完整性

基于分子动力学仿真的超精密切削单晶铜亚表层缺陷演变基础研究

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基于分子动力学仿真的超精密切削单晶铜亚表层缺陷演变基础研究

作者：杜明扬华侨大学

学位级别：硕士

单晶铜的（111）晶面与单晶石墨烯的超高适配度使其成为生长单晶石墨烯的理想表面。但其加工过程中产生的亚表层缺陷是严重限制单晶石墨烯制备质量及效率的重要因素,为此有效降低超精密切削单晶铜过程中亚表层缺陷的产生及分布已成为单... 详细信息

单晶铜的（111）晶面与单晶石墨烯的超高适配度使其成为生长单晶石墨烯的理想表面。但其加工过程中产生的亚表层缺陷是严重限制单晶石墨烯制备质量及效率的重要因素,为此有效降低超精密切削单晶铜过程中亚表层缺陷的产生及分布已成为单晶石墨烯薄膜产业亟需解决的关键问题。本文利用分子动力学仿真的方法展开对超精密切削单晶铜过程中亚表层缺陷的研究。在建立超精密切削单晶铜（111）的分子动力学仿真模型基础上,不仅研究了位错滑移对材料去除的影响,还对亚表层缺陷的演变过程、不同缺陷之间的转化关系、不同切削参数对亚表层缺陷的影响进行了探究,为有效抑制超精密切削单晶铜过程中亚表层缺陷的产生提供可靠参考。主要研究工作如下:（1）建立基于单晶铜（111）晶面为超精密切削平面的分子动力学仿真模型并对其弛豫过程进行分析,确保仿真模型在切削开始之前的稳定性。通过CNA分析法对沿不同晶向切削单晶铜的过程中工件材料的主要滑移面及滑移方向进行分析,结果发现主要滑移面的个数及滑移方向存在很大差异。将同一切削方向的主要滑移面与已加工表面两侧毛刺的分布情况进行对比,发现毛刺的分布是否均匀与对应的主要滑移面的个数及滑移方向有着直接的关系。结果表明,沿只有一个主要滑移面的晶向切削时,已加工表面两侧毛刺呈均匀分布且毛刺的高度最低。（2）通过CNA分析法对超精密切削单晶铜（111）过程中产生的亚表层缺陷进行识别,主要有“V”形位错、棱柱位错环、四面体堆垛层错及梯杆位错等。在对各种亚表层缺陷及对应的位错线进行识别、标记及追踪的基础上,分析各个亚表层缺陷的演变过程及之间的转化关系。结果表明:所有常见的亚表层缺陷都源自沿不同滑移面扩展的层错;“V”形位错是形成棱柱位错环、四面体堆垛层错这种更复杂缺陷的重要基础;不同亚表层缺陷之间存在一定的转化关系,结构复杂的层错类缺陷也可以向结构相对简单的团簇类缺陷进行转化,这有利于单晶铜表面质量的改善。（3）通过对比不同切削参数的超精密切削单晶铜（111）过程中的亚表层缺陷情况,可以发现切削深度、切削速度及切削方向对亚表层缺陷的影响十分显著。切削深度与切削速度对切削过程中已加工表面下的亚表层缺陷深度的变化趋势基本相同。沿只有一个主要滑移面的不全位错柏氏矢量型晶向切削时,已加工表面下的亚表层缺陷深度最小而且稳定,待加工材料的亚表层缺陷只在刀具前方均匀的分布。

关键词：分子动力学仿真单晶铜超精密切削亚表层缺陷

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超精密切削氟化钙单晶金刚石刀具磨损研究

中国机械工程 2011年第13期22卷 1519-1522,1526页

作者：陈浩锋王建敏戴一帆郑子文焦飞飞国防科学技术大学长沙410073

为了研究氟化钙(CaF2)单晶超精密切削过程中的金刚石刀具磨损及其对切削过程的影响,对CaF2晶体进行了超精密切削实验,系统观测了刀具磨损形貌随切削路程的变化趋势,分析了刀具磨损机理,同时通过分析不同切削路程下切削表面微观形貌和切... 详细信息

为了研究氟化钙(CaF2)单晶超精密切削过程中的金刚石刀具磨损及其对切削过程的影响,对CaF2晶体进行了超精密切削实验,系统观测了刀具磨损形貌随切削路程的变化趋势,分析了刀具磨损机理,同时通过分析不同切削路程下切削表面微观形貌和切削力的变化,对刀具磨损与切削模式之间的关系进行了探讨。研究表明,超精密切削CaF2晶体时刀具磨损模式为沟槽磨损和缺口破损,刀具磨损随切削路程的演变过程为后刀面沟槽磨损扩展到前刀面缺口破损,同时相应的切削模式由延性去除转变为脆性去除。该研究结果为大口径CaF2晶体纳米尺度延性域切削提供了技术支持。

关键词：超精密切削刀具磨损 CaF2晶体延性域金刚石刀具

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聚焦磁场辅助镍基高温合金超精密切削研究

聚焦磁场辅助镍基高温合金超精密切削研究

作者：张琛华中科技大学

学位级别：硕士

镍基高温合金在高温下具有出色的强度和热稳定性,是目前航空航天、船舰和石油化工等领域中高温高压部件的常用材料。然而,镍基高温合金在加工时产生加工硬化,且加工表面形成硬质的剧烈塑性变形(SPD)层,导致加工表面硬度高、切削过程中... 详细信息

镍基高温合金在高温下具有出色的强度和热稳定性,是目前航空航天、船舰和石油化工等领域中高温高压部件的常用材料。然而,镍基高温合金在加工时产生加工硬化,且加工表面形成硬质的剧烈塑性变形(SPD)层,导致加工表面硬度高、切削过程中切削阻力大、切削稳定性差,表面质量和加工性能因此下降。磁场辅助切削是一种在加工过程中对加工区域在线施加静磁场,从而提升加工效果的场辅助加工手段,目前已有对钛合金、单晶铜等材料进行磁场辅助加工的研究先例。然而,已有的磁场辅助加工形式固定、参数局限,且缺乏对磁场中材料改性机理的微观研究。文中设计了一种多自由度可调的聚焦磁场辅助装置,将磁场聚焦于刀尖处,使刀尖处磁感应强度比现有研究提升10倍左右,达到0.5 T。同时,通过减小磁场影响范围,排除磁场对加工设备的涡流阻尼和感应加热等影响,以着重分析刀尖处磁场对加工核心区域的作用。文中介绍了在超精密车床上进行的镍基高温合金划擦实验和端面车削实验,对比了有无聚焦磁场影响下的加工结果,分析发现磁场通过增强加工表面塑性、减小刀具与工件摩擦系数的方式对加工结果造成了一系列影响。划擦实验表明0.5 T聚焦磁场辅助可以使切槽形貌与刀具形貌更加吻合,在切槽内靠近磁铁S极的一侧,由塑性侧流形成的毛刺增大,切槽在切削方向的线粗糙度降低,切槽表面缺陷减少。车削实验结果表明0.5 T聚焦磁场可以使CBN车刀的后刀面磨损降低33%,摩擦系数降低26.2%,车削表面粗糙度从41 nm降至32 nm,表层塑性变形层增厚31.8%,表面硬度降低,塑性变形层内硬度在趋势不变的情况下整体降低13.7%。最后,使用高分辨率透射电镜对表面SPD层进行晶体特征、原子位错分析。根据结果,与无磁场相比,0.5 T聚焦磁场辅助情况下加工表层滑移带明显增宽、位错密度降低、晶粒细化现象消失,进一步解释了磁场环境中加工表面硬度降低、塑性提升的微观机理。

关键词：聚焦磁场磁场辅助加工超精密切削镍基高温合金

超精密切削切屑形成过程的SPH方法模拟研究

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中国机械工程 2009年第23期20卷 2861-2864,2870页

作者：王永刚宁波大学宁波315211

采用光滑粒子流体动力学方法对单点金刚石刀具超精密切削AISI-4340钢的切屑形成机理及影响因素进行了数值模拟。数值模拟结果显示:当切削厚度较大(0.9μm和0.6μm)时,超精密切削加工产生切屑的形成机制同普通切削一样属于剪切滑移破坏,... 详细信息

采用光滑粒子流体动力学方法对单点金刚石刀具超精密切削AISI-4340钢的切屑形成机理及影响因素进行了数值模拟。数值模拟结果显示:当切削厚度较大(0.9μm和0.6μm)时,超精密切削加工产生切屑的形成机制同普通切削一样属于剪切滑移破坏,切屑呈锯齿状,切削力呈波浪形振荡;当切削厚度较小(0.30μm和0.15μm)时,切屑形成机制由剪切破坏转换为挤压破坏,形成了带状连续切屑,切削力在进入稳定切削阶段后基本保持恒定。

关键词：超精密切削光滑粒子流体动力学切屑形成机理数值模拟