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KDP晶体单点金刚石飞切轨迹波纹误差辨识研究

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振动．测试与诊断 2017年第2期37卷 235-239页

作者：阳红王宝瑞吉方刘有海夏欢陈东生中国工程物理研究院机械制造工艺研究所绵阳621900

频率辨识是消除或抑制KDP晶体超精密金刚石飞切轨迹波纹误差的重要前提。针对该问题,提出了一种基于空间频率变换的飞切轨迹波纹误差辨识方法。该方法通过提取表面飞切轨迹上的轮廓幅值,计算其波纹误差的空间频率,然后采用飞切线速度进... 详细信息

频率辨识是消除或抑制KDP晶体超精密金刚石飞切轨迹波纹误差的重要前提。针对该问题,提出了一种基于空间频率变换的飞切轨迹波纹误差辨识方法。该方法通过提取表面飞切轨迹上的轮廓幅值,计算其波纹误差的空间频率,然后采用飞切线速度进行转换,获得时间域上的频率值,实现波纹误差特征频率的准确分离。将误差特征频率与切削振动频率、机床气浮主轴系统的固有频率进行对比分析,明确了气浮主轴在断续切削力作用下产生的自激振动和来自电机的受迫振动是导致KDP晶体金刚石飞切波纹误差的根本原因。在此基础上,通过对主轴驱动及结构的优化,工艺实验结果表明,大口径KDP晶体飞切后的PSD1(2.5~33mm)频段内波纹误差RMS值由53nm降低至12nm。

关键词：金刚石飞切波纹误差空间频率 KDP晶体

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金刚石飞切最小切削厚度预测的研究

金刚石飞切最小切削厚度预测的研究

作者：孙婉婷吉林大学

学位级别：硕士

随着科技的发展,微型化、精密化加工展示出了广泛的应用前景,已成为目前全球制造技术的一个发展方向。高效率、高精度化的微细加工技术在未来的生产中显示出了重要地位。金刚石飞切加工作为一种微结构加工技术,可以在省略了后期抛光的... 详细信息

随着科技的发展,微型化、精密化加工展示出了广泛的应用前景,已成为目前全球制造技术的一个发展方向。高效率、高精度化的微细加工技术在未来的生产中显示出了重要地位。金刚石飞切加工作为一种微结构加工技术,可以在省略了后期抛光的情况下直接加工出具有亚微米甚至纳米级精度的微沟槽结构。同时能够加工出比较复杂的物体表面结构。金刚石飞切加工以其高效率、低成本、高精度等众多优点引起了世界各国广泛的关注与研究。它在国防科技领域、光通信领域、机械电子领域和生物医学领域等都显示出广泛的应用价值和广阔的应用前景。由于国外对我国的技术封锁,关于金刚石飞切加工方面的研究目前属于起步阶段。本文对金刚石飞切在国内外研究现状,其加工特点、优势等方面进行了系统地阐述。结合微细切削加工的基础理论,本文分析了微细切削条件下所产生的刀具的切削刃圆弧半径效应,以及临界切削厚度效应和耕犁现象。通过对微切削机理的研究,提出了考虑切削刃圆弧半径效应的金刚石飞切切削模型。详细介绍了微细切屑的产生过程,阐述了最小切削厚度的产生的原理,最小切削厚度决定微细切削的最高加工精度,它的确定直接影响到加工质量,根据“最大剪应力”理论,对切削区域进行受力分析,推导出了最小切削厚度的理论公式,并根据切削用量预测最小切削深度。本文以有限元软件ABAQUS为平台,在ABAQUS/Explicit模块下通过动态分析和Johnson-Cook材料本构模型与断裂失效模型确定金刚石飞切材料的本构方程,建立了二维正交切削的有限元模型。利用任意拉格朗日-欧拉法(ALE)和剪切失效准则,对不同的刀具切削刃半径下不同的切削深度进行了热力学仿真,进一步验证对金刚石飞切最小切削深度的预测。

关键词：金刚石飞切微细切削最小切削深度 ABAQUS模拟仿真

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金刚石飞切硅片微槽表面创成机理研究

金刚石飞切硅片微槽表面创成机理研究

作者：王润兴河南理工大学

学位级别：硕士

单晶硅材料由于具有光学性能好、机械强度高及化学性质稳定等优点,使其成为重要的集成器件衬底材料和红外光学材料,而被广泛地应用于高性能电子集成器件及微光学传感器等MEMS领域。然而,单晶硅是一种难加工的硬脆材料,目前主要的加工方... 详细信息

单晶硅材料由于具有光学性能好、机械强度高及化学性质稳定等优点,使其成为重要的集成器件衬底材料和红外光学材料,而被广泛地应用于高性能电子集成器件及微光学传感器等MEMS领域。然而,单晶硅是一种难加工的硬脆材料,目前主要的加工方式为光刻等电化学腐蚀加工,但此类方法存在着效率低、污染重等诸多不易解决的缺点。而随着机床和刀具技术的发展,使该类硬脆材料的机械精密加工成为了研究热点。其中金刚石飞切加工技术在加工线性槽类等复杂微结构方面有巨大优势,能在普通材料上直接加工出具有微米级形面精度和纳米级表面粗糙度的微结构表面质量。金刚石飞切加工技术作为一种轨迹灵活的高速加工方法,引起了众多国内外研究者的关注和研究。本文根据金刚石飞切加工技术加工原理及特点,将其应用到了单晶硅的线性微槽加工中。以研究在金刚石飞切下单晶硅微槽表面形成机理为目的,从侧重于脆塑转变规律的材料去除机理、切削力、表面粗糙度及微槽形状精度等多个方面展开探索研究。主要研究内容如下:1.分析了在金刚石飞切加工中,飞刀的运动轨迹特点,搭建了可用于单晶硅微型槽加工的金刚石飞切实验平台,并对其关键部件——飞刀盘进行优化设计,仿真得到其在高转速下的应力应变响应。2.对单晶硅的材料去除机理进行了理论分析,建立了金刚石飞切下的未变形切屑厚度模型。并在搭建的实验平台上进行了金刚石飞切单晶硅片脆塑转变的因素影响实验,之后通过由电镜观测的加工效果,分析了切削速度、切削深度、进给量以及加工方式对单晶硅材料脆塑转变的影响。3.推导出了适合金刚石飞切加工特点和单晶硅材料特性的切削力预测模型,并进行了金刚石飞切下单晶硅的切削力实验,通过实验结果分析总结了加工参数对切削力的影响,并验证了所建切削力模型的正确性。4.基于对表面粗糙度和形状误差的理论分析,对单晶硅进行了金刚石飞切表面质量正交实验。最后根据实验结果,分析讨论了各加工参数对微槽表面粗糙度和形状精度的影响规律。并利用高斯拟合原理,得到最大未变形切屑厚度与测得的粗糙度的非线性关系曲线以及回归方程,并最终得到表面粗糙度的预测模型。

关键词：金刚石飞切单晶硅微槽结构切削力表面质量

超声辅助金刚石飞切纳米氧化锆陶瓷表面粗糙度研究

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河南理工大学学报（自然科学版） 2018年第1期37卷 86-90页

作者：闫艳燕张琳张成河南理工大学机械与动力工程学院河南焦作454000

为解决硬脆材料超精密加工难题,提出将超声加工与金刚石飞切相结合的方法,对纳米氧化锆陶瓷超声辅助金刚石飞切超精密加工展开研究,首先从理论上,分别对普通金刚石飞切与超声辅助金刚石飞切的加工特点进行分析,建立了2种情况下的理论粗... 详细信息

为解决硬脆材料超精密加工难题,提出将超声加工与金刚石飞切相结合的方法,对纳米氧化锆陶瓷超声辅助金刚石飞切超精密加工展开研究,首先从理论上,分别对普通金刚石飞切与超声辅助金刚石飞切的加工特点进行分析,建立了2种情况下的理论粗糙度数学模型,分析了各种加工因素对其加工表面粗糙度的影响规律,之后进行对比正交试验,分别分析了主轴转速,进给量以及背吃刀量等加工参数对纳米氧化锆陶瓷已加工表面粗糙度的影响规律,试验结果表明,超声辅助金刚石飞切技术适合于纳米氧化锆陶瓷等硬脆材料的精密超精密加工。

关键词：金刚石飞切超声辅助加工纳米氧化锆陶瓷粗糙度模型

超声辅助金刚石飞切纳米氧化锆陶瓷高效去除机理研究

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超声辅助金刚石飞切纳米氧化锆陶瓷高效去除机理研究

作者：张琳河南理工大学

学位级别：硕士

纳米氧化锆陶瓷具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优良性质,使其已成为国防、航空航天、现代高科技工业等领域中不可缺少、且极具潜力的结构材料。但其具有硬度高、韧性差等特点,加工过程中易发生脆性... 详细信息

纳米氧化锆陶瓷具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优良性质,使其已成为国防、航空航天、现代高科技工业等领域中不可缺少、且极具潜力的结构材料。但其具有硬度高、韧性差等特点,加工过程中易发生脆性破坏,属于硬脆难加工材料。目前,纳米氧化锆陶瓷零部件的加工依然以磨削为主。但是这种加工方法加工效率低,已经不能满足现代制造业大规模生产的需求。为了解决这个问题,本文基于超声辅助金刚石飞切加工的原理,以纳米氧化锆陶瓷为工件,着重探究超声辅助金刚石飞切纳米氧化锆陶瓷的高效去除机理。具体进行了以下工作:(1)研制了新型超声辅助金刚石飞切纳米氧化锆陶瓷装置,并对其进行动力学特性进行分析。通过普通金刚石飞切和超声辅助金刚石飞切切削力试验,验证了新型超声辅助金刚石飞切加工系统能够满足加工需求,研究了切削参数对普通金刚石飞切和超声辅助金刚石飞切切削力的影响,发现在相同的加工参数下超声辅助金刚石飞切切削力要小于普通金刚石飞切的切削力;超声辅助金刚石飞切和普通金刚石飞切加工的切削力都随着主轴转速,切削深度及进给速度的增加而增加。(2)分别建立了金刚石飞切加工表面和超声辅助金刚石飞切加工表面粗糙度的理论模型,并通过对比正交试验研究了切削参数对普通金刚石飞切和超声辅助金刚石飞切纳米氧化锆陶瓷表面粗糙度的影响,发现在相同的切削参数下超声辅助金刚石飞切纳米氧化锆陶瓷的表面粗糙度值要小于普通金刚石飞切加工纳米氧化锆陶瓷表面粗糙度的值;超声辅助金刚石飞切和普通金刚石飞切加工纳米氧化锆陶瓷表面的粗糙度值都随着主轴转速,切削深度及进给速度的增加而增加。(3)基于延性域理论,推导出纳米氧化锆陶瓷最大切削深度h,基于微元法思想分别建立了普通金刚石飞切和超声辅助金刚石飞切两种加工方式的去除率的理论模型,由理论模型可知加大切削深度、提高进给速度、选择大的刀尖圆弧半径能够在理论上提高金刚石飞切的去除率。并通过对比正交试验研究了切削参数对普通金刚石飞切和超声辅助金刚石飞切纳米氧化锆陶瓷去除率的影响,发现相同的切削参数下超声辅助金刚石飞切的去除率要大于普通金刚石飞切的去除率;超声辅助金刚石飞切和普通金刚石飞切的Z去除率随着主轴转速的增加呈先减小后趋于稳定的趋势,随着切削深度和进给速度的增加呈增加的趋势。

关键词：纳米氧化锆陶瓷超声辅助加工金刚石飞切切削力粗糙度去除率

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金刚石飞切机床空气静压主轴系统动态特性

金刚石飞切机床空气静压主轴系统动态特性

作者：赵功中国工程物理研究院

学位级别：硕士

金刚石飞切(Diamond Flying Cutting, DFC)机床是实现大口径平面类光学元件超精密加工的关键装备,在国防和民用尖端产品(如精确制导、夜视、热成像瞄准系统、强激光武器)的加工中得到了广泛应用。空气静压主轴是DFC机床实现回转运动的... 详细信息

金刚石飞切(Diamond Flying Cutting, DFC)机床是实现大口径平面类光学元件超精密加工的关键装备,在国防和民用尖端产品(如精确制导、夜视、热成像瞄准系统、强激光武器)的加工中得到了广泛应用。空气静压主轴是DFC机床实现回转运动的核心。实际切削时,来自切削过程、DFC机床传动系统以及机床外界的各种扰动力将作用在DFC机床的空气静压主轴系统上,致使刀具与工件间产生相对位移,改变了它们之间的正确位置关系,并在加工表面上留下振纹,从而降低了被加工零件的表面质量。因此,研究空气静压主轴系统的动态特性,识别空气静压主轴系统抗振的薄弱环节,并优化改进,对提高其空气静压主轴系统的抗振性能和DFC机床加工稳定性具有重要意义,为此本文主要开展了如下工作：(1)建立了空气静压主轴动态特性理论模型,基于集中质量模型给出了主轴系统的动力学方程,为系统开展主轴动态特性研究奠定了基础。(2)基于结合面动态特性理论,开展了空气静压主轴典型结合面的动态特性分析与实验研究,获得了主轴气膜结合面和螺栓结合面的动态特性参数及其变化规律。(3)采用数值仿真与模态实验相结合的方法,建立了空气静压主轴系统的动态特性模型。在此基础上,研究了主轴系统的动态特性参数及其变化规律。(4)结合金刚石飞切工艺实验,采用特征频率辨识的方法,初步建立了空气静压主轴系统动态特性与金刚石飞切工件表面部分波段波纹误差的对应关系,识别了空气静压主轴系统内的薄弱环节,并提出了相应的优化改善措施,最后通过金刚石飞切实验验证了优化措施的有效性。通过以上的研究工作,本研究最终建立了包含结合面的DFC机床空气静压主轴系统动态模型,获得了主轴动态特性参数及其变化规律,揭示了主轴动态特性与金刚石飞切表面波纹误差的对应关系,最终通过对主轴薄弱环节的优化,使PSD1频段(2.5mm≤L≤33mm)内的金刚石飞切表面波纹误差RMS值从53nm降低至12nm,验证了本文研究方法和结论的正确性。

关键词：空气静压主轴动态特性金刚石飞切波纹误差结合面