氟化鈣晶體納米切削加工多尺度仿真研究.pdf

1、氟化鈣晶體是一種光學(xué)性能十分優(yōu)良的材料，在民用領(lǐng)域是制作深紫外激光光刻系統(tǒng)鏡頭最理想的材料，在軍事領(lǐng)域是制造三光合一光電探測(cè)系統(tǒng)和深紫外強(qiáng)激光武器光學(xué)元件的理想材料。傳統(tǒng)的機(jī)械拋光工藝容易在氟化鈣晶體表面嵌入顆粒等雜質(zhì)而使得其激光損傷閾值降低。因而氟化鈣晶體的單點(diǎn)金剛石切削加工引起了人們的廣泛興趣。
　　本文依照串行多尺度耦合的思想，研究了氟化鈣晶體的納米切削加工過程。首先使用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了氟化鈣晶體納米切削加工過程中切屑形

2、成的機(jī)理；然后用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算了氟化鈣晶體在高應(yīng)變率下的力學(xué)特性，并結(jié)合文獻(xiàn)中低應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行擬合，得到了氟化鈣晶體的應(yīng)變率相關(guān)本構(gòu)關(guān)系；再利用該本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行氟化鈣晶體塑性域切削加工有限元仿真，研究了加工參數(shù)對(duì)其切削加工過程的影響；最后進(jìn)行氟化鈣晶體飛刀車削加工實(shí)驗(yàn)，分析了切削速度對(duì)其加工表面粗糙度的影響。
　　分子動(dòng)力學(xué)模擬表明切削方向與主滑移系{100}<011>之間的位置關(guān)系對(duì)切屑形成的機(jī)理有重要影響。當(dāng)兩者取向

3、有利于晶體沿滑移系發(fā)生滑移時(shí)，沿滑移系滑移變形成為切屑形成的主要機(jī)理；反之則主要依靠使得材料發(fā)生非晶化相變并在非晶化區(qū)域發(fā)生剪切滑移來形成切屑。負(fù)前角增加會(huì)促進(jìn)非晶化相變，并使得材料傾向于向刀具兩側(cè)流出。在(111)<112__>晶向進(jìn)行切削時(shí)，-20°的前角最有利于晶體材料沿滑移系發(fā)生滑移，這與實(shí)驗(yàn)報(bào)道的-20°前角最有利于(111)晶面的切削加工一致。有限元仿真表明刀具的負(fù)前角和刃口半徑增大有助于減小切削區(qū)域的拉應(yīng)力，但是會(huì)抑制工件

4、材料向上表面流出形成切屑，并對(duì)工件材料產(chǎn)生向前下方的擠壓作用，從而使得主切削力隨著負(fù)前角和刃口半徑的增大而先增加再減小。隨著切削厚度增加，拉應(yīng)力增加到一定程度后趨于穩(wěn)定。切削厚度減小時(shí)，單位切削厚度的切削力會(huì)顯著增加，表現(xiàn)出明顯的尺度效應(yīng)。在仿真所采用的切削速度范圍內(nèi)，切削力隨著切削速度的增加而緩慢增加，與實(shí)驗(yàn)報(bào)道基本吻合。仿真結(jié)果中拉應(yīng)力受切削速度的影響較??；而飛刀車削實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)所采用的切削速度范圍內(nèi)切削速度對(duì)氟化鈣晶體加