單晶硅超精密切削仿真與實驗研究.pdf

1、單晶硅等脆性材料在紅外光學、微機械等高科技領(lǐng)域的應用日益廣泛。目前單晶硅片主要采用研拋工藝進行加工，而金剛石超精密切削技術(shù)展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢和前景，是一種低表面損傷、高效率的加工方式。單晶硅屬于硬脆材料，獲得光滑表面的關(guān)鍵是控制條件實現(xiàn)脆塑轉(zhuǎn)變，從而使材料以塑性域切削方式去除。雖然學者們通過切削試驗成功實現(xiàn)了單晶硅的塑性域切削，但是由于試驗成本高、加工過程非常復雜，單晶硅的超精密切削技術(shù)仍然未能實現(xiàn)工程應用。并且單晶硅存在各向異性，確定

2、的脆塑轉(zhuǎn)變切削厚度對實現(xiàn)脆塑轉(zhuǎn)變從而切削出一致光滑的表面至關(guān)重要。本文結(jié)合理論預測、仿真分析、試驗檢測的方法獲取單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變切削厚度，基于此進行單晶硅端面車削試驗獲得一致光滑的加工表面，研究成果對于深入理解硬脆材料超精密切削加工過程具有重要意義。
　　進行單晶硅納米壓痕實驗，測定材料的基本力學性能參數(shù)，并繪制載荷-位移曲線；通過最大未變形切屑厚度模型、脆塑轉(zhuǎn)變切削厚度和最小切削厚度的分析，確定實現(xiàn)塑性域切削的切削厚度判斷條件；建

3、立脆性材料切削模型，進行切削力和脆塑轉(zhuǎn)變切削厚度的理論預測。
　　結(jié)合有限元軟件確定單晶硅材料模型參數(shù)并建立仿真模型。通過有限元仿真分析了切削參數(shù)和刀具前角的變化對切削力的影響，通過分析切削厚度對應力分布和切屑形成的影響，判斷脆塑轉(zhuǎn)變的切削厚度范圍。采用擴展有限元法分析切削初始和切削過程中的裂紋產(chǎn)生規(guī)律；建立變切削深度三維切削模型，仿真切削厚度的變化引起單晶硅的脆塑轉(zhuǎn)變，并確定脆塑轉(zhuǎn)變切削厚度的范圍。
　　通過超精密車床進行