單晶硅超精密切削仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、單晶硅等脆性材料在紅外光學(xué)、微機(jī)械等高科技領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。目前單晶硅片主要采用研拋工藝進(jìn)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(shì)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(shí)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(xué)者們通過(guò)切削試驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了單晶硅的塑性域切削，但是由于試驗(yàn)成本高、加工過(guò)程非常復(fù)雜，單晶硅的超精密切削技術(shù)仍然未能實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)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(duì)實(shí)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(yù)測(cè)、仿真分析、試驗(yàn)檢測(cè)的方法獲取單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變切削厚度，基于此進(jìn)行單晶硅端面車(chē)削試驗(yàn)獲得一致光滑的加工表面，研究成果對(duì)于深入理解硬脆材料超精密切削加工過(guò)程具有重要意義。
　　進(jìn)行單晶硅納米壓痕實(shí)驗(yàn)，測(cè)定材料的基本力學(xué)性能參數(shù)，并繪制載荷-位移曲線；通過(guò)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(shí)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(jìn)行切削力和脆塑轉(zhuǎn)變切削厚度的理論預(yù)測(cè)。
　　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(guò)有限元仿真分析了切削參數(shù)和刀具前角的變化對(duì)切削力的影響，通過(guò)分析切削厚度對(duì)應(yīng)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(kuò)展有限元法分析切削初始和切削過(guò)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(guò)超精密車(chē)床進(jìn)行