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

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<100>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。

单晶硅激光辅助超精密切削工艺优化与表面特性

为了获得优化的单晶硅激光辅助超精密切削工艺,探究切削加工后单晶硅元件的表面特性,采用正交实验方法对单晶硅的激光原位辅助单点金刚石切削工艺参数进行优化,并对切削加工单晶硅表面质量、面形精度、残余应力和光学透过率等表面特性进行了测量与分析。通过正交实验数据的表面粗糙度方差分析和信噪比分析,获得的优化工艺参数组合为主轴转速为1 500 r/min、进给速率为5 mm/min、切削深度为3 μm、激光功率为4.5 W。采用上述工艺参数加工的165 mm口径单晶硅非球面光学元件的表面粗糙度和面形精度PV分别为2.74 nm和0.52 μm。激光辅助切削加工后的单晶硅表面存在(-1 760.8±362.1) MPa的残余压应力。激光辅助超精密切削加工的单晶硅光学元件在3~5 μm中红外波段镀膜前后的透过率分别为55%和98%,折射率为3.43。实验结果表明,激光辅助超精密切削技术可作为单晶硅光学元件的半精加工或最终精加工工序,以提升复杂面形单晶硅元件的制造效率。

精密切削1Cr17Ni2不锈钢仿真分析

由于1Cr17Ni2不锈钢强度高、硬度大,在切削过程中会产生较高的切削温度及切削力,从而影响工件的变形及表面质量。文中从实际加工角度出发,通过AdvantEdge-FEM软件建立切削仿真模型,研究精密车削1Cr17Ni2不锈钢时切削速度、切削深度对切削力和切削温度的影响规律。结果表明:切削深度对切削力影响较大,切削速度对其影响不明显;切削速度增大时,刀尖温度峰值近乎呈线性增大,随着切削深度的增加,刀尖温度峰值亦增大,但逐渐变缓。

6061铝合金超精密切削仿真与实验研究

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。

精密、超精密切削时PCD刀具后刀面的错位熨压作用

根据精密、超精密切削的特点，对ＰＣＤ刀具后刀面的熨压作用进行了分析，提出了错位强度的概念，并通过试验获得了ＰＣＤ刀具后刀面错位熨压的规律。

超精密切削切屑形成过程的三维有限元仿真

基于大变形有限元理论,建立了超精密切削的三维有限元模型,利用通用的商业有限元软件实现了超精密切削切屑形成过程的三维仿真.并对正交直角切削和斜角切削切屑的形成过程进行了比较深入的分析研究.结果表明:在同样切削条件下,斜角切削过程中产生的切削热、塑性应变和等效应力小于正交直角切削时产生的切削热、塑性应变和等效应力.

超精密切削时刀具切削刃的作用机理分析

分析了金刚石刀具切削刃的切削作用、脆性材料超精密切削时切屑形成机理 ;对金刚石刀具切削刃钝圆半径、切削厚度、切削角三者之间的关系进行了描述。结果表明 :脆性材料可以实现塑性域超精密切削加工 ;控制切削参数可以加工出满足要求的表面粗糙度和表面波纹度 ,为生产实际提供可靠的工艺条件及技术参数。

基于FEM-SPH耦合方法的AISI4340钢超精密切削过程仿真

数值模拟是研究金属切削的重要手段,但有限元方法(FEM)由于依赖网格而存在一定的局限性,不适宜处理大变形问题.光滑粒子动力学(SPH)是一种无网格法,可以避免网格畸变,解决切削过程中材料大变形问题.结合两种方法的各自优点,建立了AISI4340钢金刚石超精密切削过程的FEM-SPH耦合模型,研究切削过程中材料的去除机理.仿真结果表明:随着切削过程的进行工件内部应力逐渐增大,当达到屈服极限时,工件材料沿前刀面塑性流动,形成切屑,刀尖钝圆的推挤起了决定性的作用;成形表面下存在较为严重的残余应力;切削热主要来源于切削过程中塑性功的转换且大部分被切屑带走;增大刀尖钝圆半径将会使切削力尤其是切削抗力显著增大.

电脉冲处理对钛合金超精密切削的影响

钛合金材料由于难加工性限制其在各种工业领域的应用。为了改善钛合金材料Ti6Al4V在超精密切削过程中的加工性能,采用电脉冲处理的方法对钛合金材料进行了处理。电脉冲处理改变了钛合金的微结构和力学性能,经其处理后的钛合金材料弹性模量、硬度及塑性等均有一定程度的降低。对电脉冲处理后的钛合金材料进行超精密切削实验,结果表明电脉冲处理能够降低钛合金超精密切削过程中的切削力,同时还可以提高钛合金材料在超精密切削后的表面质量。研究结果证明了电脉冲处理可以作为一种有效改善钛合金加工性能的处理方法。

超精密切削氟化钙单晶金刚石刀具磨损研究

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。

硬脆光学晶体材料超精密切削理论研究综述

硬脆光学晶体材料在航空航天、光学和光电子等领域得到了广泛应用,其超精密切削加工技术越来越受到重视,从切削模型、脆塑转变机理和研究方法等三个方面介绍了硬脆光学晶体材料超精密切削技术的发展和国内外研究现状,并对今后的研究方向作了阐述。

高频超声椭圆振动精密切削

研制了一种新型的工作频率为147.5kHz的超声椭圆振动换能器,进行了高频椭圆车削硬铝(LY12)的试验。试验结果表明,在精密切削中,同普通切削相比较,高频椭圆超声振动切削对表面粗糙度具有负面影响,但具有降低切削力和提高加工精度的特点,而同低频(20.5kHz)椭圆振动切削相比较,在相同条件下,可采用较高的切削速度,从而提高了工作效率。

纳米级超精密切削表面粗糙度若干影响因素分析

介绍了W-M函数和分形分维数的结构函数法求法,采用分形理论对影响纳米级超精密切削表面质量的若干因素进行了初步分析,并进行了相关的试验和统计分析,特别是对其中主要的影响因素及其影响程度进行了分析,得出并验证了集合与子集的分维数求法及其影响关系,并对将上述理论应用于设计实际的相关问题进行了探讨。

超精密切削面临的课题

文章对在光学、电子和机械元器件的加工达到微米或亚微米级型面精度及纳米级表面粗糙度的超精密切削技术进行了综述。讨论了机床、测量及控制、刀具及其它相关技术，对于切屑的去除过程和与微切削相关的现象进行了物理特性的讨论分析。

基于遗传算法的超精密切削表面粗糙度预测模型参数辨识及切削用量优化

建立易于分析各切削用量对粗糙度影响关系的表面粗糙度预测模型和最优的切削用量组合,是超精密切削加工技术的不断发展的需要。针对最小二乘法和传统优化方法的不足,提出了将遗传算法用于超精密切削表面粗糙度预测模型的参数辨识,并用于求解最优切削用量,给出了金刚石刀具超精密切削铝合金的表面粗糙度预测数学模型和切削用量优化结果,进行了遗传算法和常规优化算法的比较,结果表明遗传算法较最小二乘法和传统的优化方法更适合于粗糙度预测模型的参数辨识及保证切削用量的最优。

切削条件对超精密切削过程影响的数值模拟

基于大变形Lagrange有限元理论、修正的JC本构关系和Cockroft-Latham切削断裂标准建立了超精密切削的三维有限元模型.采用此模型研究切削条件对超精密切削表面质量的影响.仿真结果表明:适当增大刀具后角,可使工件表面的最大位移变化量有所下降,提高加工质量;刀尖半径对加工表面质量影响较大,刀尖半径越小,加工表面质量越好;切削深度对加工表面质量的影响不明显,为了保证加工效率,切削深度一般和刀尖半径相当;切削速度影响表面质量和切削效率,速度太大或太小都会影响加工表面质量,加工铝合金时切削速度为150,m/min左右.最后试验结果验证了模型的正确性.

碳化硅晶须增强铝复合材料的精密切削研究

对挤压铸造法制造的碳化硅晶须增强铝复合材料(SiCw/Al)进行的精密切削研究结果发现;一方面这种复合材料对刀具磨损较为严重;另一方面复合材料切削表面质量主要取决于进给速度,随进给速度提高,复合材料表面质量下降。研究还发现由于复合材料切削过程中特殊的金属去除机制,使复合材料切削表面均产生残余压应力。

超声椭圆振动精密切削

传统超声振动切削加工中刀具后刀面与工件已加工表面的高频摩擦使刀具承受交变拉压应力,导致刀具疲劳崩刃。超声椭圆振动切削技术使刀具以椭圆振动轨迹对工件进行切削,避免了刀具后刀面与已加工表面的摩擦,有效抑制了刀具的崩刃破损;同时,将刀具前刀面与切屑之间有害的摩擦力变为有利的切削力,增加了刀具的剪切角,降低了切削过程中的吃刀抗力,提高了加工精度。

圆弧刃精密切削试验及其三维有限元分析

在商业化软件Marc的基础上建立了圆弧刃精密切削三维有限元模型,研究不同半径的圆弧刃精密切削条件下主切削力、切屑形状和切削温度场分布.该模型运用更新拉格朗日法的有限元方程、网格重划分准则,其刀-屑摩擦采用修正的库仑摩擦模型.模拟结果表明,圆弧刃的圆弧半径对主切削力、切屑形状和切屑的最高温度都有较大的影响.通过试验研究精密切削马氏体3J33在不同半径的圆弧刃条件下对主切削力的影响,结果表明模拟的主切削力与试验值在一定程度下是吻合的.

基于有限元法分析超精密切削中的摩擦问题

基于更新的拉格朗日公式 ,建立了热 -机械耦合的平面应变大变形正交切削模型。根据此模型 ,对金刚石车削过程中的摩擦问题进行了仿真研究。对两种摩擦模型仿真所得的切削力与实验数据进行了比较 ,验证了前刀面上的摩擦状态应是粘结 -滑移摩擦同时存在 ,并研究了刀具摩擦系数各向异性对超精密切削中切屑变形、切削力、剪切角的影响。