基于SPH方法的石英玻璃超精密加工機(jī)理研究.pdf

1、碩士學(xué)位論文基于基于SPHSPH方法的石英玻璃超精密加工機(jī)理研究方法的石英玻璃超精密加工機(jī)理研究ResearchonUltraprecisionMachiningMechanismofFusedSilicaBasedonSPHMethod作者姓名：鄭桂林學(xué)科、專業(yè)：機(jī)械制造及其自動(dòng)化學(xué)號(hào)：21404017指導(dǎo)教師：郭曉光完成日期：2017年06月09日大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)碩士學(xué)

2、位論文I摘要光學(xué)玻璃因其優(yōu)異的物理性能，廣泛地應(yīng)用于航天、信息、能源、化工、微電子等領(lǐng)域。其中，石英玻璃又以其純度高、耐高溫、耐輻射、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，作為性質(zhì)較為優(yōu)越的光學(xué)玻璃受到了廣泛關(guān)注，在一些條件惡劣的情況下有著不可替代的作用。如今，石英玻璃精密和超精密加工工藝與技術(shù)已經(jīng)成為先進(jìn)制造領(lǐng)域研究的重點(diǎn)方向。然而由于其高脆性和高硬度，加工時(shí)容易出現(xiàn)裂紋和損傷，很難獲得能滿足日益發(fā)展的光學(xué)技術(shù)要求的超光滑表面。在微納尺度上，仿真技術(shù)以其獨(dú)

3、特的優(yōu)勢，得到了越來越廣泛的認(rèn)可。而光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）無網(wǎng)格仿真方法從原理上解決了有限元方法網(wǎng)格畸變的問題，尺度又契合當(dāng)前超精密加工的極限精度，是一種非常有潛力的研究方法。基于以上的問題和現(xiàn)狀，本文以切削和單顆磨粒磨削過程為切入點(diǎn)，針對(duì)石英玻璃超精密加工過程中材料分離模式、裂紋擴(kuò)展規(guī)律、殘余應(yīng)力分布狀況等現(xiàn)象進(jìn)行分析預(yù)測，并開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的正確性，具體工作如下：首先，基于脆性材料本構(gòu)特性，建立了石英玻璃SPH模型，模擬

4、了石英玻璃超精密切削過程，分析了0.1～1?m多組切削深度下，材料去除模式和應(yīng)變分布情況，以及不同刀具前角時(shí)切削過程中裂紋形成機(jī)理和其對(duì)超精密加工過程的影響。仿真結(jié)果表明：石英玻璃能在微納尺度上實(shí)現(xiàn)塑性域去除。通過研究微裂紋與塑性應(yīng)變的關(guān)系，在0前角、10ms的切削速度、0.1?m刀具鈍圓半徑的仿真條件下，石英玻璃脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削深度是0.18?m。刀具負(fù)前角切削可以得到更好的表面加工質(zhì)量，說明負(fù)前角切削更適合石英玻璃超精密加工。其次，

5、為了得到高質(zhì)量的石英玻璃光學(xué)表面，采用SPH方法，對(duì)微納米尺度下單顆磨粒磨削石英玻璃過程進(jìn)行建模仿真，分析了多組加工深度下石英玻璃分離模式、磨削力、最大等效應(yīng)力及殘余應(yīng)力的變化和其對(duì)亞表面損傷的影響。仿真結(jié)果表明：石英玻璃在磨削過程中能實(shí)現(xiàn)塑性域去除，該仿真條件下，脆塑轉(zhuǎn)變臨界加工深度為0.36μm，磨削力比大于1，裂紋在約1.2μm深度處停止擴(kuò)展，為亞表面損傷深度的預(yù)測提供了依據(jù)。通過單顆粒高速磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的合理性。最后