單晶硅超精密切削脆塑轉(zhuǎn)變機理及影響因素的研究.pdf

1、硬脆光學(xué)晶體材料元件在新能源、航天運載工具、武器研制、衛(wèi)星研制中有著極其重要的應(yīng)用背景。單晶硅光學(xué)元件在一些高新技術(shù)領(lǐng)域具有極其重要和無可替代的作用，如單晶硅在用于戰(zhàn)略預(yù)警衛(wèi)星的紅外遙感器時，可從太空偵測導(dǎo)彈發(fā)射時發(fā)出的紅外信號；硅基紅外探測器還可用于海陸空戰(zhàn)術(shù)目標的探測、識別與跟蹤以及天文觀測、特殊條件下的飛機夜航著陸等；利用單晶硅制作的各種粒子探測器具有的極高的位置靈敏度廣泛用于空間探測、核物理、高能物理等領(lǐng)域。隨著超精密切削加工機

2、床、高精度數(shù)控技術(shù)、超穩(wěn)定的加工環(huán)境等一系列重大技術(shù)的突破，使得單晶硅的超精密切削加工取代超精密研拋加工成為可能。所以，最近十幾年來，單晶硅超精密切削加工機理方面的研究就成了各發(fā)達國家的重要研究課題之一。
　　本文對國內(nèi)外單晶硅超精密切削加工機理的主要研究內(nèi)容和研究方法進行了比較全面的綜述。單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變的成因是對超精密切削表面質(zhì)量影響因素等問題作進一步研究的基礎(chǔ)，所以本課題首先對單晶硅進行了納米印壓和顯微壓痕亞表面透射電鏡觀察試

3、驗，通過對試驗結(jié)果的分析，提出了一種基于尺度效應(yīng)的單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變機理。根據(jù)該脆塑轉(zhuǎn)變機理，定量地給出了單晶硅(111)晶面的臨界切削厚度值，并建立了細微觀結(jié)合的單晶硅超精密切削模型，然后通過切削試驗證實了上述研究結(jié)果的正確性。
　　為了給出單晶硅發(fā)生塑性變形的最佳載荷條件，采用斷裂力學(xué)和位錯力學(xué)相結(jié)合的方法，通過計算機模擬計算了不同載荷條件下裂紋和位錯的作用過程。利用該模擬結(jié)果，研究了刀具前角和刃口半徑對單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變的影響，并給

4、出了金剛石刀具的最佳前角，并通過試驗驗證了研究結(jié)果。
　　單晶硅超精密切削試驗表明，加工表面粗糙度值呈現(xiàn)扇形分布，而且切削力呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。通過分析單晶硅超精密切削時的平面應(yīng)變條件下的晶體學(xué)方位關(guān)系，結(jié)合單晶硅的力學(xué)特性的各向特性，分別模擬了超精密切削單晶硅(111)、(100)、(110)晶面時的表面質(zhì)量的各向異性特性。分析了單晶硅超精密切削表面粗糙度的形成機理，給出了單晶硅超精密切削時高應(yīng)變速率的條件下，切削速度、刀具前角和

5、刃口半徑對單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變的影響，得到了獲得均勻一致表面粗糙度加工方法，并通過試驗驗證了研究結(jié)果。
　　最后，本文采用通用旋轉(zhuǎn)試驗設(shè)計方法進行試驗規(guī)劃，利用擅長全局搜索的遺傳基因算法，對建立的表面粗糙度預(yù)測模型進行了參數(shù)辨識，給出了回歸顯著、表達簡單、易于分析各切削參數(shù)對表面粗糙度影響的單晶硅超精密切削表面粗糙度預(yù)測模型。并以表面粗糙度為約束條件，以最大切削效率為目標得到了單晶硅超精密切削的最佳切削參數(shù)組合，研究了各切削參數(shù)對表面粗