单晶硅超精密切削裂纹扩展过程离散元仿真

摘要

金刚石刀具超精密切削单晶硅的过程中，由于刀具磨损、材料内部缺陷、外部加工条件等因素的制约，切削过程时常伴随着脆性去除方式，以致切削刃附近区域常出现很多微裂纹，一旦这些微裂纹扩展到已加工表面甚至亚表面，将严重影响工件加工表面质量。弄清楚裂纹扩展的机理并对其加以有效的控制，对于提高工件质量具有十分重要的意义，然而切削裂纹扩展过程、机理及影响因素至今仍未揭示清楚。为此，本文以单晶硅为研究对象，采用离散元仿真手段，对切削过程中单晶硅表面及亚表面裂纹的扩展过程及晶体缺陷、加工参数等因素对裂纹扩展的影响进行了分析。
　　主要研究内容如下：
　　（1）为分析超精密切削单晶硅表面及亚表面裂纹扩展过程，同时为保证模型的准确性，建立了带有切削刃钝圆半径和刀具与工件摩擦系数的单晶硅超精密切削离散元仿真模型。为便于观察裂纹扩展程度，对上述模型进行了分层处理，并进行切削仿真。提出了适用于PFC2D软件的应力计算方法，并结合切削过程中残余应力产生机理对该方法的准确性进行了验证。而后，从能量和应力的角度对切削过程中表面及亚表面裂纹的扩展过程及伴随的现象进行了分析。
　　（2）为分析表面微裂纹和内部微空洞两种晶体缺陷对裂纹扩展的影响，建立了分别带有微裂纹及微空洞缺陷的单晶硅超精密切削离散元仿真模型，并进行切削仿真。以裂纹数量及裂纹层平均深度为衡量标准，分析了上述两种缺陷对裂纹扩展的影响，并从能量和应力的角度分析了其影响裂纹扩展的原因。
　　（3）以裂纹数量、裂纹层平均深度、裂纹出现前的切削距离等参数为量化标准，分析了切削速度、切削深度、切削刃钝圆半径及刀具前角等工艺参数及刀具参数对裂纹扩展的影响，从抑制表面及亚表面裂纹扩展的角度给出了最适合切削的加工参数。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究目的及意义

1.2 单晶硅裂纹扩展过程及机理研究现状

1.3 单晶硅超精密切削裂纹扩展过程及机理研究的不足

1.4 论文主要研究内容

第2章 离散元法及单晶硅（100）晶面离散元模型

2.1 离散元法简介

2.2 PFC2D软件介绍

2.3 单晶硅（100）晶面粘结模型的建立与校准

2.4 小结

第3章 单晶硅超精密切削裂纹扩展物理过程分析

3.1 单晶硅超精密切削离散元模型建立

3.2 切削裂纹扩展形式判定

3.3 残余应力分析

3.4 裂纹扩展过程分析

3.5 本章小结

第4章 晶体缺陷对切削裂纹扩展的影响

4.1 表面微裂纹对裂纹扩展的影响

4.2 空洞对裂纹扩展的影响

4.3 本章小结

第5章 切削参数及刀具参数对裂纹扩展的影响

5.1 切削速度对裂纹扩展的影响

5.2 切削深度对裂纹扩展的影响

5.3 切削刃钝圆半径对裂纹扩展的影响

5.4 刀具前角对裂纹扩展的影响

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢