单晶硅超精密切削脆塑转变机理及影响因素的研究

摘要

硬脆光学晶体材料元件在新能源、航天运载工具、武器研制、卫星研制中有着极其重要的应用背景。单晶硅光学元件在一些高新技术领域具有极其重要和无可替代的作用，如单晶硅在用于战略预警卫星的红外遥感器时，可从太空侦测导弹发射时发出的红外信号；硅基红外探测器还可用于海陆空战术目标的探测、识别与跟踪以及天文观测、特殊条件下的飞机夜航着陆等；利用单晶硅制作的各种粒子探测器具有的极高的位置灵敏度广泛用于空间探测、核物理、高能物理等领域。随着超精密切削加工机床、高精度数控技术、超稳定的加工环境等一系列重大技术的突破，使得单晶硅的超精密切削加工取代超精密研抛加工成为可能。所以，最近十几年来，单晶硅超精密切削加工机理方面的研究就成了各发达国家的重要研究课题之一。
　　本文对国内外单晶硅超精密切削加工机理的主要研究内容和研究方法进行了比较全面的综述。单晶硅脆塑转变的成因是对超精密切削表面质量影响因素等问题作进一步研究的基础，所以本课题首先对单晶硅进行了纳米印压和显微压痕亚表面透射电镜观察试验，通过对试验结果的分析，提出了一种基于尺度效应的单晶硅脆塑转变机理。根据该脆塑转变机理，定量地给出了单晶硅(111)晶面的临界切削厚度值，并建立了细微观结合的单晶硅超精密切削模型，然后通过切削试验证实了上述研究结果的正确性。
　　为了给出单晶硅发生塑性变形的最佳载荷条件，采用断裂力学和位错力学相结合的方法，通过计算机模拟计算了不同载荷条件下裂纹和位错的作用过程。利用该模拟结果，研究了刀具前角和刃口半径对单晶硅脆塑转变的影响，并给出了金刚石刀具的最佳前角，并通过试验验证了研究结果。
　　单晶硅超精密切削试验表明，加工表面粗糙度值呈现扇形分布，而且切削力呈现有规律的变化。通过分析单晶硅超精密切削时的平面应变条件下的晶体学方位关系，结合单晶硅的力学特性的各向特性，分别模拟了超精密切削单晶硅(111)、(100)、(110)晶面时的表面质量的各向异性特性。分析了单晶硅超精密切削表面粗糙度的形成机理，给出了单晶硅超精密切削时高应变速率的条件下，切削速度、刀具前角和刃口半径对单晶硅脆塑转变的影响，得到了获得均匀一致表面粗糙度加工方法，并通过试验验证了研究结果。
　　最后，本文采用通用旋转试验设计方法进行试验规划，利用擅长全局搜索的遗传基因算法，对建立的表面粗糙度预测模型进行了参数辨识，给出了回归显著、表达简单、易于分析各切削参数对表面粗糙度影响的单晶硅超精密切削表面粗糙度预测模型。并以表面粗糙度为约束条件，以最大切削效率为目标得到了单晶硅超精密切削的最佳切削参数组合，研究了各切削参数对表面粗糙度的影响，切削加工出了高质量的单晶硅表面。本文根据以上的研究，切削加工出了理想的单晶硅超精密光滑表面。

目录

单晶硅超精密切削脆塑转变机理 及影响因素的研究

RESEARCH ON MECHANISM OF BRITTLE-DUCTILE TRANSITION AND INFLUCENCING FACTORS OF ULTRA-PRECISION TURNING SINGLE CRYSTAL SILICON

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第 1 章 绪论

1.1 课题的来源及研究的目的和意义

1.2 单晶硅晶体的主要应用

1.3 国内外单晶硅超精密切削机理主要研究内容

1.3.1 单晶硅超精密切削脆塑转变机理

1.3.2 单晶硅塑性域切削模型

1.3.3 单晶硅超精密切削加工的临界切削厚度

1.3.4 切削加工表面质量各向异性的研究

1.3.5 单晶硅超精密切削其他方面的研究现状

1.4 单晶硅超精密切削加工机理研究方法评述

1.4.1 单晶硅切削加工机理的试验研究

1.4.2 单晶硅切削加工机理的分子动力学模拟

1.4.3 单晶硅切削加工机理的有限元模拟

1.4.4 使用扫描探针显微镜(SPM)研究单晶硅切削加工机理

1.4.5单晶硅切削加工机理的理论研究

1.5 本课题的主要研究内容

第 2 章 单晶硅超精密切削脆塑转变机理的研究

2.1 引言

2.2 单晶硅的压痕试验研究

2.2.1 单晶硅纳米印压试验

2.2.2单晶硅压痕亚表层TEM观察及塑性变形的微观机制

2.3 基于晶体结构和压头形状的应变梯度塑性的研究

2.4单晶硅超精密切削临界切削厚度的研究

2.4.1单晶硅超精密切削脆塑转变的成因

2.4.2 单晶硅脆塑转变临界切削厚度

2.5 单晶硅切削模型的建立

2.6本章小结

第 3 章 单晶硅超精密切削脆塑转变过程模拟

3.1引言

3.2 单晶硅晶体结构关系的研究

3.2.1 单晶硅晶体的择优滑移

3.2.2 单晶硅超精密切削过程中的晶体学方位关系

3.3单晶硅力学特性的分析

3.4单晶硅超精密切削切屑的形成

3.4.1切屑的形成方式和晶体滑移系的关系

3.4.2 形成不同形式切屑的微观机理

3.5 单晶硅超精密切削脆塑转变的模拟研究

3.5.1 晶体材料中的位错受力分析

3.5.2单晶硅模拟模型的建立及应力场的描述

3.5.3 断裂准则

3.5.4 模拟过程

3.5.5 模拟结果

3.6刀具前角和刃口半径对脆塑转变的影响

3.6.1刀具前角对脆塑转变的影响

3.6.2 刃口半径对脆塑转变的影响

3.6.3刀具前角和刃口半径对切削质量影响的试验研究

3.7 本章小结

第4章 超精密切削表面粗糙度各向异性特性的研究

4.1引言

4.2单晶硅超精密切削力波动特性的试验研究

4.3 单晶硅超精密切削加工表面质量各向异性的仿真

4.3.1 切削（111）晶面时加工面表面质量各向异性仿真

4.3.2切削（100）晶面时加工面表面质量各向异性仿真

4.3.3 切削（110）晶面时加工面表面质量各向异性仿真

4.4 获得均匀一致表面粗糙度的加工方法研究

4.4.1 加工表面粗糙度形成机理

4.4.2 考虑负前角和刃口半径的剪切变形过程的研究

4.4.3考虑应变速率时的单晶硅超精密可切削加工性

4.5 单晶硅切削加工表面质量各向异性的试验研究

4.6 本章小结

第5章 超精密切削表面粗糙度预测模型的建立

5.1 引言

5.2 试验条件以及试验规划

5.2.1 超精密切削机床

5.2.2 金刚石刀具

5.2.3 试验规划

5.3 基于遗传算法的表面粗糙度预测模型的参数辨识及切削参数优化

5.3.1遗传算法的原理

5.3.2 遗传算法的数学基础

5.3.3 参数辨识及切削参数优化数学模型的建立

5.3.4 遗传算法的程序设计

5.3.5 模型参数辨识结果

5.3.6 切削用量优化结果

5.4 利用预测模型分析切削参数对表面粗糙度的影响

5.4.1 切削速度对表面粗糙度的影响

5.4.2 进给量对表面粗糙度的影响

5.4.3 背吃刀量对表面粗糙度的影响

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致 谢

个人简历