基于SPH方法的石英玻璃超精密加工机理研究

摘要

光学玻璃因其优异的物理性能，广泛地应用于航天、信息、能源、化工、微电子等领域。其中，石英玻璃又以其纯度高、耐高温、耐辐射、稳定性好等特点，作为性质较为优越的光学玻璃受到了广泛关注，在一些条件恶劣的情况下有着不可替代的作用。如今，石英玻璃精密和超精密加工工艺与技术已经成为先进制造领域研究的重点方向。然而由于其高脆性和高硬度，加工时容易出现裂纹和损伤，很难获得能满足日益发展的光学技术要求的超光滑表面。在微纳尺度上，仿真技术以其独特的优势，得到了越来越广泛的认可。而光滑粒子流体动力学（SPH）无网格仿真方法从原理上解决了有限元方法网格畸变的问题，尺度又契合当前超精密加工的极限精度，是一种非常有潜力的研究方法。基于以上的问题和现状，本文以切削和单颗磨粒磨削过程为切入点，针对石英玻璃超精密加工过程中材料分离模式、裂纹扩展规律、残余应力分布状况等现象进行分析预测，并开展相关实验验证了仿真的正确性，具体工作如下：
　　首先，基于脆性材料本构特性，建立了石英玻璃 SPH模型，模拟了石英玻璃超精密切削过程，分析了0.1～1μm多组切削深度下，材料去除模式和应变分布情况，以及不同刀具前角时切削过程中裂纹形成机理和其对超精密加工过程的影响。仿真结果表明：石英玻璃能在微纳尺度上实现塑性域去除。通过研究微裂纹与塑性应变的关系，在0°前角、10m/s的切削速度、0.1μm刀具钝圆半径的仿真条件下，石英玻璃脆塑转变临界切削深度是0.18μm。刀具负前角切削可以得到更好的表面加工质量，说明负前角切削更适合石英玻璃超精密加工。
　　其次，为了得到高质量的石英玻璃光学表面，采用 SPH方法，对微纳米尺度下单颗磨粒磨削石英玻璃过程进行建模仿真，分析了多组加工深度下石英玻璃分离模式、磨削力、最大等效应力及残余应力的变化和其对亚表面损伤的影响。仿真结果表明：石英玻璃在磨削过程中能实现塑性域去除，该仿真条件下，脆塑转变临界加工深度为0.36μm，磨削力比大于1，裂纹在约1.2μm深度处停止扩展，为亚表面损伤深度的预测提供了依据。通过单颗粒高速磨削实验结果验证了仿真结果的合理性。
　　最后，进行了石英玻璃纳米划痕实验，对比仿真结果，证明了仿真的正确性并补足了仿真的不足。划痕过程中，当恒定载荷使得划擦深度超过260nm时，有脆性断裂现象产生，但不明显，去除仍以塑性方式为主。稳态下摩擦系数存在差异，随着划擦深度的增加而增加，但增加趋势变缓。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题来源、研究背景及意义

1.2 石英玻璃的材料特性

1.3 石英玻璃加工机理的国内外研究现状

1.4 本文主要研究工作

2 SPH方法的基本原理和应用

2.1 SPH方法理论背景与算法概述

2.2 SPH方法的核心原理

2.3 SPH方法的仿真环境

2.4 本章小结

3 基于SPH方法的石英玻璃超精密切削过程研究

3.1 石英玻璃材料分离原理

3.2 石英玻璃切削模型建立

3.3 仿真结果分析

3.4 本章小结

4 基于SPH方法的石英玻璃超精密磨削过程研究

4.1 理论准备和建模分析

4.2 仿真结果分析

4.3 本章小结

5 石英玻璃纳米划痕的实验研究

5.1 纳米划痕实验原理

5.2 石英玻璃纳米划痕实验准备

5.3 石英玻璃纳米划痕实验结果分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢