周宏伟[1]2004年在《光学晶体材料的各向异性对金刚石车削表面粗糙度、剪切角及切削力的影响》文中提出随着科学技术的迅猛发展，在许多重要的设备中，大量精密的光学系统和仪器起着关键性作用。某些脆性光学材料只需要进行切削加工而不经抛光便可获得高质量表面，研究其精密加工机理以获得高表面质量便具有了现实的意义。 单晶脆性光学晶体材料是各向异性材料，在进行切削加工时，已加工表面的粗糙度将随晶向的变化发生改变，同时，切削力、剪切角也将随加工方位的变化而发生改变。本文研究了金刚石超精密切削加工单晶材料时已加工表面粗糙度的变化规律，提出了解理面上的正应力与滑移面沿滑移向上的剪应力哪一个占主导地位正是加工表面的粗糙度呈各向异性分布的原因。本文系统研究了材料的弹性各向异性对剪切角和切削力的影响，并在理论上计算出了剪切角和切削力随加工晶面、加工方位的波动规律。最后，本文通过对单晶Ge(110)晶面、(111)晶面和单晶L_iN_bO_3 Y—切面的切削试验验证了本文所提出的理论。
夏晓光[2]2014年在《锗单晶超精密加工各向异性的影响研究》文中指出锗单晶作为一种重要的半导体材料被广泛应用于太阳能电池、探测器、红外光学系统等领域。锗单晶的红外光学零部件往往要求极高的表面粗糙度和良好的面形精度。锗单晶作为脆性材料具有易碎、硬度高等不利于加工的特点,传统的车削、铣磨等方法不能加工出符合要求的零部件,因此必须要采用超精密加工技术来加工锗单晶。然而,在实际加工过程中锗单晶的各向异性将导致切削力波动,从而影响到工件已加工表面粗糙度值。因此,研究锗单晶超精密加工各向异性的影响具有十分重要的意义。本文首先建立了锗单晶超精密切削模型,并将锗单晶的材料各向异性与剪切角、弹性模量、剪切模量和切削力联系起来。求解了锗单晶不同晶面、不同晶向下的剪切角、弹性模量和剪切模量,理论计算了锗单晶超精密车削水平切削力和径向切削力。并对刀具几何参数进行多目标优化,使切削力达到最优值。其次,综合前人提出的切屑形成模型,利用纯变形理论和自适应网格技术,同时考虑到刀具钝圆半径对切削过程的影响,建立了锗单晶超精密切削有限元仿真模型。利用商业软件ABAQUS仿真模拟了锗单晶超精密切削过程,分析了切削用量和刀具几何参数对切削过程中切削力的影响,还对比了不同晶面、不同晶向下切削力的大小。最后,在单点金刚石车床上对锗单晶工件进行了切削实验,并利用非球面测量系统对工件已加工表面进行粗糙度值测量。实验中,针对不同切削参数和不同晶面分别对工件进行了超精密切削实验,分析了加工后工件表面粗糙度值变化情况。
郭健[3]2007年在《KDP晶体超精密加工切削力的理论及实验研究》文中指出KDP(Potassium Dihydrogen Phosphate)晶体作为一种优质的非线性光学晶体,被广泛应用于激光和非线性光学领域。KDP晶体属于难加工的软脆材料,它的加工一直是限制激光核聚变装置发展的瓶颈技术之一。在KDP晶体超精密加工过程中,切削力波动引起的振动与机床振动耦合会对KDP加工表面质量产生重大影响,因此通过对KDP晶体精密加工的切削力的理论及实验研究,探索减小切削力对表面粗糙度影响的途径,这对于提高KDP晶体超精密加工表面质量及生产实践具有重要意义。首先,本文分析了KDP晶体的力学特性,得到了KDP晶体各向异性对力学性能的影响。然后,运用剪切变形比能最大理论,结合KDP晶体材料特性,建立了KDP晶体的剪切角模型,分析了材料各向异性对剪切角的影响。其次,从超精密加工表面形成机理出发,通过超精密切削与传统切削的对比,建立了新的超精密加工切削力模型,得到了切削力与各加工参数的关系方程式,分析了KDP晶体超精密加工中各向异性对切削力的影响。通过刀具几何参数优选使切削力达到最优值,从而减小振动进而达到控制表面质量的目的。第叁,在综合前人对微切削加工机理分析的基础上,利用网格重划分准则建立切屑与工件的分离准则,并且考虑了切削刃钝圆半径对切削加工的影响,建立了平面应变条件下的弹塑性正交切削加工有限元分析模型。利用商用有限元软件MARC对加工过程进行有限元仿真,分析了KDP晶体超精密加工中各种参数对切削力的影响。最后,在超精密机床上对KDP晶体进行切削实验,在切削过程中采集切削力信号并对数据进行分析处理,验证了切削参数对切削力的影响,并将理论与实验结果进行对比分析以验证KDP晶体超精密加工切削力模型的可靠性。
高一亮[4]2012年在《单晶锗高次非球面的超精密车削技术研究》文中研究表明基于单晶锗的非球面零件在光学系统中具有不可替代的作用,无论是在民用还是在军用方面的应用将会越来越广泛。由于传统切削加工方法存在费时等问题,因此,开展关于单晶锗高次非球面的超精密车削技术的研究意义重大。本文研究主要围绕非球面零件的材料单晶锗的加工机理进行展开,先从其各向异性的力学特性出发,推导并建立锗晶体不同晶面、不同晶向的脆塑转变临界切削厚度计算模型。利用该模型,结合最大未变形切削厚度,得到进给量和切削深度在塑性域切削时两者之间的关系。进而分析了各向异性、切削参数与单晶锗高次非球面表面粗糙度的影响关系,为实际加工时选择合理切削用量,提供理论依据。最后,利用分子动力学对单晶锗的超精密车削进行了仿真,为后续研究提供理论基础。
陈晓明[5]2006年在《KDP晶体各向异性特性分析及切削过程仿真》文中研究说明KDP晶体作为一种优异的非线性光学晶体,广泛应用于激光和非线性光学领域,而KDP晶体具有各向异性、质软、易潮解、脆性高、对温度变化敏感和易开裂等不利于光学加工的特点,其零件是公认的最难加工的光学零件之一。目前国际上通常采用单点金刚石车削的方法(SPDT)对KDP晶体进行塑性模式加工。因此对KDP晶体塑性域力学特性和各向异性对切削力及加工表面质量的影响进行深入研究具有重要的意义。本文首先利用自行提出的球形纳米压痕实验,得到KDP晶体的屈服应力及应力-应变曲线;同时通过纳米划痕试验研究KDP晶体(001)晶面上不同晶向的摩擦系数。建立叁维有限元球形压痕模型,将仿真结果与试验结果进行对比,两者吻合较好。为研究KDP晶体各向异性对切削加工的影响,本文根据所获实验参数建立了KDP晶体的叁维各向异性有限元切削模型,利用该模型模拟不同晶面及不同晶向切削状态下的切削过程,分析不同晶面切削时切削力随切削晶向的变化规律,研究发现:在KDP晶体(100)晶面和(001)晶面切削时其切削力显示出强烈的各向异性,变化规律为180°内两个变化周期,且切削力的大小及波动幅度都不一样;在(110)晶面切削时其切削力并不受晶向变化影响,呈各向同性,其结果与理论计算的剪切角变化规律吻合较好。采用不同刀具前角进行切削过程仿真,研究其对切削力波动及切削区拉应力分布的影响,结果表明:刀具前角越小越能够抑制由各向异性引起的切削力波动,且切削区拉应力也随之变小,越利于KDP晶体的塑性切削;同时根据不同晶面不同晶向上切削力的波动规律,得出了超精密铣削KDP晶体时的最佳切削晶向。最后在自行研制的亚微米超精密车床上对KDP晶体进行了车削实验研究,结果表明:车削时由材料各向异性引起的切削力波动十分明显,其规律符合仿真得出的切削力各向异性的波动规律;由测得的表面粗糙度各晶向的波动规律和切削力的波动规律一致,实验结果与仿真相符合。
赖敏[6]2015年在《单晶锗纳米切削机理和切削极限的研究》文中指出纳米切削是纳米精度复杂面型加工的主要技术之一。对纳米切削机理的深入探索可为材料的纳米级切削技术的发展提供必要的理论基础,对提高超精密切削加工技术的水平具有重要的意义。单晶锗是重要的红外光学材料,广泛应用于国防及民用高科技产品领域。掌握单晶锗纳米切削加工的材料去除机理以及损伤层特性进而改善其加工性能对于制造高质量的锗光学器件有着重要的指导作用。本文基于分子动力学分析、超精密切削加工实验以及纳米切削表面的测试表征等手段,对单晶锗纳米切削机理和与刀具刃口半径相关的纳米切削极限进行深入探索,具体内容包括:1.对单晶锗的单点金刚石纳米切削过程进行分子动力学仿真分析,研究其切削过程中的表层晶态结构演变、切削区域的材料流动状态、切削力及单位去除能量变化等。并与单晶硅、单晶铜和铝合金的纳米切削材料变形机制进行对比分析,得到单晶锗与其他材料的切削变形机制的共性和特殊性。2.研究单晶锗不同晶面纳米压痕和不同晶面不同晶向纳米切削时的亚表层变形损伤的差异,确定典型晶面上获得最薄的非晶损伤层的切削加工晶向。3.研究纳米切削的材料流动去除模型和滞流层位置,提出仿真中产生切屑的新判断方法,得到脆性材料单晶锗和塑性材料单晶铜在纳米切削过程中产生切屑的临界负前角为-60°~-70°之间,与纳米切削极限实验结果有很好的吻合。并进而提出10nm为具有实际意义的最小刀具刃口半径。4.对单晶锗不同晶面晶向的塑性切削性能进行实验研究。采用拉曼光谱和透射电镜对单晶锗纳米切削表面亚表面的晶态结构变化进行表征,并与分子动力学分析结果进行相互补充和验证。基于硬脆性材料纳米切削的推挤机理,提出基于机械表面改性的单晶脆性材料纳米切削辅助新工艺,并从分子动力学仿真分析和实验测试两方面初步验证了其可行性和有效性。
铁贵鹏[7]2013年在《KDP晶体单点金刚石车削关键技术研究》文中研究说明磷酸二氢钾(KDP)晶体是当前唯一可用作惯性约束核聚变装置(ICF)、强激光武器等光路系统中的激光倍频和电光开关材料,具有重要的地位。KDP晶体具有的诸如各向异性、软脆、易潮解和对温度变化敏感等材料特性,使得至今只有单点金刚石飞切技术能实现KDP晶体元件的高质量加工。但是,该技术必须使用专用的飞切机床,且只能加工平面型晶体元件,大大限制了晶体的应用和加工工艺的推广。论文围绕KDP晶体超精密车削加工工艺进行探索,基于美国国家点火计划(NIF)中KDP晶体的指标要求,从材料的加工特性入手,研究KDP晶体的切削加工机理,根据金刚石车床的技术特点,提出车削工艺的新方法,实现平面型KDP晶体高效、高精度、高稳定性加工,并为自由曲面形状的晶体加工提供了有效的加工方法。论文的研究更有利于KDP晶体加工工艺的推广、拓宽晶体的应用范围。论文研究工作主要包括以下几部分:(1)研究了KDP晶体各向异性特征对加工的影响,提出了用车削作为KDP晶体加工的新工艺思路。通过螺旋刻划得到了不同晶向对应的临界切深,并对不同切削参数下的切削力及已加工表面质量进行了观测。研究结果表明,选择合适的切削参数,能够克服各向异性的影响,得到全晶向塑性域的已加工表面。在此基础上提出了车削加工KDP晶体的新工艺思路。(2)研究了刀具几何参数和车削工艺参数对脆塑转变的影响规律,发现了切削线速度对KDP晶体脆塑转变影响的特殊规律。采用刻划实验的方法,研究了刀具几何参数和车削工艺参数对脆塑转变的影响,发现了当切削线速度超过一定值后,KDP晶体某些晶向的材料去除由塑性向脆性转变这一现象,并给出了合理的解释。这一研究深化了KDP类晶体材料的塑性域切削理论。(3)研究了KDP晶体低频段波前误差的产生机理,提出了补偿车削的工艺方法。对KDP晶体低频段波前误差的影响因素进行了分析,并利用在位检测系统,成功实现了波前误差的在位检测,进而实现了波前误差的补偿车削。该补偿车削工艺排除了基准面对KDP晶体波前误差的影响,大大提高了晶体加工的确定性和误差的收敛速度。(4)研究了空气静压主轴特性对中频段周期性波纹误差的影响规律,发现了KDP晶体周期性波纹误差的一种新的产生机理。对空气静压主轴等效刚度特性和轴系运动学规律进行了研究,得到了供气压力波动的幅值和周期、主轴等效刚度特性、初始外载这叁者对波纹误差的影响规律。该研究对超精密机床主轴关键部件的设计以及KDP晶体中频段误差的认识和抑制具有指导意义。(5)研究了切削工艺参数对亚表面缺陷深度的影响规律,建立了缺陷深度可控的KDP晶体高效粗加工工艺路线。利用基于水溶解的磁流变抛光方法首次实现了KDP晶体车削后的亚表面缺陷深度检测,得到了工艺参数与亚表面缺陷深度之间的关系,并据此优化了粗加工工艺路线。该工艺路线大大简化了KDP晶体粗加工的切削流程,显着提高了粗加工的效率。论文紧密结合应用需求,采用车削加工的方法,通过理论分析和实验研究,提出了软脆各向异性材料塑性域切削条件、低频误差的补偿加工方法、中高频误差的控制和优化方法、亚表面质量的控制方法等新工艺和新方法,建立了一条KDP晶体切削加工的新工艺路线,形成了实际加工能力。本论文的研究对KDP晶体的加工具有重要的理论意义和工程价值。
参考文献：
[1]. 光学晶体材料的各向异性对金刚石车削表面粗糙度、剪切角及切削力的影响[D]. 周宏伟. 长春理工大学. 2004
[2]. 锗单晶超精密加工各向异性的影响研究[D]. 夏晓光. 昆明理工大学. 2014
[3]. KDP晶体超精密加工切削力的理论及实验研究[D]. 郭健. 哈尔滨工业大学. 2007
[4]. 单晶锗高次非球面的超精密车削技术研究[D]. 高一亮. 长春理工大学. 2012
[5]. KDP晶体各向异性特性分析及切削过程仿真[D]. 陈晓明. 哈尔滨工业大学. 2006
[6]. 单晶锗纳米切削机理和切削极限的研究[D]. 赖敏. 天津大学. 2015
[7]. KDP晶体单点金刚石车削关键技术研究[D]. 铁贵鹏. 国防科学技术大学. 2013
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