微结构功能表面的超精密超声辅助金刚石飞切机理研究

To explore high efficiency and high quality processing technology for the purpose of the wide application of microstructure functional surface of brittle materials， it focuses on the research of ultrasonic assisted diamond fly-cutting which develops a combination of Ultrasonic machining technology and diamond fly cutting technology. High efficient and high quality ultrasonic assisted diamond fly-cutting equipment will be developed, which is suitable for microstructure functional surface of brittle materials, and its designing method will be studied，which is the designing difficulty of the machining system, so it will further improve the theory of ultrasonic machining and provide theoretical guidance for the design of the device. Considering the blunt circle radius of cutting tools and the minimum thickness of cutting, geometrical movement characteristics of cutter during ultrasonic assisted diamond fly-cutting is studied, then the model of ultrasonic assisted diamond fly-cutting will be built, then the effects of various parameters on cutter geometrical trajectory will discussed, some law will be obtained. Considering the continuity and the identity of materials, Efficient removal rate model with multi-parameter coupling of ultrasonic assisted diamond fly-cutting will be built,, the effects of various parameters on material removal rate, plastic cutting depth and chip Morphology will be obtained. Based on theoretical analysis and experimentation, surface quality and surface integrity of microstructure functional surface of brittle materials under ultrasonic assisted diamond fly-cutting will be discussed, and its processing mechanism will be established, which directs ultra-precision processing of microstructure functional surface of brittle materials.

以探索微结构功能表面高效高质加工技术为目的，将超声加工技术与金刚石飞切技术相结合，对超声辅助金刚石飞切技术展开研究：研制适用于微结构功能表面加工的超声辅助金刚石飞切装置，给出其设计理论及保证其工作稳定的计算方法，为其超声辅助金刚石飞切装置的设计提供理论指导；考虑刀具的钝圆半径以及最小切削厚度，分析超声辅助金刚石飞切的刀具几何运动特点，建立适用于微结构功能表面加工的超声辅助金刚石飞切模型，分析影响实际加工过程中刀具几何运动轨迹的各种因素，并得到其影响规律；考虑材料的非连续性和非同一性，构建多参数耦合的超声辅助金刚石飞切高效去除率模型，给出各因素对微结构功能表面的去除率、塑性切削深度、材料的切屑形态等方面的影响规律；结合理论分析，对超声辅助金刚石飞切加工的微结构功能表面表面质量及表面完整性进行分析，建立超声金刚石飞切加工微结构功能表面的加工规律，指导其超精密加工实践。

为高效高质获取硬脆材料微结构功能表面，本研究提出将超声加工技术与金刚石飞切技术相结合，形成一种新的超声复合加工工艺-超声复合金刚石飞切加工技术，并采用该技术对硅片、氧化锆陶瓷等硬脆材料微结构功能表面的高效高质加工机理进行了研究。首先，本项目基于超声加工特点及金刚石飞切加工特点，采取在被加工试件上施加超声的方式，研制出第一代超声复合金刚石飞切加工装置，并对其关键部件—飞刀盘进行优化设计，仿真分析了其在高转速下的应力应变响应规律。从理论上对其加工稳定性的影响因素进行优化分析，给出其保证工作稳定的方法；其次，考虑刀具的钝圆半径以及最小切削厚度，分析超声辅助金刚石飞切的刀具几何运动特点，建立适用于微结构功能表面加工的超声辅助金刚石飞切模型，分析影响实际加工过程中刀具几何运动轨迹的各种因素，并得到其影响规律；再次，对单晶硅的材料去除机理进行了理论分析，建立了金刚石飞切下的未变形切屑厚度模型，并在搭建的实验平台上进行了金刚石飞切单晶硅片脆塑转变的因素影响实验，之后根据微观断裂物理学及塑性去除理论，通过由电镜观测的加工效果，分析了切削速度、切削深度、进给量以及加工方式对单晶硅材料脆塑转变的影响，并进行了金刚石飞切下单晶硅的切削力实验，通过实验结果分析总结了加工参数对切削力的影响，并验证了所建切削力模型的正确性，并进而推导出了适合金刚石飞切加工特点和单晶硅材料特性的切削力预测模型，同时，基于对表面粗糙度和形状误差的理论分析，对单晶硅进行了金刚石飞切表面质量正交实验，根据实验结果，分析讨论了各加工参数对微槽表面粗糙度和形状精度的影响规律，之后利用高斯拟合原理，得到最大未变形切屑厚度与测得的粗糙度的非线性关系曲线以及回归方程，并最终得到表面粗糙度的预测模型。最后，基于超声振动理论、微切削理论以及金刚石飞切切削理论，建立了超声辅助金刚石飞切过程中切削力的模型，通过对超声辅助金刚石飞切切削力的分析，研究切削力随超声条件下各参数的变化规律， 同时进行了超声辅助金刚石飞切纳米ZrO2陶瓷正交试验，分析超声振动及各个加工参数下对其加工表面质量影响的规律，并基于扫描电镜，能谱分析仪和显微镜测试技术，研究了刀具的磨损机理，磨损形式及超声对刀具磨损程度的影响。本项目初步建立超声金刚石飞切加工微结构功能表面的加工规律，对其超精密加工实践具有重要的参考意义 。