硬脆材料微磨削材料去除机理与延性域加工方法研究

The demand for micro parts and micro structured elements with hard brittle materials is growing fast in many fields including telecommunications, defense, aerospace and biomedical engineering. Therefore it is significant to the national interest that researching on micro-grinding materials removal mechanism, ductile field removal processing method of hard brittle materials, and achieving the manufacturing of high precision and surface quality micro parts. This research focuses on micro-grinding process of hard brittle materials and builds theoretical model and FEM simulation model, carries out the comparison between results of numerical simulation and theory deduce; develops a novel micro-grinding tool's grits topography characterization method based on of depth from focus and apply it to the tools in experiment; analyzes the results from micro-grinding experiment of hard brittle materials(glass and ceramic) to discuss surface quality affecting factors and principle; through theory and experimental results to research the micro-grinding ductile field removal processing method of hard brittle materials and find the critical processing condition. The achievements of this research could give original theoretical creativity contributions to national micro-grinding research field, some achievements could accelerate the manufacturing and applying process of national micro parts and micro structured elements, meanwhile improves national micro-machining technology.

硬脆材料微零件与微结构元件目前越来越广泛的应用于国防、航空航天、生物工程、微电子等重要领域，研究硬脆材料的微磨削材料去除机理及延性域加工方法，实现高精度高表面质量的硬脆材料微结构元件的高效加工对我国极具战略意义。本项目针对硬脆材料微磨削过程建立理论模型与FEM仿真模型，进行理论模型推导与数值仿真结果的比较分析验证；基于聚焦合成开发一种新型高效的微磨棒磨粒三维出刃形貌表征方法并针对实验用微磨棒进行形貌表征；进行典型硬脆材料的微磨削实验并以实验结果为基础分析其表面质量影响因素及影响规律；通过理论分析与实验研究进行硬脆材料微磨削延性域加工方法的探讨，获得不同硬脆材料的微磨削临界加工条件。本项目研究成果将会对国内微磨削研究领域提供原创性理论成果贡献，并争取对硬脆材料的微磨削研究达到国际先进水平，部分成果可以加速国内重要微结构元件制造与应用进程，同时对国内相关产业的加工工艺提高起到显著作用。

本项目分析了硬脆材料微磨削材料去除机理、提出其应为脆性去除与延性去除的综合作用，并就硬脆材料微磨削中材料去除过程与传统磨削方式的不同建立微磨削表面形成模型。为揭示硬脆材料微磨削过程的表面形成机理，以及验证本文所提出的微磨削未变形切屑厚度hm与微磨削表面粗糙度Ra计算模型的科学性和准确性，针对钠钙玻璃这一典型硬脆材料设计了正交微磨削试验，就试验结果进行了硬脆材料微磨削表面形貌分析，讨论了硬脆材料微磨削表面影响因素以及影响规律。最后，基于试验数据结果对本文所建立微磨削模型的科学性进行了验证，并通过试验获得了微磨削后表面粗糙度Ra从78 nm至0.98 μm的一系列表面，为硬脆材料微磨削表面形成机理研究提供了理论参考与试验依据。引入微尺度效应系数Md、延性域系数与延-脆性域系数ζ0与ζ1，针对硬脆材料特性提出微磨削延性域，延-脆性域复合临界条件模型。基于精密微磨削机床进行钠钙玻璃与单晶硅这两种典型材料的微尺度槽磨磨削试验，通过对试验结果分析得出两种材料微磨削表面裂纹变化规律。基于实际试验数据结果对提出的硬脆材料微磨削复合临界条件模型进行验证，证明了所提出模型的科学性。分别给出钠钙玻璃与单晶硅的延性域与延-脆性域微磨削加工参数a0与a1，为硬脆材料微磨削延性域临界磨削条件研究提供了理论参考与试验依据。引入微尺度效应系数Md、延性域系数与延-脆性域系数ζ0与ζ1，针对硬脆材料特性提出微磨削延性域，延-脆性域复合临界条件模型。基于精密微磨削机床进行钠钙玻璃与单晶硅这两种典型材料的微尺度槽磨磨削试验，通过对试验结果分析得出两种材料微磨削表面裂纹变化规律。基于实际试验数据结果对提出的硬脆材料微磨削复合临界条件模型进行验证，证明了所提出模型的科学性。分别给出钠钙玻璃与单晶硅的延性域与延-脆性域微磨削加工参数a0与a1，为硬脆材料微磨削延性域临界磨削条件研究提供了理论参考与试验依据。另外，本项目提出并建立考虑晶格效应的以单晶硅为代表的硬脆晶体材料微细结构超精密磨削时的磨削力分析模型。通过试验获得单晶硅当hm低于晶格常数时的微磨削力变化情况，给出hm与微磨削力F对应关系的变化规律及经验公式。与企业合作试开发了一种新型金刚石微钻磨具并申请发明专利，将本项目提出的一种新型微细磨削加工方法进行了试应用。本项目研究成果对国内微磨削研究领域做出了原创性理论贡献，部分成果达到国际先进水平。