单晶零件微尺度切削磨削工艺理论与关键技术研究

This research mainly targets to satisfy the rapidly growing machining demond of single crystal parts in multi-fields, aims at investigating key technologies in micro-cutting and grinding of single crystal part which are complex and special-shaped. According to problems exist during single crystal parts micro-grinding, such as lack of processing experimental parameters and evaluation method for processing quality measurement, recrystallization faults when machining. This research systematic study on novel process theory and key technology in micro-scale cutting and grinding of single crystal parts, builds micro-scale grinding multi-scale simulating model of single crystal parts based on bridging domain decomposition techniques and multi-scale theory concerning single crystal part's special structure. Material removal mechanism, surface formation procedure and material's micro-structure effect are investigated by simulation for its processing mechanism. Several kinds of single crystal materials' processing design, optimization methods of micro-cutting and grinding parameters and processing program are creatively proposed. Design, optimization and fabrication of micro-grinding tools which fit single crystal parts micro-machining are researched. Technical measures which prevent recrystallization faults and crystal grain growing during micro-grinding and surface detecting and evaluating methods are provided in this research. The achievements of this research could significantly improve single crystal parts manufacturing quality and meanwhile accelerate the applying process.

本项目以满足在多领域日益广泛应用的单晶零件加工需求为主要目标，以解决微型复杂、异型单晶零件微尺度切削、磨削加工关键技术为目的，针对目前单晶零件磨削加工缺少工艺实验参数和加工质量检测评价方法以及加工过程产生再结晶等缺陷和问题，系统研究单晶零件微尺度切削磨削加工新工艺机理和关键技术；针对单晶零件的特殊结构性能，采用桥域（BD）的多尺度理论，建立单晶零件微尺度切削磨削多尺度的仿真模型，进行其加工机理的模拟仿真，探究其材料去除机理、表面生成过程和工件材料微观结构效应影响等问题；创新提出多种材料单晶零件新的工艺设计、微尺度切削磨削参数优化、工艺方案优化方法；研究适合单晶零件微磨削工具的设计、优化和制备；给出防止单晶零件微尺度磨削产生再结晶和晶粒生长的工艺措施和磨削加工表面检测与评价方法。本课题的研究成果将为提高单晶零件微尺度机械加工产品的质量和推动其应用起到重要的促进作用

项目针对单晶零件加工机理与普通多晶材料零件加工沿晶界剪切滑移机理不同的问题，开展了单晶零件微尺度切削磨削加工机理和关键技术基础研究。采用基于分子动力学的桥域多尺度理论进行单晶零件微尺度切削磨削机理仿真研究方法，构建了单晶零件微尺度加工分子动力学模型和包含具备基本物理特性的精确原子仿真模型。利用晶体中原子的键角分析方法，讨论了缺陷原子的种类，依据势能函数来描述分子间的接触和分子间的力进行仿真分析。研究了加工过程中工件原子的能量分布，从加工过程中原子的势能变化方面解释了原子的去除和加工表面的形成过程，分析了微纳加工中切削力的本质来源。基于单晶零件微尺度铣削磨削机理仿真结果分析和实验观测，研究了镍基单晶高温合金发生塑性变形的主要形式。通过切削力和切屑形态以及缺陷的产生与演化，影响切削力变化的缺陷结构，系统温度分布情况，加工表面的残余应力等来考察加工机理，进而揭示单晶零件的铣削磨削加工机理。.选择典型的塑性和脆性材料制备出单晶零件，确定合理的实验研究方案，采用不同尺寸和不同镀层磨粒的微尺度铣刀和微磨具对多种不同材料单晶零件进行大量微尺度铣削磨削工艺实验和系统的工艺优化研究以及对比工艺实验研究。创新提出单晶零件的加工工艺、微尺度切削磨削参数和工艺方案优化方法，通过正交实验极差分析和方差分析得到了各因素对微铣削磨削加工影响的相关性，并优化了不同单晶零件的加工参数。分析了单晶零件微尺度铣削磨削加工产生再结晶的特点和主要影响因素，对镍基单晶高温合金等多种材料单晶零件在微尺度磨削过程中发生再结晶机制和条件进行了研究，给出防止单晶零件微尺度磨削产生再结晶的工艺措施。依据不同磨削参数下的微磨削试验，分析了微磨具的磨损对加工表面质量和磨粒磨损机制，给出微尺度磨削磨具磨损评价的方法。项目研究工作和成果对于单晶零件加工工艺应用具有重要意义。