刀具前角动态调整对单晶硅超精密切削表面质量各向异性的形成和消减机制研究

Aiming at the high performance single crystal silicon components applied to key equipments in the field of aerospace, national defense,energy and information. A new technique associated with dynamic adjusting the rake angle of cutting tool during the ultra-precision machining is proposed. Combining with the crystal dislocation mechanics and the strain gradient plastic mechanics the deformation mechanism under complex loads in all crystallographic directions of single silicon brittle material with multi-slip system is explored. The relation models between the technique, tool parameter and the material deformation mode are obtained through theoretical analysis and scientific tests, theoretical analysis results and model are verified by physical simulation and experiments. The purpose of above studies is to completely reveal the formation process and influence laws of anisotropic ultra-precision machined surface, and provide the theoretical basis and parameters reference for reduction the inhomogeneity of machined surface. From the view of reducing the inhomogeneity of surface introduced during machining single crystal silicon components, a thorough study on the mechanism of the formation and reduction of anisotropic surface quality will be made..Thus the bottle-neck problems exist in field of high energy laser and photoelectric information confrontation hold up by inhomogeneity of machined surface of single crystal silicon can be solved. It is of significance for bringing the ultra-precision equipment into full efficiency and promoting growth of new techniques of ultra-precision.

针对航空航天、国防、能源信息等领域关键装备使用的高性能单晶硅元件，提出采用基于动态调整刀具前角的超精密切削加工新工艺方法，结合晶体位错力学和应变梯度塑性力学理论，探索具有多滑移系的单晶硅材料各晶体学方向在复杂载荷条件下的变形机理，利用理论分析和科学试验等手段获取工艺和刀具参数与材料变形方式之间的关系模型，并通过物理仿真和实验对理论分析结果和模型进行验证，其目的是为了全面揭示该晶体的超精密切削加工表面各向异性形成过程和影响规律，为消减该材料切削加工表面质量的不均匀性提供理论基础和参数依据。本课题从消减单晶硅元件加工时引入的表面不均匀缺陷的角度出发，对加工表面质量各向异性形成和消减机制深入研究，从而解决高能激光和光电信息对抗技术装备受单晶硅元件表面质量的不均匀性严重制约的瓶颈问题，这对充分发挥超精密切削加工装备的效能和新的工艺方法的成熟，都有着重要的理论意义与实用价值。

单晶硅广泛应用于光学领域，是一种典型的脆硬性材料，但加工后的表面质量呈现明显的各向异性，会严重影响工件的工作性能和使用寿命。首先，建立了切削单晶硅典型晶面(111)面上四个晶向的分子动力学模型，分析了四种晶向中原子成键方式、材料去除、硅原子相变情况和应力等，得出了单晶硅加工表面各向异性的形成机理。由于各个晶向被切削区域的压剪复合应力不同，导致材料去除、表面恢复和亚表面损伤不一致，使加工表面质量产生各向异性。结果表明[-110]晶向为最佳切削方向，[-211]晶向最难切削方向。其次，在相同的切削条件下，将刀具摆动调整到 0°、 -7°、 -15°、 -21°、-30°以及-45°六种不同的切削前角进行仿真。通过切削力、摩擦系数、温度、径向分布函数和磨损率进一步分析了不同的调整角度对刀具磨损行为的影响。通过模拟结果得出了磨损程度最大的调整角度，并进一步解释了这一现象产生的原因，证明了该现象的正确性。分析了刀具角度的动态调整对单晶硅纳米切削行为的影响，将刀具摆动到-10°、-15°、-20°、-25°、-30°、-35°以及-45°七种不同的调整角度进行仿真。再次，建立了切削深度为3nm、5nm、7nm的刀具摆动仿真模型，分析了刀具摆动对不同切削深度下单晶硅典型晶面已切削表面的形貌、相变原子配位数、静水应力的影响。建立了切削深度为3nm，刀具刃口半径为4nm、6nm、8nm和切削深度为7nm，刀具刃口半径为8nm、10nm、12nm的仿真模型，分析了切削过程中亚表层损伤、切屑去除率、切削力和摩擦系数。最后，基于修正的分子动力学刀具模型，研究了金刚石刀具在单晶硅纳米切削过程中的石墨化磨损机理，仿真结果表明碳原子由sp3杂化转变为sp2杂化是引起金刚石刀具磨损的主要原因。当刀具上出现碳原子都为sp2杂化的6元环时，则金刚石刀具发生石墨化磨损。通过对不同温度条件下后刀面上的初始磨损以及该时刻刀具上的剪切应力进行分析，发现温度和剪切应力是引起金刚石石墨化的两个主要因素。研究结果在国防军工、航空航天等具有广阔的应用前景。