CaF2晶体各向异性特性分析及切削仿真

论文摘要

CaF2是一种非常重要的晶体,具有良好的光学性能、机械性能和化学稳定性,可以用做光学晶体、激光晶体和无机闪烁晶体。而CaF2晶体具有各向异性,质软而脆、热膨胀系数高和易解理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。目前国际上通常使CaF2晶体处于塑性状态下对其进行加工。因此对CaF2晶体塑性状态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。本文首先利用球形针尖纳米压痕实验,得到CaF2晶体的屈服应力及应力-应变曲线;建立三维有限元球形压痕模型,对试验结果进行仿真验证。根据所得实验参数建立了CaF2晶体的三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,研究CaF2晶体各向异性对切削加工的影响,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CaF2晶体的各晶面切削时其切削力均显示出各向异性,在360°范围内,（100）晶面内切削力有四个变化周期,（110）晶面内切削力有二个变化周期,（111）晶面内切削力有三个变化周期,且切削力的大小及波动幅度均不一样;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:刀具前角减小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,有利于CaF2晶体的塑性切削;切削区拉应力的变化存在临界值,在刀具前角为-20°时达到最小值,得到了最佳的刀具前角为-20°左右。同时根据不同晶面不同晶向上切削产生的最大拉应力的波动规律,研究了超精密切削CaF2晶体时的最佳切削晶向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的、意义
• 2 晶体超精密加工国内外研究现状'>1.2 CaF₂晶体超精密加工国内外研究现状
• 1.3 脆性材料塑性域切削加工研究现状
• 1.4 有限元仿真研究脆性材料加工的现状
• 1.5 本课题的主要内容
• 2材料力学特性实验研究与仿真验证'>第2章 CaF₂材料力学特性实验研究与仿真验证
• 2.1 引言
• 2 晶体材料的结构'>2.2 CaF₂晶体材料的结构
• 2 晶体应力-应变的纳米压痕实验研究'>2.3 CaF₂晶体应力-应变的纳米压痕实验研究
• 2.3.1 纳米压痕过程的描述
• 2 晶体球形压痕实验理论基础'>2.3.2 CaF₂晶体球形压痕实验理论基础
• 2.3.3 纳米压痕实验设备
• 2 晶体应力应变压痕实验研究'>2.3.4 CaF₂晶体应力应变压痕实验研究
• 2.4 有限元仿真验证
• 2.5 本章小结
• 2晶体切削模型的建立及各向异性对切削力的影响'>第3章 CaF₂晶体切削模型的建立及各向异性对切削力的影响
• 3.1 引言
• 2 晶体各向异性切削模型的建立'>3.2 CaF₂晶体各向异性切削模型的建立
• 3.2.1 切削模型概述
• 3.2.2 材料特性及边界条件
• 3.2.3 切屑与工件的分离准则
• 3.2.4 摩擦的模拟
• 3.3 切削过程分析
• 2 晶体各向异性对切削力的影响'>3.4 CaF₂晶体各向异性对切削力的影响
• 3.5 本章小结
• 2晶体切削仿真研究'>第4章 CaF₂晶体切削仿真研究
• 4.1 引言
• 2 晶体切削加工的影响'>4.2 刀具前角对CaF₂晶体切削加工的影响
• 4.2.1 切削力的确定
• 4.2.2 刀具前角对切削区域弹性应力场影响的有限元分析
• 4.2.3 不同前角对切屑形成的影响
• 4.2.4 不同前角对切削区应力分布的影响
• 4.2.5 不同前角对切削力的影响
• 4.3 切削晶向对切屑的影响
• 2 晶体超精密加工最佳切削晶向的研究'>4.4 CaF₂晶体超精密加工最佳切削晶向的研究
• 4.4.1 最佳切削晶向的确定
• 4.4.2 最佳切削晶向的研究
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢