氟化钙晶体纳米切削加工多尺度仿真研究

论文摘要

氟化钙晶体是一种光学性能十分优良的材料,在民用领域是制作深紫外激光光刻系统镜头最理想的材料,在军事领域是制造三光合一光电探测系统和深紫外强激光武器光学元件的理想材料。传统的机械抛光工艺容易在氟化钙晶体表面嵌入颗粒等杂质而使得其激光损伤阈值降低。因而氟化钙晶体的单点金刚石切削加工引起了人们的广泛兴趣。本文依照串行多尺度耦合的思想,研究了氟化钙晶体的纳米切削加工过程。首先使用分子动力学模拟研究了氟化钙晶体纳米切削加工过程中切屑形成的机理;然后用分子动力学计算了氟化钙晶体在高应变率下的力学特性,并结合文献中低应变率下的应力应变关系进行拟合,得到了氟化钙晶体的应变率相关本构关系;再利用该本构关系进行氟化钙晶体塑性域切削加工有限元仿真,研究了加工参数对其切削加工过程的影响;最后进行氟化钙晶体飞刀车削加工实验,分析了切削速度对其加工表面粗糙度的影响。分子动力学模拟表明切削方向与主滑移系{100}<011>之间的位置关系对切屑形成的机理有重要影响。当两者取向有利于晶体沿滑移系发生滑移时,沿滑移系滑移变形成为切屑形成的主要机理;反之则主要依靠使得材料发生非晶化相变并在非晶化区域发生剪切滑移来形成切屑。负前角增加会促进非晶化相变,并使得材料倾向于向刀具两侧流出。在（111）<112>晶向进行切削时,-20°的前角最有利于晶体材料沿滑移系发生滑移,这与实验报道的-20°前角最有利于（111）晶面的切削加工一致。有限元仿真表明刀具的负前角和刃口半径增大有助于减小切削区域的拉应力,但是会抑制工件材料向上表面流出形成切屑,并对工件材料产生向前下方的挤压作用,从而使得主切削力随着负前角和刃口半径的增大而先增加再减小。随着切削厚度增加,拉应力增加到一定程度后趋于稳定。切削厚度减小时,单位切削厚度的切削力会显著增加,表现出明显的尺度效应。在仿真所采用的切削速度范围内,切削力随着切削速度的增加而缓慢增加,与实验报道基本吻合。仿真结果中拉应力受切削速度的影响较小;而飞刀车削实验的结果表明,在实验所采用的切削速度范围内切削速度对氟化钙晶体加工表面粗糙度的影响较小,在一定程度上证明了仿真结果的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题背景及研究的目的与意义
• 1.2 氟化钙晶体超精密加工研究现状
• 1.3 切削加工多尺度仿真研究现状
• 1.4 氟化钙晶体力学特性研究现状
• 1.4.1 氟化钙晶体力学特性实验研究现状
• 1.4.2 氟化钙晶体分子动力学仿真研究现状
• 1.5 本课题的主要内容
• 第2章 氟化钙晶体纳米切削加工分子动力学仿真
• 2.1 引言
• 2.2 氟化钙晶体纳米切削加工分子动力学仿真模型
• 2.2.1 氟化钙晶体纳米切削加工分子动力学模型
• 2.2.2 分子动力学模拟基本公式及参数设置
• 2.2.3 基于GPU 的并行分子动力学程序开发
• 2.3 分子动力学仿真结果
• 2.3.1 晶体内部滑移过程的可视化处理
• 2.3.2 切削力各向异性仿真结果与实验报道的对比
• 2.3.3 晶体各向异性对切屑形成机理的影响
• 2.3.4 刀具前角对氟化钙晶体切削加工过程的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 氟化钙晶体力学特性分子动力学仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 氟化钙晶体力学特性分子动力学仿真模型
• 3.2.1 氟化钙晶体力学特性仿真分子动力学模型
• 3.2.2 基于GPU 的并行N 体分子动力学程序开发
• 3.3 分子动力学仿真结果
• 3.3.1 不同晶向失效形式
• 3.3.2 应力应变关系
• 3.3.3 拉伸与压缩载荷下应力应变关系的对比
• 3.3.4 临界断裂应变
• 3.4 氟化钙晶体弹塑性本构关系拟合
• 3.4.1 实验数据的预处理
• 3.4.2 弹塑性本构关系拟合结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 氟化钙晶体切削加工有限元仿真
• 4.1 引言
• 4.2 氟化钙晶体塑性域切削加工有限元模型
• 4.2.1 切削加工模型概述
• 4.2.2 仿真所采用的单位制及参数设置
• 4.3 氟化钙晶体切削加工有限元仿真结果
• 4.3.1 典型参数下的切削过程
• 4.3.2 切削速度对切削加工过程的影响
• 4.3.3 切削厚度对切削加工过程的影响
• 4.3.4 刀具刃口半径对切削加工过程的影响
• 4.3.5 刀具前角对切削加工过程的影响
• 4.4 切削速度对加工表面质量影响的实验分析
• 4.4.1 实验条件与加工参数
• 4.4.2 实验结果分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢