本文選題：金剛石刀具 + 單晶硅　； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：單晶硅因其光學(xué)性能優(yōu)異、機械強度高以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點,被廣泛地應(yīng)用于光學(xué)、機械電子等高科技領(lǐng)域。然而,單晶硅的斷裂強度和屈服強度比較接近,加工過程中容易發(fā)生脆性斷裂,很難獲得高質(zhì)量的加工表面。目前,做為先進制造前沿技術(shù)之一的納米切削技術(shù),由于具有加工精度高、效率高、易于控制以及可加工復(fù)雜面形等特點,成為單晶硅加工領(lǐng)域的研究熱點。在單晶硅的納米切削過程中,金剛石刀具易在較短的時間內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的磨損,導(dǎo)致加工表面質(zhì)量迅速惡化。此外,當(dāng)切削加工量進入納觀領(lǐng)域時,去除對象為具有離散性質(zhì)的原子或分子,所涉及的理論已超出了建立在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)之上的常規(guī)切削理論,使得各國學(xué)者對金剛石刀具的磨損機理以及單晶硅的納米加工機理的認識還存在著較大的爭議。上述問題已經(jīng)成為納米切削技術(shù)進一步發(fā)展所亟需解決的問題。鑒于分子動力學(xué)方法能夠從原子角度表征納米切削的瞬態(tài)過程、分析研究其中的機理性問題。因此,本文圍繞加工參數(shù)、材料各向異性和刀具幾何形狀等參數(shù)對單晶硅納米切削行為以及刀具磨損行為的影響,采用分子動力學(xué)方法開展了如下幾個方面的研究工作:首先,基于分子動力學(xué)基本原理,建立了金剛石刀具納米切削單晶硅的分子動力學(xué)模型,并選擇合適的勢函數(shù)、積分方法和系綜等參數(shù)。綜合金剛石的晶格結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)系統(tǒng)研究了金剛石石墨化的各向異性行為,得到了其隨溫度和晶體取向的變化規(guī)律。并且為了更好地分析金剛石的石墨化過程,本文提出了一種新方法—6元環(huán)法,可以準(zhǔn)確地辯識出金剛石和石墨碳原子。此外,對傳統(tǒng)的分子動力學(xué)刀具模型進行了修正,修正后的刀具能夠更加真實地反映納米切削過程中的刀具狀態(tài)。通過對比分析傳統(tǒng)和修正刀具的磨損程度,驗證了后者比前者更適用于刀具磨損的研究。其次,基于大規(guī)模單晶硅工件(100×50×3nm3)的納米切削仿真模型,模擬研究了單晶硅在納米加工過程中的材料去除和表面形成機理。為了分析單晶硅各向異性對其納米切削行為的影響,研究了金剛石刀具分別沿著單晶硅(100)、(110)和(111)面的典型晶向的切削過程,獲得了切削方向變化對切屑和表面損傷層的影響規(guī)律,并對加工表面完整性進行量化比較,確定了每個晶面上更適合塑性域切削的晶向。同時,采用配位數(shù)法表征了加工表面中的損傷結(jié)構(gòu),并結(jié)合對工件中的靜壓和最大剪切應(yīng)力的分析,揭示了表面非晶層和亞表面損傷層的形成機理。此外,系統(tǒng)研究了刀具幾何形狀和背吃刀量對單晶硅納米切削行為的影響,通過分析切屑中的剪切面結(jié)構(gòu),詳細闡述了單晶硅在納米切削過程中的去除機理。再次,金剛石刀具表面石墨化磨損后會導(dǎo)致其表面軟化,在硬質(zhì)顆粒的刻劃作用下會引起刀具發(fā)生劇烈磨損。因此,基于前面提出的修正刀具模型,系統(tǒng)研究了溫度和剪切應(yīng)力對金剛石刀具石墨化磨損的影響,并揭示了其形成機理。同時,分析了吸附在刀具表面的低配位數(shù)碳原子對刀具磨損的作用機制。此外,模擬研究了金剛石各向異性對刀具磨損行為的影響,獲得了具有最強抗磨損能力的金剛石刀具前后刀面的晶向組合。最后,建立了具有不同幾何形狀的金剛石刀具,模擬研究刀具幾何形狀對刀具磨損的影響。對引起金剛石刀具磨損的主要因素進行了系統(tǒng)分析,深入剖析刀具前后角的變化對前后刀面磨損的影響。同時,研究了金剛石刀具在切削過程中的擴散磨損,通過分析磨損區(qū)中碳原子的雜化結(jié)構(gòu)與熱導(dǎo)率之間的關(guān)系,對其機理進行了解析。此外,在刀具后刀面上引入微溝槽,研究微溝槽深度和密度對刀具磨損的影響,并揭示了其作用機制,相關(guān)研究將為超精密加工金剛石刀具的設(shè)計及應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。
[Abstract]:Because of its excellent optical properties, high mechanical strength and stable chemical properties, monocrystalline silicon is widely used in high tech fields such as optics, mechanical electronics and other fields. However, the fracture strength and yield strength of monocrystalline silicon are close, brittle fracture is easy to occur during processing, and it is difficult to obtain high quality processing surface. At present, it is advanced. Because of the characteristics of high machining precision, high efficiency, easy to control and machinable complex surface, one of the cutting edge technologies has become a hot topic in the field of monocrystalline silicon processing. In the process of nanometer cutting of monocrystalline silicon, the diamond tools are easily worn out in a short time, leading to the quality of the machined surface. In addition, the theory of removing the object as a discrete atom or molecule is beyond the conventional cutting theory based on the continuum mechanics, which makes the scholars of various countries understand the mechanism of the grinding loss of diamond tools and the mechanism of the nanocrystalline mechanism of monocrystalline silicon. There are still great disputes. The above problems have become an urgent problem to be solved in the further development of nano cutting technology. In view of the possibility that the molecular dynamics method can characterize the transient process of nano cutting from the atomic angle, the mechanism problems are analyzed and studied. Therefore, this article focuses on the addition parameters, the material anisotropy and the tool geometry. The influence of shape and other parameters on the behavior of nanoscale cutting and the wear behavior of single crystal silicon is studied by molecular dynamics method. First, based on the basic principle of molecular dynamics, the molecular dynamics model of diamond cutting tool nanocrystalline silicon is established, and the suitable potential function and integral method are selected. The lattice structure and the thermodynamic properties of the synthetic diamond are studied. The anisotropic behavior of the diamond graphitization is studied. The change law of the diamond with the temperature and crystal orientation is obtained. In order to better analyze the process of the graphitization of the diamond, a new method, 6 element ring method, can be accurately identified. Diamond and graphite carbon atoms. In addition, the traditional molecular dynamics tool model is modified. The modified tool can more truly reflect the tool state in the nano cutting process. By comparing and analyzing the wear degree of the traditional and correction tools, the latter is more suitable for tool wear research than the former. Secondly, based on the study. A simulation model of a large scale single crystal silicon workpiece (100 x 50 x 3nm3) is used to simulate the material removal and surface formation mechanism of monocrystalline silicon in the process of nanoscale processing. In order to analyze the effect of the anisotropy of monocrystalline silicon on its nano cutting behavior, the typical crystals of the diamond cutting tools along the single crystal silicon (100), (110) and (111) surfaces are studied. In the cutting process, the influence of cutting direction changes on the chip and surface damage layer is obtained, and the machined surface integrity is quantized and compared. It is determined that each crystal surface is more suitable for the crystal direction of the plastic field. At the same time, the coordination number method is used to characterize the damage structure in the machined surface, and the static pressure and maximum of the workpiece are combined. The analysis of shear stress reveals the formation mechanism of the surface amorphous and subsurface damage layers. In addition, the influence of the geometric shape of the cutter and the amount of the back knife on the nanocrystalline cutting behavior of monocrystalline silicon is systematically studied. By analyzing the shear surface structure in the chip, the removal mechanism of monocrystalline silicon in the process of nano cutting is elaborated. The surface softening of the tool surface will result in the softening of the surface of the tool and the sharp wear of the tool under the characterization of hard particles. Therefore, based on the revised tool model proposed earlier, the effect of temperature and shear stress on the graphitized wear of diamond tools is systematically studied and its formation mechanism is revealed. At the same time, the adsorption of the tool is analyzed. The effect mechanism of low coordination carbon atoms on tool wear on tool surface. In addition, the influence of diamond anisotropy on tool wear behavior is simulated and the crystal direction combination of the front and back surface of diamond tool with the strongest anti wear ability is obtained. Finally, the diamond cutting tools with different geometric shapes are established. The effect of tool geometry on tool wear is analyzed systematically. The influence of the change of the front and rear angle on the wear of the front and rear cutter faces is deeply analyzed. At the same time, the diffusion wear of the diamond cutting tool in the cutting process is studied, and the hybrid structure and thermal conductivity of the carbon atom in the wear zone are analyzed. In addition, the mechanism is analyzed. In addition, the effect of micro groove depth and density on tool wear is studied by introducing micro groove on the cutter surface, and its mechanism is revealed. The related research will provide theoretical guidance and technical support for the design and application of ultra precision machining diamond tools.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.2

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本文編號：1845024