氟化鈣晶體納米切削加工多尺度仿真研究.pdf

1、氟化鈣晶體是一種光學性能十分優(yōu)良的材料，在民用領域是制作深紫外激光光刻系統(tǒng)鏡頭最理想的材料，在軍事領域是制造三光合一光電探測系統(tǒng)和深紫外強激光武器光學元件的理想材料。傳統(tǒng)的機械拋光工藝容易在氟化鈣晶體表面嵌入顆粒等雜質(zhì)而使得其激光損傷閾值降低。因而氟化鈣晶體的單點金剛石切削加工引起了人們的廣泛興趣。
　　本文依照串行多尺度耦合的思想，研究了氟化鈣晶體的納米切削加工過程。首先使用分子動力學模擬研究了氟化鈣晶體納米切削加工過程中切屑形

2、成的機理；然后用分子動力學計算了氟化鈣晶體在高應變率下的力學特性，并結(jié)合文獻中低應變率下的應力應變關系進行擬合，得到了氟化鈣晶體的應變率相關本構關系；再利用該本構關系進行氟化鈣晶體塑性域切削加工有限元仿真，研究了加工參數(shù)對其切削加工過程的影響；最后進行氟化鈣晶體飛刀車削加工實驗，分析了切削速度對其加工表面粗糙度的影響。
　　分子動力學模擬表明切削方向與主滑移系{100}<011>之間的位置關系對切屑形成的機理有重要影響。當兩者取向

3、有利于晶體沿滑移系發(fā)生滑移時，沿滑移系滑移變形成為切屑形成的主要機理；反之則主要依靠使得材料發(fā)生非晶化相變并在非晶化區(qū)域發(fā)生剪切滑移來形成切屑。負前角增加會促進非晶化相變，并使得材料傾向于向刀具兩側(cè)流出。在(111)<112__>晶向進行切削時，-20°的前角最有利于晶體材料沿滑移系發(fā)生滑移，這與實驗報道的-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負前角和刃口半徑增大有助于減小切削區(qū)域的拉應力，但是會抑制工件

4、材料向上表面流出形成切屑，并對工件材料產(chǎn)生向前下方的擠壓作用，從而使得主切削力隨著負前角和刃口半徑的增大而先增加再減小。隨著切削厚度增加，拉應力增加到一定程度后趨于穩(wěn)定。切削厚度減小時，單位切削厚度的切削力會顯著增加，表現(xiàn)出明顯的尺度效應。在仿真所采用的切削速度范圍內(nèi)，切削力隨著切削速度的增加而緩慢增加，與實驗報道基本吻合。仿真結(jié)果中拉應力受切削速度的影響較??；而飛刀車削實驗的結(jié)果表明，在實驗所采用的切削速度范圍內(nèi)切削速度對氟化鈣晶體加