晶体锗切削温度场的理论建模及数值模拟

针对晶体锗切削加工过程,首先采用热源法及温度叠加原理建立了切削温度场的理论数学模型。然后运用MATLAB软件分别计算出切削速度分别为1.5、2.0、2.5m/s,进给量分别为0.02、0.025mm/r时工件在剪切变形区的温度场,分析了不同切削速度、不同进给量下的温度变化。最后,采用DEFORM-3D软件进行三维切削仿真分析,获得了不同切削参数下工件温度场的云图。计算结果与仿真结果表明:切削速度与进给量的增大会导致切削温度的升高,刀具与工件开始接触时,切削温度、进给量与时间呈线性急剧增加,但温度升高到一定值后会保持相对稳定。相同增量下,进给量对切削温度的影响大于切削速度。不同切削速度和进给量下的仿真结果与理论计算结果误差均小于10%。     

单晶锗裂纹扩展行为的仿真与实验研究

单晶锗加工时裂纹的产生严重影响表面质量,为进一步探究单晶锗裂纹扩展的影响因素,通过分子动力学仿真方法,对不同晶面的表面能进行了计算,模拟了不同晶面、同一晶面不同取向以及不同温度对单晶锗裂纹扩展行为的影响,并通过纳米压痕实验对仿真结果的准确性进行了验证。结果表明:单晶锗(110)晶面的表面能最小且更易产裂纹。裂纹在同一晶面不同取向上的扩展行为呈现出周期性镜像对称现象,裂纹尖端出现应力集中和原子错配现象,使得裂纹扩展呈现子母裂纹且路径偏移。在其他条件不变的情况下,适当降低温度更有利于提高裂纹临界扩展应力,降低扩展速率,从而达到抑制裂纹扩展,提高单晶锗加工表面质量的效果。通过纳米压痕实验,发现不同取向下,裂纹扩展的难易程度不同,随着压载的增大,分别出现了45°最长裂纹,165°最易产生裂纹,285°最难产生裂纹并且裂纹最短。