单晶锗脆塑转变纳米划痕实验研究

为控制单晶锗脆塑转变临界状态,基于公式对单晶锗脆塑转变时的临界载荷进行了预测,采用纳米压痕仪对单晶锗(110)晶面进行了变载荷纳米划痕实验和恒定载荷纳米划痕实验,分析得到单晶锗(110)晶面发生脆塑转变时的临界状态,并借助原子力显微镜(AFM)对实验表面进行扫描表征。结果表明,单晶锗(110)晶面在变载荷纳米划痕实验下发生脆塑转变的临界载荷和临界深度分别为41.4mN、623nm;单晶锗(110)晶面在恒定载荷纳米划痕实验下发生脆塑转变的临界载荷和临界深度分别为30～50mN、500～900nm,验证了变载荷纳米划痕实验结果的正确性。根据变载荷纳米划痕实验结果修正了单晶锗(110)晶面在固定实验参数下发生脆塑转变临界深度理论计算公式,为分析单晶锗微纳米尺度塑性域切削提供数据支持。     

纳米压痕条件下单晶锗的尺寸效应研究

采用准静态法对单晶锗(111)晶面进行了纳米压痕实验,对单晶锗(111)晶面的位移-载荷曲线及硬度-压深曲线进行了分析。结果表明,在压入深度为471.36nm时,单晶锗(111)晶面的加载曲线上出现突进点,随着压入深度的进一步增加,突进点逐渐增多。该点对应为单晶锗(111)晶面由塑性变形向脆性断裂转变的临界点。单晶锗卸载曲线上出现突退点,突退点对应为单晶锗由弹性变形向塑性变形转变的临界点。单晶锗(111)晶面的硬度和弹性模量均呈现出随压入深度的增加而减小的趋势,表现出明显的尺寸效应。基于Nix-Gao模型对单晶锗(111)晶面的硬度与压深关系进行曲线拟合,得到无尺寸效应时的纳米硬度为8.399GPa,微观特征长度为131.907nm,尺寸效应因子为0.168。     

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%。     

基于划刻实验的单晶锗材料去除机理研究

采用Cube压头对单晶锗进行变载与恒载纳米划刻实验, 利用扫描电子显微镜和原子力显微镜对已加工表面进行观测, 根据表面形貌将划刻过程分为延性域、脆塑转变域及脆性域三种, 对各个阶段的表面成型及材料去除方式进行了研究。使用最小二乘法对不同阶段划刻力进行非线性拟合, 并利用相关系数检验拟合函数可靠性, 结果表明划刻力与划刻深度存在强相关性。同时分析了单晶锗的弹性回复率随划刻距离的变化趋势, 结果表明工件的弹性回复率将从纯弹性阶段的1逐步回落至0.76左右。基于脆塑转变临界载荷, 以裂纹萌生位置作为脆塑转变标志, 首次结合工件已加工表面弹性回复, 提出一种适用于计算单晶锗的脆塑转变临界深度模型, 其脆塑转变临界深度为489 nm。     

加工参数对单晶锗表面粗糙度扇形分布的研究

单点金刚石车削单晶锗端面时,其表面粗糙度易呈现明暗扇形域相间分布的现象,达不到使用标准,而该现象的出现与加工参数密切相关。通过正交试验,研究了刀尖圆弧半径、切削深度、进给量对单晶锗表面明暗域粗糙度扇形分布的影响。将数据进行方差和极差分析,结果表明:刀尖圆弧半径、切削深度、进给量,对单晶锗表面粗糙度明暗扇形分布都有影响,进给量对其影响显著,而刀尖圆弧半径和切削深度对其影响较显著;刀尖圆弧半径与明暗扇形域粗糙度值成反比,进给量与明暗扇形域粗糙度值成正比;刀尖圆弧半径越小、切削深度越大、进给量越大,暗扇形域面积越大,明扇形域面积越小;将单晶锗表面明暗扇形域用扫描电镜观察,发现明扇形域表面光滑,主要发生塑性去除,暗扇形域出现较多凹坑,主要发生脆性破坏。根据极差分析,针对本试验,选出了一组最优加工方案为A3B1C1,即刀尖圆弧半径为2mm,切削深度为2μm,进给量为1μm/r。此结果可为实际加工做出一定参考。     

微/纳尺度接触力学行为有限元数值分析研究

微/纳尺度接触问题已成为制约微机电系统发展的关键性问题。针对这一问题,以纳米压痕技术为基础,首先分别应用赫兹理论和弹塑性理论分析了不同阶段的接触过程,然后运用有限元分析软件Ansys建立了有限元分析模型,进行了不同载荷下的接触分析,获得了相应的应力和应变分布规律等。然后利用纳米压痕技术进行了实验对比分析。证明了两种研究方式的力学规律一致。从而证明了有限元方法在微/纳尺度接触力学研究方面的可行性。     

凸轮CAD/CAE/CAM系统的设计

论述实现凸轮零件ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ的集成,提出了根据凸轮的测量数据,通过计算机分析处理,找出推杆从动件的运动规律,获得凸 理论轮廓曲线的方法,经过本ＣＡＤ／ＣＡＭ系统的重新设计,可获得凸轮的ＮＣ加工程序,实现凸 快速设计与加工。     

UG与ADAMS/View之间的图形数据交换研究

基于特征的三维实体造型与动力学分析系统之间的模型及数据自动转换的研究，本文论述了在三维宾体造型软件UG和动力学仿真软件ADAMS／View之间存在着图形文件交换困难的问题，宾现了不同软件莱成环境。根据CAD／CAE系统阍图形交换的机制，以实际问题为例，研究Parasolid几何核心系统，并与STEP标准及IGES标准进行比较．提出了解决办法，并获得成功。     

微机数控系统开放体系结构的研究

在开放式微机数控系统中，体系结构的研究具有重要的地位。论文讨论了开放系统的特点和内涵，根据国际上影响较大的三个开放系统体系结构，提出了具有可实现性的微机数控系统开放体系结构，并研究了实现开放式数控系统的两种结构。     

虚拟环境下数控机床建模与仿真

基于虚拟样机原理，在Pro/ENGINEER下建立了机床的三维实体模型，并导入ADAMS12.0中进行动力学仿真。在虚拟环境下可观察机床整个机构的三维动态显示和运动过程.并可在样机试制前对设计中可能出现的问题做出精确的预测和改进，为机床的一次性试制成功提供了可靠的保证。