光纤端面参数自动化测量系统的研究

为快速、准确、方便地进行光纤端面几何参数的测量,在数字图像采集和处理的基础上,研究和设计了光纤端面参数自动化测量系统。介绍了采用图像处理方式进行光纤端面几何参数自动测量的基本原理。对比了Canny边缘检测法和高通滤波法对光纤图像进行边缘检测的效果,体现出高通滤波在光纤端面图像处理中的优势。针对普通光纤、保偏光纤和光子晶体光纤不同的端面形状,设计出利用图像处理方法自动测量各种光纤端面几何参数的软件系统。结果表明该系统可有效地测量出各类光纤端面的几何参数。     

光子晶体光纤传感器的研究进展

简要介绍了光子晶体光纤的基本结构、导光原理和主要特性.依据传感机理将光子晶体光纤传感器分为4类:吸收型光子晶体光纤传感器、荧光光子晶体光纤传感器、干涉型光子晶体光纤传感器、光子晶体光纤光栅传感器,分别对其工作原理、结构、特点和研究进展进行了讨论.     

七芯光子晶体光纤温度传感器

为了深入探究七芯光子晶体光纤的传感特性,本利用有限元法研究七芯光子晶体对温度的传感特性,找到七芯光子晶体纤芯基模与包层高阶模的有效折射差与温度的关系,算出波谷波长与温度的变化关系,即理论灵敏度,并基于单模-七芯光子晶体-单模结构的马赫-曾德尔干涉结合水浴法进行温度传感实验检测.研究结果表明:七芯光子晶体光纤的理论灵敏值...     

光学硬脆材料固结磨料研磨中的亚表面损伤预测

研磨过程中亚表面损伤层深度的正确预测是研磨工艺参数制定的重要依据。针对固结磨料的研磨特点,选择两种典型光学硬脆材料(镁铝尖晶石和石英玻璃),采用离散元仿真技术,分别建立了两种材料的二维离散元模型,分析了工艺参数对光学硬脆材料亚表面损伤(裂纹)层深度的影响。而后,采用角度抛光法测量了镁铝尖晶石和石英玻璃的亚表面损伤层深度,进行了实验验证。结果表明:采用固结磨料研磨时,磨粒粒径对光学硬脆材料亚表面损伤的影响相当显著,在相同研磨工艺条件下,随着磨粒粒径的增大,亚表面损伤层深度和微裂纹密集程度明显增加。离散元仿真结果与实验结果的对比表明:采用离散元技术可以对光学硬脆材料的亚表面损伤深度进行快速有效的预测,从而为后续的研磨抛光工艺提供参考与指导。     

铌酸锂晶体的研磨亚表面损伤深度

针对光学材料研磨过程引入的亚表面损伤层(SSD)深度对工件的抛光工序效率和表面质量的影响,探索了光学材料在研磨过程中的亚表面损伤规律。采用角度抛光的方法测量了软脆材料铌酸锂(LN)晶体的损伤层深度,分析了研磨方式、磨粒粒径和研磨压力对工件亚表面损伤层的影响规律。结果表明:研磨方式对损伤缺陷的影响最为显著,相同研磨条件下游离磨料研磨后的损伤层深度约为固结磨料研磨的3~4倍,游离磨料研磨后工件亚表面存在多处圆弧形裂纹,固结磨料研磨后主要显现细小裂纹和"人"字型裂纹;当磨粒粒径从W28下降到W14后,游离研磨的亚表面损伤层深度下降至原来的45%,而固结研磨的损伤层深度下降至30%;另外,研磨压力的降低有利于减小工件的亚表面损伤。该研究对LN晶体研磨方式及研磨工艺的选择具有指导意义。     

基于数值仿真技术的单颗磨粒切削机理

磨削过程是磨具表面大量形状各异的磨粒参与的多刃切削过程。单颗磨粒切削研究是认识复杂磨削作用的重要手段,但是单颗磨粒切削试验的实施和物理量的测量存在一定的难度。针对这一问题,分别建立单颗磨粒切削的物理力学模型和数值仿真模型,利用不同载荷下的划痕试验验证这两个模型的准确性。利用数值仿真技术研究不同工艺参数下的单颗磨粒切削过程,仿真单颗磨粒的耕犁和切削过程,得到不同切削速度下耕犁向切削行为转变的临界切削深度;当切削深度增加到某一个切削深度时,仿真得到的径向和切向切削力均有突然增大的趋势,同时发现低速时切削力增大的程度明显高于较高速度时切削力的增大程度;仿真得到的最高切削温度随切削深度的增加,呈现先增大后减小再增大的特点,且第一个最高切削温度峰值出现在临界切削深度附近,但是随着切削速度的降低,这个现象明显减弱,当切削速度小于600 m/min时,这个现象基本不存在;仿真得到的材料去除率随着切削深度的增加而显著增大,而且切削速度越大,材料去除率越大。     

基于概率统计的BK7玻璃磨削亚表层损伤深度在线预测技术

为了在线预测硬脆材料磨削加工引起的亚表面损伤深度,本文利用概率统计法对磨粒高度进行分析,建立了刀具切削力与亚表层裂纹扩展深度之间的理论关系模型。首先,基于硬脆材料的压痕断裂力学理论,分析了中位裂纹扩展长度与磨粒压痕深度之间的内在关联。随后,对刀具端面边缘的磨粒数目进行了数理统计,建立了刀具切削力与单个磨粒切削深度之间的理论关系。在此基础上,提出了工件亚表层损伤深度的在线预测模型SSD~(max)=1.284×SSD■-36.23,并结合BK7玻璃的实际磨削实验验证了其正确性。通过对比实验结果与理论模型的预测结果发现,该方法可以在线、准确地预测磨削加工引起的工件亚表层损伤深度。     

工件旋转法磨削硅片的磨粒切削深度模型

半导体器件制造中,工件旋转法磨削是大尺寸硅片正面平坦化加工和背面薄化加工最广泛应用的加工方法。磨粒切削深度是反映磨削条件综合作用的磨削参量,其大小直接影响磨削工件的表面/亚表面质量,研究工件旋转法磨削的磨粒切削深度模型对于实现硅片高效率高质量磨削加工具有重要的指导意义。通过分析工件旋转法磨削过程中砂轮、磨粒和硅片之间的相对运动,建立磨粒切削深度模型,得到磨粒切削深度与砂轮直径和齿宽、加工参数以及工件表面作用位置间的数学关系。根据推导的磨粒切削深度公式,进一步研究工件旋转法磨削硅片时产生的亚表面损伤沿工件半径方向的变化趋势以及加工条件对磨削硅片亚表面损伤的影响规律,并进行试验验证。结果表明,工件旋转法磨削硅片的亚表面损伤深度沿硅片半径方向从边缘到中心逐渐减小,随着砂轮磨粒粒径、砂轮进给速度、工件转速的增大和砂轮转速的减小,加工硅片的亚表面损伤也随之变大,试验结果与模型分析结果一致。     

氧化锆陶瓷磨削表面质量仿真与实验研究

研究高速磨削条件下砂轮线速度、切削深度等工艺参数对氧化锆陶瓷工件加工表面质量的影响。通过对单颗磨粒切削氧化锆陶瓷试件过程进行仿真,确定磨粒切削深度与切削速度对磨削力和磨削表面形貌的影响。同时,采用金刚石砂轮对氧化锆陶瓷进行平面磨削实验,获取磨削力和表面形貌等实验数据,对仿真结果进行实验验证。随着切削深度从2μm增大到8μm,单颗磨粒磨削力呈单调递增的趋势,工件表面质量逐渐恶化;当切削深度保持在2μm时,砂轮线速度对工件表面形貌影响不大;当切削深度加大到4μm以上时,提高砂轮线速度可以有效减轻磨削表面的破碎损伤。     

单颗磨粒刻划氧化镓晶体表面的裂纹成核位置及扩展方向研究

为了分析新一代光电子材料氧化镓晶体在超精密磨削、研磨加工过程中的裂纹成核位置及扩展方向,建立了单颗磨粒刻划氧化镓(010)晶面的弹性应力场模型,分析了氧化镓(010)晶面的脆塑性转变临界切削深度。通过MATLAB软件分析预测刻划氧化镓晶体过程中表面径向裂纹的成核位置及扩展方向,分析结果表明：当切削深度小于临界切削深度时,径向裂纹成核位置在磨粒的后方,裂纹扩展方向与切削方向之间的夹角在33°左右;当切削深度超过临界切削深度时,径向裂纹成核位置进一步向磨粒后方移动,裂纹生成方向与刻划方向之间的夹角在51°左右。为验证理论分析结果,对氧化镓晶体进行了纳米刻划试验,对比分析表明,氧化镓应力场的解析结果与试验数据高度一致。在线性加载条件下,Cube金刚石压头在氧化镓晶体(010)晶面上产生的径向裂纹偏转角在33.37°~51.45°之间。     

氮化硅陶瓷球研磨去除机制试验与仿真研究

为研究研磨过程中氮化硅陶瓷球的材料去除形式及磨损行为,结合陶瓷材料动态压痕断裂力学理论,进行陶瓷球研磨加工试验,采用超景深三维显微镜和扫描电镜对研磨后陶瓷球表面进行观察,同时建立单颗金刚石磨粒冲击作用有限元模型并进行仿真研究。试验结果表明:氮化硅陶瓷球表面材料去除以脆性断裂去除和粉末化去除为主,陶瓷球表面残留有大量贝壳状缺陷和呈簇状随机分布的粉末化材料区域;研磨过程中,陶瓷球表面存在擦伤、划伤和凹坑等缺陷;磨粒冲击作用时,表面材料会受微切削作用产生破碎去除,同时也会受挤压作用产生脆性断裂去除,当磨粒以滚动方式作用在陶瓷球表面时,陶瓷球表面更容易形成粉末化去除,且材料去除率更高。仿真结果表明:各磨粒冲击作用方式产生的最大等效应力由大到小的顺序为滚动磨粒变切深、滚动磨粒定切深、磨粒挤压、滑动磨粒定切深,其中,滚动磨粒变切深产生的亚表面裂纹最深。     

新型光纤连接器端面研磨抛光机的运动分析

设计一种新型的光纤连接器端面研磨抛光装置,建立该机构的运动学方程.从机构的运动角度出发,借助MATLAB语言,对该机构的运动轨迹进行仿真研究,找出影响此种机构的重要参数,总结出主要参数的变化对研磨盘运动的影响.研究结果证明此种研磨机构理论上能够较好地完成光纤连接器端面的研磨.     

基于CFRP切削过程仿真的面下损伤形成分析

由于碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)宏观上呈现非均质、各向异性,细观上表现为纤维和树脂的特殊混合形态,导致其制件加工过程中极易产生分层、开裂等损伤,严重影响其制件的加工精度及承载性能。研究CFPR加工损伤产生机理并以此降低加工损伤是提高其加工质量的关键。基于宏观各向异性本构、Hashin失效起始准则及损伤演化,建立了可实现任意纤维角度单向板连续动态切削过程仿真分析的直角切削有限元模型,分析了任意纤维角度CFRP单向板连续切削过程面下损伤,得到了纤维角度、切削参数、刀具结构对面下损伤深度的影响规律。具体结果:纤维角度为影响面下损伤的主要因素,随纤维角度增大,切削力增大同时面下损伤深度也明显增加;面下损伤的主要原因为切削力过大导致的基体破坏及扩展;对于135°单向板面下损伤深度随刀具前角增大呈先增大后减小的趋势。     

碳纤维增强树脂基复合材料切削机理研究

碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced plastic,CFRP）在细观尺度上由纤维、树脂及界面不同相组成,在宏观尺度上呈层叠特征,具有非均质性和各向异性。CFRP切削过程的实质是在切削力、热共同作用下同时去除高强度纤维和低强度树脂的复杂过程,极易出现加工损伤。抑制加工损伤的前提是准确揭示CFRP切削机理,而揭示其切削机理的关键是分析材料去除过程。由于纤维是复合材料内部承受主要载荷的组成相,材料的去除过程主要由纤维的断裂过程决定。因此,通过分析切削过程中纤维的受力状态,以双参数弹性地基梁理论为基础,建立了虑及纤维所受法向及切向约束,且兼虑树脂及界面温变特性的单纤维切削模型,可准确表征纤维实际受力状态,实现纤维断裂过程的准确求解。研究发现：切削深度和纤维角度影响纤维变形深度,即切深越大,纤维变形深度越大,更易产生加工损伤;随着纤维角度增加,纤维变形深度减小。同时,为解决单纤维切削模型难以直接验证的难题,利用其求解得到宏观切削力理论值,通过与试验值对比,间接验证了单纤维切削模型的正确性。同时与未考虑被切削纤维所受切向约束和树脂及界面温变特性时相比,同时考虑这两个因素可使CFRP宏观切削力计算精度平均提升20%。所建立的单纤维切削模型不仅能够从细观尺度准确揭示CFRP去除机理,而且可为后续有关损伤抑制的研究提供理论依据。     

基于行星式平面研磨机研抛过程的运动几何学分析

分析了广泛采用的行星式平面研磨抛光机的运动原理,以节点、节圆入手,将复杂的研抛运动转化为在定中心距条件下的两个绕定轴的回转运动,分析了工件相对于研磨盘、研磨盘相对于工件的轨迹曲线,以及两者的关系,以切削速度、切痕方向角、切痕方向角对时间的变化率为纽带,将研磨抛光的几何分析与提高工件表面的加工质量联系起来,得出了优化的轨迹曲线及运动参数。     

Thermal influence on surface layer of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) in grinding

In this study, we investigated thermal influence on surface layer of CFRP in grinding with heat conduction analysis using grinding temperature at wheel contact area on dry and wet condition. Moreover, the thermal affected layer was analyzed through an experiment to examine the temperature of glass transition and thermal decomposition of the matrix resin that composes the CFRP used in this study. The influence of thermal effect on grinding of CFRP was verified based on observation of ground surface finish after grinding using SEM and the measurement of surface roughness. From the measurement result of DSC (Differential Scanning Calorimetry),TG-DTA (Thermogravimetry-Differential Thermal Analysis), It was found that the thermal affected layer of CFRP includes a layer in which the matrix resin is changed in quality by exceeding the glass transition temperature and a layer in which the matrix resin is thermally decomposed by exceeding the thermal decomposition temperature. In addition, it was found that the surface roughness was significantly reduced if the thermal affected layer with thermal decomposition was generated. In each grinding atmosphere, it tended to increase of grinding temperature at wheel contact area with increasing in the setting depth of cut. In the case of dry grinding, grinding temperature at wheel contact area increased up to t thermal decomposition temperature of the matrix resin. However, in the case of the wet grinding, grinding temperature at wheel contact area did not increase until thermally decomposition temperature. From the result of simulation about thermal affected layer, influence of grinding heat increased with increasing in the setting depth of cut. Ultimately, the thermal affected layer with thermal decomposition was generated in dry grinding. Moreover, from the results of SEM observation, it was confirmed that the surface finish properties deteriorated significantly due to thermal decomposition of the matrix resin in the case of Δ = 400 μm in the setting depth of cut at fiber angle θ = 0°. On the other hand, it was confirmed that the micro damage of carbon fiber was occurred in wet grinding at each setting depth of cut.     

基于三相微观结构的纤维复合材料切削仿真研究

为了研究纤维增强复合材料在切削过程中的材料去除机理及切削性能,本文建立了基于三相微观结构的纤维增强复合材料的二维有限元切削模型。针对纤维、基体和界面相组成三相微观结构,分别建立了它们的本构模型和失效准则,并完成复合材料二维正交切削的动态物理仿真。通过切削力仿真值与实验值的比较,验证了该模型的准确性和有效性。并基于此模型,分析材料的切屑形成机理、切削损伤及加工参数对切削力的影响。结果表明,纤维增强复合材料的切屑形态、损伤模式和切削力具有明显的各向异性。     

IMPROVED SENSITIVITY OF A PHOTONIC CRYSTAL FIBER EVANESCENT-WAVE GAS SENSOR

An evanescent-wave absorption gas sensing theory and technique is demonstrated using a solid-core photonic crystal fiber (PCF). This article proposes and demonstrates the theory and method of gas sensing based on the PCF evanescent-wave. Numerical simulations and systematic analysis were conducted regarding the influence of PCF structure parameters to its light transmission characteristics, dispersion characteristics, and loss characteristics. Based on these results, this article puts forward and designs the overall schematic of a gas sensing system with the PCF as the gas chamber. Through numerical simulation, the influence of the relative sensitivity of the gas measurement system caused by PCF structure parameters is analyzed, and a design for PCF is proposed with optimum geometric structure parameters.     

A review on ductile mode cutting of brittle materials

Brittle materials have been widely employed for industrial applications due to their excellent mechanical, optical, physical and chemical properties. But obtaining smooth and damage-free surface on brittle materials by traditional machining methods like grinding, lapping and polishing is very costly and extremely time consuming. Ductile mode cutting is a very promising way to achieve high quality and crack-free surfaces of brittle materials. Thus the study of ductile mode cutting of brittle materials has been attracting more and more efforts. This paper provides an overview of ductile mode cutting of brittle materials including ductile nature and plasticity of brittle materials, cutting mechanism, cutting characteristics, molecular dynamic simulation, critical undeformed chip thickness, brittle-ductile transition, subsurface damage, as well as a detailed discussion of ductile mode cutting enhancement. It is believed that ductile mode cutting of brittle materials could be achieved when both crack-free and no subsurface damage are obtained simultaneously.     

高精度金刚石刀具研磨关键技术研究

金刚石刀具刃口锋利度对所加工零件的表面质量有着重要影响。通过确定合理的研磨设备结构和合理的研磨工艺参数,获得的刀具刃口锋利度从300 nm提高到了50nm,刀面表面粗糙度从15nm提高到了0.5nm,刀具刃口质量得到了明显改善。