面向微小零件加工的微细切削技术

比较了传统的精密/超精密机床与微小型机床在微细切削中的优缺点,综述了微小型机床在日本、美国、韩国以及中国的研制情况。分析了最小切削厚度和工件微结构对微细切削的影响,讨论了微细切削在微毛刺、表面形成、切削力建模及微刀具磨损方面的机理问题并指出了微细切削今后应当着重解决的技术难点。     

纳米定位技术的发展现状

超精密位置控制技术是超精密加工和测量的基础。通过对现有几种具有纳米分辨率的驱动系统进行比较,分析了各种定位系统的特点,展望了纳米定位技术的发展方向。     

高精度大口径光栅拼接装置的控制算法

采用宏/微结合双驱动的少自由度并联进给结构,给出了一种光栅拼接装置设计算法.宏动部分是5PTS-1PPS型并联机构,采用步进电机驱动滚珠丝杠形式的进给机构;微动部分是5TSP-1PPS型并联机构,采用压电陶瓷驱动柔性铰链形式的进给机构;二者串联构成光栅拼接机构.计算了宏动部分和微动部分的并联机构自由度,利用并联机构运动学的逆解推导出该装置的控制算法,并根据控制算法进行了宏动、微动机构点位控制的运动学仿真.为了提高机构的定位精度,分析了机构的系统误差并提出了误差修正方法.最后,将以上算法应用到光栅拼接装置中.实验结果表明:宏动部分最大移动定位误差为3.6 μm,最大转动定位误差为4.4 μrad;微动部分最大移动定位误差为0.06 μm,最大转动定位误差为1.2 μrad;基本满足光栅拼接系统的精度要求.     

单晶Cu材料纳米切削特性的分子动力学模拟

建立了单晶Cu纳米切削的三维分子动力学模型,研究了不同切削厚度下纳米切削过程中工件缺陷结构和应力分布的规律.纳米切削过程中,在刀具的前方和下方形成变形区并伴随缺陷的产生,缺陷以堆垛层错和部分位错为主.在纳米尺度下,工件存在很大的表面应力,随着切削的进行,工件变形区主要受压应力作用,已加工表面主要受拉应力作用.随着位错在晶体中产生、繁殖及相互作用,工件先后经过弹性变形——塑性变形——加工硬化——完全屈服4个变形阶段,随后进入新的循环变形.结果表明:工件应力-位移曲线呈周期性变化;切削厚度较小时,工件内部没有明显的层错产生,随着切削厚度的增大,工件表面和亚表层缺陷增加;切削厚度越大,对应应力分量值越小.     

纳米加工过程的分子动力学模拟技术研究

简要回顾了采用分子动力学方法模拟纳米加工过程的历史,介绍了分子动力学仿真方法的基本原理以及典型单晶体材料纳米切削机理的分子动力学仿真研究成果,并从模型建立、模拟尺度以及工件和刀具的影响等方面分析了纳米加工过程分子动力学模拟研究的最新进展。结果表明,建立三维大规模及多尺度的纳米加工仿真模型已经成为目前研究的主要方向;工件和刀具对纳米加工影响的研究也逐渐深入,涉及工件的晶向、缺陷以及刀具参数和磨损等方面的问题。     

基于微观结构的多晶Cu纳米压痕表面缺陷研究

基于多晶材料的微观拓扑结构,从多晶Cu纳米压痕中晶粒内部、晶界面、三叉晶界和顶点团等4类微观结构与缺陷结构的配位数、内应力、原子势能等方面,研究了压痕表面位错缺陷的演化机制。结果表明:当高维数的微观结构承载压应力时,与其邻近的低维数微观结构表现为拉应力,且更低维数的微观结构(顶点团)更易表现为拉应力;位错缺陷形核时其原子具有较高的内应力与原子势能,扩展时其边缘的不完全位错原子内应力高于内部堆垛层错原子内应力;位错形核与扩展和内应力的累积与释放具有相似的方向性,首先扩展至低维数的顶点团、三叉晶界,而后传递至高维数的晶界面并止于晶界面。     

微细铣削圆弧槽微结构时的微毛刺分析及预测

以微小型三轴立式数控铣床为加工平台,采用微径铣刀进行微细铣削加工铅黄铜(HPb6323)实验。首先分析了铣削微圆槽时顶端微毛刺的主要形态。分析了灰色理论模型的原理,根据实验中微毛刺的测量结果,采用灰色理论,利用累加生成运算对原始数据进行变换,从而得到规律性较强的累加数据,并基于灰色理论建立了微毛刺大小预测的灰色预测模型,实现微细铣削圆槽时微毛刺尺寸的预测。微毛刺尺寸的预测结果与实验结果吻合,证明了所建立的模型适合于微毛刺尺寸的预测。     

The mechanism study of low-pressure air plasma cleaning on large-aperture optical surface unraveled by experiment and reactive molecular dynamics simulation

Low-pressure air plasma cleaning is an effective method for removing organic contaminants on large-aperture optical components in situ in the inertial confinement fusion facility. Chemical reactions play a significant role in plasma cleaning, which is a complex process involving abundant bond cleavage and species generation. In this work, experiments and reactive molecular dynamics simulations were carried out to unravel the reaction mechanism between the benchmark organic contaminants of dibutyl phthalate and air plasma. The optical emission spectroscopy was used to study the overall evolution behaviors of excited molecular species and radical signals from air plasma as a reference to simulations. Detailed reaction pathways were revealed and characterized, and specific intermediate radicals and products were analyzed during experiments and simulation. The reactive species in the air plasma, such as O, HO₂ and O₃ radicals, played a crucial role in cleaving organic molecular structures. Together, our findings provide an atomic-level understanding of complex reaction processes of low-pressure air plasma cleaning mechanisms and are essential for its application in industrial plasma cleaning.     

单晶硅(111)晶面纳米压痕过程分子动力学仿真及实验

为了研究脆性单晶材料单晶硅（111）晶面微观机械特征,应用分子动力学,对压痕过程进行仿真分析．本文应用平均势能和径向分布函数相结合方法对压痕过程进行考察．仿真结果表明,工件在压头附近的晶格结构发生变化．在仿真过程中通过确定工件内部的分界线来表明住错传播运动;在压痕结束后工件自身弛豫过程变形区域弹性恢复大约27％．应用Hysitron公司的Triboindenter纳米原位压痕仪进行压痕实验,并把实验得到的材料压痕折合模量与分子动力学仿真计算结果进行比较,结果表明仿真的误差率小于31％．     

基于分子动力学的单晶硅纳米振动切削过程

为了研究脆性材料单晶硅原子级的纳米振动切削加工去除机制,应用分子动力学,通过改变刀具椭圆振动切削的模式,进行单晶硅纳米振动切削仿真．仿真结果表明,主切削力和法向力的变化趋势总体上呈现正弦曲线变化,并且已加工表面不同深度的亚表层存在残余应力;同时在不同切削模式下,由于刀具法向的振幅增加,使得法向力和残余应力增大;当刀具通过已加工表面时,残余应力随着亚表层深度降低而减弱;刀具法向振幅高于主切削力方向振幅时,法向力峰值高于主切削力峰值,已加工表面亚表层没有明显驰豫现象．