CN102120344B - 一种基于切削力波动特性的单晶材料切削方法及微调刀架 - Google Patents

Abstract

一种基于切削力波动特性的单晶材料切削方法及微调刀架，其微调刀架，包括刀架体，第一压电陶瓷安装支架，第一压电陶瓷，第一弹性变形薄膜，计算机系统，刀夹体，第二弹性变形薄膜，第二压电陶瓷和第二压电陶瓷安装支架。计算机系统通过数据线与第一压电陶瓷和第二压电陶瓷连接。刀夹体固定在刀架体上。刀具安装在刀夹体内。微调刀架本发明使用带有单晶材料切削力波动特性信息的计算机控制压电陶瓷的伸长和缩短，从而对刀具前角以及刀具与工件之间相对距离进行微量调整，能实现一次装夹就可以根据单晶材料切削加工表面的力学波动特性调整刀具与工件表面倾角以及刀具与工件相对距离的目的，实现单晶材料均匀一致的表面质量的切削加工要求，且具有加工效率高，精度高，操作方便等特点。

Description

一种基于切削力波动特性的单晶材料切削方法及微调刀架

技术领域:本发明涉及一种单晶材料的切削设备及方法，尤其是一种基于切削力波动特性的单晶材料切削方法及微调刀架。

背景技术:单晶材料具有强烈的各向异性特性，而且绝大多数是脆性材料，在不同的晶体学方向上物理和机械性能差异很大，只有依据单晶材料的力学性能使用最佳刀具前角才能加工出优良的表面。实际切削加工过程中，存在切削力随晶体取向的变化而产生波动的现象，并且在对同一晶面上不同晶向进行切削时,使得已加工表面粗糙度也呈扇形分布特征。这主要是单晶材料在同样的受力条件下，同一晶面在不同晶向上发生的塑性变形能力不同造成了切削力的波动，也造成了切削加工表面质量的波动。所以，使刀具与被加工晶面间的夹角始终与不同晶面或同一晶面不同晶向上最容易发生塑性变形时所需的受力方向一致，可以减小或消除切削单晶材料时已加工表面呈现明暗相间的扇形分布特征,并且可以比较容易得到高质量的加工表面。这就需要对刀具进行反复装夹，调整刀具角度，得到适当的刀具前角。但是在实际生产中，反复装夹调整刀具角度不仅影响加工的效率，而且会由于不断地对刀、找正等对加工的精度造成影响。

发明内容：针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于切削力波动特性的单晶材料切削方法及微调刀架

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微调刀架，包括刀架体，第一压电陶瓷安装支架，第一压电陶瓷，第一弹性变形薄膜，计算机系统，刀夹体，第二弹性变形薄膜，第二压电陶瓷和第二压电陶瓷安装支架。计算机系统通过数据线与第一压电陶瓷和第二压电陶瓷连接。刀夹体固定在刀架体上。刀具安装在刀夹体内。刀架体、第一弹性变形薄膜，第二弹性变形薄膜，和位移进给部分是由整体材料线切割制成，是一整体结构，这样可以避免装配结合面的接触刚度对微位移精度的影响。第一压电陶瓷和第二压电陶瓷分别置于第一弹性变形薄膜和第二弹性变形薄膜的中间位置。

一种基于切削力波动特性的单晶材料切削方法，其具体步骤为：1）利用断裂力学和位错力学对各晶面在不同载荷下位错发生过程进行相应的计算，得到各个晶向最佳受力情况，并存储于计算机中；2）根据切削理论可知，切削力大则该晶体学方向不容易加工，切削力小则该方向容易加工，所以切削加工前采集单晶材料的切削力波动特性信息，也记录于计算机中，当切削加工时，依据工件的旋转速度计算工件与刀刃接触时的该晶体学方向，并实时从计算机中记录的切削力波动信息中检索该晶体学方向的切削力大小值；3）依据检索到的切削力大小，以及各个晶向的最佳受力情况来控制不同单晶材料。超精密切削自适应刀架机构主要采用两个压电陶瓷，使刀夹可上下倾斜动并且刀具可以前后微量进给。当加工不同晶面或同一晶面不同晶向时，使两个压电陶瓷分别对刀具前角和刀具与待加工表面之间的相对距离自动做出调整，得到最优的加工方向与位置。

微调刀架本发明使用带有单晶材料切削力波动特性信息的计算机控制压电陶瓷的伸长和缩短，从而对刀具前角以及刀具与工件之间相对距离进行微量调整，能实现一次装夹就可以根据单晶材料切削加工表面的力学波动特性调整刀具与工件表面倾角以及刀具与工件相对距离的目的，实现单晶材料均匀一致的表面质量的切削加工要求，且具有加工效率高，精度高，操作方便等特点。

附图说明：

图1是微调刀架的工作原理示意图。

图2是微调刀架俯视图。

图3是单晶锗的晶体结构示意图。

图4是单晶锗（111）晶面与滑移面晶体方位关系图。

图5是单晶锗（100）晶面与滑移面晶体方位关系图。

图6是单晶锗（110）晶面与滑移面晶体方位关系图。

图7是单晶精密切削力测量系统示意图。

图8是采集切削力并分析切削力的波动特性图。

具体实施方式：

如图1和图2所示：存储单晶材料切削力波动信息的计算机4，通过数据线5分别控制第一压电陶瓷2和第二压电陶瓷11，第一压电陶瓷2的伸长和缩短可使第一弹性变形薄膜3发生伸长和缩短，从而调节刀具6与单晶材料7表面之间的垂直方向距离；第二压电陶瓷11的伸长和缩短可使第二弹性变形薄膜10发生伸长和缩短，从而调节刀具6与单晶材料7的表面之间倾斜角度，以此实现刀具相对工件位置关系的调节。

实施例

1）分析单晶锗的晶体结构如下：单晶锗与单晶硅和金刚石具有相同的晶体结构，单晶锗有三个晶面分别是（111）、（110）、（100）晶面，晶体结构如图3所示，其中（111）晶面是滑移面。

当沿着不同晶面切削加工时被加工晶面与滑移面之间的晶体学关系如图4-图6所示。

2）计算每个晶面的力学性能

弹性模量和泊松比：

$\frac{1}{E}=S_{11}-2\[(S_{11}-S_{12})-\frac{1}{2}{S}_{44}\]({l_1}^2{l_2}^2+{l_2}^2{l_3}^2+{l_3}^2{l_1}^2)$

$v=-E\[S_{12}+(S_{11}-S_{12}-\frac{1}{2}{S}_{44})({l_1}^2{m_1}^2+{l_2}^2{m_2}^2+{l_2}^2{m_2}^2)\]$

式中S_ij——柔度系数；l_i——晶体学取向方向余弦，i=1,2,3；m_i——与晶体学取向正交的晶向的方向余弦，i=1,2,3。

断裂韧性：

${K^2}_{\mathrm{cleave}}\≈4G\frac{{\mathrm{Ea}}_0}{72(1-2v)}$

a₀——常数，a₀=0.543nm；ν——单晶硅的泊松比；E——弹性模量；G——剪切模量。

裂纹发射位错的临界应力强度因子:

$K_{\mathrm{IIe}}={\left(\frac{{2\mathrm{Gr}}_{\mathrm{\μs}}}{1-v}\right)}^{1/2}$

式中γ_μs——为不稳定堆垛能，

b——伯格斯矢量。

3）计算得到各个晶向最佳受力情况

根据线弹性理论，在I和II型外加载荷kI和kII作用下，滑移面上的应力为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\πr}}}\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}\[k_I(1+\cos \mathrm{\θ})-{3k}_{\mathrm{II}}\sin \mathrm{\θ}\]$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{r\θ}}==\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\πr}}}\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}\[k_I\sin \mathrm{\θ}+k_{\mathrm{II}}(3\cos \mathrm{\θ}-1)\]$

位错从裂纹尖端发射后，沿滑移面已发射位错产生的应力强度因子为：

$k_{\mathrm{Is}}=-\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\π}{r}_c}}\frac{\mathrm{Gb}}{(1-v)}3\sin \mathrm{\θ}\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}$

$k_{\mathrm{IIs}}=-\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\π}{r}_c}}\frac{\mathrm{Gb}}{(1-v)}(3\cos \mathrm{\θ}-1){\cos }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}$

4）计算在该晶面内沿不同晶向切削时所产生的位错数量，进而判断其最佳的切削刀具角度：

$\frac{k_{\mathrm{II}}}{k_I}=\tan {\mathrm{\ψ}}_0$

5）采集单晶材料的切削力信号，单晶精密切削力测量系统示意图如图7所示：其中F_p—切深抗力，F_c—主切削力，F_f—进给抗力。单晶精密切削力测量系统包括真空吸盘及工件、刀具、测力仪、电荷放大器、数据采集板和主机显示系统；工件装夹在真空吸盘上，刀具安装在测力仪上，力学信号转换为电信号并通过电荷放大器放大后，通过数据采集板采集并在主机显示系统上显示。

6）采集切削力并分析切削力的波动特性，其波动特性如图8所示，其中横轴为采集时间，以秒为单位；纵轴为切削抗力，以牛顿为单位。

7）将切削力波动特性存储于计算机中，切削加工时，计算机不断读取切削力大小，以及各个晶向的最佳受力情况来控制不同单晶材料超精密切削自适应刀架机构主要采用两个压电陶瓷，使刀夹可上下倾斜动并且刀具可以前后微量进给。当加工不同晶面或同一晶面不同晶向时，使两个压电伸缩传感器分别对刀具前角和刀具与待加工表面之间的相对距离自动做出调整，得到最优的加工方向与位置。

Claims (1)

1.一种基于切削力波动特性的单晶材料切削方法，其具体步骤为：1）利用断裂力学和位错力学对各晶面在不同载荷下位错发生过程进行相应的计算，得到各个晶向最佳受力情况，并存储于计算机中；其步骤为：①分析单晶锗的晶体结构如下：单晶锗与单晶硅和金刚石具有相同的晶体结构，单晶锗有三个晶面分别是（111）、（110）、（100）晶面，其中（111）晶面是滑移面；②计算每个晶面的力学性能

弹性模量和泊松比：

$\frac{1}{E}=S_{11}-2\[(S_{11}-S_{12})-\frac{1}{2}{S}_{44}\]({l_1}^2{l_2}^2+{l_2}^2{l_3}^2+{l_3}^2{l_1}^2)$

$v=-E\[S_{12}+(S_{11}-S_{12}-\frac{1}{2}{S}_{44})({l_1}^2{m_1}^2+{l_2}^2{m_2}^2+{l_2}^2{m_2}^2)\]$

式中S_ij——柔度系数；l_i——晶体学取向方向余弦，i=1,2,3；m_i——与晶体学取向正交的晶向的方向余弦，i=1,2,3；

断裂韧性：

${K^2}_{\mathrm{cleave}}\≈4G\frac{{\mathrm{Ea}}_0}{72(1-2v)}$

a₀——常数，a₀=0.543nm；ν——单晶硅的泊松比；E——弹性模量；G——剪切模量；

裂纹发射位错的临界应力强度因子:

$K_{\mathrm{IIe}}={\left(\frac{{2\mathrm{Gr}}_{\mathrm{\μs}}}{1-v}\right)}^{1/2}$

式中γ_μs——为不稳定堆垛能，

b——伯格斯矢量；

③计算得到各个晶向最佳受力情况

根据线弹性理论，在I和II型外加载荷kI和kII作用下，滑移面上的应力为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\πr}}}\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}\[k_I(1+\cos \mathrm{\θ})-{3k}_{\mathrm{II}}\sin \mathrm{\θ}\]$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{r\θ}}==\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\πr}}}\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}\[k_I\sin \mathrm{\θ}+k_{\mathrm{II}}(3\cos -1)\]$

位错从裂纹尖端发射后，沿滑移面已发射位错产生的应力强度因子为：

$k_{\mathrm{Is}}=-\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\π}{r}_c}}\frac{\mathrm{Gb}}{(1-v)}3\sin \cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}$

$k_{\mathrm{IIs}}=-\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\π}{r}_c}}\frac{\mathrm{Gb}}{(1-v)}(3\cos \mathrm{\θ}-1){\cos }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}$

④计算在该晶面内沿不同晶向切削时所产生的位错数量，进而判断其最佳的切削刀具角度：

$\frac{k_{\mathrm{II}}}{k_I}=\tan {\mathrm{\ψ}}_0$

⑤采集单晶材料的切削力信号，单晶精密切削力测量系统包括真空吸盘及工件、刀具、测力仪、电荷放大器、数据采集板和主机显示系统；工件装夹在真空吸盘上，刀具安装在测力仪上，力学信号转换为电信号并通过电荷放大器放大后，通过数据采集板采集并在主机显示系统上显示；

⑥采集切削力并分析切削力的波动特性；

2）根据切削理论可知，切削力大则该晶体学方向不容易加工，切削力小则该方向容易加工，所以切削加工前采集单晶材料的切削力波动特性信息，也记录于计算机中，当切削加工时，依据工件的旋转速度计算工件与刀刃接触时的该晶体学方向，并实时从计算机中记录的切削力波动信息中检索该晶体学方向的切削力大小值；3）依据检索到的切削力大小，以及各个晶向的最佳受力情况来控制不同单晶材料；本方法采用一种微调刀架，包括刀架体，第一压电陶瓷安装支架，第一压电陶瓷，第一弹性变形薄膜，计算机系统，刀夹体，第二弹性变形薄膜，第二压电陶瓷和第二压电陶瓷安装支架；计算机系统通过数据线与第一压电陶瓷和第二压电陶瓷连接；刀夹体固定在刀架体上；刀具安装在刀夹体内；第一压电陶瓷和第二压电陶瓷分别置于第一弹性变形薄膜和第二弹性变形薄膜的中间位置，微调刀架机构采用两个压电陶瓷，使刀夹可上下倾斜动并且刀具可以前后微量进给，当加工不同晶面或同一晶面不同晶向时，使两个压电陶瓷分别对刀具前角和刀具与待加工表面之间的相对距离自动做出调整，得到最优的加工方向与位置。

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