单晶硅超精密加工技术仿真

目 录
前 言
第1章 绪论.......................................................................................................................................1
1.1　单晶硅超精密切削加工的发展现状.......................................................................................2
1.1.1　单晶硅脆塑性转变机理研究的国内外现状....................................................................2
1.1.2　金刚石刀具的超精密加工现状........................................................................................4
1.2　切削的有限元仿真发展现状...................................................................................................6
1.2.1　有限元软件的选择和简介................................................................................................6
1.2.2　有限元超精密切削的仿真研究现状................................................................................7
1.3　单晶硅超精密切削的分子动力学仿真发展现状...................................................................9
第2章 超精密切削有限元理论研究及模型建立...............................................................12
2.1　切削的基本理论.....................................................................................................................12
2.1.1　切削变形区......................................................................................................................12
2.1.2　超精密切削机理及最小切削深度..................................................................................13
2.2　有限元法的概述.....................................................................................................................16
2.3　非线性有限元基础与求解方法.............................................................................................17
2.3.1　非线性问题的分类..........................................................................................................17
2.3.2　非线性有限元的求解方法及迭代的收敛判据..............................................................21
2.4　Marc超精密切削的有限元建模............................................................................................23
2.4.1　建立超精密切削的几何模型..........................................................................................24
2.4.2　建立刀具和工件的材料模型..........................................................................................24
2.4.3　建立接触摩擦模型..........................................................................................................25
2.4.4　边界条件的定义..............................................................................................................27
2.4.5　建立切屑的分离模型......................................................................................................27
2.4.6　热机耦合..........................................................................................................................29
2.5　本章小结.................................................................................................................................30
第3章 单晶硅二维精密切削过程的有限元仿真和结果分析.......................................31
3.1　切屑形状的研究.....................................................................................................................31
3.1.1　切屑形成机理的研究......................................................................................................31
3.1.2　刀具几何参数对切屑形状的影响..................................................................................32
3.1.3　切削参数对切屑形状的影响..........................................................................................34
3.2　单晶硅精密切削中切削力的研究.........................................................................................35
3.2.1　切削力随时间的变化规律..............................................................................................35
3.2.2　刀具几何参数对切削力的影响......................................................................................37
3.2.3　切削参数对切削力的影响..............................................................................................38
3.3　单晶硅精密切削中的应力场分析.........................................................................................38
3.3.1　单晶硅应力场的分布......................................................................................................38
3.3.2　刀具几何参数对应力的影响..........................................................................................39
3.3.3　切削参数对应力的影响..................................................................................................41
3.4　单晶硅精密切削中的温度场分析.........................................................................................43
3.4.1　单晶硅超精密切削的切削温度场..................................................................................43
3.4.2　刀具几何参数对切削温度的影响..................................................................................45
3.4.3　切削参数对切削温度最大值的影响..............................................................................46
3.5　本章小结.................................................................................................................................47
第4章 单晶硅超精密切削实验及有限元模型的验证.....................................................48
4.1　超精密切削系统的建立.........................................................................................................48
4.1.1　超精密加工系统组成......................................................................................................48
4.1.2　超精密加工系统原理......................................................................................................50
4.2　超精密切削的实验研究.........................................................................................................50
4.3　本章小结.................................................................................................................................53
第5章 单晶硅纳米加工的三维仿真......................................................................................54
5.1　三维有限元建模.....................................................................................................................54
5.2　单晶硅晶面的选择.................................................................................................................57
5.3　单晶硅微纳结构的加工.........................................................................................................60
5.4　本章小结.................................................................................................................................63
第6章 单晶硅超精密切削的分子动力学建模...................................................................64
6.1　分子动力学仿真方法.............................................................................................................64
6.1.1　分子动力学仿真的基本思想和理论..............................................................................64
6.1.2　周期性边界条件..............................................................................................................65
6.1.3　分子动力学系统的运动方程..........................................................................................67
6.1.4　积分算法与势函数..........................................................................................................68
6.1.5　系综概念..........................................................................................................................71
6.1.6　时间步长..........................................................................................................................73
6.2　分子动力学仿真步骤.............................................................................................................74
6.3　仿真模型的建立.....................................................................................................................76
6.4　本章小结.................................................................................................................................77
第7章 硅表面超精密切削的分子动力学仿真与分析.....................................................78
7.1　单晶硅切削过程的仿真.........................................................................................................78
7.1.1　仿真模拟参数设定..........................................................................................................78
7.1.2　弛豫分析..........................................................................................................................79
7.2　切削物理参数分析.................................................................................................................80
7.2.1　原子间势能分析..............................................................................................................80
7.2.2　切削力分析......................................................................................................................81
7.3　单晶硅纳米切削机理分析.....................................................................................................83
7.4　本章小结.................................................................................................................................84
第8章 加工参数对硅表面切削过程的影响........................................................................85
8.1　切削深度对仿真结果的影响.................................................................................................85
8.2　切削速度对仿真结果的影响.................................................................................................87
8.3　刀具前角对仿真结果的影响.................................................................................................89
8.4　刀尖形状对仿真结果的影响.................................................................................................92
8.5　本章小结.................................................................................................................................94
参考文献............................................................................................................................................95