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复合表面微织构单晶金刚石车刀超精密切削单晶硅机理研究

批准号:
52105178
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
戴厚富
依托单位:
学科分类:
摩擦学及机械表界面科学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
戴厚富

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
单晶硅广泛应用于集成电路、微纳米尺度器件、红外光学系统等领域。然而,由于单晶硅的硬脆性,金刚石单点车削单晶硅时易产生微裂纹和凹坑,且车刀易产生崩刃、沟槽磨损等问题。研究发现合理的复合表面微织构能显著改善刀具切削性能和减缓刀具磨损。据此,本项目拟采用飞秒激光微织构单晶金刚石车刀,提出使用复合表面微织构单晶金刚石车刀超精密切削单晶硅的构想。结合实验观测和和数值方法展开研究:结合实验研究和有限元仿真从宏观尺度探究复合表面微织构对单晶金刚石车刀切削性能的影响机制,揭示复合表面微织构参数对车刀切削性能的影响规律及其机理;运用分子动力学模拟从微纳尺度探究复合表面微织构和刀具切削性能之间的内在关联,揭示复合表面微织构与切屑之间的微观润滑摩擦磨损机理,优化织构参数,为超精密切削技术的发展提供有重要价值的成果,完善织构刀具切削理论,大力促进高效高质量高寿命的绿色切削加工技术的发展。
英文摘要
Single-crystal silicon is widely used in integrated circuits, micro/nanoscale devices, infrared optical systems and other fields. However, due to the hardness and brittleness of single-crystal silicon, micro-cracks and pits are easy to occur when diamond single point turning single-crystal silicon, and the turning tool is prone to crack and groove wear. It is found that reasonable composite surface micro-texture can significantly improve the cutting performance and reduce tool wear. Therefore, this project plans to use femtosecond laser micro texture single crystal diamond turning tool, and put forward the idea of ultra-precision cutting single-crystal silicon with composite surface micro-textured single crystal diamond turning tool. Combined with experimental observation and numerical method, the research is carried out: combined with experimental research and finite element analysis, the influence mechanism of composite surface micro-texture on the cutting performance of single-crystal diamond turning tool is explored from the macro-scale, and the influence rule and mechanism of composite surface micro-texture parameters on the cutting performance of turning tool are revealed; molecular dynamics simulation is used to explore the composite surface micro-texture and tool cutting performance from the micro/nano-scale The internal relationship between cutting performance, reveals the micro lubrication friction and wear mechanism between composite surface micro-texture and chip, optimizes texture parameters, provides valuable results for the development of ultra-precision cutting technology, improves the cutting theory of textured tool, and vigorously promotes the development of green cutting technology with high efficiency, high quality and long life.
项目针对金刚石单点车削单晶硅时易产生微裂纹和凹坑,且车刀易产生崩刃、沟槽磨损等问题,采用复合表面微织构单晶金刚石车刀超精密切削单晶硅,达到了改善车刀切削性能和减缓车刀磨损的效果。项目采用试验研究、有限元仿真、MD模拟、机器学习和数学机制模型相结合的方法展开研究。研究发现通过激光分层成型烧蚀,在单晶金刚石片上加工出表面质量良好的复合表面微织构,对单晶金刚石刀具表面几乎没有损伤。通过机器学习得出在相比较线性模型和感知机模型,神经网络模型具有更好的优越性。对不同形状的单一织构以及由单一织构组成的复合织构进行了全面的对比分析,结果发现织构表面能够明显改善单晶硅工件的加工质量和内部损伤等情况。通过有限元法(FEM)和分子动力学(MD)构建了无织构和不同织构刀具的切削模型,详细研究了第一个沟槽距主切削刃的距离和沟槽深度对切削性能的影响。FEM研究发现,参数合理的宏观沟槽可降低切削力,并可起到断屑的作用。项目结合试验研究和数值方法,从宏观和微纳尺度揭示单晶金刚石车刀复合表面微织构与切削性能之间的内在关联,优化了复合表面微织构参数,有助于实现单晶硅高效、绿色超精密切削加工。该项目研究对促进单晶硅推广应用,推动超精密切削加工技术发展具有重要科学意义。
微结构化仿生表面单晶SiC和金刚石砂轮的激光制备及其磨削机理研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    38万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    戴厚富
  • 依托单位:
复合表面微织构单晶金刚石车刀超精密切削单晶硅机理研究
  • 批准号:
    12162008
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    30万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    戴厚富
  • 依托单位:
国内基金
海外基金