硫化锌晶体的超精密车削加工技术研究-机械制造及其自动化专业论文.docx

Classified Index: TH161 U.D.C: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering STUDY ON ULTRA-PRECISION TURNING TECHNOLOGY OF CLEARTRAN ZnS CRYSTALS （Academic） Candidate： Cao Zhimin Supervisor： Prof. Zong Wenjun Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Mechanical Manufacturing and Automation Affiliation： School of Mechatronics Engineering Date of Defence： July, 2015 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 近年来，由于空间技术的进步、国防尖端科技的发展以及军事科学领域的迫 切需求，有关红外光学材料的制备工艺、特性分析及其超光滑镜面的加工技术等 问题，均受到世界各国的特殊关注。此外，这些技术的进步还会对计算机和光纤 通讯产业等民用科技的发展产生强烈的促进作用，并将带来广泛的应用价值和巨 大的经济效益。同时，随着单点金刚石超精密车削技术（SPDT）的日趋成熟，人 们迫切期望采用此种高精度、高效率、低成本、工艺简单的方法来完成多种复杂 光学元器件的超精密加工任务，进而弥补传统磨削、抛光工艺的诸多不足。据称 目前国外对于 ZnS 等多种红外材料，已能够进行较为成熟的 SPDT 镜面车削加工， 但鉴于其重要的军事科研价值，该加工工艺具有高度的保密特性且有关其具体加 工形式、加工设备和工艺条件等问题的报道更为鲜见。因而，我们必须独立研究 该类材料在超精密加工中的关键技术问题。而探寻一种新型的、适于 ZnS 等软脆 多晶材料的超精密车削加工工艺将具有重大的科研价值和实际意义。 本文主要围绕多晶 ZnS 材料的超精密车削加工工艺展开系统研究。归纳相关 研究成果具体涵盖以下几方面内容： 首先，利用维氏压痕实验对 ZnS 晶体材料的力学性能和压痕形貌进行了深入 研究，并通过理论计算求得了该材料发生裂纹扩展时的临界载荷条件。而基于纳 米压痕实验和量纲分析的方法，利用载荷-位移曲线求得了 ZnS 晶体材料的应力- 应变关系。综合分析两实验结果，获得了该材料的诸多性能指标，为后续理论建 模和仿真研究奠定了实验基础。 其次，基于“飞刀”斜角刻划的实验方法，利用独立振子模型和等效晶体理 论，建立起了脆性材料临界未变形切削厚度（CUCT）的预测模型，并得到了实验 验证，为揭示切削刃钝圆半径与脆性工件最小切削厚度之间的联系提供了理论依 据。此外，深入研究了超精密斜角车削过程，并建立了耦合材料特性、刀具特征 和加工参数的脆性材料的超精密斜角切削模型。基于所提出的“脆-塑耦合”临界 加工条件，利用超精密斜角切削模型分别对刀具进给率、切削深度、刀具前角、 刀尖圆弧半径和刀具斜切角的临界参数范围进行预测或优选，这为分析此类材料 镜面加工中的脆-塑耦合去除过程提供了理论指导。 再次，根据实验求得的 ZnS 晶体材料本构关系，应用 LS-DYNA 非线性有限 元分析软件对动态冲击条件下的脆性材料切削过程进行了模拟仿真，基于最大剪 切变形理论对各工艺参数与材料去除过程之间的关系进行了深入分析，其结果与 实验基本吻合。此外，还利用 SWOT 分析方法优化了各工艺参数，并获得它们的 工艺优先级次序为：1）刀具前角 2）切削深度 3）刀尖圆弧半径 4）刀具斜切角度 I - 5）刀具进给率，这为后续实验设计和切削工艺参数的优选提供了基本依据。 最后，利用单因素实验方法对前文理论建模和有限元仿真结果进行了验证， 系统研究了各工艺参数对改善 ZnS 晶体加工表面质量的作用及其内在联系。以抑 制或消除工件表面的麻点和凹坑、减小刀具磨损为目标，对 ZnS 晶体的最佳车削 工艺进行了优选，由此达到了较为理想的镜面加工效果。 关键词：超精密车削；ZnS 晶体；斜角车削；脆-塑转变；临界切削厚度； 压痕实验；有限元仿真 II - - - PAGE VII - Abstract In recent years, with the ever-increasing application or requirements in space science and technology, the national defen