单晶硅微细沟槽织构化表面的微磨削加工理论及实验研究

传统织构化加工技术的材料局限性和物理化学缺陷严重制约了织构化表面的应用与发展。本课题充分发挥超精密磨削加工技术的优势，将其应用到织构化表面的加工中，以实现单晶硅微细沟槽织构化表面的高精度和无亚表面裂纹微磨削加工为目标，首先研究单晶硅微细沟槽织构化表面的微磨削加工理论，建立其无亚表面裂纹微磨削加工的临界磨削参数预测模型；其次自行设计切刃可替换的单刃金刚石砂轮和微磨削加工实验装置，研究单刃金刚石砂轮的动平衡方法和微细沟槽织构化微磨削加工的精确进给控制技术；最后，根据微细沟槽织构化表面的结构特点，规划其微磨削加工工艺，进行单晶硅微细沟槽织构化表面的微磨削加工实验，并对其加工质量进行检测和评价。本项目研究的微细沟槽织构化表面的微磨削加工理论和方法，丰富了织构化表面的制造加工技术，可获得无亚表面裂纹的高精度单晶硅微细沟槽织构化表面，在表面工程领域具有巨大的应用前景和经济价值。

本课题应用断裂力学和能量分析原理，研究并实现了单晶硅微细沟槽织构化表面的微磨削加工。研究工作体现为以下四个方面：1. 单晶硅微细沟槽织构化表面的微磨削加工理论。建立了单切刃磨粒金刚石砂轮磨削加工的运动学模型，结合单晶硅等硬脆性材料的材料特性，研究单晶硅等硬脆性材料的脆塑性转变机理，获得单晶硅等硬脆性材料发生延性域磨削加工的成立条件与机理[见Key Engineering Materials, 487, 58-62(2011)]。2. 最小亚表面损伤微磨削加工的临界参数预测模型。建立微细沟槽织构化表面的微磨削加工模型，分析砂轮半径与转速、进给速度和最大切深等对加工的影响。3. 完成单晶硅微细沟槽织构化表面微磨削加工实验装置的研制。研制了切刃可替换的织构化表面微磨削加工用砂轮工具[一种外径可调切刃可替换的单刃金刚石磨削砂轮(专利号：201010506303.2)，2012.7.4]，并采用质量均匀布置的方法解决其动平衡问题。设计并制造了微细沟槽织构化表面的微磨削加工实验装置平台[一种用于机械加工的三轴倾角可调平台(专利号：201110026245.8)，2012.10.10。]，研究了微细沟槽织构化表面加工实验装置平台的控制方法和数控技术，形成了织构化表面微磨削加工的控制软件。4. 实现黄铜、单晶硅、陶瓷和BK7光学玻璃的圆弧微细沟槽阵列织构化表面微磨削加工工艺。研究了圆弧微细沟槽直勾划表面微磨削加工工艺，采用三种不种刀具前角的金刚石磨粒，对单晶硅、陶瓷和光学玻璃等材料分别进行微细沟槽单切刃金刚石微细沟槽织构化表面的微磨削实验，观察并分了加工织构化表面的缺陷和金刚石磨粒的磨损情况。研究结果表明，利用单切刃金刚石磨粒可以实现硬脆材料的微细沟槽织构化表面微磨削加工，且加工参数控制在一定范围内时，可获得高质量的织构化表面图案，并有效降低金刚石磨粒的磨损程度，其研究结果准备投稿。