CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

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SPH方法的单晶硅激光辅助切削仿真与试验

黄分平 舒霞云 许伟静 常雪峰

黄分平, 舒霞云, 许伟静, 常雪峰. SPH方法的单晶硅激光辅助切削仿真与试验[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2023, 43(6): 727-734. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0025
引用本文: 黄分平, 舒霞云, 许伟静, 常雪峰. SPH方法的单晶硅激光辅助切削仿真与试验[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2023, 43(6): 727-734. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0025
HUANG Fenping, SHU Xiayun, XU Weijing, CHANG Xuefeng. Simulation and experimental study of single-crystal silicon laser assisted cutting based on SPH method[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2023, 43(6): 727-734. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0025
Citation: HUANG Fenping, SHU Xiayun, XU Weijing, CHANG Xuefeng. Simulation and experimental study of single-crystal silicon laser assisted cutting based on SPH method[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2023, 43(6): 727-734. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0025

SPH方法的单晶硅激光辅助切削仿真与试验

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0025
基金项目: 国家自然科学基金(51875491)。
详细信息
    作者简介:

    黄分平,男,1998年生,硕士研究生。主要研究方向:单晶硅超精密加工。E-mail:2456712926@qq.com

    通讯作者:

    常雪峰,男,1975年生,教授。主要研究方向:超精密加工、齿轮表面微结构等。E-mail:xfchang@xmut.edu.cn

  • 中图分类号: TG58; TG71; TQ164

Simulation and experimental study of single-crystal silicon laser assisted cutting based on SPH method

  • 摘要: 单晶硅加工过程中很容易产生细微裂纹,从而影响表面加工质量。激光辅助加工(laser-assisted machining, LAM)可以软化代加工区域,有效减小切削力,延长刀具寿命,提高表面加工质量。建立热力耦合的SPH模型,来模拟单晶硅激光辅助车削过程,在不同温度条件下,探究裂纹扩展损伤和切削应力以及转速和切深对表面粗糙度的影响,并通过LAM试验,验证仿真结果的准确性。结果表明:提高温度有利于单晶硅的塑性切削,随着切削域温度的增加刀具应力逐渐减小,300 ℃时的刀具应力较常温下降低了约50%,表面加工质量有明显提升;且600 ℃时的切屑为塑性流动锯齿线条,其塑性大幅度提高。切削时应选择较小的切削深度,低于4 500 r/min的转速,单晶硅表面粗糙度Sa可在1.000 nm以下。

     

  • 图  1  单晶硅切削仿真模型

    Figure  1.  Simulation model of monocrystalline silicon cutting

    图  2  “虚粒子法”对称平面

    Figure  2.  “Virtual particle” plane of symmetry

    图  3  激光加热模型

    Figure  3.  Laser heating model

    图  4  激光加热单晶硅截面温度场分布

    Figure  4.  Temperature field distribution of single crystal silicon section heated by laser

    图  5  600 ℃激光加热辅助切削应力分布图

    Figure  5.  Stress distribution diagram of laser assisted cutting at 600 ℃

    图  6  已加工表面应力分布图

    Figure  6.  Stress distribution diagram of machined surface

    图  7  不同温度切削力仿真曲线图

    Figure  7.  Simulation curve of cutting force at different temperatures

    图  8  切削仿真材料表面粗糙度

    Figure  8.  Cutting simulation material surface roughness

    图  9  切削速度与表面粗糙度曲线图

    Figure  9.  Curve of cutting speed and surface roughness

    图  10  切削深度与表面粗糙度曲线图

    Figure  10.  Curve of cutting depth and surface roughness

    图  11  激光加热辅助车削装置

    Figure  11.  Laser heating assisted turning device

    图  12  温度对单晶硅表面粗糙度的影响

    Figure  12.  Effect of temperature on surface roughness of monocrystalline silicon

    图  13  背吃刀量对单晶硅表面粗糙度的影响

    Figure  13.  Influence of back cut on surface roughness of monocrystalline silicon

    图  14  主轴转速对单晶硅表面粗糙度的影响

    Figure  14.  Influence of back feed on surface roughness of monocrystalline silicon influence of spindle speed on surface roughness of monocrystalline silicon

    图  15  不同温度下的切屑形貌

    Figure  15.  Chip morphology at different temperatures

    表  1  金刚石刀具部分参数

    Table  1.   Some parameters of diamond tools

    属性取值
    密度 ρ / ( kg·m−3)3 500
    弹性模量 E / GPa850
    泊松比 v0.1
    比热 c / ( J·kg−1·℃)471.5
    熔化温度 θ / ℃4 027
    热传导系数 λ / ( W·m−1·℃)1 500
    热膨胀系数 ε / ( μm· m−1·℃)2.0
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    表  2  J-C 模型参数

    Table  2.   J-C model parameters

    参数A / MPaB / MPamnC
    数值30015971.1630.450.004
    参数D1D2D3D4D5
    数值0.0530.9−1.50.010.6
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-16
  • 修回日期:  2023-03-29
  • 录用日期:  2023-04-06
  • 网络出版日期:  2023-11-06
  • 刊出日期:  2023-12-01

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