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3N#% /2 N%Z 表面特征是控制工业产品表面质量的主要内容,它是实际表面上某些典型偏差的综合。超精密加球面质量,主要包括粗糙度、波纹度和面形精度,三者是根据表面测量的空间尺度和频率不同来划分的。一个复杂的表面轮廓可分为3类空间频率成分:表面的低频分量(面形)、高频分量(表面粗糙度)、介于此二者之间的中频分量(波纹度)。
&h-1Z} 因为零件的表面质量是影响其使用性能的最重要因素。对于光学表面而言,面形误差反映光线经表面后走向的准确性,波纹度和粗糙度则与表面散射有关,特别地,波纹度与小角散射有关。对于成像系统,小角散射会产生像散,使像面模糊,降低系统的分辨率;对于反射系统,波纹度反映了表面的不均匀程度,它会造成镜面反射及散射不均,这在某些应用中是至关重要的。
_i#Z'4?2E 在超精密车削中,很多因素都对表面加工质量有影响。如刀具的几何参数、主轴回转精度、溜板运动精
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2 度、自振与隔振、系统稳定性等。这些因素自身具有一定规律性,这些有规律的影响因素以其固有的规则对表面加工质量产生影响。为了实现超精密车削必须对切削用量进行优选,因而需要预测将要获得的表面粗糙度。通过对表面粗糙度影响因素分析模型理论的研究,可进一步进行机床、单元部件、刀具、切削机理和切削工艺的研究。
tB.9Ov* 2.1分析模型与理论
:QNEA3Q 纳米级超精密切削一般指切削深度为0.1—5nm、Ra≤10nm的超精密切削过程。在此切削状态下,刀具和被切件的切削参数特征是原子、分子尺度。因此,纳米级超精密切削过程的研究涉及到材料组成的非均匀系统的能量转换、结构变化、分子动力学和热力学过程,以及在非线性状态下的机械加工过程。
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SP@ 2.1.1 分子动力学模型
lLv0lf 分子动力学仿真的基本原理是建立一个粒子系统对所研究的微观现象进行仿真,系统中各分子间的相互作用根据量子力学来确定。分子动力学仿真的核心问题是计算相关粒子的力学性能,其基本假设如T:(1) 所有粒子的运动都遵循经典牛顿力学规律;(2)粒子之间的相互作用满足叠加原理。分子动力学模型如图1
DS fKUx& 所示。
arJ[.f9s }2S \- `Ii>wb 图1分子动力学模型
'`u1,h YX(%jcj* 对于粒子数为n的物理系统,其力学描述的哈密顿形式可以写为
$oEDyC Jo ^o`9 8}"j#tDc I$&/?ns@O 哈密顿函数量为
-~g3?!+Hb gFH_^~7i8p >vhyKq|g< Z:Wix|,ONS 式(1)—(3)中,qi、Pi分别为第i个粒子的广义坐标和动量,mi为该粒子的质量,U为系统的总势能函数。该系统力学描述的牛顿方程形式为
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+_G%tv >*MB_m2| {mDaK&]Oh FYJB.lAT 式(4)、(5)中,Fi是第i个粒子所受到的合力;ri是该粒子的位置坐标。
='FEC-f95 在分子动力学仿真中,势函数的选择非常重要,它决定了计算工作量和计算模型与真实系统的近似程
/zWWUl`: 度。在计算中应针对不同材料同时考虑多原子价键之间相互影响和量子效应等因素选择相应的势函数。
S^u!/ =& 2.1.2 基于分子动力学的位错理论
;S7xJ'H 基于分子动力学的位错理论分析为揭示晶体中各种现象的本质提供了有效的方法,位错实质上是原子的一种特殊组态,其形成原因比较复杂。依据位错理论的研究表明,位错的运动和交互作用是形成断裂源的主要原因。形成位错的主要机理如下:
8"@<s?0\" (1)位错塞积理论 由斯特洛(Stroh)提出,是指位错塞积引起应力集中,最后形成类似楔状裂纹源,增大楔厚直至形成裂纹。
IO4 IaeM TJ<PT (2)位错反应理论 这是Cottrell根据位错反应规律提出一个能量消耗更小的裂纹成核模型。该理论提出在两个相交的滑移面中运动的位错沿着交线汇合而形成裂纹的位错反应机制。
/D q]=P (3)滕田位错销毁理论 在两个滑移面上,有两列不同符号的刃型位错,在切应力作用下发生相对位移,当两滑移面间距<10个原子间距时,它们就合并销毁而形成裂纹。
6!$S1z#wM (4)螺型位错裂纹机理 螺型位错得到割阶,割阶产生孔洞,孔洞发展成为裂纹核心。
}y1M0^M-$ 分子动力学模型和位错理论的研究表明,如果仅从断裂机理研究,在超精密切削中其断裂层面是分子量级的表面形貌。如按一般材料,其断裂层面厚约0.01-1nm。因而,在表面粗糙度Ra为10 nm数量级的超精密切削中,其断裂层面质量对加工件表面质量影响不占主要因素。但是,在超精密加工已经进入到纳米数量级后,它就成了重要的影响因素。
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{:Q2Itsy 2.2 表面质量影响因素的研究
VXa]L4jJ9 在超精密切削加工中,影响加工表面质量的因素很多,加材料的切削性能、主轴运动精度、溜板运动精度、自振与隔振、刀具与冷却、切削参数以及环境条件等。这些因素就是以其复杂的规律影响着工件的加工过程,这些因素的规律也均具有分形的性质。如果表面粗糙度为集合B,其它的影响因素为子集A1,A2,A3,A4...(i=l,2,3,...)。则A1,A2,A3,A4..Ai对加工表面粗糙度的影响等都含在集合B中。从式(6)可知,Ai各因素的影响幅度可由分形规律进行分析和处理。
<i5^izg 纳米级超精密加工表面质量和许多因素有关,其表面参数的分形特性也和各因素规律的分形特性有关。无论从交集和并集的角度分析,在加工过程中相关各因素均将以不同的程度影响着最终的加工表面质
A28w/=e7 量。如果是并集,NlJ表面分维数与各因素分维数遵守下式:
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