基于SEM在线纳米切削的切削力检测研究

摘要

提高加工零件的表面质量、精度与加工完整性对于超精密加工技术的发展具有长远的意义。纳米切削的实验验证等相关基础研究是推动纳米切削技术发展的重要基础。本文针对纳米切削过程中切削力检测的难题，利用实验室自主研发的基于扫描电镜SEM在线纳米切削平台，采集实时观测到的纳米切削过程视频，采用图像视觉处理的方法，开展了一系列针对典型脆性材料单晶硅SEM纳米加工的切削力检测研究工作，主要包括单晶硅纳米切削加工中刀具纳米尺度挠度波动及与切削力的对应关系、刀杆挠度检测精度与误差分析等相关研究。论文主要研究内容概括如下：
　　（1）针对单晶硅材料的各向异性会影响加工过程中切削力变化的现象，分析了单晶硅晶体结构和力学特性。利用三维建模的方法建立了影响单晶硅切削的弹性模量与剪切模量的各向异性分布图。根据材料弹性模量与剪切模量随着晶体取向的变化分布规律分析推算出与切削加工方向呈不同角度时剪切角的理论值。将单晶硅材料的本构参数与切削力理论计算公式相结合建立了单晶硅塑性域切削过程中切削力计算模型。通过单晶硅切削的有限元仿真定性分析了切削参数以及晶面参数对于切削力的影响规律。
　　（2）对集成在SEM纳米切削平台的刀杆进行结构仿真设计，完善了通过检测刀杆变形获得纳米切削过程中切削力的方法。依据实验需求主要设计了5种不同的刀杆结构，利用有限元法分析了刀杆尖端位置处力与挠度的变化关系，并分别对每种刀杆进行了刚度标定。通过数据拟合建立了刀杆切削力与挠度的关系表达式以便满足不同纳米切削加工实验的刀杆设计加工需求。
　　（3）基于SEM在线纳米切削视频的图像处理方法，开展了对于单晶硅脆性与塑性切削加工的切削力变化规律研究。为了实现扫描电镜下在线纳米切削的切削力检测，在SEM在线高分辨率显微表征下，通过提取单晶硅纳米切削视频，检测视频中的刀具，且将刀具作为目标，实现对其跟踪处理。跟踪过程中提取目标像素点的坐标，通过尺寸标定与目标匹配实现对切削过程中刀杆的挠度检测，将所检测的刀具挠度代入到刀杆的力—挠度拟合公式求得切削力的大小。对比分析了单晶硅脆性去除与塑性去除时切削力变化规律。最后，通过刀具空切视频处理所获得的刀杆实际运行速度与理想运行速度的对比来分析刀杆挠度检测精度，并针对图像处理中所采用的算法对挠度检测误差进行分析。

目录

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第1章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2纳米切削机理的研究现状

1.3切削力检测研究与发展现状

1.4课题来源与研究内容

第2章 单晶硅力学特性分析及切削力预测

2.1 单晶硅晶体结构及其滑移系

2.2 单晶硅的力学特性

2.3单晶硅超精密加工中切削力理论值计算

2.4 本章小结

第3章 单晶硅超精密切削有限元仿真分析

3.1 ABAQUS简介

3.2单晶硅切削有限元模型

3.3本章小结

第4章 纳米切削平台介绍与刀杆结构设计

4.1 FIB/SEM双束系统工作原理

4.2 扫描电子显微镜

4.3基于SEM三维原位纳米切削平台

4.4 单晶硅纳米切削视频采集

4.5 切削平台刀杆夹具设计

4.6刀杆挠度与切削力推算原理

4.7 刀杆材料选择及结构设计

4.8刀杆有限元模拟分析

4.9 刀杆挠度与切削力关系拟合公式

4.10本章小结

第5章 基于SEM在线纳米切削的切削力检测

5.1基于SEM图像处理的软件系统设计

5.2 切削视频刀具目标检测与跟踪算法研究

5.3基于切削视频的刀具挠度检测

5.4主切削力预测

5.5 刀杆挠度检测的精度与误差分析

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢