目 錄
前 言
第1章 緒論.......................................................................................................................................1
1.1單晶硅超精密切削加工的發展現狀.......................................................................................2
1.1.1單晶硅脆塑性轉變機理研究的國內外現狀....................................................................2
1.1.2金剛石刀具的超精密加工現狀........................................................................................4
1.2切削仿真發展現狀...................................................................................................6
1.2.1軟件的選擇和簡介................................................................................................6
1.2.2超精密切削的仿真研究現狀................................................................................7
1.3單晶硅超精密切削的分子動力學仿真發展現狀...................................................................9
第2章 超精密切理論研究及模型建立...............................................................12
2.1切削的基本理論.....................................................................................................................12
2.1.1切削變形區......................................................................................................................12
2.1.2超精密切削機理及小切削深度..................................................................................13
2.2法的概述.....................................................................................................................16
2.3非線基礎與求解方法.............................................................................................17
2.3.1非線性問題的分類..........................................................................................................17
2.3.2非線的求解方法及迭代的收斂判據..............................................................21
2.4Marc超精密切削建模............................................................................................23
2.4.1建立超精密切削的幾何模型..........................................................................................24
2.4.2建立刀具和工件的材料模型..........................................................................................24
2.4.3建立接觸摩擦模型..........................................................................................................25
2.4.4邊界條件的定義..............................................................................................................27
2.4.5建立切屑的分離模型......................................................................................................27
2.4.6熱機耦合..........................................................................................................................29
2.5本章小結.................................................................................................................................30
第3章 單晶硅二維精密切削過程仿真和結果分析.......................................31
3.1切屑形狀的研究.....................................................................................................................31
3.1.1切屑形成機理的研究......................................................................................................31
3.1.2刀具幾何參數對切屑形狀的影響..................................................................................32
3.1.3切削參數對切屑形狀的影響..........................................................................................34
3.2單晶硅精密切削中切削力的研究.........................................................................................35
3.2.1切削力隨時間的變化規律..............................................................................................35
3.2.2刀具幾何參數對切削力的影響......................................................................................37
3.2.3切削參數對切削力的影響..............................................................................................38
3.3單晶硅精密切削中的應力場分析.........................................................................................38
3.3.1單晶硅應力場的分布......................................................................................................38
3.3.2刀具幾何參數對應力的影響..........................................................................................39
3.3.3切削參數對應力的影響..................................................................................................41
3.4單晶硅精密切削中的溫度場分析.........................................................................................43
3.4.1單晶硅超精密切削的切削溫度場..................................................................................43
3.4.2刀具幾何參數對切削溫度的影響..................................................................................45
3.4.3切削參數對切削溫度值的影響..............................................................................46
3.5本章小結.................................................................................................................................47
第4章 單晶硅超精密切削實驗模型的驗證.....................................................48
4.1超精密切削繫統的建立.........................................................................................................48
4.1.1超精密加工繫統組成......................................................................................................48
4.1.2超精密加工繫統原理......................................................................................................50
4.2超精密切削的實驗研究.........................................................................................................50
4.3本章小結.................................................................................................................................53
第5章 單晶硅納米加工的三維仿真......................................................................................54
5.1三建模.....................................................................................................................54
5.2單晶硅晶面的選擇.................................................................................................................57
5.3單晶硅微納結構的加工.........................................................................................................60
5.4本章小結.................................................................................................................................63
第6章 單晶硅超精密切削的分子動力學建模...................................................................64
6.1分子動力學仿真方法.............................................................................................................64
6.1.1分子動力學仿真的基本思想和理論..............................................................................64
6.1.2周期性邊界條件..............................................................................................................65
6.1.3分子動力學繫統的運動方程..........................................................................................67
6.1.4積分算法與勢函數..........................................................................................................68
6.1.5繫綜概念..........................................................................................................................71
6.1.6時間步長..........................................................................................................................73
6.2分子動力學仿真步驟.............................................................................................................74
6.3仿真模型的建立.....................................................................................................................76
6.4本章小結.................................................................................................................................77
第7章 硅表面超精密切削的分子動力學仿真與分析.....................................................78
7.1單晶硅切削過程的仿真.........................................................................................................78
7.1.1仿真模擬參數設定..........................................................................................................78
7.1.2弛豫分析..........................................................................................................................79
7.2切削物理參數分析.................................................................................................................80
7.2.1原子間勢能分析..............................................................................................................80
7.2.2切削力分析......................................................................................................................81
7.3單晶硅納米切削機理分析.....................................................................................................83
7.4本章小結.................................................................................................................................84
第8章 加工參數對硅表面切削過程的影響........................................................................85
8.1切削深度對仿真結果的影響.................................................................................................85
8.2切削速度對仿真結果的影響.................................................................................................87
8.3刀具前角對仿真結果的影響.................................................................................................89
8.4刀尖形狀對仿真結果的影響.................................................................................................92
8.5本章小結.................................................................................................................................94
參考文獻............................................................................................................................................95

前 言
超精密加工技術是評價一個國家制造技術水平高低的標準。隨著技術的進步，國防、航空及其他高新技術領域對加工材料高表面質量的需求越來越迫切。通過研究超精密加工和納米加工，利用新的理論來提高加工精度，將是未來的研究趨勢和熱點。
單晶硅是半導體集成電路產業的載體，其應用領域極為廣泛。研究表明，半導體器件的表面質量會影響其使用性能。單晶硅的超精密加工過程以及納米切削過程不能再用傳統切削理論來詮釋加工機理，而是要從原子或分子的角度來分析研究。使用傳統方法研究納米加工過程時，需要進行大量的加工實驗，對加工設備和加工環境的要求極為嚴格，而且當切削深度僅為若干個原子層時，不僅會加大實驗本身的難度，同時也會增加實驗時間和成本。本書提出采和分子動力學模擬方法來仿真單晶硅超精密切削過程，可以避免上述困難。
本書共分8章，每一章的內容前後呼應，總體敘述了利和分子動力學兩種仿真技術分析硬脆單晶硅材料的超精密加工過程，並建立超精密加工繫統進行實驗，進而的仿真結果進行驗證，既有基本原理和公式的闡述，也有對該領域國內外現狀的分析介紹。書中數據是著者本人及所帶研究生研究工作的彙集，同時對一些科學現像加以挖掘，對一些基本原理進行深入淺出的解釋。
各章題目和內容簡介如下：第1章緒論，介紹單晶硅超精密加工及其仿真技術的發展現狀，提出利和分子動力學對加工過程進行模擬分析的優勢；第2章超精密切理論研究及模型建立，介紹了金剛石超精密切削單晶硅的切削機理法的基本思想和計算流程，利用大型商軟件Marc，建立了金剛石超精密切削單晶硅的二仿真模型；第3章單晶硅二維精密切削過程仿真和結果分析，運用大分析軟件Marc對平面應變狀態下的單晶硅塑性域加工下的超精密切削模型進行了分析研究，分析刀具幾何參數和切削參數對切屑形成的影響，預測切削力、切削溫度以及應力受刀具幾何參數和切削參數改變的影響；第4章單晶硅超精密切削實驗模型的驗證，建立了一套微加工繫統，由於實驗條件和加工成本的限制，本實驗主要研究了刀具前角和切削刃鈍圓半徑對超精密切削加工表面質量的影響；第5章單晶硅納米加工的三維仿真，基於前面二Marc超精密切削模型得到的結論，使用優化後的切削加工參數對單晶硅的三維正交超精密切削過程進行研究；第6章單晶硅超精密切削的分子動力學建模，對分子動力學模擬方法進行了簡單介紹，討論確定了模擬的初始條件，並建立了單晶硅納米切削的三維仿真模型；第7 章硅表面超精密切削的分子動力學仿真與分析，使用LAMMPS 軟件並借助分子動力學方法來進行仿真計算，在三維圖像中從原子瞬時位置、溫度和原子間勢能等方面探討單晶硅切削過程中材料去除方式與已加工表面的成形機理；第8 章加工參數對硅表面切削過程的影響，主要研究切削
深度、切削速度、刀尖幾何形狀和刀具前角等幾方面因素的影響。
本書得到了國家自然科學基金委員會、浙江省自然科學基金委員會（項目編號Y20E050069）、先進水利裝備浙江省工程研究中心、浙江省農村水利水電資源配置與調控關鍵技術重點實驗室，以及著者的工作單位浙江水利水電學院機械與汽車工程學院的支持，在此一並表示感謝！
盡管著者為本書付出了十分的心血和努力，但書中難免存在一些疏漏和欠妥之處，敬請廣大讀者批評指正。
史立秋
2020 年4 月