基于微裂纹主动调控的硬脆单晶材料椭圆振动辅助飞切高效创成机理与方法

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51905322
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0509.加工制造
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Along with the development of optical technology, the demands of the complex optical surface elements are increasing. The hard-brittle monocrystalline materials, represented by Si, are widely used in various fields such as imaging, lighting and energy systems. However, the characteristics of high hardness, anisotropy, as well as the low fracture toughness, make them susceptible to brittle fracture, which is a typical difficult-to-cut materials. In addition, it is difficult to predict and control the surface and subsurface damage and it is easy to brittle fracture during machining. Therefore, an active control method for nucleation and propagation of microcracks based on elliptical vibration-assisted fly cutting was proposed, we focus on design and optimization problem of elliptical-vibration-based spatial motion modulation servo mechtronic system; studying material damage mechanism and nucleation and propagation of microcracks under the impact of varying load assisted by elliptical vibration fly cutting in different dimensions (one-dimensional vibration, oblique vibration and three-dimensional vibration), revealing the mechanism of microcrack nucleation and propagation active control based high efficiency, ductilie and low cost fabrication method. The completion of the project will provide key theoretical basis and technical support for the high efficiency, precision and low-cost fabrication of optical surfaces elements and the improvement of the machinability of hard-brittle monocrystalline materials.
硬脆单晶材料复杂光学曲面元件的需求日益增大,以单晶硅为代表的硬脆单晶材料在成像、照明和能源系统等领域有着广泛的应用前景,但该类材料具有高硬度、各向异性、低断裂韧性的特点,使其在加工过程中极易产生脆性断裂,是典型的难加工材料。因此,针对硬脆单晶材料加工易脆裂且表面及亚表面损伤难以预测和控制的问题,本项目提出一种基于椭圆振动辅助飞切的微裂纹形核与扩展主动调控方法,重点研究空间椭圆振动主动调制伺服机电系统设计与协调优化;不同维度(二维、斜角、三维)椭圆振动辅助飞切变载荷冲击作用下硬脆单晶材料损伤机制和微裂纹形核与扩展规律,揭示基于主动调控微裂纹形核与扩展行为的高效、延性、低成本创成机理。本项目的完成将为高效精密低成本地创成复杂光学曲面元件、改善硬脆单晶材料的切削加工性等方面提供关键理论基础和技术支撑。

结项摘要

硬脆单晶材料在光学、能源系统等领域有着重要的应用前景,然而其高硬度、各向异性和低断裂韧性等特点使其在加工成本和加工质量方面很难兼得。针对上述问题,本项目以硬脆单晶材料高效、延性、低成本创成为目标,针对单晶硅这一典型的硬脆单晶材料,提出了一种基于椭圆振动辅助切削的微裂纹主动调控方法,实现面向形面加工的硬脆单晶材料高效、延性、低成本创成。本项目的主要研究进展包括:(1)研制了压电致动可转位三自由度解耦高频伺服机电系统,建立了柔性运动机构的静力学、运动学和动力学模型,开展了柔性运动机构的多目标参数协调优化,建立了其伺服控制策略,研制的伺服驱动系统工作带宽可以达到5kHz,运动分辨率可以达到3nm,具有良好的运动解耦能力。(2)基于研制的伺服机电系统,开展了正交、斜角和三维椭圆振动辅助变切深刻划实验,探究了不同参数对单晶硅脆塑转变临界切深的影响规律,通过试验和仿真揭示了材料以相变为主的塑性去除机理,揭示了微裂纹的形核和扩展机制,建立了面向形面加工的延性去除切削模型。(3)确定了调控裂纹扩展的有效工艺参数,结果表明基于角度和三维刀具轨迹调制的椭圆振动辅助切削均能够实现对微裂纹扩展的调控,该方法为基于硬脆单晶材料连续走刀的高效、延性、低成本面形加工提供了一种新的途径,研究成果将丰富硬脆单晶材料纳米加工理论体系,为面向复杂形面的金刚石超精密切削系统和高效、延性创成方法提供理论基础和技术支持。

项目成果

期刊论文数量(11)
专著数量(1)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(16)
Finite Element Investigation on Cutting Force and Residual Stress in 3D Elliptical Vibration Cutting Ti6Al4V.
3D 椭圆振动切削 Ti6Al4V 切削力和残余应力的有限元研究
  • DOI:
    10.3390/mi13081278
  • 发表时间:
    2022-08-08
  • 期刊:
    Micromachines
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
  • 通讯作者:
Multi-objective optimization design and performance evaluation of a novel flexure-based tri-axial servo cutting system
新型柔性三轴伺服切割系统多目标优化设计及性能评估
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Journal of Manufacturing Process
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Haiqiang Yu;Jinguo Han;Shiyu Li;Xinzhe Han;Yanhou Liu;Jinhui Wang;Jieqiong Lin
  • 通讯作者:
    Jieqiong Lin
Investigation on high-shear and low-pressure grinding characteristics for zirconia ceramics using newly developed flexible abrasive tool
新型柔性磨具对氧化锆陶瓷高剪切低压磨削特性的研究
  • DOI:
    10.1016/j.ceramint.2022.10.265
  • 发表时间:
    2022-10
  • 期刊:
    Ceramics International
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Chengwei Wei;Yebing Tian;Sohini Chowdhury;Jinguo Han;Zhiqiang Gu
  • 通讯作者:
    Zhiqiang Gu
Experimental investigation on high-shear and low-pressure grinding process for Inconel718 superalloy
Inconel718高温合金高剪切低压磨削工艺实验研究
  • DOI:
    10.1007/s00170-020-05284-z
  • 发表时间:
    2020-04-01
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Tian, Yebing;Li, Linguang;Fan, Zenghua
  • 通讯作者:
    Fan, Zenghua
Simulation and experimental study on width and depth of melting pool in laser polishing Ti-6Al-4V alloy
激光抛光Ti-6Al-4V合金熔池宽度和深度的模拟与实验研究
  • DOI:
    10.1007/s00170-022-10289-x
  • 发表时间:
    2022-10
  • 期刊:
    The International Journal of Advanced Manufacturing Technology
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Ke Che;Yanhou Liu;Jian Liu;Juan Ma;Jinguo Han
  • 通讯作者:
    Jinguo Han

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其他文献

防弹衣式新型磨具磨削特性研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    山东理工大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李琳光;田业冰;韩金国;田承金;刘兵
  • 通讯作者:
    刘兵

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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