基于DEFORM的單晶鍺的切削仿真及實驗分析

曲 駿，馮德伸，馬遠飛，林 泉，閔振東

（1.有研光電新材料有限責任公司，河北 廊坊 065001；2.北京有色金屬研究總院，北京 100088）

單晶鍺具有優越的理化性能，被廣泛應用于半導體材料、紅外光學材料、航天及其他新領域。鍺紅外透鏡的表面質量直接影響其光學性能，對鍺表面精密加工提出了更高要求。

單晶鍺具有高強度、高硬度、高耐磨性、耐高溫及低的熱膨脹性等特點，因此切削成為其主要加工方式。但在加工過程中很容易出現崩邊，劃痕、麻點以至于斷裂等加工問題，存在較大的加工難度，嚴重影響著產品的表面質量，對鍺的光學性能造成較大影響。

本文利用DEFORM有限元仿真軟件，通過設定不同的加工參數，進給量、進給速度。分析單晶鍺在不同加工參數對表面質量的影響。

1 仿真與實驗分析

1.1 仿真過程建立

單磨粒在切削加工過程中被加工材料表面在受到水平切削力和豎直擠壓力共同作用下，產生塑性變形。由納米壓痕實驗[3]可知，在壓頭與單晶鍺材料接觸過程中單晶鍺材料表面會產生脆-塑轉變過程，同時，將磨粒尺寸降低到一定程度，脆性材料的沖擊磨損變化特性具有塑性材料的特點[4]。

DEFORM在模擬材料加工過程中的本構模型較多，針對單晶鍺這種典型的硬脆性材料，采用適合模擬陶瓷、玻璃等脆性材料的仿真計算模型：

圖1 加工仿真模型

如圖1所示，構建二維切削加工模型，設置刀具錐頂角120°，材料為金剛石[5]。設定鍺單晶的機械參數。工件尺寸設定為20mm×10mm的長方形，并對其進行網格劃分，設置0.01s加載時間。分別控制切削速度、切削量進行仿真并與實驗加工結果進行對比。

1.2 切削量對表面粗糙度的影響

1.2.1 切削量變化的切削過程仿真

設置切削速度不變。通過改變不同切削量，進行仿真模擬與加工實驗，相關設置參數如下表，設置4組對照切削量分別為0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.5mm進行仿真：

表1 不同切削量條件下零件所受最大應力

圖2 不同切削量條件下的加工應力云圖

通過設置的相關參數，使用DEFORM仿真軟件進行計算，各加工過程的應力云圖如圖所示，從圖3中可以看出，隨著進給量的增加，單晶鍺表面所受的應力越大，刀具也磨損的越嚴重。當進給量大于1mm時，單晶鍺切削表面出現大體積碎屑，表面出現內應力。

1.2.2 加工實驗結果分析

為驗證實際進給參數的變化對工件表面質量影響的實際情況，使用韓國時代CG數控機床對φ53×14mm規格的單晶鍺進行切削加工實驗結果，相關實驗參數與仿真模擬參數設定保持一致，并使用表面粗糙度檢測儀對加工零件表面進行粗糙度測量。

在設置不同實驗切削速度的條件下，將加工的五組單晶鍺片，通過表面粗糙度測量儀對所加工的五組鍺片的表面輪廓變化情況進行測量：

圖3 實驗加工零件圖

通過仿真與實驗可以得，在滿足產品的加工表面質量前提條件下，進給量越小，鍺晶體的表面所受應力越少，加工產品的表面越光滑，實際表面刀紋越淺。

實驗結果與仿真模擬結果對比，變化趨勢保持一致，隨著切削量的增加，在磨粒接觸加工件的表面時，磨粒與工件之間的接觸應力逐漸增加。切削量在0.01mm～0.05mm范圍內，能夠獲得較好的表面加工質量。在滿足加工效率前提條件下，能夠降低自身磨粒的磨損。

圖4 不同切削量下工件表面粗糙度Ra

1.3 切削速度對表面粗糙度的影響

為研究在一定切削量條件下，切削量對工件表面質量的影響變化情況，設置了五組在不同進給速度的條件下的仿真模擬與加工實驗，并進行了對比分析。相關參數設定值分別為40mm/s、60mm/s、80mm/s、100mm/s進行仿真。

1.3.1 仿真模擬結果

在保持0.01mm的切削量的條件下，通過DEFORM設置五組仿真模擬組，設置相關磨粒，鍺材料相關參量，工件尺寸與上述仿真模擬實驗方法相同，對表4中的五組不同切削速度進行仿真模擬，得到四組對應模擬應力值。

表2 四組仿真加工最大應力值

1.3.2 加工實驗結果分析

設置相關實驗參數，進行零件的加工實驗，使用表面粗糙度儀對表面質量進行檢測，依次為五組測得加工工件的表面輪廓以及表面粗糙度。

通過表面粗糙度測試儀對加工產品表面的表面粗糙度進行了測量測量，圖5為各組實驗加工關鍵表面粗糙度指標值。

圖5 不同切削速度下工件表面粗糙度Ra

隨著切削速度的增加，表面粗糙度出現了波動。當切削量一定條件下，切削速度在60mm/s～100mm/s時加工表面質量較好，而且表面粗糙度值變化波動較小，與實際加工參數設定值較為吻合。

2 結論

本文設計了單因素仿真模擬與實驗，通過將仿真結果與加工實驗結果進行對比，得出以下結論：

（1）仿真模擬結果所示的產品已加工表面應力分布與實際加工測得加工零件表面輪廓變化情況基本上保持二者大體變化情況一致。說明了利用有限元仿真對實際加工具有一定的指導意義。

（2）在鍺的切削加工過程中，不同的切削量與加工零件的整體尺寸有關，并且一般材料有彈塑性變形的臨界值[6]，單晶鍺也存在塑性加工切削厚度的臨界值。

（3）在切削速度一定的前提條件下，單晶鍺加工中存在著一定的最優切削進給量范圍能夠保證表面質量達到較高加工工藝水平。

（4）加工速度是影響表面質量的關鍵因素，對于單晶鍺這種硬脆性材料來說，過慢的切削速度會出現切削困難、麻點等加工問題，過快的切削速度會影響在進刀等情況下出現崩邊的現象，不同的加工參數影響著材料脆塑性轉變[7]，故存在較優加工速度范圍。