1、硬脆光學(xué)晶體材料元件在新能源、航天運(yùn)載工具、武器研制、衛(wèi)星研制中有著極其重要的應(yīng)用背景。單晶硅光學(xué)元件在一些高新技術(shù)領(lǐng)域具有極其重要和無(wú)可替代的作用，如單晶硅在用于戰(zhàn)略預(yù)警衛(wèi)星的紅外遙感器時(shí)，可從太空偵測(cè)導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)發(fā)出的紅外信號(hào)；硅基紅外探測(cè)器還可用于海陸空戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別與跟蹤以及天文觀(guān)測(cè)、特殊條件下的飛機(jī)夜航著陸等；利用單晶硅制作的各種粒子探測(cè)器具有的極高的位置靈敏度廣泛用于空間探測(cè)、核物理、高能物理等領(lǐng)域。隨著超精密切削加工機(jī)

2、床、高精度數(shù)控技術(shù)、超穩(wěn)定的加工環(huán)境等一系列重大技術(shù)的突破，使得單晶硅的超精密切削加工取代超精密研拋加工成為可能。所以，最近十幾年來(lái)，單晶硅超精密切削加工機(jī)理方面的研究就成了各發(fā)達(dá)國(guó)家的重要研究課題之一。
　　本文對(duì)國(guó)內(nèi)外單晶硅超精密切削加工機(jī)理的主要研究?jī)?nèi)容和研究方法進(jìn)行了比較全面的綜述。單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變的成因是對(duì)超精密切削表面質(zhì)量影響因素等問(wèn)題作進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)，所以本課題首先對(duì)單晶硅進(jìn)行了納米印壓和顯微壓痕亞表面透射電鏡觀(guān)察試

3、驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，提出了一種基于尺度效應(yīng)的單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理。根據(jù)該脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理，定量地給出了單晶硅(111)晶面的臨界切削厚度值，并建立了細(xì)微觀(guān)結(jié)合的單晶硅超精密切削模型，然后通過(guò)切削試驗(yàn)證實(shí)了上述研究結(jié)果的正確性。
　　為了給出單晶硅發(fā)生塑性變形的最佳載荷條件，采用斷裂力學(xué)和位錯(cuò)力學(xué)相結(jié)合的方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算了不同載荷條件下裂紋和位錯(cuò)的作用過(guò)程。利用該模擬結(jié)果，研究了刀具前角和刃口半徑對(duì)單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變的影響，并給

4、出了金剛石刀具的最佳前角，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了研究結(jié)果。
　　單晶硅超精密切削試驗(yàn)表明，加工表面粗糙度值呈現(xiàn)扇形分布，而且切削力呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。通過(guò)分析單晶硅超精密切削時(shí)的平面應(yīng)變條件下的晶體學(xué)方位關(guān)系，結(jié)合單晶硅的力學(xué)特性的各向特性，分別模擬了超精密切削單晶硅(111)、(100)、(110)晶面時(shí)的表面質(zhì)量的各向異性特性。分析了單晶硅超精密切削表面粗糙度的形成機(jī)理，給出了單晶硅超精密切削時(shí)高應(yīng)變速率的條件下，切削速度、刀具前角和

5、刃口半徑對(duì)單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變的影響，得到了獲得均勻一致表面粗糙度加工方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了研究結(jié)果。
　　最后，本文采用通用旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)規(guī)劃，利用擅長(zhǎng)全局搜索的遺傳基因算法，對(duì)建立的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)，給出了回歸顯著、表達(dá)簡(jiǎn)單、易于分析各切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響的單晶硅超精密切削表面粗糙度預(yù)測(cè)模型。并以表面粗糙度為約束條件，以最大切削效率為目標(biāo)得到了單晶硅超精密切削的最佳切削參數(shù)組合，研究了各切削參數(shù)對(duì)表面粗