不同冷却条件下单晶硅原位激光辅助车削的有限元模拟与机理研究

本研究针对激光辅助车削(LAT)与 flood cooling 协同机制不明确的问题，通过建立集成 Johnson-Cook 本构模型和耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法的有限元模型，首次实现了 flood cooling 条件下原位激光辅助单点金刚石车削(In-LAT)的三维精确模拟。研究发现 flood cooling 可显著降低切削力、残余应力和热影响区(HAZ)，为脆性材料高质量加工提供了新思路。

　　

在精密制造领域，单晶硅等脆性材料的纳米级加工一直面临重大挑战。虽然单点金刚石车削(SPDT)技术能实现脆性材料的延性域加工，但存在加工效率低、刀具磨损严重等瓶颈问题。激光辅助车削(LAT)通过局部热软化效应显著提升了加工效率，然而传统认知认为 flood cooling 会与激光加热产生冲突，导致冷却条件对加工质量的影响机制长期未被阐明。

针对这一科学问题，获得国家自然科学基金资助的研究团队开展了创新性研究。通过建立三维有限元模型，首次实现了 flood cooling 与激光加热协同作用下的精确模拟。该研究发表在《Optics》期刊，为解决脆性材料高质量加工提供了重要理论依据。

研究采用 Johnson-Cook 本构模型描述材料行为，通过 Fortran 子程序模拟激光热源，并创新性地应用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法模拟切削液与工件的热交换过程。相比传统的二维正交车削模型，该模型突破了三维切削液模拟的技术瓶颈。

温度场分布分析表明，flood cooling 能有效控制热影响区范围，同时维持激光光斑区域的适宜加工温度。应力场研究显示，flood cooling 条件下的等效塑性应变和残余应力均显著低于干式 LAT。切削力对比证实，flood cooling 可使主切削力降低约 15%，推力减小 20%。

在材料去除机理方面，研究发现 flood cooling 通过优化温度梯度分布，促进了更均匀的脆塑转变过程。Mohammadi 等提出的微激光辅助加工(μ-LAM)技术在本研究中得到进一步发展，通过精确控制激光能量与冷却液协同作用，实现了亚纳米级表面粗糙度。

结论部分指出，该研究首次在有限元模拟中整合了 LAT 与 flood cooling 的协同机制，突破了现有方法的局限性。具体表现为：1) flood cooling 能有效降低切削力和热机械损伤；2) 耦合传热模型解决了激光与冷却液并存的模拟难题；3) 为脆性材料加工参数优化提供了新标准。

这项研究不仅填补了激光辅助加工领域的理论空白，更为光学元件、半导体器件等精密制造提供了重要技术支撑。未来研究将拓展至雾化冷却、CO₂气体冷却等多种冷却方式，并探索碳化硅等更广泛脆性材料的加工优化。Zhou J 等学者的工作标志着脆性材料精密加工进入了热力耦合精确调控的新阶段。