KDP晶体单点金刚石切削表面质量的研究

论文摘要

KDP (Potassium Dihydrogen Phosphate)晶体作为一种优良的非线性光学材料,被广泛应用于激光和非线性光学领域。经过加工的KDP晶体,由于受到加工过程中机械和热的共同作用,其表面性质发生了很大的变化,存在大量的裂纹、划痕、凹坑,所以KDP晶体结构的损坏多是从表面开始至表面之下几十微米范围内开始的,表面及其表面之下的物理和机械性能变化对光学元件的激光损伤阈值影响很大,这已经成为惯性约束聚变(ICF)激光驱动器研制的瓶颈环节。但目前国内对于KDP晶体加工表面特性的研究相当有限,所以本课题将对脆性材料KDP晶体的单点金刚石切削加工表面特性——变质层和亚表层损伤进行研究。以此来优化工艺参数,控制加工表面质量,从而提高激光。这对于我国大口径光学元件工程化制造以及整个激光装置研制具有重要意义。首先采用二次回归通用旋转组合法设计切削实验加工KDP晶体,通过压痕实验得到的硬度—压深曲线估计变质层厚度,建立了变质层厚度与切削参数的回归方程。分析方程得到:对变质层厚度的影响程度由大到小依次为切削速度、背吃刀量和进给量;且在一定范围内,变质层厚度均随切削用量的增大而增大。其次基于材料的断裂力学,建立了表面粗糙度(SR)和亚表层损伤(SSD)深度关系,获得一种无损伤的KDP晶体亚表层损伤深度测量方法。又利用白光干涉仪对KDP晶体进行测量,建立了亚表层损伤深度、密度与切削参数的回归方程,通过方程可知:切削速度、背吃刀量是亚表层损伤形成的主要因素;且亚表层损伤深度和密度均随背吃刀量增大而增大,但切削速度增大会使损伤密度增大,而深度减小。最后使用Marc非线性有限元软件对KDP晶体的切削过程进行仿真,通过分析不同切削速度、背吃刀量加工过程中的应力和应变发现:加工后的KDP晶体表面以拉应力为主;且应力和应变均随着背吃刀量的增大而增大,而随着切削速度的增大而减小,从而对前边所做出的关于变质层厚度和亚表层损伤深度、密度的结论从应力应变的角度作出解释。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的目的及意义
• 1.3 KDP 晶体塑性域加工与单点金刚石切削
• 1.4 KDP 晶体的表面特性
• 1.4.1 KDP 晶体的加工表面变质层
• 1.4.2 KDP 晶体的亚表层损伤
• 1.5 材料表面特性研究现状
• 1.5.1 表面变质层的研究现状
• 1.5.2 亚表层损伤的研究现状
• 1.6 主要研究内容和方法
• 第2章 KDP 晶体加工变质层的研究
• 2.1 纳米压痕实验理论基础
• 2.1.1 压痕试验典型压头介绍
• 2.1.2 纳米压痕实验过程
• 2.1.3 接触刚度S 和接触面积A 的确定
• 2.2 纳米压痕试验设备
• 2.3 纳米压痕试验步骤与结论
• 2.3.1 变质层厚度测量理论基础
• 2.3.2 实验设计及实验结果
• 2.3.3 回归系数的计算及回归方程的求解
• 2.3.4 基于回归方程的变质层影响因素分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 KDP 晶体亚表层损伤的研究
• 3.1 亚表层裂纹产生机理
• 3.2 亚表层损伤深度预测模型理论基础
• 3.3 亚表面损伤层深度的预测
• 3.3.1 径向裂纹深度模型
• 3.3.2 横向裂纹深度模型
• 3.3.3 SSD/SR 比例模型
• 3.4 亚表层损伤深度和密度的实验研究
• 3.4.1 实验装置与参数
• 3.4.2 亚表层损伤深度和密度实验设计与结果
• 3.4.3 回归系数的计算及回归方程的求解
• 3.4.4 基于回归方程的切削用量影响分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 KDP 晶体单点金刚石切削有限元仿真
• 4.1 KDP 晶体切削模型的建立
• 4.1.1 直角切削模型的建立
• 4.1.2 材料特性及边界条件的设定
• 4.1.3 切屑与工件分离准则的选取
• 4.2 KDP 晶体切削仿真结果
• 4.2.1 不同背吃刀量的等效应力和应变
• 4.2.2 不同切削速度的等效应力和应变
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢