kdp晶体超精密加工切削力的理论及实验研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题来源本课题来源于国家自然科学基金委员会和中国工程物理研究院联合资助基金项目“超精密切削加工光学表面的完整性理论和实验研究”。项目号：10576011。“KDP晶体超精密加工切削力的理论及实验研究”是该基金项目研究内容中的一部分。1.2课题研究的目的和意义在惯性约束聚变、固体激光驱动器、强激光武器及核武器等关键设备所需的众多光学元器件中，KDP晶体作为一种优质的非线性材料，被广泛的应用于激光和非线性光学领域。KDP晶体透过波长领域宽，激光损伤阈值高，并且能够生长10cm以上的超大型晶体，是大口径、高输出功率激光核聚

2、变装置的最佳波长变换元件[1,2]。KDP晶体光学零件要求具有高精度的面形质量和良好的表面粗糙度，但KDP晶体具有质软、易碎等不利于光学加工的特点，传统的磨削和抛光方法 不适用于加工KDP晶体，必须采用超精密加工技术加工KDP晶体[3]。在KDP晶体超精密加工中，切削力对工件的尺寸与形状精度、加工变质层和刀具的耐用度具有直接或间接的影响，尤其径向切削力是影响KDP晶体表面粗糙度的关键因素，因为径向切削力的明显变化会直接引起金刚石刀具剧烈振颤，刀具振颤与机床振动耦合就会对背吃刀量方向上的表面粗糙度产生直接的影响，从而决定KDP晶体工件的表面质量[4]。在过去的许多

3、年里，国内外许多大学和研究机构相继开展了超精密加工切削力方面的研究工作，如C.Rubenstein(1985)、J.D.Drescher(1994)、Abler(1994)和Jeong-DuKim(1995)分别建立了新的超精密加工切削力模型，并进行了实验验证。值得注意的是，上述各种切削力计算方法虽各有其特点，但也都存在着各自的片面性和局限性。例如，模型的建立都是在一定假设基础上进行的，并将工件材料看作各向同性材料。对于具有各向异性的单晶材料，沿不同晶向切削时，会引起切削力的波动，并使切削系统动态特性-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文发生变化，且材料硬度、剪切

4、强度和剪切角也随晶向的变化而变化，这一点已经被SuetSandy(2000)、ShiGuoquan(1998)、W.B.Lee和Ming.Zhou(1993)等人通过实验研究发现[5]。因此，上述几种切削力模型能否适用于各向异性单晶材料切削力的计算，还有待于进一步验证。另外，剪切角与工件材料、切削条件等因素有关，它的大小代表了工件材料的可加工性和切削效率，M.Sato(1983)曾试图用连续屈服理论来分析超精密切削单晶铝时剪应力和剪切角随着工件材料各向异性的变化情况，但没有得到满意结果[6]。为了将剪切角与工件材料特性联系在一起，W.B.Lee等 人建立了用来预

5、测超精密切削单晶铝时剪切角变化的微塑性模型[7]。但KDP晶体是一种特殊的单晶脆性材料，KDP晶体滑移系的应力状态比较复杂，其材料特性也与单晶铝有很大差异，若再用上述微塑性模型来计算KDP晶体剪切角的变化未免有些牵强。鉴于材料各向异性产生的切削力波动与剪切角的动态变化有直接关系。因此，我们认为有必要深入研究KDP晶体超精密切削时剪切角随晶向的变化规律，进而建立适合KDP晶体切削力计算的新模型；分析材料各向异性引起的切削力波动对加工表面质量的影响，寻找最佳的晶体切削方向，探索减小切削力对表面粗糙度影响的方法，这对控制和改进KDP晶体加工方法，提高军品的质量和性能具

6、有极其重要的意义。1.1KDP晶体单点金刚石切削加工技术研究现状单点金刚石切削(SPDT)技术在20世纪80年代初期出现，经过20多年的发展，已广泛应用于多种高精度光学零件的加工，是目前最理想的KDP晶 体加工方法[8]。应用单点金刚石切削技术加工KDP晶体时，通常采用“飞刀”切削的加工方式。切削加工时，装有金刚石刀具的刀架安放在高速旋转的主轴上，KDP晶体零件安装在具有真空吸盘工作台上，工作台作直线进给，高速转动的刀具对工件进行切削。采用单点金刚石切削技术加工KDP晶体元件，较之传统的研磨抛光法，具有以下技术优势：(1)可以有效地保证加工表面与晶轴的精确定向，

7、这对于光学频率变换非常重要；(2)可保证晶体元件的高精度面形加工质量，减少塌边现象，特别是对矩形口径元件。用研磨抛光法加工时，由于元件边缘抛光压力很难控制，很容易出现塌边现象，SPDT飞刀切削方式能较好地避 免这种现象；(3)有利于提高激光损伤阈值[1]。1986年,美国学者BaruchA.Fuchs等人首次在PNEUMO精密机床上利用-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文单点金刚石切削技术对KDP晶体进行了加工并获得了表面粗糙度为1.1nm(Rms)、3.6nm(P-V)的光滑表面。通过改变加工参数和刀具刃口半径的方法，他们总结出一些KDP晶体的加工规律：KDP

8、加工中刀具刃口半径对加工