KDP晶体修复用球头微铣刀及其对表面质量影响的研究

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1、博士学位论文KDP晶体修复用球头微铣刀及其对表面质量影响的研究RESEARCHONMICROBALLENDMILLFORREPAIRINGDEFECTSONKDPCRYSTALSURFACEANDITSEFFECTONMACHINEDSURFACEQUALITYOFKDPCRYSTAL陈妮哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：TG501.1学校代码：10213国际图书分类号：621.7.01密级：公开工学博士学位论文KDP晶体修复用球头微铣刀及其对表面质量影响的研究博士研究生：陈妮导师：陈明君教授申请学位：工学博士学科：机械

2、制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG501.1U.D.C:621.7.01DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONMICROBALLENDMILLFORREPAIRINGDEFECTSONKDPCRYSTALSURFACEANDITSEFFECTONMACHINEDSURFACEQUALITYOFKDPCRYSTALCandidate：ChenNiSupervisor：Pro

3、f.ChenMingjunAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechanicalManufacturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要近年来能源短缺问题已经在大多数国家甚至全球范围内出现，而核能特别是惯

4、性约束核聚变能（InertialConfinementFusion，ICF）因其既清洁又经济的特性成为一种理想的能源。磷酸二氢钾（PotassiumDihydrogenPhosphate，KDP）晶体具备独特的光学性能使其成为ICF中必不可少的光学元件。但KDP晶体在连续高能激光打靶和超精密加工时，不可避免地会在表面产生微缺陷点，如果这些微缺陷得不到及时处理，将会继续生长，最终导致光学零件的破坏与报废。目前，微铣削加工方法被公认为是一种非常有效的微缺陷修复方法。然而，KDP晶体材料由于质软而脆、对温度变化敏感、易潮解、易开裂等材料特

5、性，在微铣削修复缺陷点时，容易在修复曲面出现脆性点及耕犁效应区域，使其很难符合激光打靶要求。本文通过有限元仿真、理论解析与实验相结合的方法，深入研究聚晶金刚石（PolycrystallineDiamond，PCD）球头微铣刀几何参数和尺寸效应等对KDP晶体表面微缺陷修复质量的影响规律，从而优选球头微铣刀几何参数和铣削参数。在总结现有微铣刀设计中存在问题的基础上，设计了针对于KDP晶体加工用小负前角和大负前角结构的两种球头微铣刀。对有限元仿真中的材料参数、切屑与工件分离准则、分析步选择、接触条件设置等进行了深入的研究，建立了所设计的球

6、头微铣刀铣削KDP晶体的三维有限元仿真模型。通过对有限元仿真和切削实验中的切削力进行对比，验证了仿真模型的正确性。为了研究球头微铣刀几何参数对铣削过程的影响规律，以铣削过程中的切削力波峰-波谷（Peak-Valley，P-V）值、微铣刀和KDP晶体切削区最大拉应力为球头微铣刀几何参数优选的主要评价指标，分别建立了不同法向前角、法向后角和刀刃钝圆半径的球头微铣刀铣削KDP晶体的三维有限元仿真模型，系统分析了以上三个几何参数对KDP晶体微铣削过程的影响规律。仿真结果表明：切削效果随着法向前角的增加有先变好后变坏的趋势，法向前角在-45°

7、时存在最优值；随着法向后角的增加，切削效果有变好的趋势，当法向后角大于9°时，其对切削效果的影响较小，同时考虑到刀具的刚度，认为微铣刀最佳法向后角为9°；综合分析切削力P-V值、切削区最大拉应力和刃磨技术，认为PCD球头微铣刀的刀刃钝圆半径在1.5μm到2μm之间时为最合理。通过电火花线切割和金刚石砂轮精密刃磨制造出PCD球头微铣刀，刀刃钝圆半径可达到1.66m。通过自制PCD球头微铣刀与商用球头微铣刀的切槽实验，进一步验证了仿真中球头微铣刀几何参数对铣削过程影响规律的正确性，并验证了所设计球头微铣刀的切削性能。-I-哈尔滨工业大

8、学工学博士学位论文为了研究微铣削KDP晶体中切屑形成的最小切削厚度和尺寸效应，建立平头微铣刀铣削中的切削厚度模型，并对切削比能计算公式进行数值推导；通过结合切削过程中切削厚度、最小切削厚度和切削力之间的周期性建立了切屑形成的理论预测模