KDP晶体修复用PCD微球刀的设计与加工工艺研究

摘要

核聚变以其清洁和经济的特性成为一种理想的能源。在核聚变装置中,KDP晶体作为一种必不可少的光学元件用来实现激光的倍频等功能,而这种KDP晶体元件在激光连续照射下,会在表面产生微凹坑、微裂纹等缺陷,微铣削以其高柔性特点成为国内外最被认可的修复这些缺陷的方法。由于KDP晶体的软脆特性,在修复时对微铣刀的几何参数有特殊的要求,故本课题先设计了两种类型的球头微铣刀,通过仿真研究找出这两种微铣刀最优的前角、后角和刀刃钝圆半径几何参数,并制造出优化后PCD微铣刀,最后对此PCD微铣刀的修复性能进行验证。
　　本文在充分考虑PCD球头微铣刀的可加工性及KDP晶体材料特性的情况下,设计了两种类型球头微铣刀,即平前刀面型球头微铣刀和回转对称面型球头微铣刀,同时通过建立微铣刀切削KDP晶体的三维有限元仿真模型,对最小切削层效应和切削过程中切削力、刀具及工件上应力分布进行了研究;接着在仿真模型中,通过监测切削过程中切削力、刀具及工件上应力分布变化,优选出刀具的几何参数,得出直径为0.5mm的回转面型球头微铣刀在法向前角、法向后角和刀刃钝圆半径,而平前刀面型球头微铣刀法向前角和后角为最优;对微铣刀的的动态性能进行分析,得出所设计微铣刀有良好动态性能,且悬伸量越小越有利于防止刀具共振;对所设计的回转面型微球刀进行制造,但由于刃磨设备的限制,只刃磨出法向前角的微球刀。
　　用有限元仿真研究切削参数对KDP晶体切削的影响,随着进给速度和铣削深度增大及主轴转速减小,三向切削力的P-V值增大。以此为指导,开展KDP晶体的单因素切槽实验,探索了所设计微铣刀切削KDP晶体的塑性域切削参数,主轴转速和主轴偏角对KDP晶体加工质量的影响较大,而铣削深度和进给速度对KDP晶体加工质量的影响较小,当主轴转速和主轴偏角增大、铣削深度和进给速度减小时,槽表面质量会更好。用所设计微铣刀和所购置的NS微球刀分别进行KDP晶体的切槽正交实验和修复实验,发现两种刀具加工的槽和修复曲面的形貌都较好,且自制刀具所切槽的表面粗糙度Ra值要略低于NS刀具所切槽的表面粗糙度Ra值,初步验证了自制微铣刀的切削性能;而自制刀具所加工的修复轮廓表面粗糙度Ra值要高于NS刀具所加工的修复轮廓表面粗糙度Ra值,这与自制微铣刀负前角过大及刀刃的圆度误差有关。

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第1章 绪 论

1.1 背景及研究意义

1.2 微铣刀设计制造的国内外研究现状

1.3 本课题的研究内容

第2章 球头微铣刀的构型设计及仿真模型的建立

2.1微铣刀的构型设计

2.2 仿真模型的建立

2.3 微铣削加工过程的仿真研究

2.4 本章小结

第3章 球头微铣刀几何参数优化及其加工

3.1 球头微铣刀球头部分几何参数优化

3.2 球头微铣刀的模态分析

3.3 球头微铣刀的制造

3.4 总结

第4章 所设计球头微铣刀切削性能实验验证

4.1 切削参数对KDP晶体塑性域切削过程影响的仿真研究

4.2 所设计微球刀铣削KDP晶体的实验探究

4.3 所设计微球刀与NS微球刀的切削性能对比

4.4 所设计微球刀与NS微球刀的修复KDP晶体性能对比

4.5 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢