KDP晶体单点金刚石车削关键技术研究

摘要

磷酸二氢钾（KDP）晶体是当前唯一可用作惯性约束核聚变装置（ICF）、强激光武器等光路系统中的激光倍频和电光开关材料，具有重要的地位。KDP晶体具有的诸如各向异性、软脆、易潮解和对温度变化敏感等材料特性，使得至今只有单点金刚石飞切技术能实现KDP晶体元件的高质量加工。但是，该技术必须使用专用的飞切机床，且只能加工平面型晶体元件，大大限制了晶体的应用和加工工艺的推广。论文围绕KDP晶体超精密车削加工工艺进行探索，基于美国国家点火计划（NIF）中KDP晶体的指标要求，从材料的加工特性入手，研究KDP晶体的切削加工机理，根据金刚石车床的技术特点，提出车削工艺的新方法，实现平面型KDP晶体高效、高精度、高稳定性加工，并为自由曲面形状的晶体加工提供了有效的加工方法。论文的研究更有利于KDP晶体加工工艺的推广、拓宽晶体的应用范围。论文研究工作主要包括以下几部分：
　　(1)研究了KDP晶体各向异性特征对加工的影响，提出了用车削作为KDP晶体加工的新工艺思路。通过螺旋刻划得到了不同晶向对应的临界切深，并对不同切削参数下的切削力及已加工表面质量进行了观测。研究结果表明，选择合适的切削参数，能够克服各向异性的影响，得到全晶向塑性域的已加工表面。在此基础上提出了车削加工KDP晶体的新工艺思路。
　　(2)研究了刀具几何参数和车削工艺参数对脆塑转变的影响规律，发现了切削线速度对KDP晶体脆塑转变影响的特殊规律。采用刻划实验的方法，研究了刀具几何参数和车削工艺参数对脆塑转变的影响，发现了当切削线速度超过一定值后，KDP晶体某些晶向的材料去除由塑性向脆性转变这一现象，并给出了合理的解释。这一研究深化了KDP类晶体材料的塑性域切削理论。
　　(3)研究了KDP晶体低频段波前误差的产生机理，提出了补偿车削的工艺方法。对KDP晶体低频段波前误差的影响因素进行了分析，并利用在位检测系统，成功实现了波前误差的在位检测，进而实现了波前误差的补偿车削。该补偿车削工艺排除了基准面对KDP晶体波前误差的影响，大大提高了晶体加工的确定性和误差的收敛速度。
　　(4)研究了空气静压主轴特性对中频段周期性波纹误差的影响规律，发现了KDP晶体周期性波纹误差的一种新的产生机理。对空气静压主轴等效刚度特性和轴系运动学规律进行了研究，得到了供气压力波动的幅值和周期、主轴等效刚度特性、初始外载这三者对波纹误差的影响规律。该研究对超精密机床主轴关键部件的设计以及KDP晶体中频段误差的认识和抑制具有指导意义。
　　(5)研究了切削工艺参数对亚表面缺陷深度的影响规律，建立了缺陷深度可控的KDP晶体高效粗加工工艺路线。利用基于水溶解的磁流变抛光方法首次实现了KDP晶体车削后的亚表面缺陷深度检测，得到了工艺参数与亚表面缺陷深度之间的关系，并据此优化了粗加工工艺路线。该工艺路线大大简化了KDP晶体粗加工的切削流程，显著提高了粗加工的效率。
　　论文紧密结合应用需求，采用车削加工的方法，通过理论分析和实验研究，提出了软脆各向异性材料塑性域切削条件、低频误差的补偿加工方法、中高频误差的控制和优化方法、亚表面质量的控制方法等新工艺和新方法，建立了一条KDP晶体切削加工的新工艺路线，形成了实际加工能力。本论文的研究对KDP晶体的加工具有重要的理论意义和工程价值。

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第一章 绪论

1.1 课题的来源及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要的研究内容

第二章 KDP晶体塑性域切削机理研究

2.1 刀具几何参数对KDP晶体脆塑转变的影响规律分析

2.2 切削参数对KDP晶体脆塑转变的影响规律分析

2.3 KDP晶体各向异性对加工的影响分析

2.4 本章小结

第三章 KDP晶体波前畸变误差的控制工艺

3.1 真空吸附变形特征的实验研究

3.2 吸附变形误差补偿工艺的原理和实现

3.3 补偿工艺的误差分析

3.4 补偿工艺实验

3.5 本章小结

第四章 KDP晶体周期性波纹误差的控制工艺

4.1 周期性波纹误差造成的衍射效应分析

4.2 空气静压主轴特性对周期性波纹误差的影响机理分析

4.3 真空吸附变形对周期性波纹误差的影响分析

4.4 切削参数对周期性波纹误差的影响分析

4.5 本章小结

第五章 KDP晶体表面质量的控制工艺

5.1 基于亚表面缺陷深度观测的粗加工工艺优化研究

5.2 精加工工艺参数优化的实验研究

5.3 本章小结

第六章 典型加工实例

6.1 Φ270mmKDP晶体的补偿车削加工实例

6.2 100mm×100mmKDP晶体补偿车削-磁流变抛光组合加工实例

6.3 正弦相位板型KDP晶体车削加工实例

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

1 发表的论文

2 发明专利

附录A 刻划实验中刻槽的显微镜照片