KDP晶体环形金刚石线锯切割技术研究

摘要

KDP晶体是惯性约束核聚变装置中唯一适用的光学晶体，随着我国可控核聚变技术发展，对KDP晶体的需求逐年上升。本文分析KDP晶体的物理化学性质，并进行了切割研究，发现其“软脆”的性质对加工带来了很大的困难。本文采用的电镀金刚石线切割技术具有切割效率高、质量好等优点，广泛应用于脆性材料切割。其使用的金刚石线锯是一种低刚度工具，可以有效避免由于机床震动等原因造成的KDP晶体崩裂现象。 本文对电镀金刚石线锯切割机理进行了分析，探究电镀金刚石线锯切割工艺中线锯线速度、进给速度等对加工表面质量及材料去除率的影响，发现高速切割是提高切割表面质量及切割效率的有效途径之一。本文分析了3种常见的金刚石线锯切割机床结构（往复式、单向往复式、单向循环式）的优缺点，发现：单向循环式金刚石线锯机床具有无需换向，可高速切割，线锯线速度稳定等优点，可以实现硬脆材料的精密超精密切割，是未来发展的主流。 单向循环式线锯切割技术，采用环形线锯作为切割锯丝，可有效避免切割过程中的换向动作，保证线锯线速度的稳定，因此可以获得更好的切面表面质量。其中环形电镀金刚石线锯是单向循环式线锯切割机床的重要一环，如何获得具有长寿命、高质量的环形固结金刚石线锯基体材料是研究难点。本文进行了环形电镀金刚石线锯的试研制：采用焊接法将琴钢丝焊接成环，再通过埋砂法电镀金刚石磨粒。同时对其使用性能进行测试，发现焊点附近的热影响区即使经过热处理之后，疲劳强度仍然无法满足原有机床工况参数。 为避免环形线材焊点附近疲劳强度不足的缺陷，本文对现有机床进行改造。通过线锯疲劳失效机理进行分析，发现：增加导线轮半径、减少导线轮个数可以有效提高线锯使用寿命。基于山东大学晶体材料实验室XJ—850X1200型环形金刚石线锯切割机床平台，本文对其进行改造设计。由于尺寸的限制，最终采用4个直径350 mm的导线轮(1个主动轮、2个从动轮、1个涨紧轮)等腰梯形布局。并对KDP晶体进行切割试验，研究线锯线速度、进给速度、张紧力3个因素对KDP晶体切割表面质量的影响。由于实验变量较多，本文采用正交控制变量法。通过实验发现：线锯线速度越大、进给速度越小、张紧力适当减小都会使切割表面质量更好。但张紧力过小会导致线锯切割偏斜严重，进给速度过小也会导致切割效率过低。因此，提高线锯线速度，实现高速、超高速切削是最有效提高KDP晶体切割效果的因素。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 KDP晶体的性质

1.3 国内外相关研究现状

1.3.1 脆性材料切割技术

1.3.2 KDP精密加工研究现状

1.4 本文主要研究内容

1.4.1 研究目标

1.4.2研究内容

2 电镀金刚石线锯切割原理及工艺分析

2.1 电镀金刚石线锯切割机理分析

2.1.1 单磨粒平均切削深度计算

2.1.2 电镀金刚石线锯切割效率计算

2.2 电镀金刚石线锯切割工艺及机床锯丝运动方式分析

2.2.1 往复式线锯切割

2.2.2 单向往复式线锯切割

2.2.3 单向循环式线锯切割

2.3 小结

3 环形电镀金刚石线锯制造关键技术研究

3.1 试验原理

3.2 试验设备及材料分析

3.2.1 试验设备分析

3.2.2 试验材料分析

3.3 焊接工艺

3.3.1 形成接头的影响因素

3.3.2 形成理想接头的焊接工艺

3.3.3 伸出长度L对于焊接接头外观的影响规律

3.3.4 电流I、通电时间t和伸出长度L对于形成理想接头的影响

3.4 环形钢丝的焊后热处理

3.5 环形钢丝的电镀

3.6 金相分析

3.7 小结

4 单向循环式电镀金刚石线锯切割机床设计

4.1 环形电镀金刚石线锯疲劳失效分析

4.2 机床重要参数及结构形式分析

4.3 涨紧轮结构形式设计

4.4 小结

5 单向循环式电镀金刚石线锯切割试验研究

5.1 实验设计

5.1.1 线锯张紧力测定

5.1.2 确定加工试验参数及控制变量

5.2 不同加工参数对切割面粗糙度的影响

5.3 张紧力对切割偏斜的影响分析

5.4 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

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