KDP晶体树脂结合剂固结磨粒线锯锯切质量研究

摘要

KDP(Potassium Dihydrogen Phosphate)晶体作为一种优异的非线性光学晶体，被广泛应用于激光和非线性光学以及惯性约束核聚变等高技术领域。然而KDP晶体具有各向异性、质软、易潮解、脆性高、对温度变化敏感和易开裂等不利于光学加工的特点，使其成为极难加工的材料之一。线锯切割技术因其在加工方面的诸多优点而被广泛应用于石材、宝石、硅晶体等材料的切割，本文针对KDP晶体的树脂结合剂固结磨粒线锯切割，通过理论分析与试验验证相结合的方法，研究了固结磨料线锯锯切加工后KDP晶体的表面质量，具有重要的实用意义。本文主要工作如下:
　　 根据晶体物理学中的诺尔曼原则，通过分析锯丝两边平面的弹性模量分布情况，得到锯丝两边弹性模量差异性最小的切入方向，选用此方向作为首选的锯丝切入方向。建立了基于KDP晶体各向异性的锯切模型和各晶面的晶格位置关系图，通过坐标转换的方法得到了锯丝切入方向与晶面法线方向组成的平面弹性模量的大小，找出了锯丝两边材料去除率差异性最小时的锯丝切入方向，得到了KDP晶体(001)晶面、二倍频晶面、三倍频晶面的锯丝切入方向。
　　 利用树脂结合剂固结磨料线锯进行了KDP晶体的锯切试验研究，锯切晶面为(001)晶面，锯丝切入方向为[100]晶向。利用TR240型便携式表面粗糙度仪测量锯切加工后晶片的表面粗糙度大小，通过正交试验设计方法分析了锯切参数对KDP晶体表面粗糙度的影响规律，得到了表面粗糙度较小时的锯切参数;通过扫描电子显微镜(SEM)观察切割表面形貌，研究了不同锯切参数下，KDP晶体表面形貌（凹坑和微裂纹）的差异。通过正交试验对锯切工艺参数进行了优化，得到了最优的锯切参数的水平组合方案，并对最优水平组合进行了试验验证，锯切参数的最优水平组合与试验结果具有很好的一致性。
　　 根据锯丝与工件的几何运动关系，得到了单颗磨粒的最大切削深度，通过比较单颗磨粒的最大切削深度与KDP晶体临界切削深度，得到了KDP晶体塑性域锯切时锯丝速度和工件进给速度满足的关系。把线锯加工中磨粒的切削作用近似为受法向力与切向力作用的压头移动过程，基于压痕断裂力学理论，建立了预测线锯加工KDP晶体过程中表面损伤层厚度的理论模型。结合试验结果得到了横向裂纹深度、中位裂纹长度、亚表面损伤层厚度与锯切参数的关系。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 固结磨粒线锯切片技术研究现状

1．2．1 材料去除机理研究

1．2．2 线锯锯切试验研究

1．3 固结磨粒线锯锯切加工表面质量研究

1．3．1 加工裂纹产生研究

1．3．2 加工表面粗糙度研究

1．3．3 加工表面损伤层研究

1．4 本文的主要研究内容

第2章 KDP晶体固结磨粒线锯切入方向的研究

2．1 KDP晶体的特性

2．1．1 KDP晶体的结构和性能

2．1．2 KDP晶体的各向异性分析

2．2 锯切材料特性对称性判断

2．3 KDP晶体锯丝切入方向的确定

2．3．1 (001)晶面锯丝切入方向的确定

2．3．2 二倍频晶面锯丝切入方向的确定

2．3．3 三倍频晶面锯丝切入方向的确定

2．4 本章小结

第3章 树脂结合剂固结磨粒线锯切割KDP晶体的试验研究

3．1 试验设备

3．1．1 线锯床

3．1．2 线锯丝

3．1．3 试验材料及测量仪器

3．2 正交试验设计的因素和水平

3．3 正交试验设计的安排和试验结果

3．4 正交试验分析

3．4．1 不同因素水平值对表面粗糙度Ra的影响规律

3．4．2 不同因素水平值对表面粗糙度Rz的影响规律

3．5 扫描显微镜观察KDP晶片表面分析

3．5．1 KDP晶体切割表面形貌分析

3．5．2 锯丝磨粒磨损对表面形貌的影响

3．5．3 工件进给速度对表面形貌的影响

3．5．4 锯丝线速度对表面形貌的影响

3．5．5 锯丝张紧力对表面形貌的影响

3．6 最优水平工艺参数锯切试验结果

3．6．1 KDP晶体锯切表面观测

3．6．2 KDP晶体锯切表面粗糙度分析

3．7 本章小结

第4章 KDP晶体锯切表面损伤层的理论分析

4．1 KDP晶体线锯锯切机理研究

4．1．1 单颗磨粒最大切削深度推导

4．1．2 KDP晶体临界切削深度

4．1．3 KDP晶体塑性域去除锯切参数

4．2 KDP晶体切片损伤层理论模型

4．3 锯切参数对横向裂纹深度的影响

4．4 锯切参数对中位裂纹长度的影响

4．5 锯切参数对亚表面损伤层的影响

4．6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文、参加的课题

致谢