KDP晶体材料断裂变形过程中的关键物理机制研究

摘要

KD P晶体广泛应用于可控核聚变和激光武器光路系统中，对KD P晶体进行超精密加工时多采用单点金刚石飞切的加工工艺，因 KD P晶体具有质软、易潮解、脆性高等一系列复杂特性，其在加工过程中非常容易产生裂纹，进而导致KD P 晶体进行光学频率转换时在裂纹处发生能量积聚和激光损伤，严重影响KD P晶体的使用寿命，因此对KD P晶体超精密加工过程裂纹扩展机理的研究具有十分重要的意义。 在对KD P晶体单点金刚石飞切加工过程中裂纹扩展机理进行研究时，基于工艺实验的研究方法，不能动态捕捉裂纹扩展的全过程；常规有限元方法，裂纹扩展路径只能沿着单元边界进行，因此不能精确揭示 KD P晶体裂纹扩展的详细机制；而扩展有限单元法有效弥补了实验方法和常规有限元方法的不足，能够通过阶跃函数在裂纹扩展数值计算过程中实现裂纹尖端在单元内部的穿越，更加精确地模拟KDP晶体单点金刚石飞切裂纹扩展的实际过程，进而揭示KDP晶体在单点金刚石飞切过程中裂纹扩展的具体机制。 为此，本文结合扩展有限单元法的相关理论，在AB AQ US软件中建立起了KDP 晶体单点金刚石飞切的数值模型，并基于正交实验的基本原理对单点飞切过程中涉及到的飞切参数进行组合规划，共规划产生了18组飞切参数组合，对18组参数组合条件下KDP晶体的单点金刚石飞切过程进行数值计算，得到相应的单点金刚石飞切过程中切削力变化情况和裂纹尖端扩展情况；采用相应的分析手段找出影响切削力变化以及裂纹扩展的主要因素，并利用单因素法对具体影响机制进行研究；本文还利用MATLAB软件建立起了用来预测KDP晶体在单点金刚石飞切过程中裂纹尖端最大主应力值的BP神经网络模型，并对模型的正确性进行了验证。 研究结果表明：影响KDP晶体单点金刚石飞切过程切削力大小的主要因素是切削深度和进给量，切削力大小随切削深度的增加、进给量的提升都呈现逐渐变大的趋势；影响KD P晶体单点金刚石飞切过程裂纹尖端扩展趋势和裂纹尖端最大主应力值的主要因素是主轴转速和切削深度，裂纹尖端最大主应力值和扩展趋势随着主轴转速的提升而逐渐增大，其中在600 r/min至800 r/min区间内增长速度最快，裂纹尖端最大主应力值和扩展趋势随着切深的增加而增大，且切深小于25μm时的增长速度要高于切深大于25μm时的增长速度；采用BP神经网络模型所建立起的预测机制能够较为精确地预测不同参数组合条件下的裂尖最大主应力值，为开展KD P晶体单点金刚石飞切工艺过程调控提供了有益参考。

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