KDP晶体本构模型建立及超精密飞切加工过程的建模分析

摘要

磷酸二氢钾（KH2PO4, KDP）晶体具有优良的非线性光学特性，并且是唯一一种可在人工条件下生长到500 mm以上的非线性光学晶体，因此在惯性约束核聚变的激光光路中具有不可替代的重要作用。为了获得满足高能激光光路使用要求的晶体元件，目前主要采用单点金刚石飞切技术对大口径KDP晶体元件的表面进行加工。但是，当前国内采用的K DP晶体飞切加工工艺具有加工效率较低、加工表面质量不稳定等缺点，仅凭现有的飞切加工水平还难以高效、稳定地获得满足指标要求的晶体元件。究其根本原因，是由于对KDP晶体基本力学性能及材料切削机理缺乏系统的研究，对于飞切加工中晶体表面形成过程及导致加工表面质量降低的原因缺乏深入的理解。因此，将从KDP晶体基本力学性能出发，对其各向异性切削机理及表面形成过程等基本问题进行研究，并在此基础上提出工艺改进措施。本文的研究结果对于优化KDP晶体飞切加工工艺、提高晶体加工表面质量和加工效率具有重要的意义。
　　本研究主要内容包括：⑴提出一种更适合用于描述其应力-应变关系的本构模型。该模型采用各向异性弹性模型描述其弹性阶段的应力-应变关系；采用椭球面作为K DP晶体的屈服面，以考虑静水压力对材料塑性性能的影响；采用最大拉应力断裂准则作为K DP晶体的断裂条件。在推导得到该本构模型的数学表达式后，将其转化成有限元代码并集成到商用有限元软件LS-DYN A的材料模型库中。随后，通过纳米压痕实验、纳米划痕实验和有限元仿真相结合的手段，对K DP晶体开关晶面（即（001）晶面）、二倍频晶面及三倍频晶面的力学性能进行研究，拟合得到用于描述K DP晶体弹性、塑性及断裂性能的材料模型参数，为KDP晶体切削过程仿真研究奠定基础。⑵采用建立的本构模型及获得的材料参数对K DP晶体的切削过程进行仿真，分析得到切削方向及刀具前角对其脆塑转变深度的影响规律。同时，在K DP晶体开关、二倍频及三倍频晶面上沿不同方向进行切槽实验，测量得到脆塑转变深度随切削方向及刀具前角的变化规律。随后，提出圆弧刃刀具加工K DP晶体过程的无损表面形成条件，并建立该条件的理论模型。最后，将仿真、实验及理论分析结果进行对比，验证仿真结果及理论分析结果的准确性。⑶对KDP晶体切削力各向异性性能进行研究。建立圆弧刃刀具加工K DP晶体过程的三维切削仿真模型，通过仿真获得切削力随切削方向和进给量的变化规律。此外，为了更加高效、便捷地得到切削K DP晶体过程中切削力的大小，本文还建立了圆弧刃刀具切削KDP晶体过程中切削力的理论预测模型，并根据该模型计算得到不同切削方向下切削力的大小。随后，基于纳米压痕仪在KDP晶体开关、二倍频及三倍频晶面上沿不同方向进行切削实验，测量得到切削力随切削方向及进给量等参数的变化规律。最后，将三种不同方法获得的切削力进行对比，证明仿真结果和理论计算结果的准确性。⑷对KDP晶体飞切加工过程中频繁出现的并严重影响其加工表面质量的几类表面缺陷进行分析。通过晶体表面缺陷E DS元素分析、表面染色切削实验并结合缺陷的显微形貌，提出K DP晶体表面凸起点状缺陷和带状缺陷的形成原因。在此基础上，开展K DP晶体飞切加工工艺实验，考察刀具刃口半径、润滑条件及切削方向等参数对表面缺陷的影响，为抑制晶体表面缺陷提供实验依据。最后，在明确表面缺陷形成原因的基础上对当前使用的飞切加工刀具的结构进行优化，切削实验结果证明该新结构刀具能有效抑制KDP晶体表面缺陷。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的意义

1.2国内外研究现状

1.3本课题的主要研究内容

第2章 KDP晶体本构模型建立及力学参数辨识

2.1 引言

2.2 KDP晶体本构模型建立

2.3 KDP晶体力学性能参数辨识

2.4本章小结

第3章 KDP晶体脆塑转变各向异性性能研究

3.1引言

3.2 KDP晶体脆塑转变各向异性仿真研究

3.3 KDP晶体脆塑转变各向异性实验研究

3.4圆弧刃刀具切削KDP晶体的无损表面形成条件

3.5切削仿真及理论模型计算结果的实验验证

3.6本章小结

第4章 KDP晶体切削力各向异性研究

4.1 引言

4.2 KDP晶体切削力各向异性仿真研究

4.3圆弧刃刀具切削KDP晶体理论模型建立

4.4 KDP晶体切削力各向异性实验研究

4.5切削力仿真及理论计算结果的实验验证

4.6本章小结

第5章 KDP晶体飞切加工表面缺陷成因分析及抑制方法研究

引言

5.1 KDP晶体飞切加工表面缺陷形貌特征及成因分析

5.2 KDP晶体飞切加工表面缺陷抑制方法研究

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢

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