KDP晶体飞切加工主轴气膜波动分析

大口径KDP晶体因其特殊的物理材料属性,常通过单点金刚石飞切加工[1].提出了一种基于大涡模拟的气膜波动模型,针对空气静压轴承内部结构,研究涡流的运动变化,通过对流场时变特性的分析得到气膜波动形成的原因,以便更好地理解主轴气膜波动对于飞切加工的影响,为提高加工精度和效率奠定理论基础.     

磷酸二氢钾晶体飞切过程中温度场的分布及其对切屑形貌的影响

研究了磷酸二氢钾(KDP)晶体飞切加工过程中温度场的分布,探索了切削温度对KDP晶体切削过程的影响。首先,采用热力耦合有限元分析对KDP晶体切削过程进行了仿真,获得了不同切削深度下材料内部温度场的分布。分别使用飞切机床和纳米压痕仪在不同速度下切削KDP晶体,发现不同切削速度下形成的切屑的微观形貌存在显著差异,分析指出这可能是由于在不同切削速度下切削区域温度差异导致的。最后,对低速加工过程中获得的切屑进行加热试验,并观测了不同温升条件下切屑微观形貌的变化。飞切加工仿真实验显示:当切深为200nm时,切削区域的温度达到110℃;而实际实验结果表明:当温度超过100℃时,切屑的微观形貌会发生明显变化。综合仿真及实验结果可知:在KDP晶体飞切加工过程中切削区域的温度将超过100℃,因此在对KDP晶体切削机理进行研究时,必须考虑温度对材料力学性能及其去除过程的影响。     

超精密平面飞切机床关键技术研究

研制了一种用于KDP晶体加工的平面飞切机床,该机床直线轴基于直线电动机驱动、液体静压导轨支承;刀具旋转轴采用高刚度气浮主轴+高刚度主轴旋转机构。基于高精度分辨率位置反馈+线性驱动器+PID控制算法,直线轴获得了1 mm/min速度下,0.018 mm/min的低速波动以及±0.01μm的位置精度;刀具微进给装置采用差动螺纹进给来实现,最终获得了进给分辨率1μm、锁紧后位置移动量小于1μm高精度进给。在优化工艺参数后,金刚石飞切机床加工100 mm×100 mm×10mm的KDP晶体后获得表面粗糙度Rq优于2 nm高精度指标;加工400 mm×400 mm×30 mm的铝镜后获得面形PV值优于3μm的高精度指标。     

KDP晶体单点金刚石飞切轨迹波纹误差辨识研究

频率辨识是消除或抑制KDP晶体超精密金刚石飞切轨迹波纹误差的重要前提。针对该问题,提出了一种基于空间频率变换的飞切轨迹波纹误差辨识方法。该方法通过提取表面飞切轨迹上的轮廓幅值,计算其波纹误差的空间频率,然后采用飞切线速度进行转换,获得时间域上的频率值,实现波纹误差特征频率的准确分离。将误差特征频率与切削振动频率、机床气浮主轴系统的固有频率进行对比分析,明确了气浮主轴在断续切削力作用下产生的自激振动和来自电机的受迫振动是导致KDP晶体金刚石飞切波纹误差的根本原因。在此基础上,通过对主轴驱动及结构的优化,工艺实验结果表明,大口径KDP晶体飞切后的PSD1(2.5~33mm)频段内波纹误差RMS值由53nm降低至12nm。     

DFC-800LC超精密单点金刚石飞切机床控制系统设计与开发

根据超精密单点金刚石飞切机床工艺特点,采用"IPC+总线+伺服驱动器"架构实现X轴/主轴的运动控制,并通过IPC与西门子PLC的OPC通讯,实现飞切机床逻辑控制及智能状态监测。针对测控系统新架构进行功能梳理,基于Qt5.9开发平台,完成飞切机床人机交互界面的开发。经过长时间工艺实验测试,机床软硬件运行良好,控制系统性能稳定,实现KDP晶体加工粗糙度达1.173nm,大口径铝件加工PV值优于3μm的高精度指标。     

KDP晶体微塑性域增强金刚石切削方法研究

针对KDP在SPDT切削过程中容易产生凹坑、划痕、裂纹等表面缺陷问题,提出利用热激励的方式增大KDP晶体塑性切削域深度,降低各向异性、机床运动误差、环境振动等因素对加工过程的影响,进而提高SPDT切削加工过程稳定性的方法。通过纳米压痕试验获得了KDP晶体表面在不同温度状态下的硬度和脆塑性转变深度变化规律,并在SPDT机床上采用金刚石刀具开展了KDP晶体飞切划痕实验,进一步验证了适当提高KDP晶体温度可以增大KDP晶体脆塑性转变临界切削深度。在此基础上,对KDP晶体开展了不同温度状态下的切削实验,实验结果表明在相同工艺参数下,随着温度的升高,表面粗糙度Sa值从3.2nm降低至1.6nm。     

KDP晶体表面质量主要影响因素的研究

针对KDP晶体超精密加工过程中出现的表面波纹度和粗糙度问题,采用二次通用回归旋转组合优化设计法及单点金刚石飞刀切削(SPDT)技术,对KDP晶体进行切削实验,对加工过程进行在线监测,利用多因素交互作用分析KDP晶体表面波纹度和粗糙度的影响规律。最后利用偏最小二乘法及lingo软件获得最佳加工工艺参数组合,即当刀具圆弧半径为9mm;转速为800 r/min;进给量为9.184μm/r;背吃刀量为21μm时,加工出KDP晶体的表面波纹度值为0.020μm,表面粗糙度值为0.017μm,对后续能够加工出更大口径(400×400)mm的高质量KDP晶体以满足航空航天领域应用具有重要的实际意义。     

特殊晶体材料飞刀切削加工工艺的分析与优化

采用二次通用回归旋转组合设计方法,对KDP晶体的切削加工工艺进行优化设计;利用单点金刚石飞刀切削(single point diamond turning,SPDT)技术对其进行切削。对试验结果进行测量与分析,确定合理的试验因素及水平,分析加工工艺参数的单因素和交互因素对KDP晶体表面粗糙度的影响规律。最后得到最优工艺参数组合:刀具圆弧半径为5 mm,转速为800 r/min,进给量为1μm/r,背吃刀量为21μm,加工出的KDP晶体表面粗糙度值为0.017μm。     

KDP晶体表面波纹度的分析与研究

针对工艺参数对KDP晶体表面波纹度值的影响问题,基于二次通用回归旋转组合方法优化KDP晶体单点金刚石飞刀切削工艺参数组合,采用单因素和多因素法分析各因素对表面波纹度的影响规律,并以此为基础优化工艺参数,进行KDP晶体切削实验。试验表明:各因素对表面波纹度的影响程度大小顺序为:进给量二次项、进给量、转速、转速与进给量的交互作用。优化出表面波纹度值最小时的加工工艺参数组合:刀具圆弧半径为9mm;转速为633r/min;进给量为11.8μm/r;背吃刀量为21μm,利用此组工艺参数加工出KDP晶体的表面波纹度为0.02μm。     

KDP晶体单点金刚石超精密切削加工的发展

总结了KDP晶体材料优异的光学性能及其难加工的机械物理特性,并回顾了KDP晶体单点金刚石切削(SPDT)加工的起源,特别对KDP晶体SPDT加工技术的国内外发展状况做了着重介绍,最后展望了KDP晶体SPDT加工的未来发展趋势。     

用于KDP晶体切削的俯仰调节机构设计

介绍了一种在侧棱加工中应用的机床工件装卡的俯仰调节机构,采用运动分析、受力分析、应力应变分析等优化俯仰机构的受力情况和整体刚度,获得了具有Z向移动量小,整体刚性高,有利于实现KDP晶体的高精度表面质量,并通过实验验证,得到此种俯仰调节机构可实现纳米级粗糙度的加工。且采用此种调节机构运动平稳、具有自锁功能、结构简单、拆装方便。     

KDP晶体超精密加工切削力的实验研究

KDP晶体是一种常用的非线性光学材料,广泛应用于激光变频、电光调试和光快速开关等高技术领域。文中通过实验研究了KDP晶体超精密切削加工的切削力特性,分析了切削深度、进给量对切削力的影响,并对KDP晶体和铝合金的切削力进行了比较。研究结果表明,立轴平面铣削KDP晶体的切削力Fz、Fy随着切削深度和进给量的增加而增加,但增加的速度远小于铝合金的切削力Fz、Fy增加速度。实验证明了在生产实际中加工KDP晶体时,在不影响加工表面质量的前提下,可以适当加大切削深度和进给量,从而提高切削效率。     

碲锌镉晶片的超精密飞切减薄工艺研究

运用晶体材料的脆塑转变理论,建立了碲锌镉晶体材料生长晶面(111)面上的脆塑转变临界切削深度模型。然后通过碲锌镉典型样件(111)晶面的超精密飞切铣削实验进行了弧形槽结构的检测和分析,获得了碲锌镉晶体材料(111)晶面的脆塑转变临界切削深度数值。并确定了切削单晶碲锌镉材料时的最佳飞切晶向,实现了飞切方向和最小切削厚度值的匹配。最后通过组合夹具的使用,进行了超精密飞切减薄试验,实现了一整套晶体材料的超精密飞切减薄加工工艺。     

大口径KDP晶体装配附加面形畸变抑制工艺优化

在高功率固体激光装置中，大口径KDP晶体的面形畸变控制是影响终端光学组件倍频转化效率的关键因素之一。为了提高大口径KDP晶体的装配附加面形质量，提出了一种点支撑装配附加面形畸变抑制工艺方法。首先，通过遗传算法对支撑点及其分布进行优化设计。然后，采用有限元分析方法对KDP晶体的装配预紧工艺进行优化设计。最后，开展优化后的装配工艺对KDP晶体装配附加面形畸变的抑制和倍频转换效率的实验验证。实验结果表明：提出的工艺方法对KDP晶体装配附加面形畸变具有良好的抑制效果，实测面形PV值为6.51μm，二倍频转化效率可达72.6%，且重复装配的一致性良好。该方法大幅提升了晶体倍频效率和远场光斑质量，并在工程上得到应用与推广。     

KDP晶体磨削表面缺陷及损伤分析

在对磷酸二氢钾（KDP）晶体进行磨削加工的基础上,利用光学显微镜、ZYGO三维表面形貌仪和扫描电子显微镜对KDP晶体磨削加工表面层缺陷及损伤进行了研究,发现磨削加工后的KDP晶体表面有较大的划痕和脆性破碎现象,材料以脆性去除为主。     

KDP晶体加工专用超精密机床数控系统开发

介绍了KDP(磷酸二氢钾)晶体加工专用超精密机床基于PMAC运动控制器的双CPU开放式数控系统,并详细说明了系统硬件构建和软件实现及伺服控制方法.超精密机床数控系统采用工业控制计算机作为上位机完成数控加工中的非实时任务,PMAC运动控制器作为下位机完成实时的控制任务.该系统应用于KDP晶体专用超精密机床加工铝试件,获得了Ra5.158 nm的表面粗糙度,验证了该数控系统的实用性和可靠性.     

KDP晶体光学零件超精密加工技术研究的新进展

KDP晶体作为优质的非线性光学材料 ,被广泛的应用于激光非线性光学领域。由于大型KDP晶体具有一系列不利于光学加工的特点 ,因此被公认为是最难加工的光学零件。本文概述了KDP晶体超精密磨削和磁流变抛光的加工方法 ,阐述了KDP晶体光学零件单点金刚石加工技术的研究现状 ,并详细地分析了单点金刚石切削加工时机床精度、加工工艺参数、装夹变形、晶格方向变化、金刚石刀具几何参数、冷却液等对加工表面质量 (平面度、表面粗糙度、小尺度波纹等 )的影响     

不同生长方式和籽晶切向KDP晶体的生长及性能

磷酸二氢钾(KDP)晶体是一种经典的电光材料,是目前唯一可用于惯性约束核聚变的非线性光学材料。鉴于籽晶和生长方法对KDP晶体的生长和质量具有重要的影响,本文采用传统法生长法和点籽晶快速生长法生长KDP晶体,通过改变籽晶的种类及切向,不仅减少了晶体的恢复区,同时缩短了晶体的生长周期,生长出高透明度的单晶。对晶体的透过、结晶完整性及损伤等性能进行测试,结果表明,晶体在红外和可见光波段具有较高的透过率;晶体(001)面的衍射强度较强,峰形比较尖锐;相比于1-on-1方式,R-on-1处理使KDP的损伤阈值提高了1.7～2.1倍,晶体的抗损伤均匀性很高。生长的晶体具有优良的光学性能,籽晶对晶体的生长具有重要的影响。     

超精密径向调刀飞刀盘研制及弧形微结构的飞切实验

采用超精密飞切技术实现的脆性光学晶体材料表面的微结构功能具有重要应用。针对超精密车削机床缺乏竖直Y轴的问题,开发了一种铝制径向调刀飞刀盘,从而可以保证飞切槽形时对槽深的控制。采用差动螺旋进给机构在传统飞刀盘盘面径向设计了金刚石刀具的微调进给装置,并设计了动平衡的粗、精调功能。通过对单晶锗片表面的超精密飞切弧形槽微结构阵列的加工实验表明,该飞刀盘既可以有效相对工件表面进行对刀,也可以精确控制落刀深度;通过合理确定落刀深度,可以实现脆性晶体材料单晶锗表面弧形槽微结构的塑性区超精密飞切加工。     

荧光成像技术无损探测光学元件亚表面缺陷

为了建立有效无损的亚表面缺陷探测技术,本文开展了光学元件亚表面缺陷的荧光成像技术研究,通过系统优化激发波长、成像光谱、成像光路及探测器等影响探测精度和探测灵敏度的参数,研制出小口径荧光缺陷检测样机。基于该样机对一系列精抛光熔石英和飞切KDP晶体元件的散射缺陷和荧光缺陷进行了表征,获得了各类样品亚表面缺陷所占的比重差异很大,从0.012%到1.1%不等。利用统计学方法分析了亚表面缺陷与损伤阈值的关系,结果显示,熔石英亚表面缺陷与损伤阈值相关曲线的R~2值为0.907,KDP晶体亚表面缺陷与损伤阈值相关曲线的R~2值为0.947,均属于强相关。该研究结果可评价光学元件的加工质量,用于指导紫外光学元件加工工艺,并且由于该探测技术具有无损、快速的特点,因此可应用于大口径紫外光学元件全口径亚表面缺陷探测,具有极其重要的工程意义。