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。     

磷锗锌晶体脆塑转变临界切削深度的研究

为实现磷锗锌(ZnGeP2)晶体超精密切削,提高表面加工质量,获得纳米级的超光滑表面,基于纳米压痕实验计算出磷锗锌晶体表面脆塑转变临界深度.在此深度内切削材料产生脆塑转变,并以塑性方式去除.在此基础上,采用单点金刚石飞切机床DFC600A开展磷锗锌晶体超精密切削.通过控制切削深度低于磷锗锌晶体脆塑转变临界深度,使材料表面仅发生塑性变形,实现了晶体表面纳米级光滑表面加工,表面粗糙度达1.01 nm,达到了对磷锗锌晶体表面的加工要求,验证了方法的有效性.     

KDP晶体表面波纹度的监测与分析

采用二次通用回归旋转组合设计方法和单点金刚石飞刀切削(Single Point Diamond Turning,简称SPDT)技术,对KDP晶体进行切削试验。利用声发射技术对KDP晶体不同表面波纹度的信号进行采集,对试验结果进行测量与分析。通过时域分析可得到:均方值可作为KDP晶体加工过程中表面波纹度在线监测的重要时域特征量;通过频域分析可得到:150~200 k Hz可作为在线监测KDP晶体表面波纹度度的特征频段。     

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。     

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。     

超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测

钇铝石榴石（YAG）晶体是制造固体激光器的重要材料,超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法,研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工,获得高质量表面,基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学,通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程,考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应,建立了脆塑转变临界深度的预测模型,并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上,通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证,并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明,磨粒切深高于脆塑转变临界深度时,YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除,磨削表面损伤严重;磨粒切深低于脆塑转变临界深度时,磨削表面材料以塑性方式被去除,能够获得高质量磨削表面,加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。     

氟化钡晶体超精密切削材料去除机理研究

氟化钡晶体在红外成像与激光系统有着广泛而重要的应用,作为典型的萤石型离子晶体,其材料去除机理目前尚不清晰,获得超光滑表面仍极具挑战.本研究采用槽切法研究氟化钡晶体脆塑转变临界深度、脆塑转变机制及表面缺陷形成机理.通过分析最大未变形切屑厚度随切削参数的变化规律,提出实现氟化钡晶体塑性域切削的理论模型.对氟化钡晶体进行了端...     

磷酸二氢钾晶体单点划痕试验研究

使用单颗粒划痕试验来研究磷酸二氢钾(Potassium dihydrogen phosphate,KDP)晶体摩擦磨损特性,同时采用高频记录仪对划痕过程中晶体的力学行为数据进行采集。利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察划痕的表面形貌并分析其去除机理。比较不同划痕方向的摩擦因数μ,结果表明μ是随着划痕位移s的增加而增加。当s3mm时,μ的增加比较平缓,此时晶体以塑性去除为主;当s3mm时,μ发生剧烈的振荡,此时晶体以脆性去除为主。不同划痕方向产生的沟槽侧向裂纹密度随着法向加载的增大而变得密集,最后出现破碎和崩裂,但是侧向裂纹扩展方向与划痕方向所成角度有所差异,这是KDP晶体复杂的滑移系造成的。为了观测划痕产生的亚表面损伤,试验使用截面抛光法和择优腐蚀法,并测定损伤层深度。结果表明,沿[100]晶向的划痕损伤深度最大,且基本上无波动;对于沿[110]和[120]的亚表面划痕损伤深度有很大的波动现象,但在初始划痕阶段沿[120]的划痕损伤深度相对较小。     

KDP晶体塑性域切削技术研究

通过对KDP晶体等脆性材料压痕实验中的塑性行为分析,说明了实现KDP晶体等脆性材料塑性域切削的可行性.通过对脆性材料的切削模型进行分析,阐明了刀具几何尺寸以及切削用量对KDP晶体切削过程的影响.分析已有模型的不足,同时提出了从微观角度建立材料脆性断裂判据,以完善KDP晶体塑性域切削机理的研究思路.     

KDP晶体超精密加工技术的研究

通过对KDP晶体等脆性材料的塑性域切削进行理论分析，研究实现脆性材料塑性域切削的条件。激光核聚变KDP晶体的3项主要技术指标是：表面粗糙度、波纹度和透射波前。通过分析影响这3项技术指标的因素。提出了实现KDP晶体精密加工的超精密机床和工艺参数。通过理论分析与实验。研究了晶向、刀具前角、刀具圆弧半径和进给量等参数对表面粗糙度的影响，最终给出KDP晶体精密加工的最佳工艺参数。     

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。     

碳化硅陶瓷塑性域微切削有限元模拟研究

针对碳化硅材料在较高切削压力的微切削条件下具有脆塑性转变机制,利用专用切削仿真软件Advantedge V5.6,对金刚石刀具微切削碳化硅陶瓷材料的脆塑性转变机制进行了有限元模拟分析,研究了刀具前角、切削速度、切削深度和材料初始温度的变化对材料切削变形、刀-屑接触面最大切削压力、切削力、切削温度的影响变化规律,并与权威文献的实际实验的切削力数据进行了对比,验证了仿真的有效性,获得了较好的模拟结果。研究结果表明:-45°负前角刀具、较小的刀尖圆弧半径、较高的切削速度、较小的切削深度更利于有效的实现碳化硅陶瓷塑性域切削。     

易解理氧化镓晶体微尺度力学行为试验研究

为了探寻单晶氧化镓晶体超精密加工的易切削方向以及临界切削深度,将单晶氧化镓晶体(100)晶面和(010)晶面等角度划分成24等份,对每个方向上用Berkovich金刚石压头进行纳米压痕试验、用Cube金刚石压头进行纳米压痕和划痕试验。试验结果表明,在(100)晶面120°方向上脆塑转变临界切深最大,为623 nm左右,此时脆塑转变临界载荷为29.4 mN;在(010)晶面105°方向上脆塑转变临界切深最大,为686 nm左右,此时脆塑转变临界载荷为20.0 mN。氧化镓晶体存在强烈的各向异性,其中(010)面各向异性较为强烈。对比硬度、弹性模量、断裂韧度和相对脆塑转变临界切深随方向的变化趋势,结合各方向的划痕试验结果可以看出,氧化镓晶体(010)面为易加工晶面,105°方向为易加工方向。     

单颗磨粒刻划氧化镓晶体表面的裂纹成核位置及扩展方向研究

为了分析新一代光电子材料氧化镓晶体在超精密磨削、研磨加工过程中的裂纹成核位置及扩展方向,建立了单颗磨粒刻划氧化镓(010)晶面的弹性应力场模型,分析了氧化镓(010)晶面的脆塑性转变临界切削深度。通过MATLAB软件分析预测刻划氧化镓晶体过程中表面径向裂纹的成核位置及扩展方向,分析结果表明：当切削深度小于临界切削深度时,径向裂纹成核位置在磨粒的后方,裂纹扩展方向与切削方向之间的夹角在33°左右;当切削深度超过临界切削深度时,径向裂纹成核位置进一步向磨粒后方移动,裂纹生成方向与刻划方向之间的夹角在51°左右。为验证理论分析结果,对氧化镓晶体进行了纳米刻划试验,对比分析表明,氧化镓应力场的解析结果与试验数据高度一致。在线性加载条件下,Cube金刚石压头在氧化镓晶体(010)晶面上产生的径向裂纹偏转角在33.37°~51.45°之间。     

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。     

光学玻璃塑性域切削试验研究

对光学玻璃材料BK7进行压痕试验及超声振动变切深刻划试验.通过对BK7表面垂直加载不同的载荷,观察分析不同的载荷下材料表面的变形形式得到了材料分别发生塑性变形,脆塑转变,脆性破坏时的垂直载荷的范围和切削深度的范围.利用超声振动系统对试件进行变切深刻划试验,得到了材料由塑性切削到脆性破坏的连续变化过程的表面形貌.实验结果表明超声振动切削有效提高了临界切削深度.     

深孔加工力学分析及钻削过程模拟

深孔加工是在封闭状态下进行的,不能直接观察到刀具的切削情况。采用了金属塑性成形仿真软件Deform-3D,用有限元方法动态模拟了深孔钻削过程,预测了加工过程中的温度及应力变化情况,比较了不同钻削参数下温度与等效应力的变化情况,获得了不同切削速度下切削温度及等效应力的变化曲线。分析结果表明:切削温度随切入深度的增加而增大,逐渐趋于平稳,最高温度出现在刀具和切屑接触的位置;切削温度与切削速度成正比,而等效应力随切削参数变化,变化并不大。     

单颗磨粒超声辅助磨削SiC陶瓷材料去除机理

为研究不同磨削速度下超声振动作用对SiC陶瓷磨削过程中材料去除机理的影响,采用钎焊单颗金刚石磨粒工具,基于连续变磨削深度试验方法,在SiC陶瓷抛光表面开展了超声辅助磨削与普通磨削对比试验。结果表明,随着单颗磨粒磨削深度的逐渐增大,SiC陶瓷超声辅助磨削与普通磨削时的材料去除机理均经历了“塑性去除→脆-塑转变→大尺寸脆性断裂”的变化;在磨削速度为1 m/s时,相比于普通磨削,单颗磨粒超声辅助磨削可显著增大SiC陶瓷的脆-塑转变临界切厚及相应的磨削划痕横截面积,并减小切向磨削力与磨削比能;而随着磨削速度的增大,超声辅助磨削与普通磨削在单颗磨粒磨削划痕尺寸、磨削力之间的差异逐渐减弱。     

热压硫化锌的超精密磨削加工

针对用传统车削或研磨抛光方法加工大尺寸非球面热压硫化锌透镜存在的不足,采用金刚石砂轮磨削加工方法对热压硫化锌材料进行了加工实验。通过压痕、单颗粒金刚石刻划和磨削正交实验,研究了该方法在磨削加工过程中的塑性域去除机理及其亚表面损伤情况,并优化了超精密磨削加工工艺参数。压痕实验发现热压硫化锌材料在载荷作用下易于出现径向裂纹和微裂纹,其断裂韧性为2.643842MPa/m1/2,临界切削深度为1.808μm。单颗粒金刚石刻划实验结果表明,热压硫化锌材料在较小的切削深度下可以实现塑性域去除,但在机械去除过程中易出现多种形式的亚表层损伤。磨削实验结果表明,磨削深度是影响表面光洁度的主要因素,随着磨削深度的增大表面光洁度降低,最佳表面粗糙度为7.6nm。工作台进给速度是影响面形精度的主要因素,且平面磨削的面形精度PV值为0.185~0.395μm。研究结果表明,磨削加工热压硫化锌材料可以获得纳米级表面粗糙度。     

基于数值仿真技术的单颗磨粒切削机理

磨削过程是磨具表面大量形状各异的磨粒参与的多刃切削过程。单颗磨粒切削研究是认识复杂磨削作用的重要手段,但是单颗磨粒切削试验的实施和物理量的测量存在一定的难度。针对这一问题,分别建立单颗磨粒切削的物理力学模型和数值仿真模型,利用不同载荷下的划痕试验验证这两个模型的准确性。利用数值仿真技术研究不同工艺参数下的单颗磨粒切削过程,仿真单颗磨粒的耕犁和切削过程,得到不同切削速度下耕犁向切削行为转变的临界切削深度;当切削深度增加到某一个切削深度时,仿真得到的径向和切向切削力均有突然增大的趋势,同时发现低速时切削力增大的程度明显高于较高速度时切削力的增大程度;仿真得到的最高切削温度随切削深度的增加,呈现先增大后减小再增大的特点,且第一个最高切削温度峰值出现在临界切削深度附近,但是随着切削速度的降低,这个现象明显减弱,当切削速度小于600 m/min时,这个现象基本不存在;仿真得到的材料去除率随着切削深度的增加而显著增大,而且切削速度越大,材料去除率越大。