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。     

惯性约束聚变激光驱动装置用光学元器件的研究进展

介绍了为提高惯性约束聚变(ICF)激光驱动装置的光束质量和输出功率,我国在神光系列激光装置的建设、运行和性能提升方面开展的工作。综述了我国近年来ICF激光装置用光学元器件的重要研究进展。文中涉及了高纯金属铪和磷酸二氢钾(KDP)等原材料的制备和四大主材(钕玻璃、高纯度KDP、熔石英和KDP/高掺氘KDP(KDP/DKDP晶体)的熔炼、加工和生长。描述了元器件的冷加工(针对钕玻璃、白玻璃、KDP晶体)技术和镀膜技术(针对介质膜和化学膜)。最后,给出了针对大口径光学元件工序检及终检开展的多项关键检测技术。文中介绍的关键技术与工艺满足了绝大部分光学元器件的需求,显著提升了光学元器件的研发和生产能力。     

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     

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。     

KDP晶体侧棱高效高精加工装备研制

研制了一种用于KDP晶体侧棱加工的磨削+飞切组合加工装备,该装备采用气体静压主轴与气体静压导轨,同时设计专用的高刚度角度调节机构,以适应不同侧棱角度的加工。该装备解决了现有KDP晶体侧棱加工中加工效率和精度的问题。经实验测试,获得了KDP晶体侧棱面的高精度粗糙度指标(2.4 nm),同时采用磨飞组合加工效率为单纯飞切加工的7倍。     

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。     

微结构自由曲面的超精密单点金刚石切削技术概述

回顾了超精密加工技术的发展,主要包括超精密加工设备的开发历程,以及超精密单点金刚石切削技术基础,并对微工程技术作一简要介绍;重点论述微结构自由曲面的微纳切削技术,包括单点金刚石车削(Single point diamond turning, SPDT),快刀伺服加工(Fast tool servo, FTS),金刚石微凿切(Diamond micro chiseling, DMC),光栅铣削等技术。指出微结构自由曲面测量领域面临的挑战和存在的问题,包括接触式测量和非接触式测量。通过几个典型微结构自由曲面的加工及测量的应用进行举例说明;最后介绍我国在超精密加工机床领域内的研制情况,展望了超精密切削技术未来发展趋势。     

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。     

Dynamic Accuracy Design Method of Ultra-precision Machine Tool

Ultra-precision machine tool is the most important physical tool to machining the workpiece with the frequency domain error requirement, in the design process of which the dynamic accuracy design(DAD) is indispensable and the related research is rarely available. In light of above reasons, a DAD method of ultra-precision machine tool is proposed in this paper, which is based on the frequency domain error allocation.The basic procedure and enabling knowledge of the DAD method is introduced. The application case of DAD method in the ultra-precision flycutting machine tool for KDP crystal machining is described to show the procedure detailedly. In this case, the KDP workpiece surface has the requirements in four different spatial frequency bands, and the emphasis for this study is put on the middle-frequency band with the PSD specifications. The results of the application case basically show the feasibility of the proposed DAD method. The DAD method of ultra-precision machine tool can effectively minimize the technical risk and improve the machining reliability of the designed machine tool. This paper will play an important role in the design and manufacture of new ultra-precision machine tool.     

脆性晶体的超精密加工

用单刃金刚石车削试验研究超精密加工脆性晶体材料的机理。通过讨论加工参数和材料特性来研究脆塑性转换机理。重点研究了加工单晶材料时晶向对临界切深、微切削力和表面粗糙度的影响；还探讨了加工多晶材料时晶界台阶的形成。超精密加工各种脆性晶体都可得到各向同性的纳米级表面粗糙度的光学表面。     

SPDT超精密切削时切削变形与切削力的研究

研究了超精密切削时，单晶金刚石刀具与工件间的摩擦系数、刀具锋锐度、切削厚度等对切削变形系数、切削力及加工表面质量的影响。作者认为在超精密切削时，要提烹加工表面质量，优选金刚石刀具的晶面方向、提高金刚石刀具的锋锐度是十分重要的，在超精密切削单晶材料时，工件晶面的选择也是十分重要的。     

超精密车削表面微观形貌对光学特性影响研究

为了给超精密车削加工表面的光学性能评价提供参考,指导实际加工过程的优化,本文对表面形貌和其光学性能之间的关系进行深入研究。对于仅有理想刀痕的表面所产生的重影现象,采用阈值分析和粗糙度散射理论两方面进行分析。阈值分析是指先计算单段圆弧刀痕的散射特性,再根据周期性结构对光的调制性,可以求得加工出镜面对刀尖圆弧半径和进给率（主轴每转的进给距离）选择的大约临界值要求。在入射光波长500 nm的情况下,当刀尖圆弧半径选择500 um时,可以算得阈值进给率为19 um。粗糙度散射理论分析则是通过电场积分公式—Stratton-Chu公式进行更精确的计算。最终得出结论,对于超精车加工得到的表面,当从入射光的非镜面方向,尤其是一极大散射方向观察不到光强时,则可以认为加工出了镜面效果。     

KDP晶体超精密切削各向异性的理论研究

KDP晶体作为优质的非线性光学材料被广泛应用于“惯性约束核聚变”固体激光器中,且被赋予相当严格的制造精度。本文利用剪切变形比能最大及单晶材料不同晶面晶向剪切弹性模量不同的原理,结合超精密切削模型,从理论上计算出不同晶面、不同晶向及不同刀具前角超精密切削条件下的剪切角,得到其在不同切削条件下的变化规律,并由此解释了切削加工中由KDP晶体各向异性所导致的工件表面粗糙度的各向异性。     

超精密非球面镜面模具直轴磨削的研究

研究了非球面镜面模具直轴超精密磨削技术,给出了非球面镜面模具超精密加工机理、算法原理、软硬件结构、系统实现、工艺分析及实例应用,开发了小型超精密非球面镜面加工系统SGTCAM1.0.研究结果表明,系统原理正确,加工出的非球面光学零部件形状误差在100 nm以下,表面粗糙度在5 nm以下,达到纳米级加工精度.开发的系统使用方便,成本低.     

A theoretical and experimental investigation of orthogonal slow tool servo machining of wavy microstructured patterns on precision rollers

Precision cylinders, or rollers, with patterned microstructures on the surface are the key tooling component in the Roll-to-Roll and Roll-to-Plane fabrication process for precision manufacturing of microstructured plastic films. These films are widely used in optical applications such as the backlight guide and brightness enhancement films in LCD and LED displays. Compared with other fabrication processes, such as lithography, Single-Point Diamond Turning (SPDT), using a Fast Tool Servo (FTS) or Slow Tool Servo (STS) process, is an enabling and efficient machining method to fabricate microstructures. Most studies of the tool servo machining process focus on either machining microstructures in the axial direction for face machining of flat parts or in the radial direction on the surface of a precision roller. There is relatively little research work found on the machining of patterned microstructures on the surface of precision rollers using the tool servo in the axial direction. This paper presents a pilot study on the development of a tool path generator for machining wavy microstructure patterns on precision rollers by using an Orthogonal Slow Tool Servo (OSTS) process. The machining concept of OSTS is first explained, and then the tool path generator is developed in detail for machining wavy microstructure patterns on a roller surface. Modelling and simulation of pattern generation for different microstructures with different wavy patterns and grooves are presented based on the proposed tool path generator. Preliminary experimental work using SPDT on a 4-axis ultra-precision machine tool is presented and clearly shows the generation of unique wavy microstructure patterns on a precision roller. The machined wavy microstructures on the roller surface are measured and analyzed to evaluate the validity of the proposed tool path generator.