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KDP晶体超精密飞切加工表面形貌形成过程仿真与实验研究

战蓝  
【摘要】:KDP晶体(KH2PO4)是惯性约束核聚变固体激光器光路系统中的关键光学元件,制造精度要求很高,但是KDP晶体具有易潮解、质软、脆性高、易开裂等不利于加工的特点,使其成为最难加工的光学元件。目前对KDP晶体的加工广泛使用的是超精密飞切加工技术。如何在加工中控制好KDP晶体的粗糙度和波纹度误差是当下研究的重点。本文首先分析了超精密飞切加工表面形貌形成过程仿真模型中需要考虑的影响因素,主要包括主轴的偏摆运动、刀具—工件的相对振动、切削过程刀具的热变形情况和切削参数。该加工表面形貌形成过程仿真模型的建立是基于加工的运动规律,加工表面形貌由刀具在工件上的切削运动轮廓形成。因此分别对各影响因素建立了刀尖的运动规律。其中,由于切削过程中刀具热膨胀导致的刀尖位移变化不能通过实验测量。因此本文进行了超精密飞切加工主切削力的测量实验,并建立了切削热理论模型,计算了切削过程中不同切削参数和主切削力对应的输入刀尖的热流量,通过有限元仿真的方法分析了刀具热变形所引起的刀尖位移变化,从而拟合得到了相应的刀尖位移方程。此外,本文还考虑了多次切削的切削截面轮廓干涉现象和刀尖圆弧半径对于仿真中切削深度的影响,在仿真算法中进行了相应的设计并建立了完整的超精密飞切加工表面形貌的仿真模型。利用所建立的KDP晶体超精密飞切加工表面形貌的仿真模型,本文分别分析了切削参数、主轴偏摆运动、刀具—工件的相对振动以及刀具的热变形对KDP晶体加工表面形貌的影响。分析过程中通过编程实现了对仿真形貌的滤波,形貌信息提取及粗糙度、波纹度误差的评价。结果表明切削参数对工件表面粗糙度的影响较大,而主轴偏摆运动及刀具—工件相对振动情况对粗糙度和波纹度均有影响,刀具的热变形不会对粗糙度和波纹度误差造成明显影响,其主要影响加工表面的面形特征。最后,进行了KDP晶体的超精密飞切加工实验,对实验结果进行了分析并验证了超精密飞切加工表面形貌形成过程仿真模型的有效性及合理性。利用本文中的KDP晶体超精密飞切加工表面形貌形成过程仿真模型可以分析不同加工条件下的加工表面形貌变化规律,优化加工过程参数,对于KDP晶体加工表面形貌精度的提高是很有意义的。


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