熔石英元件亚表面加工缺陷形成机理与控制技术研究

The quantitative analysis is done for various types of cracks formation mechanics owing to machining process based on macro-indentation fracture mechanics theory and the microscopic chemical bond-breaking mechanism, the mechanism that generate subsurface damage is studied for fused quartz material. The assessing parameters of machined surface quality is defined, a novel detection and assessing method is proposed for the machined surface and subsurface defects of fused quartz material, which can detect subsurface damage rapidly and is non-destructive to optical component. The interaction process between the abrasive and tworkpiece is simulated based on smooth particle hydrodynamics finite element method. Otherwise, the formation, propagation and its influencing factors of subsurface micro-crack and scratch marks are analyzed, and the effective means of suppressing and reducing the propagation of subsurface cracks is proposed. The prediction model of the critical cutting depth of brittle-ductile transition which may generate cracks is established, and the critical load is defined, also the effects of various process parameters on the formation and extension of cracks in brittle materials are analyzed. In order to achieve a correct forecast on subsurface crack depth, the prediction models on the relationship between surface roughness, subsurface crack depth and the machining parameters are established. The effects of process parameters and material mechanical properties on subsurface are analyzed, eventually, the quality of machined surface can be controlled by choosing optimizing process parameters.

基于宏观压痕断裂力学理论、微观分子化学键断裂机制对加工过程中各类裂纹成核机制进行定量分析，研究熔石英材料亚表面加工缺陷形成机理。确定熔石英加工表面、亚表面质量表征参数，提出一种无损、快速的亚表面损伤检测和表征新方法，实现亚表面损伤的无损检测和表征，建立熔石英加工表面及亚表面缺陷综合评价体系。基于光滑质点流体动力学有限元分析方法模拟磨粒与工件之间相互作用过程，分析亚表面划痕和微裂纹的形成、扩展过程及其影响因素，寻找抑制和减小亚表面裂纹扩展有效方法。建立脆塑转变临界切削深度预测模型，确定产生裂纹的临界载荷，分析各种工艺参数对脆性材料裂纹形成和扩展的影响规律。建立加工表面粗糙度、亚表面裂纹深度与加工工艺参数之间关系预测模型，实现亚表面损伤的准确预报。分析加工工艺参数与材料特性对加工表面、亚表面质量的影响规律，通过合理选择工艺参数和优化加工工艺流程达到有效控制加工表面质量的目的。

熔石英元件广泛应用于大型高功率激光器系统中，在加工过程中引入的划痕、裂纹、水解层、抛光杂质等缺陷成为制约激光损伤阈值进一步提高的瓶颈，严重地影响了光学系统的长期稳定性。因此，本课题将以熔石英元件为研究对象，开展光学元件亚表面缺陷形成机理、亚表面损伤深度预测、单个磨粒切削过程数值模拟、加工表面及亚表面损伤深度无损检测和定量表征等方面的研究工作，本项研究工作对控制和改进熔石英光学元件的加工方法，研究表面几何特性与使用性能关系，提高军工产品质量和性能具有极为重要意义。. 本项目基于压痕断裂力学理论对加工过程中各类裂纹成核机制进行了分析，确定了熔石英晶体在静态/准静态印压和动态刻划时产生裂纹的临界载荷和临界深度。深入研究了熔石英材料亚表面加工缺陷形成机理，提出了减小亚表层裂纹扩展的有效方法。基于光滑粒子流体动力学法建立了熔石英材料单个磨粒切削加工过程的FE/SPH耦合有限元模型，并对单个磨粒切削加工过程进行了数值模拟，提出了一种能够模拟脆性材料内部裂纹形成及扩展过程的仿真新方法。借助高分辨率检测仪器对熔石英光学元件低频面形精度、中频波纹度及高频表面粗糙度进行了检测、评价和分析，实现了抛光加工工艺参数的优选，提出了抑制和减小不良频率成分增长的有效措施。采用纳米级的量子点对光学元件亚表面缺陷处进行荧光标记，提出无损检测光学元件亚表面损伤深度的新方法，从而实现了对光学元件亚表面损伤深度的无损检测和定量表征，建立了熔石英光学元件加工表面及亚表面缺陷综合评价体系。提出了光学元件抛光加工表面残余应力的计算方法，确定了残余应力与亚表层裂纹深度之间对应关系，为抛光加工表面残余应力的定量计算提供了新途径。建立了表面粗糙度、亚表层裂纹损伤深度与研磨工艺参数之间对应关系的数学方程，将亚表层裂纹损伤深度与研磨工艺参数有机地结合起来，从而实现了加工前对亚表层裂纹损伤深度的准确预报，通过合理地选择工艺参数和优化加工工艺流程达到了有效控制加工表面质量的目的。