光学晶体材料旋转超声精密加工基础理论与关键技术研究

针对国内外对脆性光学材料的旋转超声加工机理、工艺参数优化以及加工质量评价研究的不足，以及各种精密加工方法在软脆材料――KDP晶体材料加工上的不足，探索一种富有竞争力的光学晶体材料精密加工新途径――钎焊金刚石工具旋转超声精密加工方法。综合考虑旋转超声加工特有的冲击作用、超声空化爆破效应以及划擦磨抛作用，通过理论分析、有限元仿真和超声加工实验，揭示脆性光学材料旋转超声加工的材料脆性断裂和塑性变形行为、材料去除机理以及表面损伤机理，建立适用于广泛脆性材料的旋转超声加工材料去除理论模型。以提高各向异性光学晶体加工表面质量和改善亚表面力学性能为目标，建立旋转超声加工工件表面质量完整性评价体系，明确光学晶体各向异性的表面力学性能对表面完整性的影响，优化设计适用于精密旋转超声加工光学晶体材料的钎焊金刚石工具，提出针对软脆和硬脆材料完善的精密旋转超声加工工艺体系，实现光学晶体材料的旋转超声高效精密加工。

由于光学晶体材料优异的物理、化学和光学性能，被广泛应用于航空航天、国防军工、信息、微电子及光电子等尖端科技领域，同时对其高效精密加工技术也提出了越来越高的要求。本项目将旋转超声加工技术应用于光学晶体材料的高效精密加工，选取典型光学材料（KDP晶体、蓝宝石晶体）为研究对象，通过材料去除机理研究、加工性能预测模型建立及工艺实验等工作，系统开展光学材料旋转超声加工基础理论与工艺性能研究。主要内容和成果如下：.1）开展KDP和蓝宝石晶体的压痕实验和划痕实验研究，获取了材料的硬度、断裂韧性和弹性模量等力学特性，研究了光学晶体材料各向异性和划痕速度对材料脆塑转换去除特性的影响规律，获取了最佳划痕晶向和最佳划痕速度。.2）结合光学脆性材料变形去除特性，研究了单颗金刚石磨粒超声振动作用下光学材料的应力分布、等效力学性能及磨粒运动特性，设计搭建了用于超声振动辅助作用材料变形去除特性研究的实验系统。理论和实验研究表明：超声振动作用下金刚石压头实际切削速度提高，材料应力值降低以及动态等效力学性能改变是超声振动辅助划痕载荷降低，裂纹有效抑制，塑性去除比例提高的根本原因。.3）结合旋转超声加工磨粒切削特性，根据脆性材料压痕断裂力学原理，建立了光学材料旋转超声钻削和端面铣削的切削力预测模型，金刚石刀具参数、超声振动特性、材料力学性能、切削工艺参数等因素均影响切削力大小，对切削力进行有效预测和实验验证。.4）设计制作了三种金刚石刀具（烧结、电镀、钎焊），并进行了多种光学材料的工艺实验研究。旋转超声钻削加工的研究表明：超声钻削光学材料可以有效降低切削力（约30~40%），减小钻孔的崩边尺寸（约20~30%），改善加工特性。设计制作了用于脆性材料精密钻削的恒力进给台，实验结果表明，超声加工可以有效提高钻削的加工效率（约30~40%）。旋转超声端面铣削的研究表明：超声加工可以降低切削力（约30~40%），改善光学材料加工表面完整性，显著降低亚表面损伤深度（约30~40%）。加工获得了加工表面粗糙度为65.5 nm，亚表面损伤深度2.9 μm的蓝宝石晶体高质量表面。. 超声振动通过改变金刚石磨粒运动学特性、影响材料力学特性等机理，改善材料去除特性，从而降低切削力，减小崩边尺寸和亚表面损伤深度，提高加工效率、降低加工成本，旋转超声加工方法是光学材料精密加工的一种有效加工方法。