YAG晶体磨削去除机理及其超声椭圆无心磨削技术研究

发布时间：2020-06-04 08:09

【摘要】：高性能激光晶体元件的精密加工制造对激光系统的能量转化效率、减小激光器体积等方面具有重要的意义。由于激光晶体大多为硬脆材料,目前一般采用研磨抛光的方法进行加工,效率较低,因此研究激光晶体新的加工方法有重要意义。本文以钇铝石榴石(YAG)单晶为研究对象,从材料去除机理方面研究影响材料去除的主要因素,提出适用于硬脆材料微细圆柱磨削的磨削方法,并进行试验验证。首先通过纳米压痕试验获得了YAG单晶的载荷-深度特性、弹性模量、微纳米硬度和断裂韧性。通过纳米刻划试验研究不同法向载荷、刻划速度等因素对YAG晶体刻划后划痕表面形貌、切屑及裂纹的影响。建立了法向载荷与刻划过程中横向裂纹宽度之间的数学模型。指出YAG单晶磨削时材料的去除是塑性去除和脆性去除共同作用的结果。其次,设计制作了28KHz换能器,过有限元仿真分析了换能器的各阶模态和振动形式。对超声椭圆振动系统的结构形式及具体结构进行设计。研究了电压、相位差等不同因素对产生的椭圆振动的影响。通过阻抗分析仪、位移传感器等对超声椭圆振动系统的振动状态进行检测。最后结合无心磨削与超声椭圆振动加工技术设计并搭建超声椭圆振动无心磨实验平台,对直径1mm YAG单晶微细圆柱进行磨削试验。通过设计正交试验研究不同因素对磨削后表面质量和形状精度的影响,提出改善加工质量的方法。通过对比超声椭圆无心磨削与普通无心磨削的磨削质量,结合YAG单晶磨削去除机理,分析超声椭圆振动在材料去除过程中的作用。
【图文】：

固体激光器,YAG晶体

如图1-1 所示为固体激光器 YAG 晶体。YAG 晶体具有高度的光学均匀性、良好的光谱特性、良好的光学透射率、优良的热机械性能以及稳定的物理化学特性等优点，，因此极为适合用于高功率固态激光器。高性能 YAG 晶体是高功率激光器的关键材料，在工业、科研等领域展现出许多独特的应用方式和良好的应用前景[4]。然而，大功率激光器的快速发展和广泛应用依然面临着诸多问题。固体激光器在工作过程中会将大量的能量转化为热能，导致激光光束质量下降，并且影响激光的输出功率[5]。因此，研制新型激光晶体材料对高功率激光的发展有着至关重要的意义。倍半氧化物 Lu2O3、Y2O3、Sc2O3等由于具有稳定的热机械性能而被认为是高功率激光器理想的晶体材料。这些氧化物经掺杂镱离子后作为高功率固态激光器的晶体材料具有比 Yb:YAG 更好的表现[6]。由于倍半氧化物晶体的特殊结构，1%离子掺杂浓度的倍半氧化物产生的激光强度几乎相当于2%掺杂离子浓度的 YAG 晶体[7]。

示意图,塑性区域,单颗粒,示意图

因此，国内外众多学者通过对各种硬脆材料的压痕试验研理并取得了显著成果。美国的 Lawn, Swain 及 Marshall 等基于将压头简化为受法向集中载荷作用的半空间问题并建立了压痕阶段的弹塑性应力场模型[8,9]。Yoffe 通过对硅酸盐玻璃的压痕下方存在的塑性变形区域，如图 1-2 所示，通过将此塑性变形内部的应力源从而在材料表面下方产生一个弹性应力场，由此中材料下方每一点的应力应变状态模型[10]。Cook 与 Roach 通和单晶材料的研究指出压头与材料表面接触时材料表面下方会塑性变形，而在塑性区外则形成一个不可回复的残余应力场，了半球形塑性区域半径的数学模型[11]。日本学者从材料内部缺力状态等方面提出硬脆材料塑性去除机理，并将硬脆材料脆性归结为材料内部的微观缺陷[12]。美国的 Bifano 等人在纳米级超陶瓷材料的塑性去除并通过压痕断裂法得到了陶瓷材料脆塑转。当切削深度小于临界切深时，材料产生塑性流动的能量小于因此主要以塑性流动的方式去除，从而实现陶瓷材料的塑性去除
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG580.6

【参考文献】