熔石英玻璃塑性域微铣削工艺基础及实验研究

发布时间：2016-04-14 09:40

第 1 章 绪论

惯性约束核聚变系统中的熔石英玻璃材料光学组件在大功率高能量激光束的连续照射下，当激光束能量强度超过材料阈值时，材料内部将产生较高的热应力，并且由于热量的急剧增高使得导电离子的数目增加，并因此导致材料表层和亚表层产生破裂、熔化和击穿等不同形式的损伤。如图 1-2 所示，损伤坑的典型形貌为自材料表面至材料内部先后形成激光熔融层、机械弱化层和裂纹扩展区域，机械弱化层内存在着压应力，而裂纹扩展区域内的不规则裂纹和小颗粒物质则对后续光场有着强烈的调制作用。损伤处光学组件发生材料损伤后，将对整个系统的光路透射产生一系列的不良影响，如图 1-3 所示。首先，材料发生损伤后，由于损伤处受激光照射发生二次损伤的阈值将会降低，使得材料更易在损伤处及其周围区域发生损伤范围的扩展或产生新的损伤点；其次，由于损伤点处的形貌是不规则的，当激光束透射过损伤点处时，入射光波波前将产生微小的畸变，经过多层透射最终到达靶心处时，光场焦斑将受到影响，偏离预期的形状和强度；最后，损伤点处不规则的透射面将对入射光加以不同程度和形式的相位调制，在元件后续组件中产生光场的增强或减弱，导致后续组件被损伤的概率增大[2]。

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第 2 章 熔石英玻璃力学性能研究

2.1 引言

在硬脆材料的加工中，材料的固有性质对加工的难易程度、材料的变形方式及刀具的磨损等方面的工艺性能有着非常重要的影响。因此，研究熔石英玻璃的显微硬度、断裂韧性和弹性模量等机械力学性能在计算其理论脆塑转变切削厚度中是有必要的。本课题研究中，采用压痕法计算和确定本课题实验中所用的熔石英玻璃的显微硬度值和断裂韧性值，采用刻划法确定其在无转速、变进给速度情况下发生脆塑转变的深度，为后续临界切削厚度的计算和工艺实验的方案设计提供理论依据和指导。

2.2 熔石英玻璃压痕实验

维氏压痕实验是一种常用的光学材料力学性能分析方法，具有载荷可控性好、试件利用率高、实验设备易操作等优点，其测量结果与压头大小、所加载荷值无关，在均匀材料的测量中用较低载荷即可得到准确结果，压痕为正方形，压痕成核位置好，易形成发育完全的裂纹，，轮廓边缘清晰便于后续测量，故在本课题中采用维氏硬度计进行压痕实验。

第 3 章 熔石英玻璃微铣削稳定条件分析及实验研究............ 31

3.1 引言 ................. 31 
3.2 塑性域内稳定切削条件分析 .................... 31 
3.3 不同工艺参数下最大未变形切屑厚度计算 ......... 33 
3.4 熔石英玻璃微铣削中的铣削力研究 ................. 35 
3.5 熔石英玻璃微铣削工艺实验 .................. 38 
3.6 本章小结 ........... 47 
第 4 章 熔石英玻璃微铣削过程中刀具磨损研究 ............... 49 
4.1 引言 ............ 49 
4.2 刀具选用 ......... 49 
4.3 刀具磨损过程和现象 ...............5 0 
4.4 刀具磨损机理及磨损原因分析 ............ 52 
4.5 各工艺参数变化对刀具磨损影响 .... 55 
4.6 降低刀具磨损的措施 ............................. 56 
4.7 本章小结 ............. 7 
结  论 ......... 59 

第 4 章 熔石英玻璃微铣削过程中刀具磨损研究

4.1 引言

通过前述对熔石英玻璃材料微铣削加工工艺的研究，刀具磨损问题的严重性逐渐凸显。熔石英玻璃材料的硬脆特性导致了在切削加工中，刀具的磨损相对其他材料较快，磨损程度也更为严重，因此研究实验过程中刀具的磨损情况对于提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本具有十分重要的意义。熔石英玻璃的硬脆特性导致了在微铣削加工中的刀具的磨损相对较快，因此研究实验过程中刀具的磨损情况对提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本具有十分重要的意义。本章首先结合实验中对刀具的要求和不同类型刀具的特点，确定了刀具的选用，观察了刀具的磨损过程和主要磨损现象，分析了刀具磨损的机理和磨损原因，总结了各工艺参数的变化对刀具磨损程度的影响；最后，根据实际加工中的经验和理论上的分析，提出了降低刀具磨损的措施和建议。

4.2 刀具选用

刀具是机械加工中重要的基础工艺设备之一，合理选用刀具是获得良好的加工质量、较高的加工效率和经济的加工成本的基本要求。刀具的选用要在掌握加工机床的技术条件、工件材料的材料性质和力学特性、对加工质量的技术要求、加工中将要使用的切削参数等外部条件的基础上，分析不同类型刀具的材料特性和结构特点，同时考虑刀具的价格成本等多方面因素的影响，选择最合理的刀具型号。本实验是针对熔石英玻璃材料的超精密微铣削加工实验，为了达到获得高质量加工表面的实验目的，实验选用刀具应满足以下要求：刀具本身具有较高的制造精度，刃口半径较小，能够去除厚度在数纳米到数百纳米范围之间的材料层，且应在较长加工时间内保证足够的去除稳定性和均匀性；本课题是为熔石英玻璃光学元件的曲面型修复作前期探究，为满足后续实验对曲面加工的要求，所选刀具应为球头微铣刀。
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结 论

本课题以使用球头微铣刀实现熔石英玻璃材料的塑性域微铣削加工为研究主旨，通过压痕实验和刻划实验研究了熔石英玻璃的力学性能和加工特性，计算了主要的力学性能参数，预测了其发生脆塑转变的临界载荷；探索了熔石英玻璃实现塑性域内稳定切削的条件，进行了因素工艺实验和验证性实验，实现了使用球头微铣刀对熔石英玻璃进行塑性域内的微铣削加工；阐述了熔石英玻璃塑性域微铣削实验中的刀具选取标准，观察和分析了 CBN 刀具在实验中的磨损过程和现象，分析了刀具的磨损形式、形成机理和磨损原因，研究了工艺参数变化与刀具磨损程度的关系，提出了减小刀具磨损的措施。主要结论如下：（1） 实验使用的 JC-K01 型熔石英玻璃维氏硬度值为 6.6710GPa，断裂韧性值为 0.7290MPa•m1/2，硬度很高，抵抗裂纹扩展的能力较差；基于刻划实验得出，进给速度的增大将导致熔石英玻璃材料发生脆塑转变的临界深度和临界载荷减小，不利于塑性域加工的实现；通过压痕实验测定熔石英玻璃的临界载荷值为 9.5mN~15.2mN，通过刻划实验测定的临界载荷为 61.7mN~343.8mN。

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参考文献（略）

本文编号：38417