一种确定KDP晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法

一种确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法
技术领域
1.本发明涉及光学元件加工技术领域，具体而言，涉及一种确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法。


背景技术：

2.大尺寸的kh2po4(kdp)晶体凭借其优异的光学特性，可作为终端频率转换器和光电开关，被广泛应用于惯性约束核聚变(icf)。目前，国内外主要采用单点金刚石飞切技术来获得kdp晶体的超光滑表面。然而，由于kdp晶体具有硬度低、脆性高、各向异性明显等不利于机械加工的力学特性，因此，在飞切加工过程中会产生大量的微缺陷，比如凹坑和划痕等。在随着后续的高功率激光照射下，加工表面缺陷尺寸会指数级增长，最终导致整个光学元件失效。考虑到晶体生长的昂贵成本，最经济的解决方案是利用先进加工技术去除表面的原始缺陷以达到修复kdp晶体的目的。美国劳伦斯利弗莫尔实验室(llnl)在比较飞秒激光烧蚀、co2激光加工、水刻蚀和微机械修复方法后，认为球头微铣削是去除kdp晶体表面缺陷最具有前景的修复方法。然而，毫无疑问地是，软脆的kdp晶体是一种典型的难加工材料，因为它不仅具有显著的各向异性，而且容易潮解。因此，实现软脆kdp晶体的全塑性域修复对球头微铣削加工工艺提出了巨大的挑战。
3.在微铣削修复过程中，飞切加工缺陷会改变kdp晶体表面的未变形切削厚度，从而影响材料去除机理。此外，由于修复轮廓的曲面加工工艺由层铣和螺旋铣两部分组成(修复工艺定义可详见专利“大口径kdp晶体元件表面激光损伤的微铣削修复工艺方法”)，因此当刀具沿预设路径运动时，kdp晶体与刀具的相对位置会发生变化，导致微铣削修复过程会出现正铣、负铣、顺铣和逆铣四种铣削方式，使其未变形切削厚度在不同的铣削修复区域发生改变。通常将不同切削用量(主轴转速、进给速度和切削深度)下的未变形切削厚度与塑性域转变为脆性域的临界切削厚度(脆塑转变临界切削深度)作比较，以实现塑性切削，肖勇和程健等人通过压痕临界载荷理论和弹塑性接触理论得到脆塑转变临界切削深度值[1]。但是，现阶段的未变形切削厚度计算模型，一方面主要集中在单个磨粒、车削过程的最大未变形切削厚度模型以及平头铣刀切削过程中的顺铣和逆铣最大未变形切削厚度模型，而对于复杂的球头微铣削修复过程，并未建立多种铣削方式下的最大未变形切削厚度理论模型；另一方面，已有的理论模型都认为工件的未加工表面是理想表面(无缺陷表面)，这对于kdp晶体光学元件来说，并未考虑在实际修复过程中，表面缺陷对未变形切削厚度的影响。因此，通过计算kdp晶体缺陷表面在不同铣削方式下的最大铣削厚度对于确定塑性域修复工艺参数及实现全塑性域修复过程具有重要意义和工程价值的。


技术实现要素：

[0004]
本发明要解决的技术问题是：
[0005]
现有的未变形切削厚度计算模型，一方面主要集中在单个磨粒、车削过程的最大
未变形切削厚度模型以及平头铣刀切削过程中的顺铣和逆铣最大未变形切削厚度模型，而对于复杂的球头微铣削修复过程，并未建立多种铣削方式下的最大未变形切削厚度理论模型；另一方面，现有的理论模型往往认为工件的未加工表面是理想表面(无缺陷表面)，并未考虑在实际修复过程中，表面缺陷对未变形切削厚度的影响。
[0006]
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：
[0007]
本发明提供了一种确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法，包括如下步骤：
[0008]
步骤一、测量kdp晶体表面缺陷的深度；
[0009]
步骤二、选择球头微铣削修复工艺参数；
[0010]
步骤三、分别构建正铣、负铣，顺铣和逆铣四种铣削模式下的最大未变形切削厚度理论模型，结合所述微铣削修复工艺参数和表面缺陷深度计算各个铣削方式下的最大未变形切削厚度；
[0011]
步骤四、分别将得到的正铣、负铣，顺铣和逆铣的最大未变形铣削厚度与脆塑转变临界切削深度比较，若存在铣削方式的最大未变形铣削厚度大于等于脆塑转变临界切削深度，则重新选择球头微铣削修复工艺参数进行计算，至各个铣削方式的最大未变形铣削厚度均小于脆塑转变临界切削深度；
[0012]
步骤五、确定表面缺陷全塑性域修复工艺参数。
[0013]
进一步地，步骤一中所述kdp晶体表面缺陷为划痕缺陷。
[0014]
进一步地，步骤一中通过白光干涉仪测量kdp晶体表面缺陷的深度。
[0015]
进一步地，步骤二中所述球头微铣削修复工艺参数包括主轴转速、进给速度、铣削深度以及刀具倾角。
[0016]
进一步地，步骤三中所述正铣为进给方向和刀具倾斜方向相同的铣削方式，构建的正铣最大未变形切削厚度理论模型为：
[0017][0018]
其中，ds为缺陷深度，a
p
为切削深度，α为旋转角，r为刀具半径，fz是每齿进给量，其计算方法为：
[0019]fz
＝f
·
(zn)-1
[0020]
式中f为进给速度，z为切削刃数，n为主轴转速。
[0021]
进一步地，步骤三中所述负铣为进给方向和刀具倾斜方向相反时的铣削方式，构建的负铣最大未变形切削厚度理论模型为：
[0022]
[0023]
进一步地，步骤三中所述顺铣为当刀具进给方向与主轴倾斜方向垂直，且经过最低点的速度方向与进给方向相同时的铣削方式；而速度方向与进给方向相反时的加工模式定义为逆铣，由于顺铣和逆铣之间的差异只在刀具和工件的相对方向上，二者的最大未变形切削厚度相同，因此，顺铣或逆铣的最大未变形切削厚度理论模型为：
[0024][0025]
式中n为实际的切削深度，f
t
为每齿进给量。
[0026]
进一步地，步骤四中所述的脆塑转变临界切削深度值选自通过压痕临界载荷理论和弹塑性接触理论得到的230nm。
[0027]
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
[0028]
本发明一种确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法，一、通过数学模型计算出不同铣削方式下kdp晶体划痕缺陷表面的最大未变形切削厚度，为后续全塑性域修复工艺参数确定提供依据。二、分析主轴转速、每齿进给量和铣削深度等工艺参数在不同铣削方式下对最大未变形切削厚度的影响，在保证所有铣削方式下的最大未变形切削厚度小于脆塑转变临界切削深度的前提下，确定全塑性域修复工艺参数。三、该方法具有一定普适性，可以扩展到凹坑和凸起等多种kdp晶体表面缺陷的全塑性域修复工艺参数确定。四、以最大未变形切削厚度模型分析结果为基础对kdp晶体全塑性域微铣削修复工艺参数进行确定，可提高修复表面质量。
附图说明
[0029]
图1为本发明实施例中一种确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法流程图；
[0030]
图2为本发明实施例中微铣削过程中刀具与工件相对位置变化时的四种铣削方式示意图；
[0031]
图3为本发明实施例中的在正铣模式下kdp晶体划痕缺陷表面最大未变形切削厚度示意图；
[0032]
图4为本发明实施例中的在负铣模式下kdp晶体划痕缺陷表面最大未变形切削厚度示意图；
[0033]
图5为本发明实施例中的在顺铣模式下kdp晶体划痕缺陷表面最大未变形切削厚度示意图；
[0034]
图6为本发明实施例中的不同铣削方式下的微槽加工表面形貌图。
具体实施方式
[0035]
在本发明的描述中，应当说明的是，在本发明的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，并不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。
[0036]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明
的具体实施例做详细的说明。
[0037]
具体实施方式一、如图1所示，一种确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法，包括如下步骤：
[0038]
步骤一、测量kdp晶体表面缺陷的深度；
[0039]
步骤二、选择球头微铣削修复工艺参数；
[0040]
步骤三、分别构建正铣、负铣，顺铣和逆铣四种铣削模式下的最大未变形切削厚度理论模型，结合所述微铣削修复工艺参数和表面缺陷深度计算各个铣削方式下的最大未变形切削厚度；
[0041]
步骤四、分别将得到的正铣、负铣，顺铣和逆铣的最大未变形铣削厚度与脆塑转变临界切削深度比较，若存在铣削方式的最大未变形铣削厚度大于等于脆塑转变临界切削深度，则重新选择球头微铣削修复工艺参数进行计算，至各个铣削方式的最大未变形铣削厚度均小于脆塑转变临界切削深度；
[0042]
步骤五、确定表面缺陷全塑性域修复工艺参数。
[0043]
步骤一中所述kdp晶体表面缺陷为划痕缺陷，通过白光干涉仪测量kdp晶体表面缺陷的深度，所得结果为5μm。
[0044]
步骤二中所述球头微铣削修复工艺参数包括主轴转速、进给速度、铣削深度以及刀具倾角。
[0045]
结合得到的缺陷尺寸和机床性能的实际情况，初步选择以下两组微铣削修复工艺参数：
[0046]
①
刀具倾角30
°
、主轴转速50000r/min、铣削深度8μm、进给速度0.8mm/s
[0047]
②
刀具倾角30
°
、主轴转速50000r/min、铣削深度8μm、进给速度5.0mm/s
[0048]
当刀具与工件的相对位置发生变化时，各种铣削方式会影响材料的去除机制，微铣削过程中有四种铣削模式，如图2所示。可以看出，当刀具倾斜方向与进给方向平行时，切削过程为正铣(+α)或负铣(-α)。如果刀具的倾斜方向与进给方向垂直，切削过程为顺铣(+β)或逆铣(-β)。
[0049]
如图3所示，当球头铣刀相对于工件向右移动，且其倾角为+α时，修复过程出现正铣模式。坐标原点o是刀具的球心(第(j-1)齿)，坐标系oxy绕o点顺时针旋转α角度，得到ox1y1坐标系，当刀具移动每齿进给量f
t
时，球心o移动到o1(第j齿)。a1为j-1齿切削刃轮廓线与晶体缺陷区域底面交点，过a1点作平行x1轴的直线，直线与平移后的y1轴所在直线、第j齿切削刃轮廓线的交点分别为a、a2。a1、a2间的距离h
a1a2
是正铣下的最大未变形切削厚度。
[0050]
在kdp晶体划痕缺陷表面微铣削修复过程中，切削深度为a
p
，由于划痕缺陷深度为ds，因此实际的切削深度n为：
[0051]
n＝a
p-dsꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0052]
在坐标系oxy中，点a1在曲线i上(j-1齿轮球头轮廓线)，其坐标由几何关系可得：
[0053][0054]
由于坐标系ox1y1是通过坐标系oxy旋转α角形成的，因此点a1在ox1y1坐标系中的位置可通过齐次变换计算得到，其坐标公式为：
[0055][0056]
由于点a2在曲线ⅱ上，因此点a2在坐标系ox1y1中的坐标关系表示为：
[0057][0058]
其中fz是每齿进给量，其计算方法为：
[0059]fz
＝f
·
(zn)-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0060]
式中f为进给速度，z为切削刃数，n为主轴转速。
[0061]
由于点a1和点a2在坐标系ox1y1中有相同的纵坐标，因此：
[0062][0063]
在ox1y1坐标系下，实际的最大未变形切削厚度可表示为：
[0064][0065]
最后，由式(1)～(7)计算得到h
a1a2
为：
[0066][0067]
如图4所示，当刀具相对工件向左移动且其倾角为-α时，修复过程出现负铣模式，坐标系oxy绕o点顺时针旋转α角度，得到ox1y1坐标系。o点向左平移f
t
至o1点，b1点为j-1切削刃轮廓线与晶体缺陷区域底面交点，过b1点作平行于x1轴的直线，直线与平移后的y1轴所在直线、第j齿切削刃轮廓线的交点分别为b、b2。，在坐标系oxy中，点b1在曲线i上，其坐标可由几何关系计算为：
[0068][0069]
此外，由于b2点在曲线ⅱ上，所以b2点在坐标系ox1y中的坐标关系表示为：
[0070][0071]
点b1和点b2在坐标系ox1y中有相同的纵坐标。因此，在ox1y坐标系下，实际的最大未变形切削厚度可得：
[0072][0073]
如图5所示,当工件进给方向垂直于刀具的倾角方向且与切削刃旋转到最低点时的速度方向相同时，修复过程出现顺铣模式，倾角为+β，微槽的最深点位于在进给方向和垂
直于kdp晶体表面的方向形成的平面上。球头铣刀从左向右移动每齿进给量f
t
，最大未变形切削厚度h
cf
位于横截面内。a点为晶体缺陷区域底面与y轴的交点，b点为晶体缺陷区域底面与第j-1齿切削刃轮廓线的交点。与在oxy坐标系内，l
ab
可表示为：
[0074][0075]
为：
[0076][0077]
c点为直线o1b与第j齿切削刃轮廓线的交点，因此，可以得到l
bc
为：
[0078][0079]
在b-c视图中，c点为切削刃的最低点，绕o1点将o1c顺时针旋转β角后得到直线，过c点作该直线的垂线ce，ce与晶体缺陷区域底面的交点为f。与kdp晶体划痕缺陷表面的实际最大未变形切削厚度h
cf
(点c、f间的距离)为：
[0080][0081]
最后，可计算出在顺铣模式下的实际最大未变形切削厚度：
[0082][0083]
由于顺铣和逆铣之间的差异只是在刀具和工件的相对方向上，因此在kdp晶体缺陷表面上，两者的实际最大未变形切削厚度是相同的。
[0084]
将划痕缺陷深度、主轴转速、每齿进给量以及铣削深度代入到不同铣削方式下的最大未变形切削厚度理论模型，得到了不同铣削方式下的最大铣削厚度，结果如表1所示。
[0085]
表1
[0086][0087]
所述的脆塑转变临界切削深度值选自现有的研究，通过压痕临界载荷理论和弹塑性接触理论得到的值230nm。
[0088]
1)当进给速度为5.0mm/s时，正铣的最大未变形切削厚度为719.7nm，远大于230nm，则重新选择新的工艺参数；当进给速度为0.80mm/s时，正铣的最大未变形切削厚度为122.5nm，小于230nm。
[0089]
2)当进给速度为0.8mm/s时，负铣的最大未变形切削厚度为211.7nm，小于230nm。
[0090]
3)当进给速度为0.8mm/s时，顺铣或逆铣的最大未变形切削厚度为153.5nm，小于230nm。
[0091]
由于当进给速度为0.8mm/s时，所有铣削方式的最大未变形切削厚度都小于脆塑转变临界切削深度，因此使用该组工艺参数可获得全塑性域微铣削修复表面。
[0092]
获得的全塑性域微铣削修复工艺参数为刀具倾角30
°
、主轴转速50000r/min、铣削深度8μm、进给速度0.8mm/s。基于该参数，对kdp晶体划痕缺陷表面开展了微铣削实验，并用扫描电镜观测了加工表面形貌，如图6所示。从图中可以看出，在正铣下，微槽表面底部没有裂纹和脆性断裂，且微槽在划痕缺陷切入侧和切出侧的边界轮廓完整，仅表面附着少量切屑。在负铣下，微槽表面光滑，刀痕清晰，属于塑性域去除。此外，在顺铣和逆铣下，微槽表面同样没有脆性断裂点和裂纹。然而，可以清楚地看到，在逆铣模式下，微槽表面附着了大量的切屑。原因是当刀具旋转方向与工件进给方向相反时，不利于排屑。综上所述，所获得的全塑性域微铣削加工工艺参数能够获得高质量修复表面，其所有铣削方式下的切削过程无裂纹和脆性断裂坑产生。
[0093]
上述步骤使用本发明的确定流程，成功地确定了kdp晶体表面缺陷球头微铣削修复的全塑性域工艺参数，为实际表面缺陷修复过程中最佳工艺参数的选择提供参考，有助于获得kdp晶体元件的超光滑表面和提高其抗激光损伤能力。
[0094]
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本发明领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
[0095]
本发明援引的文献：
[0096]
[1]xiao y,chen m j,yangy t,et al.research on the critical condition ofbrittle-ductile transition about micro-milling of kdp crystal and experimental verification[j].international journal of precision engineering and manufacturing,2015,16(2):351-359.

技术特征：
1.一种确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、测量kdp晶体表面缺陷的深度；步骤二、选择球头微铣削修复工艺参数；步骤三、分别构建正铣、负铣，顺铣和逆铣四种铣削模式下的最大未变形切削厚度理论模型，结合所述微铣削修复工艺参数和表面缺陷深度计算各个铣削方式下的最大未变形切削厚度；步骤四、分别将得到的正铣、负铣，顺铣和逆铣的最大未变形铣削厚度与脆塑转变临界切削深度比较，若存在铣削方式的最大未变形铣削厚度大于等于脆塑转变临界切削深度，则重新选择球头微铣削修复工艺参数进行计算，至各个铣削方式的最大未变形铣削厚度均小于脆塑转变临界切削深度；步骤五、确定表面缺陷全塑性域修复工艺参数。2.根据权利要求1所述的确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法，其特征在于，步骤一中所述kdp晶体表面缺陷为划痕缺陷。3.根据权利要求2所述的确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法，其特征在于，步骤一中通过白光干涉仪测量kdp晶体表面缺陷的深度。4.根据权利要求1所述的确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法，其特征在于，步骤二中所述球头微铣削修复工艺参数包括主轴转速、进给速度、铣削深度以及刀具倾角。5.根据权利要求2所述的确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法，其特征在于，步骤三中所述正铣为进给方向和刀具倾斜方向相同的铣削方式，构建的正铣最大未变形切削厚度理论模型为：其中，d
s
为缺陷深度，a
p
为切削深度，α为旋转角，r为刀具半径，f
z
是每齿进给量，其计算方法为：f
z
＝f
·
(zn)-1
式中f为进给速度，z为切削刃数，n为主轴转速。6.根据权利要求2所述的确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法，其特征在于，步骤三中所述负铣为进给方向和刀具倾斜方向相反时的铣削方式，构建的负铣最大未变形切削厚度理论模型为：
7.根据权利要求2所述的确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法，其特征在于，步骤三中所述顺铣为当刀具进给方向与主轴倾斜方向垂直，且经过最低点的速度方向与进给方向相同时的铣削方式；而速度方向与进给方向相反时的加工模式定义为逆铣，由于顺铣和逆铣之间的差异只在刀具和工件的相对方向上，二者的最大未变形切削厚度相同，因此，顺铣或逆铣的最大未变形切削厚度理论模型为：式中n为实际的切削深度，f
t
为每齿进给量。8.根据权利要求1所述的确定kdp晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法，其特征在于，步骤四中所述的脆塑转变临界切削深度值选自通过压痕临界载荷理论和弹塑性接触理论得到的230nm。

技术总结
本发明一种确定KDP晶体表面缺陷全塑性域微铣削修复工艺参数的方法，涉及光学元件加工领域，为解决现有方法未建立多种铣削方式下的最大未变形切削厚度模型，且并未考虑表面缺陷对未变形切削厚度的影响的问题。包括如下步骤：步骤一、测量KDP晶体表面缺陷的深度；步骤二、选择球头微铣削修复工艺参数；步骤三、分别构建正铣、负铣，顺铣和逆铣四种铣削模式下的最大未变形切削厚度模型并计算；步骤四、调整修复工艺参数，至各个铣削方式的最大未变形铣削厚度均小于脆塑转变临界切削深度；步骤五、确定表面缺陷全塑性域修复工艺参数。本发明以最大未变形切削厚度模型分析结果为基础对KDP晶体全塑性域微铣削修复工艺参数进行确定，可提高修复表面质量。提高修复表面质量。提高修复表面质量。


技术研发人员：程健 雷鸿钦 陈继祥 张紫晓 陈广 陈明君 赵林杰 王景贺 丁雯钰
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/7/12