熔石英元件亞表面加工缺陷形成機理與控制技術研究

《熔石英元件亞表面加工缺陷形成機理與控制技術研究》是依託哈爾濱工業大學，由王洪祥擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：熔石英元件亞表面加工缺陷形成機理與控制技術研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：王洪祥

項目摘要

基於巨觀壓痕斷裂力學理論、微觀分子化學鍵斷裂機制對加工過程中各類裂紋成核機制進行定量分析，研究熔石英材料亞表面加工缺陷形成機理。確定熔石英加工表面、亞表面質量表征參數，提出一種無損、快速的亞表面損傷檢測和表征新方法，實現亞表面損傷的無損檢測和表征，建立熔石英加工表面及亞表面缺陷綜合評價體系。基於光滑質點流體動力學有限元分析方法模擬磨粒與工件之間相互作用過程，分析亞表面劃痕和微裂紋的形成、擴展過程及其影響因素，尋找抑制和減小亞表面裂紋擴展有效方法。建立脆塑轉變臨界切削深度預測模型，確定產生裂紋的臨界載荷，分析各種工藝參數對脆性材料裂紋形成和擴展的影響規律。建立加工表面粗糙度、亞表面裂紋深度與加工工藝參數之間關係預測模型，實現亞表面損傷的準確預報。分析加工工藝參數與材料特性對加工表面、亞表面質量的影響規律，通過合理選擇工藝參數和最佳化加工工藝流程達到有效控制加工表面質量的目的。

結題摘要

熔石英元件廣泛套用於大型高功率雷射器系統中，在加工過程中引入的劃痕、裂紋、水解層、拋光雜質等缺陷成為制約雷射損傷閾值進一步提高的瓶頸，嚴重地影響了光學系統的長期穩定性。因此，本課題將以熔石英元件為研究對象，開展光學元件亞表面缺陷形成機理、亞表面損傷深度預測、單個磨粒切削過程數值模擬、加工表面及亞表面損傷深度無損檢測和定量表征等方面的研究工作，本項研究工作對控制和改進熔石英光學元件的加工方法，研究表面幾何特性與使用性能關係，提高軍工產品質量和性能具有極為重要意義。 本項目基於壓痕斷裂力學理論對加工過程中各類裂紋成核機制進行了分析，確定了熔石英晶體在靜態/準靜態印壓和動態刻劃時產生裂紋的臨界載荷和臨界深度。深入研究了熔石英材料亞表面加工缺陷形成機理，提出了減小亞表層裂紋擴展的有效方法。基於光滑粒子流體動力學法建立了熔石英材料單個磨粒切削加工過程的FE/SPH耦合有限元模型，並對單個磨粒切削加工過程進行了數值模擬，提出了一種能夠模擬脆性材料內部裂紋形成及擴展過程的仿真新方法。藉助高解析度檢測儀器對熔石英光學元件低頻面形精度、中頻波紋度及高頻表面粗糙度進行了檢測、評價和分析，實現了拋光加工工藝參數的優選，提出了抑制和減小不良頻率成分增長的有效措施。採用納米級的量子點對光學元件亞表面缺陷處進行螢光標記，提出無損檢測光學元件亞表面損傷深度的新方法，從而實現了對光學元件亞表面損傷深度的無損檢測和定量表征，建立了熔石英光學元件加工表面及亞表面缺陷綜合評價體系。提出了光學元件拋光加工表面殘餘應力的計算方法，確定了殘餘應力與亞表層裂紋深度之間對應關係，為拋光加工表面殘餘應力的定量計算提供了新途徑。建立了表面粗糙度、亞表層裂紋損傷深度與研磨工藝參數之間對應關係的數學方程，將亞表層裂紋損傷深度與研磨工藝參數有機地結合起來，從而實現了加工前對亞表層裂紋損傷深度的準確預報，通過合理地選擇工藝參數和最佳化加工工藝流程達到了有效控制加工表面質量的目的。