大口徑KDP晶體光學(xué)元件超精密飛切加工工藝與裝備

張飛虎，張強(qiáng)

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150001

1 序言

超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)最重要的發(fā)展方向之一，對(duì)先進(jìn)技術(shù)和國(guó)防工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。超精密加工工藝與裝備的研究是超精密加工技術(shù)的重要基礎(chǔ)。本文以高能激光系統(tǒng)中大口徑KDP晶體光學(xué)元件超精密飛切加工為目標(biāo)，針對(duì)KDP晶體各向異性的力學(xué)特性，通過(guò)納米壓痕、劃痕試驗(yàn)結(jié)合有限元仿真的方法，得到了KDP晶體不同晶面的力學(xué)性能參數(shù)，對(duì)KDP晶體加工過(guò)程中脆塑轉(zhuǎn)變各向異性的現(xiàn)象進(jìn)行了研究。對(duì)KDP晶體飛切加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，并研制了大口徑KDP晶體元件超精密飛切加工專(zhuān)用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了KDP晶體元件的超精密加工，為國(guó)家重大科學(xué)工程提供了技術(shù)支撐。

2 KDP晶體材料的特點(diǎn)及應(yīng)用

KDP（Potassinm Dihydengen Phosphate，KH2PO4）是一種優(yōu)秀的非線性光學(xué)材料，不僅具有很強(qiáng)的光學(xué)非線性與很高的激光損傷閾值，而且易于生長(zhǎng)出很大的單晶結(jié)構(gòu)，因而被廣泛應(yīng)用于激光和非線性光學(xué)領(lǐng)域。KDP晶體是高能激光器中現(xiàn)在唯一被采用的光學(xué)倍頻轉(zhuǎn)換器及電光開(kāi)關(guān)元件。生長(zhǎng)成形的KDP晶體以及加工完成的KDP晶體元件如圖1所示。

圖1 生長(zhǎng)成形的KDP晶體以及加工完成的KDP晶體元件

由于KDP晶體具有硬度低、脆性大、易潮解，以及顯著的各向異性、對(duì)溫度變化敏感且容易開(kāi)裂等特點(diǎn)，所以采用傳統(tǒng)的磨削、研磨及拋光等光學(xué)加工方法容易導(dǎo)致磨粒嵌入加工表面和表面潮解，而超精密車(chē)削加工則因晶體各向異性而導(dǎo)致加工表面質(zhì)量不一致，因此只能采用大直徑飛刀盤(pán)的超精密單點(diǎn)金剛石飛切（Single Point Diamond Flycutting，SPDF）的方式，對(duì)其進(jìn)行切削方向變化較小的超精密加工。由于高能激光系統(tǒng)的建造對(duì)大口徑KDP晶體光學(xué)元件的加工質(zhì)量提出了極高的要求，再加上KDP晶體材料的特殊性能，所以大口徑KDP晶體元件被美國(guó)NIF認(rèn)為是最難加工的激光光學(xué)元件。大口徑KDP晶體元件加工指標(biāo)要求見(jiàn)表1。

表1 大口徑KDP晶體元件加工指標(biāo)要求

美國(guó)早在20世紀(jì)80年代的NOVA固體激光器項(xiàng)目中，就對(duì)KDP晶體的特性與加工進(jìn)行了大量的研究。采用單點(diǎn)金剛石刀具飛切的加工方式進(jìn)行大口徑KDP晶體元件的加工，并從設(shè)備、刀具及工藝等多方面開(kāi)展了相應(yīng)的研究，研制了專(zhuān)用的超精密加工裝備。但是該項(xiàng)技術(shù)對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)密的封鎖，我們必須立足國(guó)內(nèi)，研制自己的大口徑KDP晶體超精密加工工藝和裝備。大口徑KDP晶體超精密飛切加工方式如圖2所示。

圖2 大口徑KDP晶體超精密飛切加工方式

3 大口徑KDP晶體超精密飛切加工工藝研究

KDP晶體是人工生長(zhǎng)形成的單晶體，其和常見(jiàn)的各向同性的多晶材料相比，具有很強(qiáng)的各向異性特性。在高能激光系統(tǒng)實(shí)際使用中，沿不同方向?qū)w切片，可以得到具有不同性能的光學(xué)元件。KDP晶體沿圖3所示不同用途的分割方向進(jìn)行切片，可分別在光路中用作開(kāi)關(guān)元件、二倍頻元件與三倍頻元件。相應(yīng)地，KDP晶體在不同晶面甚至在同一晶面沿不同晶向切削時(shí)，因其不同方向具有不同的硬度與斷裂韌性，加工表面質(zhì)量也會(huì)有比較大的差別。因此必須對(duì)KDP晶體不同晶面以及晶向的加工性能進(jìn)行研究，才能有針對(duì)性地確定大口徑KDP晶體元件的超精密加工工藝。

圖3 KDP晶體按不同用途的分割方向

針對(duì)KDP晶體材料強(qiáng)烈的各向異性力學(xué)特性，運(yùn)用彈塑性力學(xué)及斷裂力學(xué)基本理論，建立了適用于描述KDP晶體在彈性階段、塑性階段及脆性斷裂階段的變形行為的本構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上，使用納米壓痕、納米劃痕技術(shù)結(jié)合有限元仿真的方法，對(duì)KDP晶體開(kāi)關(guān)晶面、二倍頻晶面及三倍頻晶面的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，得到了考慮各向異性的KDP晶體力學(xué)本構(gòu)模型及參數(shù)，為進(jìn)行加工過(guò)程的仿真分析奠定了基礎(chǔ)。

因?yàn)镵DP晶體屬于脆性材料，所以根據(jù)超精密加工的脆塑轉(zhuǎn)變理論，在切削層厚度較大時(shí)，被加工材料以脆性斷裂方式去除，加工表面質(zhì)量差并且殘存亞表面裂紋。脆性去除加工表面如圖4a所示，由于達(dá)不到光學(xué)表面的要求，所以只有當(dāng)切削層厚度小于某一臨界切削深度值時(shí)，脆性材料才可以塑性方式去除，能夠得到高質(zhì)量的加工表面。塑性去除加工表面如圖4b所示。臨界切削深度值與材料的力學(xué)性能和加工工藝條件相關(guān)，臨界切削深度值越小，超精密切削加工難度越大，加工效率越低。

圖4 KDP晶體兩種不同的加工表面

在KDP晶體開(kāi)關(guān)（001）晶面上，沿不同方向切削時(shí)KDP晶體脆塑轉(zhuǎn)變深度仿真結(jié)果如圖5所示。使用前角γ＝－45°的金剛石刀具，刀尖圓弧半徑為5mm。在沿0°方向切削時(shí)，當(dāng)切削深度達(dá)到60nm時(shí)，最大拉應(yīng)力超過(guò)該方向的斷裂應(yīng)力，即臨界切削深度tc＝60nm；而當(dāng)沿45°方向切削時(shí)，在切削深度達(dá)到150nm時(shí)，最大拉應(yīng)力超過(guò)該方向的斷裂應(yīng)力，即臨界切削深度tc＝150nm。由此可以看出，KDP晶體的各向異性對(duì)加工性能和工藝的影響是非常顯著的。

圖5 在KDP晶體開(kāi)關(guān)（001）晶面上沿不同方向切削時(shí)KDP晶體脆塑轉(zhuǎn)變深度仿真結(jié)果

在TI950型納米壓痕儀上用刻劃試驗(yàn)方法對(duì)KDP晶體脆塑轉(zhuǎn)變各向異性進(jìn)行研究，得到KDP晶體不同晶面脆塑轉(zhuǎn)變深度試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,如圖6~圖8所示。

圖6 KDP晶體開(kāi)關(guān)晶面脆塑轉(zhuǎn)變深度試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

圖8 KDP晶體三倍頻晶面脆塑轉(zhuǎn)變深度試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

圖7 KDP晶體二倍頻晶面脆塑轉(zhuǎn)變深度試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

仿真得到的脆塑轉(zhuǎn)變深度與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果有較好的一致性，證明建立的KDP晶體本構(gòu)模型及參數(shù)能夠比較準(zhǔn)確地表征KDP晶體脆塑轉(zhuǎn)變各向異性的現(xiàn)象，為進(jìn)行KDP晶體切削過(guò)程仿真及加工工藝研究奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)KDP晶體的不同晶面和晶向進(jìn)行了超精密飛切加工的試驗(yàn)研究。圖9為KDP晶體二倍頻晶面的超精密飛切試驗(yàn)結(jié)果，反映了沿該晶面不同方向以不同進(jìn)給量f加工時(shí)加工表面的檢測(cè)結(jié)果，和上述模型及仿真結(jié)果有較好的一致性。

圖9 KDP晶體二倍頻晶面的超精密飛切試驗(yàn)結(jié)果

4 大口徑KDP晶體超精密飛切加工設(shè)備研制

實(shí)現(xiàn)大口徑KDP晶體元件的超精密加工必須要有超精密加工設(shè)備來(lái)保障。在進(jìn)行KDP晶體加工工藝研究的同時(shí)，開(kāi)展了大口徑KDP晶體超精密飛切加工設(shè)備的研制工作。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的努力和不斷改進(jìn)，研制成功了立式結(jié)構(gòu)的大口徑KDP晶體超精密飛切加工機(jī)床（見(jiàn)圖10）。

圖10 大口徑KDP晶體超精密飛切加工機(jī)床

該機(jī)床采用高剛度空氣靜壓主軸和大直徑飛刀盤(pán)，工作臺(tái)采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液體靜壓導(dǎo)軌，床身采用天然花崗巖結(jié)構(gòu)，在加工過(guò)程中使用真空吸盤(pán)對(duì)大口徑KDP晶體元件進(jìn)行夾持。通過(guò)對(duì)機(jī)床整機(jī)進(jìn)行建模與動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步提高了機(jī)床加工精度和動(dòng)態(tài)性能。該機(jī)床加工400mm×400mm鋁鏡平面試件，面形精度PV值優(yōu)于2μm，加工表面粗糙度值Ra＜1.5nm，達(dá)到了高能激光系統(tǒng)對(duì)大口徑KDP晶體元件的加工要求。圖11為大口徑KDP晶體元件超精密飛切加工表面粗糙度的檢測(cè)結(jié)果。

圖11 大口徑KDP晶體元件超精密飛切加工表面粗糙度的檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

大口徑KDP晶體元件是高能激光器中不可替代的重要光學(xué)元件。由于KDP晶體屬于軟脆材料，且具有明顯的各向異性的力學(xué)特性，所以目前大口徑KDP晶體光學(xué)元件的加工都采用單點(diǎn)金剛石刀具超精密飛切的加工方式。本文通過(guò)納米壓痕、劃痕試驗(yàn)結(jié)合有限元仿真的方法，對(duì)KDP晶體加工過(guò)程中脆塑轉(zhuǎn)變各向異性的現(xiàn)象進(jìn)行了研究，得到了優(yōu)化的KDP晶體超精密飛切加工工藝。在此基礎(chǔ)上研制成功了大口徑KDP晶體元件超精密飛切加工專(zhuān)用設(shè)備，滿(mǎn)足了大口徑KDP晶體元件的超精密加工需求，為國(guó)家重大科學(xué)工程提供了技術(shù)支撐。