KDP晶體潮解拋光中運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真與優(yōu)化

郭少龍,劉佳航,潘麗莉

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院,哈爾濱 150028;2.哈爾濱電氣集團(tuán)佳木斯電機(jī)股份有限公司,黑龍江 佳木斯 154002;3.哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心,哈爾濱 150060)

光學(xué)晶體磷酸二氫鉀(Potassium Dihydrogen Phosphate,KDP)是一種性能優(yōu)良的非線性光學(xué)材料,目前其作為唯一可用于電光調(diào)制、激光倍頻和電光開關(guān)器件的電光晶體,被大量使用在慣性約束核聚變工程中[1-2].但是,KDP晶體因?yàn)槠滟|(zhì)地軟、脆性高、易潮解、對(duì)加工溫度敏感、易開裂和各向異性等特征,給表面的加工帶來(lái)極大難度,被公認(rèn)為是最難加工材料的典型代表[3-7].

KDP晶體潮解拋光技術(shù)是為適應(yīng) KDP晶體超精密加工技術(shù)的發(fā)展需要而探索的一種新的KDP晶體超精密加工技術(shù),該技術(shù)方法新穎獨(dú)特,加工效率高,成本低,加工后 KDP 晶體表面容易清洗,無(wú)粒子嵌入,無(wú)小尺度波紋,表面粗糙度達(dá)到納米級(jí)[8].

郭少龍[9]提出了KDP晶體潮解拋光液的性能要求,并根據(jù)這些性能要求,選擇了拋光液的成分,并通過(guò)拋光試驗(yàn),檢驗(yàn)了該拋光液的性能,試驗(yàn)結(jié)果表明,該拋光液性能優(yōu)良,能夠滿足要求.

程志鵬[10]對(duì)KDP晶體水溶解超精密環(huán)形拋光方法進(jìn)行了研究,從材料及結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度對(duì)拋光墊進(jìn)行了選型,對(duì)大尺寸水溶解超精密環(huán)形拋光試驗(yàn)系統(tǒng)中與工藝相關(guān)的附屬設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).

郭亮龍[11]研究了溶解作用、機(jī)械作用和溶解-機(jī)械耦合作用對(duì)飛切KDP晶體拋光去除速率和表面微觀形貌的影響規(guī)律,深入分析了拋光過(guò)程中的溶解-機(jī)械耦合作用機(jī)理.

陳玉川[12]設(shè)計(jì)發(fā)明了針對(duì)水溶解超精密拋光后KDP晶體表面殘留物的多工位超聲噴淋清洗裝置,制定了晶體表面殘留物的清洗工藝,實(shí)現(xiàn)了對(duì)水溶解超精密拋光后KDP晶體的無(wú)殘留清洗.

劉子源[13]確定了KDP晶體可控溶解拋光的工藝方案和工藝參數(shù),優(yōu)選出可用的拋光墊和拋光液,實(shí)現(xiàn)了KDP晶體的可控溶解高效拋光.

LIU等[14-15]進(jìn)一步提出了以兩相空氣-水流體(two-phase air-water fluid,簡(jiǎn)稱TAWF)為催化劑,實(shí)現(xiàn) KDP 晶體的無(wú)污染可控潮解加工,并開發(fā)了TAWF拋光系統(tǒng),通過(guò)對(duì)KDP樣件進(jìn)行加工,得到了表面粗糙度RMS1.5 nm的超光滑表面.

從上述內(nèi)容可以看出,KDP晶體潮解拋光技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但是對(duì)其拋光過(guò)程的研究還不是很完善,還有待于進(jìn)一步深入研究.本文首先對(duì)KDP晶體潮解拋光過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,然后對(duì)KDP晶體潮解拋光中晶體表面一點(diǎn)相對(duì)于拋光墊的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究,分析KDP晶體表面上一點(diǎn)到載樣盤圓心的水平距離r、拋光墊轉(zhuǎn)數(shù)np、擺動(dòng)周期T對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響.

1 KDP晶體潮解拋光原理

KDP晶體潮解拋光的原理圖如圖1所示.在進(jìn)行KDP晶體潮解拋光時(shí),拋光盤與固定在其上的拋光墊一起以角速度ωp旋轉(zhuǎn),載樣盤與固定在其上的KDP晶體一起以角速度ωw旋轉(zhuǎn),同時(shí)載樣盤繞擺動(dòng)圓心進(jìn)行圓弧擺動(dòng),含水的拋光液通過(guò)輸送裝置滴加在拋光墊表面上.在拋光盤和載樣盤的旋轉(zhuǎn)、載樣盤的擺動(dòng)以及拋光液的滴加等過(guò)程中,拋光墊摩擦去除KDP晶體表面的溶解(潮解)層,實(shí)現(xiàn)KDP晶體潮解拋光.

圖1 KDP晶體潮解拋光原理圖Figure 1 Operating principle of the deliquescent polishing technology for KDP crystals

2 KDP晶體潮解拋光過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

通過(guò)分析,將初始時(shí)刻拋光墊和載樣盤的運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)化為如圖2(A)所示的模型.拋光墊繞其圓心O1旋轉(zhuǎn),角速度為ωp,載樣盤繞其圓心O2旋轉(zhuǎn),角速度為ωw,載樣盤繞擺動(dòng)圓心O3往復(fù)擺動(dòng),拋光墊與載樣盤的圓心距O1O2=l1,載樣盤圓心與擺動(dòng)圓心的距離O2O3=l2,α為t時(shí)刻載樣盤圓心與擺動(dòng)圓心連線和O2O3所成夾角,設(shè)載樣盤上一點(diǎn)A初始位置在O1O2連線上,令O2A=r,X2O2Y2為固定坐標(biāo)系,而X1O1Y1坐標(biāo)系固定在拋光墊上.t秒后,A點(diǎn)繞載樣盤圓心旋轉(zhuǎn)過(guò)角度ωwt,動(dòng)坐標(biāo)系X1O1Y1繞O1旋轉(zhuǎn)過(guò)角度ωpt變?yōu)閄3O3Y3,O2經(jīng)旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)后變?yōu)镺4,如圖2(B)所示.

圖2 拋光墊與載樣盤的運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)圖Figure 2 Scheme of motion relation between polishing pad and sample holder

此時(shí),點(diǎn)A在X3O1Y3坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為:

(1)

式(1)即為點(diǎn)A在X3O1Y3坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方程.

3 KDP晶體潮解拋光中運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真

3.1 r對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響

根據(jù)KDP晶體潮解拋光的實(shí)際情況,取仿真條件如表1所示.

表1 r對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響的仿真條件

根據(jù)所求得的軌跡方程和表1中所列的仿真條件,應(yīng)用Matlab軟件繪制當(dāng)t=600 s時(shí)KDP晶體表面上一點(diǎn)相對(duì)于拋光墊的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真圖形,如圖3所示.

從圖3可以看出,KDP晶體表面上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡(r=0 mm)為一個(gè)圓環(huán),這將使得KDP晶體潮解拋光中KDP晶體表面上所研究這一點(diǎn)對(duì)拋光墊的摩擦極不均勻,這不利于KDP晶體拋光表面質(zhì)量的提高,因而這種情況應(yīng)該避免.

從圖3還可以看出,當(dāng)r=10 mm,r=20 mm,r=30 mm,r=40 mm,r=50 mm,r=57.5mm時(shí),隨著r值的逐漸增加,KDP晶體表面上這一點(diǎn)的軌跡帶是逐漸變寬的,特別是當(dāng)r=57.5 mm時(shí),軌跡已經(jīng)分布在拋光墊的大部分區(qū)域上.研究發(fā)現(xiàn),軌跡帶變寬會(huì)使得拋光墊對(duì)KDP晶體表面上所研究這一點(diǎn)的摩擦去除作用更加均勻,從而取得更高的KDP晶體表面質(zhì)量.因此,在KDP晶體潮解拋光時(shí),應(yīng)該在考慮其他相關(guān)影響因素前提下,適當(dāng)增加r值.

3.2 np對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響

根據(jù)KDP晶體潮解拋光的實(shí)際情況,取仿真條件如表2所示.

表2 np對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響的仿真條件

根據(jù)所求得的軌跡方程和表2中所列的仿真條件,應(yīng)用Matlab軟件繪制KDP晶體表面上一點(diǎn)相對(duì)于拋光墊的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真圖形,如圖4所示.

從圖4可以看出,當(dāng)np=25(r·min-1)時(shí),運(yùn)動(dòng)軌跡形狀是個(gè)圓環(huán),這將使得KDP晶體潮解拋光中晶體表面上所研究這一點(diǎn)對(duì)拋光墊的摩擦極不均勻,這不利于KDP晶體拋光表面質(zhì)量的提高,因而這種情況應(yīng)該避免.

從圖4還可以看出,當(dāng)np=35、45、55(r·min-1)時(shí),軌跡帶寬基本相同,隨著np的增加,運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸變密變均勻.在軌跡帶寬基本相同的前提下,軌跡越密越均勻,使得KDP晶體潮解拋光時(shí)拋光墊對(duì)KDP晶體表面上這一點(diǎn)的摩擦去除作用更加均勻,從而取得更高的KDP晶體拋光表面質(zhì)量.因此,在KDP晶體潮解拋光時(shí),應(yīng)該在考慮其他相關(guān)影響因素的前提下適當(dāng)增加np值.

3.3 T對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響

根據(jù)KDP晶體潮解的實(shí)際情況,取仿真條件如表3所示.

表3 T對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響的仿真條件

根據(jù)所求得的軌跡方程和表3中所列的仿真條件,應(yīng)用Matlab軟件繪制KDP晶體表面上一點(diǎn)相對(duì)于拋光墊的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真圖形,如圖5所示.

圖5 T和運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系Figure 5 Relation between T and track

從圖5可以看出,當(dāng)T不同時(shí),運(yùn)動(dòng)軌跡形狀基本相同,帶寬也基本相同,但T=5 s時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡比T=1 s、T=2 s、T=3 s、T=4 s時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡線數(shù)多,從而使得T=5 s時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡比T=1 s、T=2 s、T=3 s、T=4 s時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡更加均勻.顯而易見(jiàn),運(yùn)動(dòng)軌跡更加均勻,使得KDP晶體潮解拋光時(shí)拋光墊對(duì)晶體表面上這一點(diǎn)的摩擦去除作用更加均勻,從而取得更高的KDP晶體拋光表面質(zhì)量.因此,從圖5來(lái)看,在KDP晶體潮解拋光中,T應(yīng)取5 s.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要基于載樣盤擺動(dòng)型拋光機(jī),通過(guò)采用運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、計(jì)算機(jī)仿真等方法,對(duì)KDP晶體潮解拋光中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了研究,得到一定條件下的以下結(jié)論:

1)r=0mm 時(shí),KDP晶體表面上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)圓環(huán),這種情況不利于KDP晶體拋光表面質(zhì)量的提高,因而這種情況應(yīng)該避免.當(dāng)r=10 mm,r=20 mm,r=30 mm,r=40 mm,r=50 mm,r=57.5 mm時(shí),隨著r值的逐漸增加,KDP晶體表面上這一點(diǎn)的軌跡帶是逐漸變寬的,這種情況有利于取得更高的KDP晶體拋光表面質(zhì)量,因此在KDP晶體潮解拋光時(shí),應(yīng)該在考慮其他相關(guān)影響因素前提下,適當(dāng)增加r值.

2)當(dāng)np=25(r·min-1)時(shí),運(yùn)動(dòng)軌跡形狀是個(gè)圓環(huán),這種情況不利于KDP晶體拋光表面質(zhì)量的提高,因而這種情況應(yīng)該避免.當(dāng)np=35、45、55 (r·min-1)時(shí),軌跡帶寬基本相同,隨著np的增加,運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸變密變均勻,這種情況有利于取得更高的KDP晶體拋光表面質(zhì)量,因此,在KDP晶體潮解拋光時(shí),應(yīng)該在考慮其他相關(guān)影響因素的前提下適當(dāng)增加np值.

3)當(dāng)T不同時(shí),運(yùn)動(dòng)軌跡形狀基本相同,帶寬也基本相同,但T=5 s時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡比T=1 s,T=2 s,T=3 s,T=4 s時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡線數(shù)多,從而使得T=5 s時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡比T=1 s,T=2 s,T=3 s,T=4 s時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡更加均勻,從而取得更高的KDP晶體拋光表面質(zhì)量,因此從得到的仿真結(jié)果來(lái)看,在KDP晶體潮解拋光中,T應(yīng)取5 s.