光学晶体材料的超声振动空间螺旋线磨削方法及其机理研究

In military and civil application area，there are a significantly increasing demand on the optical crystal components with high surface quality and high precision. Due to its high hardness and brittleness, machining damages and cracks are generated in grinding, which need a long time to be removed in a subsequent finishing operation, resulting in high cost and low precision. (1) In this study, in order to achieve high efficiency and high quality machining with low stress and few damages, a new ultrasonic assisted saptial helical grinding method (USHG), in which the grain path is a spatial helical trace, is proposed, and by using the theory analysis, numerical simulation and experimental methods, the material removal mechanism in USHG of optical crystal materials is investigated. (2) The work will be carried out to reveal the effect of different grinding and ultrsonic vibration parameters on interference action of grain paths, and a representational model of grinding chip will be given. Based on the impact mechanical and thermal load coupling action, the material strain mechanism in USHG of optical crystal materials will be analyzed and a predictive model of grinding forces will be established; and the transition characteristics of brittle to ductile mode grinding are investigated. (3) This study proves to be an effective way to the high efficiency and high quality machining of optical crystal materials, and the obtained outcomes will provide theoretic instruct and technical support for the application of ultrasonic assisted saptical helical grinding method.

在军用和民用先进领域迫切需要大量表面质量很高的精密光学晶体元件。由于大部分光学晶体属于硬脆性材料，在磨削过程中不可避免产生加工损伤与表面裂纹，需要长时间的光整加工去除表面缺陷，从而会增加加工成本并且降低加工精度。(1)为实现光学晶体材料的低损伤、低应力、高效率、高质量的加工，深入研究传统超声辅助磨削加工特点，提出一种磨粒路径为空间螺旋线的超声振动空间螺旋线磨削方法，进而采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法，揭示超声螺旋线磨削光学晶体的材料去除机理。(2)本研究拟揭示不同磨削参数与超声振动参数下磨粒空间螺旋切削路径相互干涉作用机制，建立磨屑形态表征模型；阐明磨削弧区冲击应力场与温度场耦合作用下光学晶体材料变形机制，建立磨削力预测模型；揭示超声螺旋线磨削光学晶体材料的脆塑性转变行为。(3)本研究将为光学晶体材料的高效高质量加工提供新的途径，为超声螺旋线磨削的应用提供理论指导和技术支持。

在航空航天、光学电子、照明等军民关键领域需要大量高品质低损伤的光学晶体元件。这些光学晶体多属于硬脆性材料，在磨削过程中不可避免产生表面与亚表面裂纹、变质层等缺陷，增加了后续光整加工的成本和时间。本项目面向光学晶体材料低损伤低应力高效率高质量的加工需求，提出了一种磨粒路径为空间螺旋线的超声振动空间螺旋线磨削方法，并采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法，从磨粒运动轨迹、磨屑形态、磨削裂纹、磨削力、磨削热等几个方面出发，揭示了超声螺旋线磨削光学晶体的材料去除机理。通过建立超声螺旋线磨削连续间隔磨粒的动态切削模型，提出了超声螺旋线磨削连续性切屑与断续性切屑产生的临界条件，揭示了超声螺旋线磨削光学晶体材料的磨屑形态变化规律。结合理论分析、磨削试验与SPH仿真方法，建立了超声螺旋线磨削的磨削力预测模型，揭示了超声螺旋线磨削光学晶体材料磨削力变化规律；揭示了超声振动空间螺旋线磨削弧区应力场－温度场耦合作用机理。建立了超声螺旋线磨削光学晶体脆塑性去除转变的临界条件，揭示了光学晶体材料超声螺旋线磨削宏微观裂纹形成与扩展机理，同时提出蓝宝石单晶磨削表面二维、三维分形分析方法不仅可用于综合表征磨削表面形貌，还可用于揭示蓝宝石单晶超声磨削表面的脆塑性转变机理。本研究为光学晶体材料的高效高质量加工提供了一种有效的途径，为超声螺旋线磨削的应用提供了理论指导和技术支持。