玻璃微小零件的高效精密超声振动铣削加工技术研究

Glass is a of good performances such as light permeance and insulation. It has been widely used in micro targets for inertial confinement fusion. The special features of micro target glass parts such as small size, complex shape and being sensitive to subsurface damage make them difficult to realize high-efficiency and low-damage precision machining. Aiming at solving the problems faced in precision machining of glass micro shaft used in the fabrication of hohlraum, this project will investigate systematically the effect mechanism of ultrasonic vbration on the crack nucleation and propagation of glass material under a high strain rate, which will provide a basis for the effective control of the subsurface crack damage. A method for predicting the depth of subsurface damage in ultrasonic vibration milling of optical glasses will be proposed to find out the the relationship between the processing conditions and the degree of subsurface damage.The strategy for reducing sub-surface damage will be explored. A method for controlling the machining accuracy of glass micro parts will be put forward. Ultrasonic vibration milling tests of glass micro parts will be conducted to find out the optimization processing conditions for the realizing high-efficiency low-damage precision ultrasonic vibration milling of glass micro parts. The knowledge generated from this work will provide a theoretical and technological basis for high efficiency and low damage precision manufactuing of glass micro target parts used in the national ignition program.

玻璃具有良好的透光性和绝缘性，在激光约束核聚变微靶中得到广泛应用，特别是在新概念靶型中，应用需求日益迫切。微靶用玻璃零件的特征尺寸小、面型复杂、对亚表层损伤异常敏感，采用传统加工方法难以实现高效低损伤精密加工。本课题针对新型微靶黑腔制备用微小玻璃芯轴所面临的精密加工难题，系统研究超声振动效应对硬脆玻璃高速变形条件下裂纹成核及扩展的影响机制，为实现硬脆玻璃加工亚表层裂纹损伤的有效抑制提供理论基础；研究玻璃材料超声振动铣削加工亚表层损伤的预测方法，揭示超声振动铣削工艺条件与亚表层损伤程度的映射关系，探寻抑制亚表层损伤的技术措施；提出玻璃微小结构件加工精度的控制方法，通过微小零件超声振动铣削优化工艺实验研究，获得实现玻璃微小零件高效精密超声振动铣削的优化工艺条件，解决玻璃微小零件的高效精密超声振动铣削加工技术难题，为国家点火工程用新型玻璃微靶结构件的高效精密制造提供理论基础与工艺技术支撑。

本项目针对激光约束核聚变用微小玻璃结构件所面临的加工质量差、加工精度难以保证等问题，开展了硬脆玻璃材料超声振动铣磨加工裂纹成核及扩展机制、亚表面损伤形成机理及预测、加工精度控制及工艺优化等方面的研究。通过霍普金森压杆实验获得了高频振动冲击作用下光学玻璃的应力-应变曲线及材料的破坏形式，计算获得了不同冲击速度下光学玻璃材料的应力、应变及应变率等动态力学性能参数；基于仿真分析和超声振动辅助刻划实验，获得了超声振动参数对刻划力及加工微裂纹分布的影响规律，阐明了高应变率状态下玻璃材料的微观变形行为，揭示了高频超声冲击效应和加工微裂纹交互作用效应对硬脆玻璃材料加工表面创成及亚表面损伤的影响机制，为探寻加工亚表面损伤深度的预测方法提供了理论与实验基础。基于加工表面微观形貌特征和亚表层损伤深度之间内在联系的理论与实验分析，建立了基于加工表面粗糙度的超声振动铣磨加工亚表面裂纹损伤深度的预测模型，为探索提高加工表面质量和加工精度的工艺措施提供了理论依据。基于超声振动作用下磨粒的运动学和动力学特征分析，建立了硬脆玻璃超声振动铣磨加工磨削力模型，揭示了超声振动铣磨加工工艺参数与磨削力之间的映射关系。在以上研究的基础上，建立了玻璃材料高效低损伤超声振动铣磨加工工艺参数优化模型。本项目的研究结果为实现玻璃微小零件高效精密超声振动铣磨加工提供了理论基础与工艺技术支撑。. 结合项目研究成果，发表学术论文3篇，培养研究生4人，其中博士研究生1人（在读），硕士研究生3人（已毕业2人、在读1人）。