【摘要】：高性能激光晶體元件的精密加工制造對(duì)激光系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率、減小激光器體積等方面具有重要的意義。由于激光晶體大多為硬脆材料,目前一般采用研磨拋光的方法進(jìn)行加工,效率較低,因此研究激光晶體新的加工方法有重要意義。本文以釔鋁石榴石(YAG)單晶為研究對(duì)象,從材料去除機(jī)理方面研究影響材料去除的主要因素,提出適用于硬脆材料微細(xì)圓柱磨削的磨削方法,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。首先通過(guò)納米壓痕試驗(yàn)獲得了YAG單晶的載荷-深度特性、彈性模量、微納米硬度和斷裂韌性。通過(guò)納米刻劃試驗(yàn)研究不同法向載荷、刻劃速度等因素對(duì)YAG晶體刻劃后劃痕表面形貌、切屑及裂紋的影響。建立了法向載荷與刻劃過(guò)程中橫向裂紋寬度之間的數(shù)學(xué)模型。指出YAG單晶磨削時(shí)材料的去除是塑性去除和脆性去除共同作用的結(jié)果。其次,設(shè)計(jì)制作了28KHz換能器,過(guò)有限元仿真分析了換能器的各階模態(tài)和振動(dòng)形式。對(duì)超聲橢圓振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式及具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。研究了電壓、相位差等不同因素對(duì)產(chǎn)生的橢圓振動(dòng)的影響。通過(guò)阻抗分析儀、位移傳感器等對(duì)超聲橢圓振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。最后結(jié)合無(wú)心磨削與超聲橢圓振動(dòng)加工技術(shù)設(shè)計(jì)并搭建超聲橢圓振動(dòng)無(wú)心磨實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)直徑1mm YAG單晶微細(xì)圓柱進(jìn)行磨削試驗(yàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)研究不同因素對(duì)磨削后表面質(zhì)量和形狀精度的影響,提出改善加工質(zhì)量的方法。通過(guò)對(duì)比超聲橢圓無(wú)心磨削與普通無(wú)心磨削的磨削質(zhì)量,結(jié)合YAG單晶磨削去除機(jī)理,分析超聲橢圓振動(dòng)在材料去除過(guò)程中的作用。
【圖文】：

如圖1-1 所示為固體激光器 YAG 晶體。YAG 晶體具有高度的光學(xué)均勻性、良好的光譜特性、良好的光學(xué)透射率、優(yōu)良的熱機(jī)械性能以及穩(wěn)定的物理化學(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)，，因此極為適合用于高功率固態(tài)激光器。高性能 YAG 晶體是高功率激光器的關(guān)鍵材料，在工業(yè)、科研等領(lǐng)域展現(xiàn)出許多獨(dú)特的應(yīng)用方式和良好的應(yīng)用前景[4]。然而，大功率激光器的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用依然面臨著諸多問(wèn)題。固體激光器在工作過(guò)程中會(huì)將大量的能量轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致激光光束質(zhì)量下降，并且影響激光的輸出功率[5]。因此，研制新型激光晶體材料對(duì)高功率激光的發(fā)展有著至關(guān)重要的意義。倍半氧化物 Lu2O3、Y2O3、Sc2O3等由于具有穩(wěn)定的熱機(jī)械性能而被認(rèn)為是高功率激光器理想的晶體材料。這些氧化物經(jīng)摻雜鐿離子后作為高功率固態(tài)激光器的晶體材料具有比 Yb:YAG 更好的表現(xiàn)[6]。由于倍半氧化物晶體的特殊結(jié)構(gòu)，1%離子摻雜濃度的倍半氧化物產(chǎn)生的激光強(qiáng)度幾乎相當(dāng)于2%摻雜離子濃度的 YAG 晶體[7]。

因此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過(guò)對(duì)各種硬脆材料的壓痕試驗(yàn)研理并取得了顯著成果。美國(guó)的 Lawn, Swain 及 Marshall 等基于將壓頭簡(jiǎn)化為受法向集中載荷作用的半空間問(wèn)題并建立了壓痕階段的彈塑性應(yīng)力場(chǎng)模型[8,9]。Yoffe 通過(guò)對(duì)硅酸鹽玻璃的壓痕下方存在的塑性變形區(qū)域，如圖 1-2 所示，通過(guò)將此塑性變形內(nèi)部的應(yīng)力源從而在材料表面下方產(chǎn)生一個(gè)彈性應(yīng)力場(chǎng)，由此中材料下方每一點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)模型[10]。Cook 與 Roach 通和單晶材料的研究指出壓頭與材料表面接觸時(shí)材料表面下方會(huì)塑性變形，而在塑性區(qū)外則形成一個(gè)不可回復(fù)的殘余應(yīng)力場(chǎng)，了半球形塑性區(qū)域半徑的數(shù)學(xué)模型[11]。日本學(xué)者從材料內(nèi)部缺力狀態(tài)等方面提出硬脆材料塑性去除機(jī)理，并將硬脆材料脆性歸結(jié)為材料內(nèi)部的微觀缺陷[12]。美國(guó)的 Bifano 等人在納米級(jí)超陶瓷材料的塑性去除并通過(guò)壓痕斷裂法得到了陶瓷材料脆塑轉(zhuǎn)。當(dāng)切削深度小于臨界切深時(shí)，材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)的能量小于因此主要以塑性流動(dòng)的方式去除，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的塑性去除
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG580.6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2696106