创新创业教育与实践报告-晶体材料加工表面立式微铣削修复机床设计
一、选题背景、意义及国内外研究现状
1.选题背景及意义
随着社会文明和科学技术的不断发展，人类对能源的需求日益增长。面对日
益匮乏的化石能源和日趋严重的环境污染，世界各国加紧展开对新型清洁能源
的研究和开发工作。当前，激光驱动受控惯性约束核聚（Inertial Confinement
Fusion， ICF）因具有安全、可控、清洁、可再生等优点被认为极有可能是人类
能源的最终解决途径[1-3]。ICF 是利用较大功率的激光束均匀照射用氘与氚制
成的微小靶芯，在极短的时间内对其进行加热压缩，形成局部高温高密度热斑，
达到点火条件，再以纳秒级脉冲作为驱动，使高密度热核燃料充分热核燃烧，
放出大量聚变能的过程。为了实现惯性约束聚变的研究，美、法、俄、英等国先后
开展并实施了具有国家目标的 ICF 研究计划，其中最具代表性的是美国能源部
于 1995 年发起的在劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore
National Laboratory，LLNL）建造的大型激光聚变装置——“国家点火装置
(National Ignition Facility，NIF) ”。美国国家点火装置 NIF 已经实现全负
载运行[4-7]，是目前世界上规模最大、输出能量最高的激光实验装置，如图 1-
1 所示。NIF 中有 192 束光，排成 24 个束线，产生紫外激光。当激光射向靶
心成功点火时，输出能量是输入能量的 10 倍。我国的大型激光核聚变装置——
神光，由王淦昌院士和邓锡铭院士提出并筹划建设，目前已成功完成神光Ⅰ到
神光Ⅲ的研制[8,9]。
图1-1 美国国家点火装置整体概况及示意图[7]
在美国 NIF 装置的 192 路光束中，每路光束的扑克尔斯盒和光学倍频转
换器都有KDP 晶体的使用，以实现光开关及频率转换的功能[10]，单路激光光
路如图 1-2 所示，整个装置共包含 576 块口径为 410mm×410mm×10/9mm 的
KDP 和 DKDP 晶体（DKDP 为KDP 的同位素标记化合物）。由此可见，KDP 晶体凭
借其独特的光学特性成为了核聚变激光光路中不可替代的光学器件且有很大的
需求量。然而，KDP 晶体水溶性生长周期长、硬度低、脆性高、易潮解雾化且对加
工质量要求高， 被国际光学界公认为“最难加工的激光光学元件”[11]，这对
强激光元件超精密加工、检测等工程技术提出了很高的要求。
图1-2 KDP 晶体在 NIF 单路激光系统中的位置[12]
目前，大口径 KDP 晶体在加工过程中容易产生凹坑、裂纹等微缺陷。同时，
晶体内部存在的晶胞位错和金属离子杂质在强激光的照射下会吸收大量的光和
热，导致激光损伤缺陷在高能束激光连续照射下出现灼伤、龟裂等现象，大大降
低晶体元件的激光损伤阈值和使用寿命，由此限制了 ICF 激光核聚变装置的输
出能量提升。如果这些缺陷不被及时修复，会随着激光打靶次数的增加而迅速扩
展[13-15]，导致晶体元件的整体破坏与报废。图 1-3 为 KDP 晶体随着打靶次
数的增加，同一损伤点的快速扩展情况。
图1-3 缺陷点在多发次激光辐射下的损伤增长情况[15]
大口径 KDP 晶体整体更换极大增加了 ICF 装置的运行维护成本，为了避
免 以上微观缺陷的产生及其快速增长难题，美国 LLNL 实验室提出了光学元件
的“循环战略”解决方案，即将 ICF 中有损伤的光学元件进行拆卸，对其进行
修复后再安放回原来的位置继续使用[16]。LLNL 实验室通过对比连续 CO2 激光
加工、水性湿法刻蚀、短脉冲激光烧蚀和微机械加工的修复效果后认为，基于球
头铣刀高速微铣削的精密微机械修复是当前大口径 KDP 晶体元件表面缺陷最具
前景的修复方法。
KDP 晶体表面微缺陷尺寸小，形状复杂，在实际过程中多数被修复为中心
对称的大宽深比圆滑轮廓（如锥型、高斯型等），以最大程度地降低修复后 KDP
晶体表面的光透射率损失。在采用微机械加工方法修复晶体表面时，损伤点的检
测定位、自动对刀极大影响了修复精度和修复效率，而修复加工工艺（加工参数
走刀路径等）直接决定了修复表面质量的好坏。目前，哈尔滨工业大学已自行研
制了大口径KDP 晶体微缺陷修复专用机床，成功实现了大口径KDP 晶体表面微
缺陷的精密修复，修复后晶体元件的损伤阈值（laser-induced damage
threshold ，
LIDT）恢复到损伤发生前的 85%[16]。尽管如此，当前大口径晶体元件的微机
械修复的工程应用亦存在一些问题：（1）大口径晶体表面微缺陷检测过程中扫
描图片过多，缺陷检测与定位效率低下；（2）缺陷修复时自动对刀技术不成熟，
存在对刀效率低、精度低等问题，且对刀过程存在安全隐患；（3）当前修复工
艺参数仅为经验参数，尚未深入研究工艺参数的最优组合解；（4）恒定周期的
加工刀痕容易产生激光干涉衍射效应，从而使得修复后晶体元件的 LIDT 还有
较大的提升空间。这些问题极大地限制了大口径晶体微修复技术与装备在实际工
程中的推广应用。
综上所述，大口径 KDP 晶体因具有独特的非线性光学性能，成为激光驱动
惯性约束核聚变装置中现阶段尚无法替代的光学倍频器件，精密微铣削修复是
解决大口径晶体元件激光损伤问题最具前景的方法。然而当前修复机床存在缺陷
扫描效率低、自动对刀精度不高、安全系数不高、工艺参数有待优化和残留刀痕
等问题。因此，开展大口径 KDP 晶体元件微铣削修复中的快速检测、自动对刀、
工艺参数优化及修复轨迹优化等方面的研究，对提高其修复效率、改善修复表面
质量、提升晶体元件的抗激光损伤能力具有极其重要的意义。
2.国内外研究现状
微铣刀设计制造的研究现状
长期以来，针对 KDP 晶体的加工方式主要集中在飞切和车削上，已有一些
学者研究了刀具几何参数对切削效果的影响。2007 年，陈明君等[17]通过理论
分析、 有限元仿真和飞切实验研究发现在飞切中刀具前角对 KDP 晶体加工表面
质量影 响很大，并得到在最优前角为-45°时可以得到超光滑表面，表面粗糙
度 RMS 和 Ra 值分别为 6.5nm 和 5.1nm。2008 年，王景贺等[18,19]通过有限
元仿真研究了刀具几何参数对 KDP 晶体车削效果的影响，在仿真模型中计算了
车削后 KDP 晶体上残余应力随刀具几何参数的变化规律，发现刀具前角和后角
对残余应力的影响很大，并得出刀具前角和后角分别为-49°和 7°时为最优 。
2009 年，赵清亮等[20]通过理论和实验相结合的方法研究发现，在车削和飞切
KDP 晶体过程中，刀具前角在抑制材料加工各向异性方面发挥很大作用，选择
合适的刀具前角可以有效的减小 KDP 晶体的各向异性所带来的影响，但不能完
全消除。2012 年，肖勇[21]通过ABAQUS 有限元软件对车削 KDP 晶体进行了切
削仿真研究，如图 1-3 所示，结果表明刀具后角对切削力的影响较小，刀具前
角对晶体材料内最大拉应力影响很大，当刀具前角为-20时，KDP 晶体切削区
的拉应力集中效应最不明显，表明 KDP 晶体车削中在此前角下最有利于塑性域
加工。2013 年，宗文俊等[22]通过有限元仿真研究了飞切 KDP 晶体过程中刀具
前角、后角和刀刃钝圆半径对加工后工件表面粗糙度的影响规律，研究发现加工
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一、选题背景、意义及国内外研究现状1.选题背景及意义随着社会文明和科学技术的不断发展，人类对能源的需求日益增长。面对日益匮乏的化石能源和日趋严重的环境污染，世界各国加紧展开对新型清洁能源的研究和开发工作。当前，激光驱动受控惯性约束核聚（InertialConfinementFusion，ICF）因具有安全、可控、清洁、可再生等优点被认为极有可能是人类能源的最终解决途径[1-3]。ICF是利用较大功率的激光束均匀照射用氘与氚制成的微小靶芯，在极短的时间内对其进行加热压缩，形成局部高温高密度热斑，达到点火条件，再以纳秒级脉冲作为驱动，使高密度热核燃料充分热核燃烧，放出大量聚变能的过程。为了实现惯性...
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作者：闻远设计
分类：课程设计课件资料
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属性：10 页
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格式：DOC
时间：2024-07-31
