KDP晶体潮解抛光中运动轨迹的仿真与优化

郭少龙,刘佳航,潘丽莉

(1.哈尔滨商业大学 轻工学院,哈尔滨 150028;2.哈尔滨电气集团佳木斯电机股份有限公司,黑龙江 佳木斯 154002;3.哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心,哈尔滨 150060)

光学晶体磷酸二氢钾(Potassium Dihydrogen Phosphate,KDP)是一种性能优良的非线性光学材料,目前其作为唯一可用于电光调制、激光倍频和电光开关器件的电光晶体,被大量使用在惯性约束核聚变工程中[1-2].但是,KDP晶体因为其质地软、脆性高、易潮解、对加工温度敏感、易开裂和各向异性等特征,给表面的加工带来极大难度,被公认为是最难加工材料的典型代表[3-7].

KDP晶体潮解抛光技术是为适应 KDP晶体超精密加工技术的发展需要而探索的一种新的KDP晶体超精密加工技术,该技术方法新颖独特,加工效率高,成本低,加工后 KDP 晶体表面容易清洗,无粒子嵌入,无小尺度波纹,表面粗糙度达到纳米级[8].

郭少龙[9]提出了KDP晶体潮解抛光液的性能要求,并根据这些性能要求,选择了抛光液的成分,并通过抛光试验,检验了该抛光液的性能,试验结果表明,该抛光液性能优良,能够满足要求.

程志鹏[10]对KDP晶体水溶解超精密环形抛光方法进行了研究,从材料及结构两个角度对抛光垫进行了选型,对大尺寸水溶解超精密环形抛光试验系统中与工艺相关的附属设备进行了优化设计.

郭亮龙[11]研究了溶解作用、机械作用和溶解-机械耦合作用对飞切KDP晶体抛光去除速率和表面微观形貌的影响规律,深入分析了抛光过程中的溶解-机械耦合作用机理.

陈玉川[12]设计发明了针对水溶解超精密抛光后KDP晶体表面残留物的多工位超声喷淋清洗装置,制定了晶体表面残留物的清洗工艺,实现了对水溶解超精密抛光后KDP晶体的无残留清洗.

刘子源[13]确定了KDP晶体可控溶解抛光的工艺方案和工艺参数,优选出可用的抛光垫和抛光液,实现了KDP晶体的可控溶解高效抛光.

LIU等[14-15]进一步提出了以两相空气-水流体(two-phase air-water fluid,简称TAWF)为催化剂,实现 KDP 晶体的无污染可控潮解加工,并开发了TAWF抛光系统,通过对KDP样件进行加工,得到了表面粗糙度RMS1.5 nm的超光滑表面.

从上述内容可以看出,KDP晶体潮解抛光技术已经取得了长足的进步,但是对其抛光过程的研究还不是很完善,还有待于进一步深入研究.本文首先对KDP晶体潮解抛光过程进行运动学分析,然后对KDP晶体潮解抛光中晶体表面一点相对于抛光垫的运动轨迹进行研究,分析KDP晶体表面上一点到载样盘圆心的水平距离r、抛光垫转数np、摆动周期T对运动轨迹的影响.

1 KDP晶体潮解抛光原理

KDP晶体潮解抛光的原理图如图1所示.在进行KDP晶体潮解抛光时,抛光盘与固定在其上的抛光垫一起以角速度ωp旋转,载样盘与固定在其上的KDP晶体一起以角速度ωw旋转,同时载样盘绕摆动圆心进行圆弧摆动,含水的抛光液通过输送装置滴加在抛光垫表面上.在抛光盘和载样盘的旋转、载样盘的摆动以及抛光液的滴加等过程中,抛光垫摩擦去除KDP晶体表面的溶解(潮解)层,实现KDP晶体潮解抛光.

图1 KDP晶体潮解抛光原理图Figure 1 Operating principle of the deliquescent polishing technology for KDP crystals

2 KDP晶体潮解抛光过程的运动学分析

通过分析,将初始时刻抛光垫和载样盘的运动关系简化为如图2(A)所示的模型.抛光垫绕其圆心O1旋转,角速度为ωp,载样盘绕其圆心O2旋转,角速度为ωw,载样盘绕摆动圆心O3往复摆动,抛光垫与载样盘的圆心距O1O2=l1,载样盘圆心与摆动圆心的距离O2O3=l2,α为t时刻载样盘圆心与摆动圆心连线和O2O3所成夹角,设载样盘上一点A初始位置在O1O2连线上,令O2A=r,X2O2Y2为固定坐标系,而X1O1Y1坐标系固定在抛光垫上.t秒后,A点绕载样盘圆心旋转过角度ωwt,动坐标系X1O1Y1绕O1旋转过角度ωpt变为X3O3Y3,O2经旋转摆动后变为O4,如图2(B)所示.

图2 抛光垫与载样盘的运动关系简图Figure 2 Scheme of motion relation between polishing pad and sample holder

此时,点A在X3O1Y3坐标系下的坐标为:

(1)

式(1)即为点A在X3O1Y3坐标系下的运动方程.

3 KDP晶体潮解抛光中运动轨迹的仿真

3.1 r对运动轨迹的影响

根据KDP晶体潮解抛光的实际情况,取仿真条件如表1所示.

表1 r对运动轨迹的影响的仿真条件

根据所求得的轨迹方程和表1中所列的仿真条件,应用Matlab软件绘制当t=600 s时KDP晶体表面上一点相对于抛光垫的运动轨迹仿真图形,如图3所示.

从图3可以看出,KDP晶体表面上一点的运动轨迹(r=0 mm)为一个圆环,这将使得KDP晶体潮解抛光中KDP晶体表面上所研究这一点对抛光垫的摩擦极不均匀,这不利于KDP晶体抛光表面质量的提高,因而这种情况应该避免.

从图3还可以看出,当r=10 mm,r=20 mm,r=30 mm,r=40 mm,r=50 mm,r=57.5mm时,随着r值的逐渐增加,KDP晶体表面上这一点的轨迹带是逐渐变宽的,特别是当r=57.5 mm时,轨迹已经分布在抛光垫的大部分区域上.研究发现,轨迹带变宽会使得抛光垫对KDP晶体表面上所研究这一点的摩擦去除作用更加均匀,从而取得更高的KDP晶体表面质量.因此,在KDP晶体潮解抛光时,应该在考虑其他相关影响因素前提下,适当增加r值.

3.2 np对运动轨迹的影响

根据KDP晶体潮解抛光的实际情况,取仿真条件如表2所示.

表2 np对运动轨迹的影响的仿真条件

根据所求得的轨迹方程和表2中所列的仿真条件,应用Matlab软件绘制KDP晶体表面上一点相对于抛光垫的运动轨迹仿真图形,如图4所示.

从图4可以看出,当np=25(r·min-1)时,运动轨迹形状是个圆环,这将使得KDP晶体潮解抛光中晶体表面上所研究这一点对抛光垫的摩擦极不均匀,这不利于KDP晶体抛光表面质量的提高,因而这种情况应该避免.

从图4还可以看出,当np=35、45、55(r·min-1)时,轨迹带宽基本相同,随着np的增加,运动轨迹逐渐变密变均匀.在轨迹带宽基本相同的前提下,轨迹越密越均匀,使得KDP晶体潮解抛光时抛光垫对KDP晶体表面上这一点的摩擦去除作用更加均匀,从而取得更高的KDP晶体抛光表面质量.因此,在KDP晶体潮解抛光时,应该在考虑其他相关影响因素的前提下适当增加np值.

3.3 T对运动轨迹的影响

根据KDP晶体潮解的实际情况,取仿真条件如表3所示.

表3 T对运动轨迹的影响的仿真条件

根据所求得的轨迹方程和表3中所列的仿真条件,应用Matlab软件绘制KDP晶体表面上一点相对于抛光垫的运动轨迹仿真图形,如图5所示.

图5 T和运动轨迹的关系Figure 5 Relation between T and track

从图5可以看出,当T不同时,运动轨迹形状基本相同,带宽也基本相同,但T=5 s时的运动轨迹比T=1 s、T=2 s、T=3 s、T=4 s时的运动轨迹线数多,从而使得T=5 s时的运动轨迹比T=1 s、T=2 s、T=3 s、T=4 s时的运动轨迹更加均匀.显而易见,运动轨迹更加均匀,使得KDP晶体潮解抛光时抛光垫对晶体表面上这一点的摩擦去除作用更加均匀,从而取得更高的KDP晶体抛光表面质量.因此,从图5来看,在KDP晶体潮解抛光中,T应取5 s.

4 结 语

本文主要基于载样盘摆动型抛光机,通过采用运动学分析、计算机仿真等方法,对KDP晶体潮解抛光中的运动轨迹进行了研究,得到一定条件下的以下结论:

1)r=0mm 时,KDP晶体表面上一点的运动轨迹为一个圆环,这种情况不利于KDP晶体抛光表面质量的提高,因而这种情况应该避免.当r=10 mm,r=20 mm,r=30 mm,r=40 mm,r=50 mm,r=57.5 mm时,随着r值的逐渐增加,KDP晶体表面上这一点的轨迹带是逐渐变宽的,这种情况有利于取得更高的KDP晶体抛光表面质量,因此在KDP晶体潮解抛光时,应该在考虑其他相关影响因素前提下,适当增加r值.

2)当np=25(r·min-1)时,运动轨迹形状是个圆环,这种情况不利于KDP晶体抛光表面质量的提高,因而这种情况应该避免.当np=35、45、55 (r·min-1)时,轨迹带宽基本相同,随着np的增加,运动轨迹逐渐变密变均匀,这种情况有利于取得更高的KDP晶体抛光表面质量,因此,在KDP晶体潮解抛光时,应该在考虑其他相关影响因素的前提下适当增加np值.

3)当T不同时,运动轨迹形状基本相同,带宽也基本相同,但T=5 s时的运动轨迹比T=1 s,T=2 s,T=3 s,T=4 s时的运动轨迹线数多,从而使得T=5 s时的运动轨迹比T=1 s,T=2 s,T=3 s,T=4 s时的运动轨迹更加均匀,从而取得更高的KDP晶体抛光表面质量,因此从得到的仿真结果来看,在KDP晶体潮解抛光中,T应取5 s.