研究了磷酸二氢钾(KDP)晶体表面典型缺陷的形成原因及抑制方法。通过飞切加工及表面染色切削实验证明了成因分析结果的正确性,进一步明确了KDP晶体表面缺陷的形成过程。建立了适用于描述KDP晶体表面缺陷形成过程的理论模型,提出了获得无缺陷晶体表面的工艺条件。对飞切加工参数及刀具结构进行了优化,实验验证了缺陷抑制措施的有效性。研究结果表明,在飞切条件下,KDP晶体(001)晶面的脆塑转变(BDT)深度变化范围为125~268 nm,当沿45°方向切削时BDT深度最大,此时只要保证进给速率小于36.6 μm/r即可避免在晶体表面形成凹坑。通过优化刀具结构,可消除晶体表面的凸起缺陷,有效抑制KDP晶体的表面缺陷,最终获得了粗糙度小于2 nm的光滑KDP晶体表面。

为了满足光学复杂曲面的精密、高效加工, 提出一种利用空化效应促进射流加工效率的光学表面加工方法——纳米胶体自激脉冲空化射流抛光, 并研制了加工系统。采用流体动力学对纳米胶体自激脉冲空化射流抛光中的喷射过程进行了仿真, 获得了周期为0.3 s的自激脉冲射流典型时刻下加工流场的流体动、静压力、速度、空化效应分布规律。进行了纳米胶体自激脉冲空化射流抛光试验, 结果表明该系统能够产生效果良好的自激脉冲空化射流。采用该方法对单晶硅表面进行加工可以得到表面粗糙度为Ra 0.904 nm(Rms 1.225 nm)的超光滑表面, 此加工表面粗糙度质量与相同加工条件下的普通纳米胶体射流抛光相当, 但其加工效率较普通纳米胶体射流抛光能够提升20%左右, 能够满足光学表面高效精密加工的需要。

主要研究不同加工深度及压头形状刻划条件下反应烧结碳化硅(RB-SiC)陶瓷脆性去除特征和刻划力波动行为之间的关系。采用半径分别为400 nm的金刚石玻氏压头以及8.7 μm的圆锥压头进行恒切深刻划, 并利用扫描电子显微镜对刻划后的SiC陶瓷表面进行测量。最后, 通过Daubechies小波进行横向力和切向力信号分解, 并结合划痕表面损伤形式, 给出不同细节信号及近似信号与加工损伤的联系。实验结果表明：对于圆锥压头, 随着加工深度的增大, 表面形貌为塑性挤出、微破碎和大面积表面破碎共存的形式。此外, 在脆性断裂去除情况下, 随着压头尖端半径的减小, 破碎程度增加且刻划力信号能量由低频段逐渐扩散到整个频域。同时低频段的能量逐渐占据主要地位。不同程度的表面微破碎及边缘微破碎对刻划力细节信号分量贡献较大。反应烧结碳化硅结构本身差异以及缺陷引起的大面积断裂是刻划力波动能量的主要来源, 而且随着加工深度的增大而增大。

研究了基于电火花机械复合磨削技术加工的反应烧结碳化硅(RB-SiC)陶瓷的表面特征。用电火花机械复合磨削(EDDG)、电火花磨削(EDG)以及普通磨削(CG)三种方法加工RB-SiC陶瓷, 并采用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对加工后的SiC陶瓷的表面粗糙度、表面形貌及微观裂纹进行测量和对比试验, 获得了RB-SiC陶瓷的EDDG加工特性。实验显示: EDDG加工的RB-SiC陶瓷的表面粗糙度优于EDG加工的表面粗糙度, 为0.214 9 μm, 但比CG加工的表面粗糙度0.195 6 μm略差。对加工后的SiC陶瓷表面形貌观察显示, 传统磨削加工后的表面存在明显划痕, EDG加工表面主要由放电凹坑组成, 而EDDG加工表面同时存在放电凹坑和磨削划痕; 另外, 传统磨削表面也存在磨削裂纹和晶界裂纹, 但EDG加工后的表面只存在热裂纹, 而EDDG加工后的表面存在磨削裂纹和热裂纹, 不过热裂纹可以用金刚石磨粒磨削去除。对比实验显示RB-SiC陶瓷的EDDG加工与EDG和CG加工获得了不同的表面特征。

研究了磷酸二氢钾(KDP)晶体飞切加工过程中温度场的分布, 探索了切削温度对KDP晶体切削过程的影响。首先, 采用热力耦合有限元分析对KDP晶体切削过程进行了仿真, 获得了不同切削深度下材料内部温度场的分布。分别使用飞切机床和纳米压痕仪在不同速度下切削KDP晶体, 发现不同切削速度下形成的切屑的微观形貌存在显著差异, 分析指出这可能是由于在不同切削速度下切削区域温度差异导致的。最后, 对低速加工过程中获得的切屑进行加热试验, 并观测了不同温升条件下切屑微观形貌的变化。飞切加工仿真实验显示: 当切深为200 nm时, 切削区域的温度达到110 ℃; 而实际实验结果表明: 当温度超过100 ℃时, 切屑的微观形貌会发生明显变化。综合仿真及实验结果可知: 在KDP晶体飞切加工过程中切削区域的温度将超过100 ℃, 因此在对KDP晶体切削机理进行研究时, 必须考虑温度对材料力学性能及其去除过程的影响。

采用普通磨削方式和超声振动辅助磨削方式对无压烧结SiC材料进行了磨削工艺实验, 对不同磨削方式下磨削参数对磨削力比、表面损伤及亚表面损伤的影响进行了对比研究, 并分析了超声振动磨削作用机制。实验结果显示, 该实验中SiC材料去除主要以脆性去除为主, 砂轮磨削力比随着磨削深度和进给速度的增加缓慢增加, 随着主轴转速的增加略有减小; 普通磨削时SiC工件亚表面损伤深度随着磨削深度、进给速度增加逐渐增加, 而超声振动辅助磨削变化较小。与普通磨削相比, 在相同的磨削参数下, 超声振动辅助磨削的高频冲击使材料破碎断裂情况得到改善, 且磨削力比减小近1/3, 表面裂纹、SiC晶粒脱落、剥落等表面损伤较少, 表面损伤层较浅, 亚表面裂纹数量及深度都有较大程度降低, 可以获得较为理想的表面质量。

提出了一种新的径推一体式静压主轴支撑方式来优化机床主轴系统性能，以满足超精密飞切机床对气体静压轴承高刚度的要求。采用计算流体力学和有限体积法对气体静压轴承气膜内部的流场与压力场进行仿真，并研究其静态特性。为提高计算精度，完成了轴承宏观尺寸与气膜厚度相差几个数量级时气膜厚度方向2 μm间距的网格划分。仿真结果表明，在偏心状态下由于气膜压力的变化使节流孔气体流速在1 ~200 m/s内变化，机床所采用径推一体式轴承静态刚度达到3 508 N/μm。研究表明，通过增大轴承的供气压强和减小节流孔的直径可改善轴承的静态性能进而提升机床性能。

We investigate reactive fluorine atom spectroscopic characterization in atmospheric pressure of He/SF6 plasma using atomic emission spectrometry. As input radio frequency (RF) power levels are raised from 140 to 220 W, the emission spectra of 685.60 (3p4D-3s4P transition) and 739.87 nm (3p4P-3s4P transition) increase significantly. Moreover, an optimal value of SF6 volume concentration in the production of fluorine radicals, which is 0.8% is achieved. Addition of certain amounts of O2 into He/SF6 plasma results in the promotion of SF6 dissociation. Emission intensities of fluorine atoms show the maximum at the O2/SF6 ratio of 0.4.

针对SiC颗粒硬度高，切削Al/SiCp复合材料时刀具磨损剧烈，本文提出用具有较高硬度、韧性及良好抗磨损能力的WC-7Co制备纳米硬质合金刀具，并对Al/SiCp复合材料进行了切削实验。研究了纳米硬质合金刀具磨损机理和Al/SiCp复合材料的切屑去除机理，以及刀尖处后刀面磨损值。研究认为，纳米硬质合金刀具磨损的机理为SiC颗粒的微切削作用引起的磨料磨损，及SiC颗粒对刀尖刃口的高频、断续冲击引起的微崩刃及微破损；Al/SiCp复合材料的切削实质是断续切削；去除机理为切屑的崩碎去除；纳米硬质合金后刀面磨损值较普通硬质合金小30%~50%。实验表明，纳米硬质合金较普通硬质合金更适于加工Al/SiCp复合材料。