射流抛光中抛光液黏度对材料去除函数的影响

抛光液黏度是影响射流抛光(FJP)效果的重要因素,针对硬脆光学元件射流抛光中对抛光液黏度缺乏系统研究的现状,研究了抛光液黏度变化对材料去除函数的影响。建立射流抛光连续相、离散相模型和磨损模型,计算不同黏度下磨粒运动轨迹,分析磨料颗粒撞击速度矢量随黏度的变化规律。配置不同黏度相同质量分数的抛光液,结合BK7工件静态采斑实验研究与塑性磨损理论计算,获得不同黏度下的材料去除函数,分析黏度对去除函数的影响机制,并进一步研究由此引起的工件表面粗糙度变化。结果表明:随着抛光液黏度增大,材料去除函数的去除深度减小、去除形状及去除范围保持不变,这有利于降低工件表面粗糙度。该研究扩展了现有光学元件射流抛光材料去除理论,对实际抛光液黏度调控具有理论指导意义。     

冲击角度对射流抛光中材料去除面形的影响分析

冲击角度会影响冲击射流的动力特性,对射流抛光的材料去除面形和去除量大小有重要的影响。利用计算流体动力学理论进行了冲击角度对射流抛光中材料磨蚀的影响的仿真和实验研究,分析了冲击角度对冲击射流特性的影响,结合实验研究,基于射流厚度、壁面速度和压力等几个方面分析了冲击角度对材料去除面形的影响,得到了材料去除分布与冲击角度的去除模型的关系描述公式,其材料去除面形分布与实际抛光面形能很好的符合。     

熔融石英玻璃无水环境固结磨粒抛光特性

为了克服游离磨粒抛光的随机性、磨料浪费以及产生的水合层等问题,提出了一种无水环境下熔融石英玻璃固结磨粒抛光技术。研究实现了稳定的抛光轮烧结工艺,并应用于熔融石英玻璃抛光加工,通过对加工产物和抛光轮粉末进行EDS能谱分析和XRD衍射分析,从微观上初步阐述了固结磨粒抛光的去除机理;从宏观上探索压力和转速对去除效率和表面粗糙度的影响。实验结果表明:加工过程中,在法向力和剪切力作用下,CeO₂磨粒和熔融石英发生化学反应,CeO₂将SiO₂带出玻璃,实现材料去除;同时,压力和转速对加工效率影响并不遵循Preston公式,温升和排屑成为决定去除效率的关键。     

集群磁流变抛光参数对亚表面损伤深度的影响

建立了亚表面损伤深度与抛光参数的关系模型,探究集群磁流变抛光后单晶蓝宝石亚表面损伤深度与集群磁流变抛光参数的关系,研究了抛光参数对亚表面损伤深度的影响规律,运用正交实验验证了模型的合理性.实验中使用白光干涉仪作为测量工具,α-Al_2O_3抛光液作为抛光液,每个实验因素选择三个水平,结果表明:集群磁流变抛光中,单晶蓝宝石亚表面损伤深度与磨粒粒径和抛光压力有关,亚表面损伤深度随着抛光压力和磨粒粒径的增大而增大,抛光压力对亚表面损伤深度的影响远大于磨粒粒径.当抛光压力和磨粒粒径分别为25kg和280nm时,经过100min抛光,亚表面损伤深度最小值达到0.9nm.在集群磁流变抛光中抛光压力是影响亚表面损伤深度的主要因素,当抛光压力为25kg时,集群磁流变抛光可快速去除亚表面损伤.     

射流抛光多相紊流流场的数值模拟

 理论分析了射流抛光的紊动冲击射流特点,构建了射流抛光的垂直冲击射流模型和斜冲击射流模型。根据射流抛光冲击射流的特点,比较各种流体模型后,采用RNG k-e 模型应用于射流抛光模型的计算。利用计算流体力学理论的二阶迎风格式对抛光模型方程离散,用SIMPLEC数值计算方法对射流抛光过程的紊动冲击射流和离散相磨粒分布进行数值模拟,得到了射流抛光过程的连续流场和离散相磨粒与水溶液的耦合流场,同时计算出了抛光液射流在工件壁面上的压力、速度、紊动强度、剪切力分布和磨粒体积质量分布,分析了垂直射流抛光模型和斜冲击射流抛光模型紊流流场的特点。     

射流抛光材料去除机理及影响因素分析

 采用Fluent软件对射流抛光材料去除机理进行了流体动力学仿真研究,通过对射流流场压力、速度和工件表面剪切力的分析可知材料去除量应与表面剪切力的分布相对应,去除函数呈现W型;随后采用正交法对入射速度、工作距离和磨料浓度等工艺参数对抛光效果的影响进行了综合分析,结果表明：去除效率随入射速度和磨料浓度的增大而增大,随工作距离增大而减小,并且工作距离对去除率具有显著影响,为实验研究中工艺参数的选取提供了一定的指导意义。     

抛光颗粒尺度均匀性对射流去除特性的影响

基于单喷嘴射流抛光去除机理,研究了抛光颗粒尺度分布理想均匀时,颗粒直径和抛光液质量分数变化对冲击去除分布的影响。在此基础上,考虑到实际加工过程中,抛光粉颗粒不可避免地存在分布不均匀的情况,在非理想不均匀条件下,提出了一种分析颗粒尺度的材料去除特性模型,重点研究了不同颗粒尺度分布范围对材料去除特性的影响。结果表明:在理想状态下,冲击去除随着抛光颗粒直径的增大而减小,随着抛光液质量分数的增大而增大。当颗粒直径随机分布时,材料去除量将出现明显的波动,抛光液质量分数的增大使去除量波动也增加,去除量波动的大小与抛光粉颗粒的平均直径直接相关,且与理想均匀状态下的去除特性相比,颗粒分布不均匀性使得材料的去除量有所增大。     

射流速度和冲击角度对材料去除特性的分析

射流速度和冲击角度会影响冲击射流的动力特性,对射流抛光的材料去除面型和材料去除量有重要的影响。对冲击射流壁面流场结构进行了分析,建立了工件壁面上的速度、压力与冲击角度、射流出口速度的数学关系。在分析理想平面的基础上,重点分析了射流速度和冲击角度的变化对存在表面瑕疵的工件材料去除量的影响。结果表明:对于理想平面,当冲击角度大约为30°时,可得到理想的高斯型面型分布;对于存在瑕疵的工件表面,在小角度冲击时更有利于材料的去除;工件材料的去除量均随着射流速度的增大而增大。     

液浮法抛光优化技术

一种新的光学元件表面抛光工艺—液浮抛光技术,采用具有剪切增稠效应的非牛顿流体作为抛光液,流体在抛光区域形成液膜,实现对工件表面高效、低损伤的加工。以材料去除量以及工件表面粗糙度作为评价指标,利用正交实验法对K9玻璃抛光过程中的四个关键影响因素:磨粒质量分数、磨头入口压强、磨头重力、剪切增稠相中分散相的质量分数进行实验分析,得到一组最优参数组合以及各主要影响因素对抛光效果的影响程度。对于工件表面粗糙度,采用极差法得出各因素对整个工件的影响程度的主次顺序为(主→次):二氧化硅质量分数、磨头重力、入口压强、磨粒质量分数,最佳参数组合为:磨粒氧化铈质量分数为14%,入口压强为0.3MPa,剪切增稠相中分散相二氧化硅质量分数为9%,磨头重力为34.3kg;对于材料去除量分布,经过90min的抛光,其平均去除量为0.2μm。     

基于环摆式双面抛光法加工预测模型的去除均匀性研究

针对环摆式双面抛光难以建立稳定去除函数并进行加工面型预测这一问题,提出了基于磨粒运动学的环摆式双面抛光加工预测模型,并通过预测模型分析不同参数影响下元件表面去除均匀性,针对不同特征面型给出优化策略以指导加工实验。首先,根据环摆式双面抛光机理,探究了环摆式双面抛光中影响去除均匀性的主要因素,提出了元件上、下表面磨粒运动学模型,结合Preston方程给出了基于磨粒运动学的环摆式双面抛光去除均匀性预测模型。根据实际加工工况,分析了不同抛光均匀性影响因素下的磨粒轨迹分布与抛光去除非均匀性,最后通过加工实验验证环摆式双面抛光加工预测模型。实验结果表明：环摆式双面抛光加工预测模型的预测结果与实际加工结果基本吻合,其面型去除特征相同。元件上表面是元件去除非均匀性的主要来源,通过改变中心偏心距、径向摆动距离等参数能改变元件上表面的去除非均匀性,从而影响元件整体面型特征,并实现基于预测模型指导下元件表面面型的快速收敛。     

环带抛光技术材料去除理论模型研究

为了更加完善环带抛光技术并指导加工,根据Preston方程建立了材料去除量的理论模型。考虑到环带抛光技术中的诸影响因素,如抛光盘与工件之间的转速比、偏心距及压强分布等参数,建立材料去除量与各影响因素之间的相互关系的数学模型。理论分析和实验结果表明：材料的去除效率随转速比和偏心距增加而增大,转速比越接近于1时,磨削越均匀;工件露边时,工件露出部分材料的去除效率急剧下降。通过对该理论模型中的相关技术参数研究来完善环带抛光技术,有效地提高抛光的效率及稳定性。     

平面和曲面光学零件气囊抛光材料去除的比较研究

气囊数控抛光是近年来一种新兴的先进光学制造技术,采用柔性的气囊作为抛光工具并以进动的方式进行加工。首先简要阐述了气囊抛光的抛光原理,然后针对平面和曲面光学零件,在自行研制的气囊抛光实验样机上进行了抛光实验。被抛光光学元件的材料去除是在抛光区内实现的。研究了进动角、气囊压缩量、气囊内部压力、气囊转速、抛光时间以及工件的曲率半径几种重要的工艺参数对平面工件和球面工件抛光接触区大小和形状影响情况的异同。在此基础上,总结了气囊抛光材料去除的影响规律。给出了几种重要工艺参数在平面工件和球面工件上取值范围。     

基于六自由度机构平台实施自由曲面确定性抛光

工具定位精度和工艺合理性规划是影响自由曲面表面高质量制造的主要因素。研究了立足计算机控制的确定性制造概念。借助于多自由度机构平台,采取点对点的材料去除方式,针对具有非平缓变化曲率或陡度的自由曲面表面,设计工具结构、规划抛光路径,实施快速均匀抛光,为构建自由曲面计算机控制制造专家系统提供了支撑。     

碳化硅表面硅改性层的磁介质辅助抛光

为了实现碳化硅表面硅改性层的精密抛光,获得高质量光学表面,对磁介质辅助抛光技术进行研究。设计了适合碳化硅表面硅改性层抛光的磁介质辅助抛光工具,并对抛光工具的材料去除函数进行研究。针对材料去除函数的特性,对数控磁介质辅助抛光的驻留时间算法进行了研究。采用磁介质辅助抛光技术对碳化硅表面硅改性层平面样片进行了抛光实验。经过一次抛光迭代,碳化硅样片表面硅改性层的面形精度(均方根)由0.049λ收敛到0.015λ（λ=0.6328 μm）,表面粗糙度从2 nm改善至0.64 nm。实验结果表明基于矩阵代数的驻留时间算法有效,磁介质辅助抛光适合碳化硅表面硅改性层加工。     

射频聚焦离子源熔石英高确定去除特性研究

在离子束抛光工艺过程中，材料确定性去除特性对预测光学元件的各工位材料去除量和驻留时间具有极其重要的作用。采用射频离子源对熔石英光学元件的离子束刻蚀特性进行了研究，利用ZYGO激光干涉仪获得准确的去除函数，系统分析了气体流量、屏栅电压、离子束入射角和工作距离等因素对熔石英去除函数的影响，并分析了各单一工艺因素微小扰动时，材料峰值去除率、半高宽和体积去除率的相对变化率。实验结果表明，相同工作真空条件下，工作气体质量流量的微小变化对去除函数影响极小，在典型的工艺条件下，屏栅电压在±5 V、离子束入射角±1°、工作距离在±0.5 mm范围内变化时，熔石英峰值去除率、体积去除率和峰值半高宽的相对变化均小于5%，去除函数具有较好的确定性和稳定性。     

Novel cavitation fluid jet polishing process based on negative pressure effects

Traditional abrasive fluid jet polishing (FJP) is limited by its high-pressure equipment, unstable material removal rate, and applicability to ultra-smooth surfaces because of the evident air turbulence, fluid expansion, and a large polishing spot in high-pressure FJP. This paper presents a novel cavitation fluid jet polishing (CFJP) method and process based on FJP technology. It can implement high-efficiency polishing on small-scale surfaces in a low-pressure environment. CFJP uses the purposely designed polishing equipment with a sealed chamber, which can generate a cavitation effect in negative pressure environment. Moreover, the collapse of cavitation bubbles can spray out a high-energy microjet and shock wave to enhance the material removal. Its feasibility is verified through researching the flow behavior and the cavitation results of the negative pressure cavitation machining of pure water in reversing suction flow. The mechanism is analyzed through a computational fluid dynamics simulation. Thus, its cavitation and surface removal mechanisms in the vertical CFJP and inclined CFJP are studied. A series of polishing experiments on different materials and polishing parameters are conducted to validate its polishing performance compared with FJP. The maximum removal depth increases, and surface roughness gradually decreases with increasing negative outlet pressures. The surface becomes smooth with the increase of polishing time. The experimental results confirm that the CFJP process can realize a high material removal rate and smooth surface with low energy consumption in the low-pressure environment, together with compatible surface roughness to FJP.     

抛光工艺参数对熔石英元件低频面形精度的影响

根据工件与抛光盘的相对运动关系及熔石英元件抛光加工材料去除模型,系统分析了转速比和偏心距等参数对材料去除函数的影响。通过理论分析和抛光加工实验,研究了不同工艺参数对低频段面形精度的影响规律。利用高分辨率检测仪器对熔石英元件低频面形误差进行了检测,优选出较佳的抛光工艺参数组合,并进行了相应的实验验证,提出了提高光学元件抛光加工低频面形质量的相应措施。