液体喷射抛光技术(1)论文

液 体 喷 射 抛 光 技 术方 慧 郭 培 基 余 景 池（ 苏 州 大 学 现 代 光 学 技 术 研 究 所 苏 州 十 梓 街 1 号 215006）摘 要 ： 从 实 验 出 发 ， 研 究 了 液 体 喷 射 抛 光 技 术 抛 光区 的 形 状 特 征 及 材 料 的 去 除 机 理 ， 得 到 垂直 喷 射 时 材 料 去 除 区 域 呈 W 型 的 环 状 分 布 结 构 的 现 象 ， 并 运 用 射 流 与 冲 击 理 论 对 这 一 现 象做 了 详 细 分 析 。 根 据 实 验 结 果 ， 得 出 了 磨 料 粒 子的 碰 撞 剪 切 作 用 对 材 料 的 去 除 占 主 导 而 直 接冲 击 作 用 则 居 于 次 要 地 位 的 结 论 。 同 时 ， 通 过 实 验 研 究 了 液 体 喷 射 抛 光 各 工 艺 参 数 与 工 件 材料 去 除 量 之 间 的 关 系 ， 总 结 得 出 液 体 喷 射 抛 光 材 料 去 除 的 规 律 ， 由 实 验 结 果 ， 得 到 了 液 体 喷射 抛 光 最 佳 参 数 组 合 。关 键 词 ： 喷 射 ； 抛 光 ； 去 除 机 理 ； 剪 切Fluid Jet PolishingFANG Hui， GUO Peiji, YU Jingchi（ Modern optical technology Institute, Soochow University Suzhou Shizi Street 1 215006）Abstract: Characteristics of the polishing area by Fluid Jet Polishing (FJP) and removalmechanism of material are investigated in the experiment. The phenomenon that the removal areapresents the ring structure of W-shape is obtained. Then the reasonable explanation is given withthe jet and impact theories. According to the experimental results, we conclude that in theprocess of FJP collision and shear play a dominant role in the removal of material, while impactplays a subordinate role. Then based on experiment, the relation of the process parameters of FJPwith the removal rate of the workpiece is investigated, and its rule is summarized and educed thebest parameters of FJP.Key words: fluid jet； polishing； removal mechanism； shear引 言随 着 科 学 技 术 的 进 步 以 及 各 个 交 叉 学 科 的 发 展 ， 出 现 了 许 多 新 领 域 ， 形 成 了 很 多 新 技术 。 其 中 液 体 喷 射 抛 光 (Fluid Jet Polishing， 简 称 FJP)技 术 正 是 集 流 体 力 学 、 机 械 制 造 、 表面 技 术 于 一 体 的 应 用 于 先 进 光 学 制 造 业 的 新 思 路 与 方 法 。 它 是 利 用 由 小 喷 管 喷 出 的 混 有 磨 料粒 子 的 高 速 抛 光 液 作 用 于 工 件 表 面 ，借 助 于 磨 料 粒 子 的 高 速 碰 撞 剪 切 作 用 达 成 材 料 去 除 的 目的 。 通 过 控 制 液 体 喷 射 的 压 力 、 方 向 及 驻 留 时 间 等 量 来 定 量 修 正 被 加 工 件 面 形 的 新 型 光 学 加工 工 艺 。较 之 于 传 统 的 抛 光 技 术 ， 液 体 喷 射 抛 光 的 优 点 在 于 ： 它 的 加 工 工 具是 液 体 状 的 ，不 存 在 抛 光 盘 磨 损 情 况 ， 去 除 函 数 保 持 恒 定 ， 面 形 精 度 易 于 控 制 ； 并 且 由 于 在 加 工 过 程中 抛 光 液 不 断 循 环 流 动 ， 能 保 证 抛 光 工 件 温 度 不 变 ， 同 时 还 能 自 动 清 除 加 工 下 来 的 碎 屑 ；抛 光 头 是 一 很 小 的 液 体 柱 ， 能 适 合 各 种 形 状 工 件 的 抛 光 ， 抛 光 特 性 不 受 工 件 位 置 的 影 响 ，像 工 件 局 部 地 区 是 否 适 配 以 及 边 缘 效 应 等 ， 应 用 范 围 较 广 。目 前 国 内 外 在 这 方 面 的 研 究 还 处 于 起 步 阶 段 。 荷 兰 Delft 大 学 的 O.W.Fhnle 和 H.vanBrug 等 人 曾 进 行 过 研 究 ， 其 实 验 结 果 表 明 ： 利 用 液 体 喷 射 抛 光 ，可 使 平 面 样 板 玻 璃 (BK7)的表 面 粗 糙 度 由 初 始 的 475nm (Ra)降 到 5nm。 他 们 的 实 验 结 果 说 明 液 体 喷 射 抛 光 应 用 于 精 密光 学 加 工 方 面 是 可 行 。 本 文 将 以 实 验 为 基 础 ， 研 究 液 体 喷 射 抛 光 被 加 工 区 的 形 状 特 征 、 材 料的 去 除 方 式 及 去 除 机 理 ； 同 时 通 过 对 各 工 艺 参 数 与 抛 光 区 形 状 特 征 及 材 料 去 除 量 的 关 系 的 探方 慧 苏 州 大 学 现 代 光 学 技 术 研 究 所 136# 215006 Tel394E-mail: 讨 ， 研 究 液 体 喷 射 抛 光 技 术 材 料 去 除 的 规 律 特 征 及 最 佳 的 参 数 组 合 。 正 文 .1 液 体 喷 射 抛 光 实 验 设 计液 体 喷 射 抛 光 简 易 装 置 如 图 1 所 示 ： 混 有 磨 料 粒 子 的 磨 液 经 高 压 泵 加 速 后 ， 以 极 高的 速度 从 喷 管 喷 出 ， 射 向 工 件 表 面 ， 与 工 nozzle件 发 生 碰 撞 ， 对 工 件 表 面 进 行 抛 光 。碰 撞 结 束 后 ， 磨 料 粒 子 随 水 流 回 流 到 workpiece收 集 器 ， 循 环 往 复 ， 可 对 工 件 进 行 连续 抛 光 。 在 喷 射 抛 光 过 程 中 ， 由 于 磨pump料 粒 子 与 工 件 之 间 具 有 快 速 的 相 对 运动 ， 在 工 件 表 面 产 生 较 大 的 局 部 剪 切 slurry力 。 高 速 磨 料 粒 子 如 同 一 把 把 微 小 的柔 性 车 刀 ， 对 工 件 表 面 进 行 切 削 、 刻tank划 加 工 。1.1.1 实 验 结 果图 1. 液 体 喷 射 抛 光 简 易 装 置图采 用 前 混 合 磨 料 射 流 。 抛 光 液 为 浓 度 5%， 粒 度 W10 的 SiC 磨 液 。 工 件 材 料 为 平 面 K9 玻璃 。 选 择 长 3.5mm， 直 径 2.5mm 的 圆 柱 形 喷 嘴 。 工 作 时 工 件 固 定 不 动 ， 调 节 喷 嘴 到 工 件 的距 离 约 为 2mm， 并 垂 直 于 工 件 ， 工 作 压 力 6bar。 图 2.a 为 作 用 5min 后 测 得 的 抛 光 区 的 形 状特 征 。 可 以 看出 ： 在 磨 液 与 工件 的 相 互 作 用范 围 内 ， 液 体 喷射 抛 光 材 料 去除 量 呈 环 状 结构 分 布 ： 抛 光 区中 心 顶 点 处 材料 的 去 除 量 几乎 为 零 ， 而 以 中心 顶 点 为 圆 心 图 2.a 抛 光 区 的 俯 视 图 图 2.b 抛 光 区 去 除 量 曲 线的 同 一 径 向 位 Fig 2.a Planform of polishing area Fig 2.b Remove curve of polishing area置 处 ， 沿 圆 周 的 去 除 量 近 似 相 等 （ 图 中 的 偏 差 是 由 于 射 流 体 与 工 件 表 面 不 能 保 证 严 格 垂 直 引起 的 ） 。 从 抛 光 区 去 除 量 曲 线 (图 2.b)可 以 更 明 显 的 看 出 ： 在 整 个 抛 光 区 内 ， 中 间 部 分 高 ，材 料 几 乎 没 有 去 除 ； 外 缘 低 ， 材 料 有 去 除 ， 去 除 量 呈 现 明 显 的 W 型 分 布 。1.1.2 去 除 区 域 形 状 特 征 分 析根 据 射 流 理 论 ， 流 体 离 开 喷 管 后 其 运 动 具 有 自 模 性 ， 其 速 度 分 布 为 高 斯 分 布 形 式 ：u 2= exp(0.693 )u m（ 1）其 中 um为 射 流 轴 心 处 速 度 ； u 为 射 流 截 面 任 一 点 处 的 速 度 ， =y/b , b 为 射 流 半 宽 度 。磨 液 与 工 件 表 面 碰 撞 的 瞬 间 ， 轴 向 动 量 迅 速 变 为 零 ， 产 生 极 大 的 冲 击 压 力 ：p u 2 2 2= = exp(0.693 )pm u m 2pm为 轴 心 处 压 力 ， p 为 处 压 力 。（ 2）395PressureDistance(bar)(mm)P/Pm(Velocity)Material(wave)RemovalMaterialRemovalFig4.c Jetting at0.07喷 射 角 0.08为 45磨 液 与 工 件 碰 撞 后 ， 除 反 弹 外 ， 有 股 液 体 将 在 射 流 内 部 压 力 梯 度 的 作 用 下 ，沿 壁 面 由 轴心 向 外 运 动 , 速 度 沿 径 向 的 分 布 为 ： 4u = 1 1 2 u0 （ 3）32P/PmVelocity其 中 满 足 :10z = h0 1+ln( ) + arcsin 1| | 1 (4.2) -4-4 -3 -2 -1 0x/b1 2 3 4图 3 压 力 与 剪 切 力 的 分 布由 图3 可 以 看 出 ： 磨 液 与 工 件 碰 撞 的 瞬 Fig 3. Distribution of pressure and velocity间 ， 轴 心 处 冲 击 压 力 最 大 ， 而 速 度 则 几 乎 为 零 ，横 向 剪 切 力 为 零 ； 碰 撞 结 束 后 ， 磨 液 将 在 射 流 内 部 压 力 梯 度 的 作 用 下 由 中 心 向外 流 动 ， 存 在速 度 的 极 大 值 点 。 之 后 速 度 减 小 ， 横 向 剪 切 力 随 之 减 小 。比 较 图 2.b 和 图 3 可 以 看 出 ： 碰 撞 冲 击 作 用 最 强 的 中 心 部 分 ， 径 向 流 速 为 零 ， 剪 切 作 用几 乎 为 零 ， 材 料 去 除 量 几 乎 为 零 ； 而 碰 撞 冲 击 作 用 较 小 的 边 缘 部 分 ， 速 度 有 极 大 值 点 ， 剪 切作 用 最 强 ， 材 料 去 除 量 最 大 ； 相 互 碰 撞 作 用 区 域 之 外 ， 流 速 逐 渐 减 小 ， 去 除 量 随 之 减 小 。 整个 去 除 区 域 则 形 成 了 中 心 去 除 量 几 乎 为 零 ， 而 边 缘 有 最 大 去 除 量 的 环 状 W 型 结 构 。 上 述 现象 表 明 ： 液 体 喷 射 抛 光 材 料 去 除 量 的 分 布 主 要 取 决 于 射 流 碰 撞 工 件 后 磨 液 在 工 件 表 面 径 向 速度 的 分 布 。 碰 撞 剪 切 作 用 对 材 料 的 去 除 占 主 导 ， 而 磨 料 粒 子 的 直 接 冲 击 作 用 则 居 于 次 要 地 位 。1.2 各 工 艺 参 数 对 抛 光 的 影 响通 过 实 验 ， 依 次 研 究 喷 射 角 、 工 作 压 力 、 工 作 距 离 与 作 用 时 间 等 参 量 对 抛 光 区 材 料 去 除量 的 影 响 。1.2.1 喷 射 角 对 抛 光 区 的 影 响保 持 工 作 时 间 (5min) 、 工 作 压 力(6bar)、 工 作 距 离 (5mm)均 不 变 ， 先 后 调 节喷 管 与 垂 直 方 向 夹 角 。 所 得 抛 光 区 外 形 如 图4 所 示 ： 以 一 定 角 度 喷 射 时 ， 在 相 互 作 用 范围 内 ， 材 料 去 除 量 的 分 布 由 垂 直 喷 射 时 的 圆环 状 结 构 逐 渐 向 弯 月 状 结 构 过 渡 ， 并 且 在 过渡 过 程 中 随 着 喷 射 角 的 改 变 ， 有 双 环 结 构 出现 (图 4.b,4.c),当 喷 射 角 增 加 到 60 时 双 环结 构 消 失 ， 抛 光 区 形 状 逐 渐 趋 于 优 化 ， 去 除量 分 布 近 似 为 D 型 (4.d)。 由 实 验 结 果 可 知 ，当 入 射 角 近 一 步 增 加 时 ， 抛 光 区 形 状 几 乎 不再 变 化 ， 但 材 料 的 去 除 量 急 剧 减 小 。 由 此 可以 看 出 液 体 喷 射 抛 光 的 最 优 喷 射 角 为 60 左右 ， 此 时 去 除 函 数 较 接 近 于 理 想 的 函 数 。1.2.2 工 作 距 离 的 影 响图 4.a 喷 射 角 为 0Fig4.a Jetting at 00.045图 4.c0.0400图 4.b 喷 射 角 为 30Fig4.b Jetting at 300如 图 5 为 工 作 时 间 (5min)、 工 作 压 力 (6bar)、入 射 角 (60)均 不 变 ， 改 变 工 作 距 离 时 得 到 的 工 作 距离 与 材 料 去 除 量 的 关 系 曲 线 。 可 以 看 出 ：工 作 距 离0.060.0350.050.0300.040.0250.03图F图 6. 5.工 工 作 距 离 与 去 除 量 的 关 系 曲 线 作 压 力 与 去除 量 的 关 系 曲 线ig6.Fig6.RelationRelationofofremovalremoval raterate vs.distancevs.pressure 图 .d 喷 射 角 为 600 045 Fig4.d Jetting at 600.020.020 3960 2 42 6 4 8 106 12 8 14 1016 1812 20 14MaterialRem)oval(wave较 小 (小 于 6mm)时 ， 材 料 去 除 量 几 乎 不 变 ， 工 作 距 离 的 影 响 很 小 ； 随 着 工 作 距 离 的 增 加 ， 去除 量 有 增 加 的 趋 势 ， 增 到 最 大 值 后 便 随 工 作 距 离 的 增 加 而 迅 速 减 小 。该 现 象 可 理 解 为 ： 喷 射压 力 较 小 时 ， 抛 光 液 从 管 口 喷 出 后 ， 仍 要 保 持 一 圆 柱 段 ， 离 开 出 口 一 定 距 离 后 才 开 始 发 散 ，此 时 抛 光 液 沿 径 向 速 度 有 一 分 量 ， 碰 撞 时 磨 料 粒 子 的 剪 切 作 用 增 强 ， 导 致 去 除 量 有 增 加 的 趋势 ； 之 后 射 流 速 度 随 喷 射 距 离 增 加 而 逐 渐 减 小 ， 去 除 量 随 之 减 小 。1.2.3 工 作 压 力 与 材 料 去 除 量 的 关 系保 持 工 作 距 离 (8mm)、 工 作 时 间 (5min)、 入 射 角 (60)均 不 变 ， 调 节 工 作 压 力 。 实 验 结 果如 图 6 所 示 ： 在 一 定 压 力 范 围 内 (当 工 作 压 力 小 于 2bar 时 ， 没 有 发 现 材 料 被 去 除 ， 存 在 材 料的 去 除 阈 值 )， 材 料 去 除 量 与 工 作 压 力 近 似 呈 线 性 关 系 。 工 作 压 力 增 加 ， 射 流 出 口 速 度 增 大 ，抛 光 液 与 工 件 碰 撞 后 剪 切 作 用 增 加 ， 材 料 去 除 量 随 之 增 大 。 同 时 ， 从 实 验 结 果 也 可 以 知 道 ，随 着 工 作 压 力 的 增 加 ， 抛 光 区 形 状 不 变 ， 范 围 有 扩 大 的 趋 势 。1.2.4 工 作 时 间 与 材 料 去 除 的 关 系保 持 工 作 距 离 (8mm)、 工 作 压 力 (6bar)、 入 射 角 (60)均 不 变 ， 改 变 工 作 时 间 。 实 验 结 果如 图 7 所 示 ： 在 一 定 时 间 段 内 ， 材 料 去 除 量 与 工 作时 间 近 似 呈 线 性 关 系 。 材 料 去 除 量 随 工 作 时 间 的 增加 而 线 性 增 加 ， 这 与 传 统 抛 光 方 法 时 间 对 去 除 量 的影 响 是 一 致 的 。2 总 结通 过 实 验 ， 研 究 了 液 体 喷 射 抛 光 被 加 工 区 的 形状 特 征 、 材 料 的 去 除 方 式 及 去 除 机 理 ； 各 工 艺 参 数与 抛 光 区 形 状 特 征 及 材 料 去 除 量 的 关 系 。 得 到 了 液体 喷 射 抛 光 的 去 除 机 理 及 各 工 艺 参 数 对 材 对 材 料 去除 量 的 影 响 规 律 ， 并 给 出 了 最 佳 参 数 组 合 。0.060.050.040.030.020.011 2 3 4 5 6 7 8 9 10Time (min)图 7. 工 作 时 间 与 去 除 量 的 关 系 曲 线Fig7. Relation of removal rate vs.time参 考 文 献1 Olive W.Fhnle,Hedser van Brug and Hans J.Frankena, Fluid jet polishing of optical surfaces,APPLIDOPTICS,Vol.37,No.28,1 october,1998： 6671-6673.2 Olive W.Fhnle, Fluid Jet Polishing:removal process analysis, Part of the EUROPTO Conference on OpticalFabrication and Testing,SPIE Vol.3739, May,1999： 68-77.3 J.O.欣 茨 ， 湍 流 （ 下 册 ）， 科 学 出 版 社 ， 1987： 135-249.4 K.S.Tan,