液体喷射抛光技术PPT课件

123一一、研究背景、研究背景高精度光学元件的应用1 Olive W.Fhnle,Hedser van Brug.“Fluid jet polishing of optical surfaces”,APPLID OPTICS,Vol.37,No.28,1 october,1998.非球面以及自由曲面的加工技术液体喷射抛光技术1优点4二、已开展的工作二、已开展的工作5 图1.1实验装置图（一）实验设计已开展的工作已开展的工作6（二）实验结果图1.2 材料去除量分布已开展的工作已开展的工作7图1.3 流场的分布特征8图1.4.1 射流体对工件表面压力分布图1.4.2 射流体在工件表面速度分布9抛光液中磨料粒子的径向流动对工件产生的径向剪切应力是材料去除的关键。2.方慧，郭培基，余景池，“液体喷射抛光技术材料去除机理的研究”，光学技术，2004(04).10（一）、高速射流在与工件碰撞时的情况33 T.Mabrouki,K.Raissi,A.Cornier,Numerical simulation and experimental study of the interaction between a pure high-velocity waterjet and targets:contribution to investigate the decoating process,Elsevier Science,Wear 239(2000)：260-273.Texpo0.5usTexpo1.0usTexpo2.5usTexpo1.02usTexpo5.0usV=300m/s11（二）、碰撞时压力分布情况12（三）、材料去除量分布情况13 去除量与工作时间工作时间 去除量与工作压力工作压力 喷射角喷射角对去除量分布的影响 喷射角对去除量的影响 喷管口径喷管口径对去除量分布的影响 去除量与工件材料特性材料特性的关系已开展的工作已开展的工作4.方慧，郭培基，余景池，“液体喷射抛光中各工艺参数与材料去除量的关系”，光学技术，2004(05).140.0630.0039zt材料去除需要一定时间的积累作用，即需要一定数量磨料粒子的持续作用 0.060tz15206.0107.0pz存在材料的去除阈值1.90pz0.1070.206zp16图2.3.a 喷射角为0 图2.3.c 喷射角为45图2.3.b 喷射角为30图2.5.d 喷射角为601718（四）喷管口径与去除量分布（四）喷管口径与去除量分布图2.4喷管直d=2.5mm图2.5喷管直径d=1.2mm 195 Shixian Li,Lenian Zhen,Hand book of optical design.BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY PRESS，1990,26-37.20AV(glass)F=V(K9)数据存在发散点，材料的去除量并不是完全由材料的相对研磨硬度决定的相对研磨硬度210.51.8kEhH材料的去除既包括弹性变形也包括塑性变形的形式，但具体去除方式还需要进一步研究225 42CVEK H5 42CVEK H5 42CVEK H5 42CVEK H5 42CVEK H6 John C.Lambropoulos,Su Xu,and Tong Fang,Loose abrasive lapping hardness of optical glasses and its interpretation.APPLIED OPTICS,Vol.36,No.7,March,1997,1501-1516.23已开展的工作已开展的工作2425图3.1材料去除量（=504 rpm）不同半径区域处材料的去除量是不同的，说明工件自转对去除量有一定的影响 260.1070.206zp22 200()1()vvrKvv1222000()1()rr合成速度：0.1070.206zp20.00610.3287p27图3.3 修正之后的去除量分布（=504rpm)(8)vrTKJ结果显示材料去除量是近似相等的28 实验结果：（1）、去除量与工作压力工作压力近似成线性关系 （2）、去除量与作用时间作用时间近似成线性关系 （3）、去除量与磨料粒子和工件表面之间的相对速度相对速度有关vdzk PKdtJ数学模型7：k为比例常数，由除工作压力及运动状态以外因素决定；为比例常数，由除工作压力及运动状态以外因素决定；p为工作压力，由高压泵的转速及喷管口径决定；为工作压力，由高压泵的转速及喷管口径决定；kv是比例系数，取决于工件转速与射流体的相对速度是比例系数，取决于工件转速与射流体的相对速度7.Hui Fang,Peiji Guo,Jingchi Yu,“Research on the Mathematical Model of Fluid Jet Polishing”,SPIE,2005.2930(,)(,)(,)*x yx yx yzRD0*miiiki kkzhdh diiizhd材料去除量是去除函数与驻留时间决定的（一）理论基础Z(x,y)材料去除量；R(x,y)去除函数；D(x,y)驻留时间（二）离散卷积（二）离散卷积0,1,imn（1）3100101210021(1)(2)(1)()2(1)()(1)1(1)(2)200000000000000mmmm nm nmmmm nm nmmm nm nnmmm nhzhhzhhhdzdhhhhhdzhhhhzhhhdzhz （1）式可表示为）式可表示为（2）(,)(,1)(,1)(3)n m nnn mHDZ（2）简化为：）简化为：32-50-40-30-20-1001020304050-4-202468mmmin 3311()iiiiDDkHZZ11()iiiiDDkHZZ（4）利用反复跌代方法88.Hui Fang,Peiji Guo,Jingchi Yu,“Dwell function Algorithm in Fluid Jet Polishing”,Applied Optics.Accepted.设驻留时间设驻留时间Di 的值正比于预计的材料去除量的值正比于预计的材料去除量Zi，代入方程，代入方程（2）,使矩阵计算沿着正向进行。使矩阵计算沿着正向进行。得到的材料去除量得到的材料去除量Zi+1与与Zi之间的差值将作为新的驻留函之间的差值将作为新的驻留函数，直至面形误差满足要求为止数，直至面形误差满足要求为止3435图4.4实验结果图4.3理论结果3637图5.1 面形误差收敛情况u高斯型去除函数能达到迅速收敛面形误差及提高加工精度的目的383940喷射角为30喷射角为041u光学元件的表面粗糙度是表面微观几何形状的表征，即加工表面上的微观不平度。表面粗糙度是引起光散射和光学表面吸收的主要因素，是评价光学元件成像质量的重要指标。42（1）SiC(W10)的抛光结果（一）、磨料粒子的影响七、表面粗糙度七、表面粗糙度43P=7bar（1）SiC(W10)的抛光结果（一）、磨料粒子的影响七、表面粗糙度七、表面粗糙度44（2）SiC(W2.5)的抛光结果u结果分析利用液体喷射抛光技术可以改善细磨后的表面粗糙度，但并不能达到光学表面（Ra小于12nm）（一）、磨料粒子的影响七、表面粗糙度七、表面粗糙度45初始表面粗糙度Ra=0.645nmP=7bar1650TMCEROX（一）、磨料粒子对的影响七、表面粗糙度七、表面粗糙度46七、表面粗糙度七、表面粗糙度7.1 不同材料所得到的表面粗糙度不同材料所得到的表面粗糙度471、与显微硬度（Hk）的关系七、表面粗糙度七、表面粗糙度u对于软并脆的火石玻璃(ZF6,ZF1,F1,BaF8,ZBaF3)，所得到的的表面粗糙度随显微硬度的增加而减小u而对于较硬的硅酸盐玻璃（K9,ZK1），），情况则相反 u与固着磨料抛光结果相反99 John C.Lambropoulos,et al，Surface microroughness of optical glasses under deterministic microgrinding,APPLIED OPTICS,Vol.35,No.22,1 August 1996,4448-4462 48（2）与杨氏模量（E）和显微硬度(Hk)的关系0.51.4kESRH2()ckKH七、表面粗糙度七、表面粗糙度49u结果近似线性关系，但大压力（611bar）对表面粗糙度的增加量比小压力（25bar）的效果大七、表面粗糙度七、表面粗糙度50七、表面粗糙度七、表面粗糙度喷射角度不同，得到的表面粗糙度的值也不同以不同的角度喷射时，磨料粒子对工件产生的冲击及剪切力不同51七、表面粗糙度七、表面粗糙度u 1 2vEH1 2vESRH 1vSRH2()ckKSRH10 John C.Lambropoulos,et al,Loose abrasive lapping hardness of optical glasses and its interpretation.APPLIED OPTICS,Vol.36,No.7,March,1997,1501-1516.5253基础型研究基础型研究54去除方式去除方式55去除方式去除方式11 H.X.Zhao,et al,Slurry erosion properties of ceramic coatings and functionally gradient materials,Elsevier Science,1995(473479).56去除方式去除方式57去除方式去除方式 58基础型研究基础型研究12Konstantin Babets,Numerical modeling and optimization of waterjet-based surface decontamination,January,2001需要解决的问题：粒子冲击工件时，工件吸收粒子能量的方式？粒子冲击工件时，工件吸收粒子能量的方式？现有的理论：a、粒子的能量一部分用来使工件发生塑性变形塑性变形；b、粒子能量以压力波的形式传播压力波的形式传播，使材料去除；c、剩余的能量：主要引起粒子碎裂引起粒子碎裂 5960下表面破坏层下表面破坏层Z 存在的问题：（1）冷杉胶粘结时存在缝隙，会有抛光粒子进入，则该抛光粒子若受到抛光盘的作用力，会对抛光过的待测面有一定的作用力，所以测量下表面破坏层时会有疑问（下表面破坏层是由何处的粒子引起的？）（2）研磨过的表面，则该表面是不是也会残留研磨留下的破坏层61二、下表面破坏层二、下表面破坏层62下表面破坏层下表面破坏层63测量前准备：切割；打磨：保证将由切割时产生的破坏层去除抛光：酸腐蚀：用“Yang”水(H2O:HF49%:Cr2O3=500 ml:500 ml:75 g)，室温下作用五分钟缺点：只能测量特定区域的情况 测量前的准备工作比较复杂 下表面破坏层下表面破坏层64下表面破坏层下表面破坏层65下表面破坏层下表面破坏层661.An incident monochromatic laser beam is focused on the surface of a specimen.2.The scattered light is then collected by a multielement lens that focuses the light on the entrance slit of a spectrometer(detection device).3.B y u s i n g d i f f e r e n t w a v e l e n g t h s,t h e penetration depth of light is changing,thus,by varying the wavelength it is possible to probe the different depths of the sample.下表面破坏层下表面破坏层67下表面破坏层下表面破坏层0.680.850.32LSSDL13Joseph A.Randi,et al,Subsurface damage in some single crystalline optical material,Applied Optics,Vol.44,No.12,20 April 2005,22412249.68下表面破坏层下表面破坏层14P.Paul Head,Optical glass fabrication technology,Relationship between surface roughness and subsurface damage,Applied Optics,Vol.26,No.21,1987(46774679)69707172（一）、去除函数的优化u根据实验得到的对去除函数进行优化的方式，寻求新的优化方案u改变喷管的形状或内部结构u改变抛光头的运动方式及路径应用型研究应用型研究73（二）、改变射流的特性u加入新的媒质 u采用其它性质的抛光液应用型研究应用型研究注：国防科大正在从事磁性磨料射流抛光74（一）、抛光头的运动方式及路径n根据去除函数为W型，从理论上具体研究抛光头及工件的运动方式及路径，以实现快速修正面形的目的n现有设备的局限：喷管只能作一维运动只能对旋转对称的表面进行修正n若喷管能做两维或多维运动（如利用喷管转动或工件的倾斜来改变喷射角），则需要根据仪器的改进结果，具体从理论及实验上研究快速收敛面形误差的方法应用型研究应用型研究75（二）、驻留函数的求解应用型研究应用型研究76777879808182