超精密玻璃抛光技术研究

发布时间：2016-06-14 07:29

第 1 章  绪论 

1.1 课题的背景及意义
直径或对角线直径1m以上的大尺寸超精密大玻璃元件（以下简称“大玻璃”）在航空航天、天文和核能源等行业中使用非常广泛。例如：现代制导武器最广泛应用的激光制导设备，它使用的许多激光原件如大型激光反射镜、激光陀螺腔体、非球面透镜等是均是大玻璃元件；欧洲南方天文台（European Southern Observatory，ESO）正在研制世界的最先进望远镜 E-ELT（European Extremely Large Telescope）核心部件是直径 42m 由 800 块以上直径 1.5m 的六边形非球面反射镜片组成的镜头；为解决人类能源危机研制的激光惯性约束聚变（Inertial Confined Fusion ,ICF）装备的核心部件激光核聚变反射镜，其中美国国家激光聚变装置（National Ignition Facility, NIF）通过 3000 块磷酸盐玻璃将单束激光放大，法国激光兆焦耳工程（Laser Mega-Joule, LMJ)及我国神光ⅳ高功率激光点火装置都使用大量的大尺度光学玻璃；光刻工艺目前使用的极紫外光刻技术（Extreme Ultraviolet Lithography, EUVL）的部件极紫外光刻物镜是由六片中频粗糙度均方根值在 0.1nm 左右的光学玻璃构成的。 随着光学玻璃在航空航天、光电、空间技术以及精密工程等领域应用的扩展，对光学玻璃元件的加工效率和加工质量要求越来越高。光学玻璃加工质量对其使用性能有很大影响，光学玻璃加工后的表面粗糙度、面形精度等会影响光学元件的成像质量，而光学玻璃加工后的亚表层损伤则会降低光学元件的抗疲劳强度、抗腐蚀性和相变稳定性等，从而降低其使用寿命。因此如何提高光学玻璃的加工效率和加工质量是目前光学制造业急需解决的核心问题。 光学玻璃属于硬脆材料，硬度高、脆性大，在加工过程中极易产生表面裂纹、亚表层损伤等问题。目前主要采用磨削、研磨和抛光相结合的技术进行光学玻璃加工。研磨和抛光主要通过对磨削后的工件进行进一步加工，去除磨削对工件造成的损伤从而使其达到质量要求，但是其材料去除率低、加工效率低。因此在光学玻璃的加工过程中，需尽量提高磨削加工质量从而减少研磨、抛光时间，提高加工效率。 
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1.2 光学玻璃的加工工艺 
从上述论述中可看出：大玻璃作用特殊,要求仪器数量大、尺度大、加工形状精度和表面质量高，如直径 1.5m 的光学元件，在 1.5m 的范围内，其表面形状精度小于 1μm，表面粗糙度不低于 20nm Rms，极少的亚表面损伤。为实现上述目标，目前国际主流加工工艺流程为（图 1.1）：固体粒子磨削，加工时可快速去除材料，平面度可达 1～2μm、表面粗糙度不低于 Ra 50-150nm；离散粒子加工，玻璃加工技术的关键环节，可达到平面度0.5～1μm、表面粗糙度Ra20-50nm；原子分离加工，用高硬度固体粒子（如金刚石砂轮）和大玻璃之间高速相对运动，快速去除玻璃表面的材料，提高表面形状精度和粗糙度，尽可能避免亚表面损伤。国外，英国 Cranfield 大学自主开发 BoX 大玻璃专业数控磨床采用树脂结合剂金刚石砂轮实现对自由曲面大玻璃的快速磨削，BoX 磨床及其加工技术代表着国际大玻璃磨削技术的前沿，目前服务于 E-ELT 的大玻璃的超精密磨削。国内，哈尔滨工业大学研究了 Elid 金属结合剂修整技术，用于普通中小型光学玻璃的镜面磨削，属于这种磨削方式。 目前大玻璃磨削技术及装备开发已经纳入国家重点支助计划，由上海机床股份有限公司和哈尔滨工业大学等单位负责联合开发，目前尚处在起步阶段。 
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第 2 章  约束磨料射流抛光去除理论及压力场建模

随着现代光学技术的发展，高精度的光学玻璃的需求量也急剧增长，同时对高精度光学的加工原理及加工方法的要求也越来越高。本章主要介绍射流去除理论，并建立自由射流及约束射流抛光数学模型，具体分析磨料射流抛光的去除机理，为约束式磨料射流抛光技术的深入研究奠定理论基础。 

2.1 射流理论 
射流是指流体从各种形状的喷嘴射入同一种或另一种流体的流动。在给水排水工程、水利水电工程、航空航天工程、环境工程以及在机械、冶金、化工、能源等许多领域都会利用到射流技术。 如果从喷嘴喷射出的流体射入流体特性相同的无限空间中，则称之为淹没自由射流；如果射流处于层流状态，则成为层流射流；若射流为紊流状态，则称之为紊动射流。实验研究表明，紊动射流一般分为三个区段，即初始段、过渡段及主体段。初始段由势流核和剪切层组成，在势流核内，其速度保持原来的出射速度，边界逐渐向射流轴线收缩直至相交；在剪切层内，其速度分布具有误差函数形式，并自入射点逐渐向两侧扩散，即边界层的扩展。实验研究表明，剪切曾内存在相干结构，亦称拟序结构。这种有组织结构向下运动时，有一种成对合并现象，称之为涡旋配对。射流的断面扩展及其对周围流体的卷吸就是涡旋配对的结果。在自由射流主体段，边界层充分发展，其速度、浓度、温度均服从高斯分布。射流的过度段很短，一般在分析中常予以忽略。另外对于三维紊动射流，氨气轴线速度衰减状况，可分为三个明显的流动区域。即势流核心区、特征衰减区及轴对称衰减区。 冲击射流是指自由射流对固体壁面的冲击流动，按其流动特性可分成三个流动区域：自由射流区，该区流动特性与自由射流相同；冲击区，该区流动改变方向，并且有很大的压力梯度；壁面射流区，对于紊动壁面射流，分为内层和外层，内层具有壁面边界层的特性，外层则具有自由射流的特性。 
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2.2 自由磨料射流抛光去除理论 
在磨料射流抛光工艺中，磨料磨粒在抛光设备储能器的作用下随着抛光液以一定的速度喷射到工件表面，引起工件材料的去除。工件材料的去除主要有材料的塑性变形和脆性去除。磨料射流对脆性工件的抛光主要是以磨粒以高能方式在工件表面滚动划擦及高能冲击方式去除。 单颗磨粒的速度可以分解为垂直和平行于工件方向，垂直于工件的方向主要是在高速压力的作用下挤入工件，平行于工件方向的速度是给材料的去除提供切削方向。本文主要研究的是约束式磨料射流抛光方法（图 2.2），在抛光过程中微粉磨料随抛光液冲射到工件与约束轮的缝隙中，携带高能量的磨粒在约束轮和射流的共同作用下对工件的表面微观形貌进行不断的冲撞，进而实现材料的去除。由于实验设备的限制本文研究的磨料远小于工件与约束轮的间隙，因而对工件材料的去除不是约束轮对磨粒的挤压而实现，而是完全由磨粒在约束轮与工件之间的不断冲撞弹射去除[14]。因此约束式磨料射流抛光的材料去除方式主要是磨粒滚动去除与磨粒冲击去除。
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第 3 章  抛光区域 CFD 仿真与数值计算 ......... 18 
3.1 引言 ...... 18 
3.2 抛光区域流体 CFD 仿真 ....... 18
3.3 约束式磨料射流抛光 MATLAB 数值计算 ...... 24 
3.4 约束式射流抛光压力场仿真 ........ 29 
3.4.1 约束式射流抛光磨料流压力分布 .......... 29 
本章小结 .... 30 
第 4 章  磨料射流抛光装备及控制系统研究 .......... 32 
4.1  引言 ..... 32 
4.2  抛光液的配置及分散性研究 ....... 33 
4.2.1 氧化铝微粉的分散方式 ..... 33 
4.2.2 抛光液的配置实验 ...... 35 
4.3 磨料射流抛光系统的搭建 ..... 37 
4.3.1 射流发生系统 ....... 37 
4.3.2 机床本体系统 ....... 38 
4.4 流体输送控制系统的设计 ..... 39 
4.4.1 流体输送系统的设计 ......... 39 
4.5 射流抛光搅拌及过滤系统设计 .... 40 
本章小结 .... 43 
第 5 章  约束式磨粒射流抛光工艺实验研究 .......... 44 
5. 引言 ...... 44 
5.1 实验及测量基础 ....... 44 
5.2 自由抛光与约束抛光对比实验 .... 48
5.3 约束式磨料射流抛光单因素实验 ....... 53
5.4 约束抛光正交实验研究 ......... 56 
本章小结 .... 61 

第 5 章  约束式磨粒射流抛光工艺实验研究 

5.1 引言 

利用约束式磨料射流抛光方法进行光学玻璃的精密抛光，其基本机理是磨粒在工件及约束轮之间的反复碰撞进行材料的去除。因此进行约束式磨料射流抛光过程中的各个工艺参数包括喷嘴角度，抛光间隙，磨料粒度，磨料浓度，约束轮转速等参数都将对加工质量产生影响，因此研究实际抛光过程中各工艺参数对工件实际抛光质量的影响具有重要意义。 本文对约束式磨粒射流抛光进行实验研究，通过自由抛光与约束式抛光对比实验，单因素实验，及正交实验方法，分别研究了自由抛光与约束抛光抛光对比抛光效果，各因素对工件抛光质量的影响，各工艺参数对工件抛光质量的显著性影响因素情况，以此来验证约束式射流抛光方法在去除材料及提高工件表面质量的优越性。第 5 章  约束式磨粒射流抛光工艺实验研究 5.1 引言 利用约束式磨料射流抛光方法进行光学玻璃的精密抛光，其基本机理是磨粒在工件及约束轮之间的反复碰撞进行材料的去除。因此进行约束式磨料射流抛光过程中的各个工艺参数包括喷嘴角度，抛光间隙，磨料粒度，磨料浓度，约束轮转速等参数都将对加工质量产生影响，因此研究实际抛光过程中各工艺参数对工件实际抛光质量的影响具有重要意义。 本文对约束式磨粒射流抛光进行实验研究，通过自由抛光与约束式抛光对比实验，单因素实验，及正交实验方法，分别研究了自由抛光与约束抛光抛光对比抛光效果，各因素对工件抛光质量的影响，各工艺参数对工件抛光质量的显著性影响因素情况，以此来验证约束式射流抛光方法在去除材料及提高工件表面质量的优越性。 

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总结

本文介绍了大尺寸光学玻璃的现实需求及加工工艺现状，光学玻璃的精密抛光工艺过程，特别是离散粒子抛光工艺，并分析其加工方法的缺陷，提出来了约束式磨料射流抛光方法。本文通过对自由射流及约束式磨料射数学模型的建立，运用 CFD 流体计算仿真软件及 MATLAB 数值计算方法，对约束式磨料射流抛光区域的流场进行数值仿真与计算，分析抛光工艺参数及效果。在课题组前期研究基础上研制了约束式磨料射流抛光系统，并对系统进行分析验证，实现磨料流体的清洁、稳定、持续的喷射抛光。并利用该系统对光学 K9 玻璃进行单因素及正交实验，得到了光学玻璃加工参数对工件抛光质量的影响曲线。 
（1）结合自由射流抛光理论，明确了约束式磨料射流抛光理论的去除机理，建立了抛光区域压力场的数学模型，包括射流原理，自由射流抛光材料去除数学模型的建立，约束式磨料射流抛光材料去除模型中磨料滚动去除模型，磨料冲蚀模型的建立。 
（2）在理想状况下根据 Navier-Stokes 方程建立流体速度场的数学模型，以及磨粒在流体中运动状况的分析，同时明确了磨粒射流的几何特征，同时借助CFD 流体仿真软件及 MATLAB 数值分析方法计算抛光区域压力场情况，获得了抛光工艺参数对压力场的影响情况。 
（3）对约束式磨料射流抛光装备及其控制系统进行设计改造。包括磨料发生系统及机床本体系统两类，主要进行抛光微粉磨料的分析，抛光液的配置、悬浮、分散实验，过滤系统的设计，喷嘴的设计，工件安装方法的改进提高，控制系统的设计等内容。 
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参考文献(略)

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本文编号：57032