液体喷射抛光技术

液体喷射抛光技术1第1页，共82页，2023年，2月20日，星期六报告内容一、研究背景二、已开展的工作三、准备开展的工作四、想法及问题讨论2第2页，共82页，2023年，2月20日，星期六一、研究背景高精度光学元件的应用[1]OliveW.Fähnle,HedservanBrug.“Fluidjetpolishingofopticalsurfaces”,APPLIDOPTICS,Vol.37,No.28,1october,1998.非球面以及自由曲面的加工技术液体喷射抛光技术[1]优点不存在“磨头”磨损加工难度与球面相当各种非球面的抛光加工特性不受位置影响去除函数保持不变3第3页，共82页，2023年，2月20日，星期六去除机理的初步研究材料去除量与工艺参数的关系数学模型的建立去除函数的优化驻留函数的求解表面粗糙度的研究二、已开展的工作4第4页，共82页，2023年，2月20日，星期六一、去除机理的研究图1.1实验装置图（一）实验设计已开展的工作5第5页，共82页，2023年，2月20日，星期六一、去除机理的研究（二）实验结果图1.2材料去除量分布已开展的工作6第6页，共82页，2023年，2月20日，星期六一、去除机理的研究（三）结果分析图1.3流场的分布特征7第7页，共82页，2023年，2月20日，星期六（三）结果分析一、去除机理的研究图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8第8页，共82页，2023年，2月20日，星期六一、去除机理的研究（四）结果讨论[2]冲击压力轴向压应力径向运动径向剪切应力中心有最大值玻璃材料的抗压强度（1.96～4.9GPa）大于抗拉及抗张强度(34.3～83.3MPa)冲击边缘最大形成W型去除量分布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).9第9页，共82页，2023年，2月20日，星期六补充（一）、高速射流在与工件碰撞时的情况[3][3]T.Mabrouki,K.Raissi,A..Cornier,Numericalsimulationandexperimentalstudyoftheinteractionbetweenapurehigh-velocitywaterjetandtargets:contributiontoinvestigatethedecoatingprocess,ElsevierScience,Wear239(2000)：260-273.Texpo＝0.5usTexpo＝1.0usTexpo＝2.5usTexpo＝1.02usTexpo＝5.0usV=300m/s10第10页，共82页，2023年，2月20日，星期六补充（二）、碰撞时压力分布情况11第11页，共82页，2023年，2月20日，星期六补充（三）、材料去除量分布情况12第12页，共82页，2023年，2月20日，星期六二、材料去除量与工艺参数的关系[4]去除量与工作时间去除量与工作压力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对去除量分布的影响去除量与工件材料特性的关系已开展的工作[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).13第13页，共82页，2023年，2月20日，星期六工艺参数去除量与工作时间近似成线性关系图2.1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（一）、去除量与工作时间14第14页，共82页，2023年，2月20日，星期六（二）、去除量与工作压力去除量与工作压力近似为线性关系存在材料的去除阈值图2.2工艺参数15第15页，共82页，2023年，2月20日，星期六（三）、喷射角对去除量分布的影响图2.3.a喷射角为0º

图2.3.c喷射角为45º图2.3.b喷射角为30º图2.5.d喷射角为60º工艺参数16第16页，共82页，2023年，2月20日，星期六（三）、喷射角对去除量的影响喷射角0°30°45°60°去除量(wave)0.2280.1590.1020.093最大深度(wave)0.1460.1570.1610.156表2.1工艺参数17第17页，共82页，2023年，2月20日，星期六（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工艺参数18第18页，共82页，2023年，2月20日，星期六（五）、去除量与材料特性的关系MaterialYoung’smodulusE（107pa）AbrasionhardnessHG

KnoophardnessKH(107pa)Materialremoval（Wave）

K9813215700.228ZK154870.735150.304ZBaF379880.524600.425BaF861640.634250.416F157400.614000.394ZF154680.613500.441ZF654720.623400.483表2.2去除量与材料特性[5][5]ShixianLi,LenianZhen,Handbookofopticaldesign.BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGYPRESS，1990,26-37.19第19页，共82页，2023年，2月20日，星期六1、去除量与相对研磨硬度图2.6去除量与相对研磨硬度数据存在发散点，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材料特性20第20页，共82页，2023年，2月20日，星期六2、去除量与杨氏模量及显微硬度图2.7去除量与材料特性的关系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材料特性21第21页，共82页，2023年，2月20日，星期六补充利用散粒磨料抛光技术，材料的去除量和材料的特性存在一线性关系[6]其中，E为杨氏模量，Hk为显微硬度，Kc为断裂韧度。[6]JohnC.Lambropoulos,SuXu,andTongFang,Looseabrasivelappinghardnessofopticalglassesanditsinterpretation.APPLIEDOPTICS,Vol.36,No.7,March,1997,1501-1516.22第22页，共82页，2023年，2月20日，星期六三、数学模型的建立材料去除的本质：高速磨料粒子与工件表面之间的碰撞剪切作用,区别于传统的抛光技术利用计算机控制抛光技术，需要根据被加工件的面形误差进行定量修正为此，有必要提出并建立一个数学物理模型，来定量描述整个光学加工过程已开展的工作23第23页，共82页，2023年，2月20日，星期六（一）、影响去除量的因素分析

影响去除量的大小磨料粒子及工件材料的特性抛光液的浓度、温度工作压力工作时间影响去除量分布特征喷管的形状、尺寸及口径等准确建立去除函数与所有工艺参数之间的函数关系是不现实的，只能重点探讨对材料去除影响较大的几个参数数学模型的建立24第24页，共82页，2023年，2月20日，星期六选择工件表面不同半径处的四个环带区域喷管在工件表面沿直径方向运动，控制驻留时间正比于工件的半径图3.1材料去除量（ω=504rpm）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

(二)、工件转速的影响数学模型的建立25第25页，共82页，2023年，2月20日，星期六1、驻留时间的修正设：射流体向外流动时的平均速度v0工件自转角速度ω引入：合成速度：考虑到：工件转速26第26页，共82页，2023年，2月20日，星期六不同环带处的驻留时间应满足图3.3修正之后的去除量分布（ω=504rpm)结果显示材料去除量是近似相等的2、修正结果工件转速27第27页，共82页，2023年，2月20日，星期六（三）、总结实验结果：（1）、去除量与工作压力近似成线性关系（2）、去除量与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有关数学模型的建立数学模型[7]：k为比例常数，由除工作压力及运动状态以外因素决定；p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[7].HuiFang,PeijiGuo,JingchiYu,“ResearchontheMathematicalModelofFluidJetPolishing”,SPIE,2005.28第28页，共82页，2023年，2月20日，星期六有待深入研究的方面（1）深入探讨系数k与其它工艺参数的关系比如抛光液的浓度、酸碱度，磨料粒子与工件的特性等面临的主要困难有：抛光液的浓度很难控制

或许该问题可以通过分别在较小的容器内配置不同浓度的抛光粉，利用单点抛光的实验结果来反映问题抛光粒子的特性的影响需要添加新的实验设备及管道组件，防止清洗不彻底的影响（四）、继续研究的方面数学模型的建立29第29页，共82页，2023年，2月20日，星期六四、驻留函数的求解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（1）30第30页，共82页，2023年，2月20日，星期六四

、驻留函数的求解（1）式可表示为（2）（2）简化为：31第31页，共82页，2023年，2月20日，星期六对于（3）式，不能利用矩阵除法四

、驻留函数的求解32第32页，共82页，2023年，2月20日，星期六四、驻留函数的求解（4）利用反复跌代方法[8][8].HuiFang,PeijiGuo,JingchiYu,“DwellfunctionAlgorithminFluidJetPolishing”,AppliedOptics.Accepted.设驻留时间Di的值正比于预计的材料去除量Zi，代入方程（2）,使矩阵计算沿着正向进行。得到的材料去除量Zi+1与Zi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33第33页，共82页，2023年，2月20日，星期六（三）实验图4.1抛光前四、驻留函数的求解图4.2去除函数34第34页，共82页，2023年，2月20日，星期六四、驻留函数的求解图4.4实验结果图4.3理论结果（四）结果35第35页，共82页，2023年，2月20日，星期六继续研究的方面该方法直接将面形误差作为驻留函数，利用离散卷积数值解法，通过反复叠代，最终将面形误差控制在允许范围内。该方法可以达到收敛面形误差的目的。虽然克服了傅立叶变换方法求逆变换时的不收敛问题及矩阵除法求得的驻留函数值的正负交替现象，但计算量较大，是不是最好的方法还需进一步研究。资料介绍有用小波变换方法求驻留函数的，比如离子束抛光（去除函数为理想的高斯型分布的），看该方法能不能借用于FJP中。驻留函数的求解36第36页，共82页，2023年，2月20日，星期六五、去除函数的优化图5.1面形误差收敛情况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37第37页，共82页，2023年，2月20日，星期六(一)、多点垂直作用图5.2垂直作用四次图5.3垂直作用六次五、去除函数的优化38第38页，共82页，2023年，2月20日，星期六图5.4倾斜（45º）作用四次（2）、四点倾斜作用[8]HuiFang，PeijiGuo,JingchiYu,OptimizationoftheMaterialRemovalinFluidJetPolishing,OpticalEngineering五、去除函数的优化39第39页，共82页，2023年，2月20日，星期六（三）、喷管旋转五、去除函数的优化喷射角为30°喷射角为0°40第40页，共82页，2023年，2月20日，星期六七、表面粗糙度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。41第41页，共82页，2023年，2月20日，星期六（1）SiC(W10)的抛光结果（一）、磨料粒子的影响七、表面粗糙度图7.1表面粗糙度的变化情况42第42页，共82页，2023年，2月20日，星期六P=7bar（1）SiC(W10)的抛光结果（一）、磨料粒子的影响图7.2.1抛光前图7.2.2抛光后七、表面粗糙度43第43页，共82页，2023年，2月20日，星期六（2）SiC(W2.5)的抛光结果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）、磨料粒子的影响图7.3抛光后七、表面粗糙度44第44页，共82页，2023年，2月20日，星期六（3）CEROXTM1650的抛光效果初始表面粗糙度Ra=0.645nmP=7bar（一）、磨料粒子对的影响图7.4抛光后七、表面粗糙度45第45页，共82页，2023年，2月20日，星期六（二）、材料特性的影响七、表面粗糙度MaterialK9ZK1ZBaF3BaF8F1ZF1ZF6Ra(nm)Initial

0.6750.5470.9890.9740.5890.5871.207Final

1.1060.9641.3921.4531.5161.5851.7857.1不同材料所得到的表面粗糙度46第46页，共82页，2023年，2月20日，星期六（二）、材料特性1、与显微硬度（Hk）的关系图7.5表面粗糙度与显微硬度的关系七、表面粗糙度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而对于较硬的硅酸盐玻璃（K9,ZK1），情况则相反与固着磨料抛光结果相反[9][9]JohnC.Lambropoulos,etal，Surfacemicroroughnessofopticalglassesunderdeterministicmicrogrinding,APPLIEDOPTICS,Vol.35,No.22,1August1996,4448-446247第47页，共82页，2023年，2月20日，星期六（二）、材料特性与表面粗糙度的关系（2）与杨氏模量（E）和显微硬度(Hk)的关系图7.6表面粗糙度与材料特性的关系七、表面粗糙度48第48页，共82页，2023年，2月20日，星期六（三）、工作压力与表面粗糙度结果近似线性关系，但大压力（6~11bar）对表面粗糙度的增加量比小压力（2~5bar）的效果大图7.7表面粗糙度与工作压力的关系七、表面粗糙度49第49页，共82页，2023年，2月20日，星期六（四）、喷射角与表面粗糙度喷射角0°30°45°60°SR（nm）1.1061.0520.9560.910表7.2七、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50第50页，共82页，2023年，2月20日，星期六补充散粒磨料抛光（looseabrasiveconditions）：BuijsandKorpel-VanHouten

[10]得到：七、表面粗糙度

固着磨料抛光（deterministicmicrogrinding）[9]：

AleinikovandKryukova[7,8]SiCabrasiveparticles(100~150um)[10]JohnC.Lambropoulos,etal,Looseabrasivelappinghardnessofopticalglassesanditsinterpretation.APPLIEDOPTICS,Vol.36,No.7,March,1997,1501-1516.51第51页，共82页，2023年，2月20日，星期六二、将要开展的工作从课题研究的方向（一）、基础型研究

去除方式及去除特性的研究工件与粒子的作用形式下表面破坏层的研究（二）、应用型研究消除高频误差的方法修正面形的能力52第52页，共82页，2023年，2月20日，星期六（一）、材料的去除方式需要解决的问题：

在一定条件下，材料是以脆性裂纹的形式还是以塑性变形的方式去除

拟采取的研究方案：

从塑性变形与脆性断裂的不同特征出发去除量的大小去除量与喷射角的关系去除量的分布形状工件材料与磨料粒子的相对性质基础型研究53第53页，共82页，2023年，2月20日，星期六依据一、材料去除量的大小材料的去除量很小，材料的脆性不再起作用磨料粒子的能量较小，不能达到使工件表面产生裂纹的程度，则材料是以塑性变形的形式去除的措施从实验及材料结构方面考察材料的去除量是不是以nm量级去除的去除方式54第54页，共82页，2023年，2月20日，星期六依据二、去除量与冲击角的关系[11]若材料是以脆性裂纹的形式去除冲击角为90度时去除量最大若以塑性变形的方式与磨料粒子的冲击及横向剪切有关，且冲击角为40度时有最大去除量。去除方式[11]H.X.Zhao,etal,Slurryerosionpropertiesofceramiccoatingsandfunctionallygradientmaterials,ElsevierScience,1995(473~479).55第55页，共82页，2023年，2月20日，星期六依据三、去除量的分布形状[11]以裂纹的形式发展并去除:中间有最大去除量，射流体的冲击压力是导致材料去除的关键塑性材料，是以塑性形变形式去除:

主要是由于射流体对工件边远的横向剪切作用强，剪切去除占主导，去除函数为环状结构的去除方式56第56页，共82页，2023年，2月20日，星期六依据四、工件材料与磨料粒子的相对性质用硬的粒子作用，材料表现是塑性用软的粒子作用，材料表现是脆性小的粒子往往使材料以塑性变形的方式去除去除方式问题：对于同一种材料K9玻璃，在用碳化硅和氧化柿抛光粉作用时，对于不同的磨料粒子，K9所表现出的性质是不是一样的?

57第57页，共82页，2023年，2月20日，星期六（二）、工件与粒子的作用形式[12]基础型研究[12]KonstantinBabets,Numericalmodelingandoptimizationofwaterjet-basedsurfacedecontamination,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？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；b、粒子能量以压力波的形式传播，使材料去除；c、剩余的能量：主要引起粒子碎裂

58第58页，共82页，2023年，2月20日，星期六（三）、下表面破坏层的研究需要解决的问题：是否产生下表面破坏层？

如何测量下表面破坏层？下表面破坏层与何种具体参数有关？下表面破坏层与表面粗糙度的关系？

残余应力的研究基础型研究59第59页，共82页，2023年，2月20日，星期六（一）、是否产生下表面破坏层1.传统的研究方法将两研磨好的表面用冷杉胶粘结将其侧面抛光用显微镜观察其中缝，考察下表面破坏层的性质下表面破坏层存在的问题：（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60第60页，共82页，2023年，2月20日，星期六2.拟采取的研究方法方案1

把经FJP作用的表面用酸侵蚀，将由FJP产生的下表面破坏层去掉，测量侵蚀掉的量及侵蚀以后的形貌方案2把玻璃试样的一半保护起来，于是侵蚀和未侵蚀过的部分形成一条分界线，用FJP对准该分界线进行冲击，再同时将其侵蚀，比较有何区别二、下表面破坏层61第61页，共82页，2023年，2月20日，星期六（二）如何测量下表面破坏层现存的测量方法：Cross-sectionalmicroscopyAnglelappingorpolishingX-raydiffractionMicro-RamanspectroscopyDimplemethod下表面破坏层62第62页，共82页，2023年，2月20日，星期六1、Cross-sectionalmicroscopy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=500ml:500ml:75g)，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63第63页，共82页，2023年，2月20日，星期六2、Anglelappingorpolishing下表面破坏层64第64页，共82页，2023年，2月20日，星期六2、Anglelappingorpolishing(1)Thesamplesofsiliconwafersarelapped(inanglelapping)orpolishedunderanangleof5deg.(2)Inordertoobservethedamagebetter,oxidationisperformedtothetiltedsurface.(3)Selectiveetchingisdoneonthetiltedsurfacewith"Yang"solution,tomakethedefectsvisible.(4)Todeterminethedepthofthesubsurfacedamage,theetchingpitsarecountedinthetiltedsurfaceofthesample.Thedistributionoftheetchingpitsgivesthedepthofthesubsurfacedamage.下表面破坏层65第65页，共82页，2023年，2月20日，星期六3、Micro-RamanspectroscopyAnincidentmonochromaticlaserbeamisfocusedonthesurfaceofaspecimen.Thescatteredlightisthencollectedbyamultielementlensthatfocusesthelightontheentranceslitofaspectrometer(detectiondevice).Byusingdifferentwavelengths,thepenetrationdepthoflightischanging,thus,byvaryingthewavelengthitispossibletoprobethedifferentdepthsofthesample.

下表面破坏层66第66页，共82页，2023年，2月20日，星期六（三）与何具体参数有关需要解决的问题：与工件特性的关系？

杨氏模量（E），显微硬度(HK)与工艺参数的关系？

工作压力，作用时间，磨料粒子的特性等与去除率的关系？与磨料粒子的特性的关系？资料表明[13]：下表面破坏层[13]JosephA.Randi,etal,Subsurfacedamageinsomesinglecrystallineopticalmaterial,AppliedOptics,Vol.44,No.12,20April2005,2241~2249.67第67页，共82页，2023年，2月20日，星期六（四）、与表面粗糙度的关系需要解决的问题：利用FJP得到的下表面破坏层与表面粗糙度有何关系？

资料表明：对于散粒磨料抛光[14]：

Preston发现：SSR=(3~4)SR

Aleinikov(利用SiCAbrasives)：SSR=(3.93±0.17)SR

对于固着磨料抛光[14]：Edwards发现：SSR=(6.4±1.3)SR下表面破坏层[14]P.PaulHead,Opticalglassfabricationtechnology,Relationshipbetweensurfaceroughnessandsubsurfacedamage,AppliedOptics,Vol.26,No.21,1987(4677~4679)68第68页，共82页，2023年，2月20日，星期六问题（一）下表面破坏层在测量前一般是先将工件表面用酸（10%的HF或者‘Yang’solution）腐蚀，目的是将由该技术条件下产生的下表面破坏层去除（1）如何确定下表面破坏层全部去除？（2）腐蚀掉的深度是否为破坏层的深度？讨论69第69页，共82页，2023年，2月20日，星期六酸咬去应力的实验中，有时是通过控制