1、1,研究进展及方向,报 告 人：方 慧 指导教师：余景池郭培基2005. 12. 15,液体喷射抛光技术,2,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,3,一、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,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
2、性不受位置影响,去除函数保持不变,4,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,5,一、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,6,一、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,7,一、去除机理的研究,（三）结果分析,图1.3 流场的分布特征,8,（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,9,一、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
3、心有最大值,玻璃材料的抗压强度（1.964.9GPa）大于抗拉及抗张强度(34.383.3MPa),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).,10,补 充,（一）、高速射流在与工件碰撞时的情况3,3 T.Mabrouki,K.Raissi,ACornier, Numerical simulation and experimental study of the interaction between a pure high-velocity
4、 waterjet and targets:contribution to investigate the decoating process,Elsevier Science ,Wear 239(2000) ：260-273.,Texpo0.5us,Texpo1.0us,Texpo2.5us,Texpo1.02us,Texpo5.0us,V=300m/s,11,补 充,（二）、碰撞时压力分布情况,12,补 充,（三）、材料去除量分布情况,13,二、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
5、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).,14,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,15,（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,16,（三）、喷射角对去除量分布的影响,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60,工艺参数,17,（三） 、喷射角对去除量的影响,表
6、2.1,工艺参数,18,（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,19,（五）、去除量与材料特性的关系,表2.2去除量与材料特性5,5 Shixian Li, Lenian Zhen, Hand book of optical design. BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY PRESS，1990, 26-37.,20,1、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,21,2、去除量与杨氏模量及显微硬度,图2
7、.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,22,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 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, 1501-151
8、6.,23,三 、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,24,（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,25,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
9、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（=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,(二)、工件转速的影响,数学模型的建立,26,1、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 ,引入：,合成速度：,考虑到：,工件转速,27,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 （=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,28,（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
10、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.Hui Fang, Peiji Guo, Jingchi Yu,“ Research on the Mathematical Model of Fluid Jet Polishing ”,SPIE, 2005.,29,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
11、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,30,四、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）,31,四 、驻留函数的求解,（1）式可表示为,（2）,（2）简化为：,32,对于（3）式，不能利用矩阵除法,四 、驻留函数的求解,33,四 、驻留函数的求解,（4）,利用反复跌代方法8,8.Hui Fang, Peiji Guo, Jingchi Yu,“ Dw
12、ell function Algorithm in Fluid Jet Polishing”,Applied Optics. 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,34,（三）实验,图4.1 抛光前,四、驻留函数的求解,图4.2去除函数,35,四、驻留函数的求解,图4.4实验结果,图4.3理论结果,（四）结果,36,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
13、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,37,五、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,38,(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,39,图5.4 倾斜（45）作用四次,（2）、四点倾斜作用,8 Hui Fang， Peiji
14、 Guo, Jingchi Yu, Optimization of the Material Removal in Fluid Jet Polishing, Optical Engineering,五、去除函数的优化,40,（三）、喷管旋转,五、去除函数的优化,喷射角为30,喷射角为0,41,七、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。,42,（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,43,P=7bar,
15、（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,44,（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,45,（3）CEROXTM 1650 的抛光效果,初始表面粗糙度Ra=0.645nm,（一）、磨料粒子对的影响,图7.4 抛光后,七、表面粗糙度,46,（二）、材料特性的影响,七、表面粗糙度,7.1 不同材料所得到的表面粗糙度,47,（二）、材料特性,1、 与显微硬度（Hk）的
16、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 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,（二）
17、、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,49,（三）、工作压力与表面粗糙度,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,图7.7表面粗糙度与工作压力的关系,七、表面粗糙度,50,（四）、喷射角与表面粗糙度,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,51,补 充,散粒磨料抛光（loose abrasive conditions）：Buijs and Korpel-Van
18、 Houten 10 得到：,七、表面粗糙度,固着磨料抛光（deterministic microgrinding）9：,Aleinikov and Kryukova7,8 SiC abrasive particles(100150um),10 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.,52,二、将要开展的工作,从课题研究的
19、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,53,（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,54,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
20、不是以nm量级去除的,去除方式,55,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,et al, Slurry erosion properties of ceramic coatings and functionally gradient materials, Elsevier Science,1995(473479) .,56,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
21、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,57,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?,58,（二）、工件与粒子的作用形式12,基础型研究,12Konstantin Babets, Numerical modeling and optimization of waterjet-
22、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？ 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,59,（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,60,（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
23、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,61,2. 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,62,（二）如何测量下
24、表面破坏层,现存的测量方法： Cross-sectional microscopy Angle lapping or polishingX-ray diffraction Micro-Raman spectroscopy Dimple method,下表面破坏层,63,1、Cross-sectional microscopy,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,64
25、,2、Angle lapping or polishing,下表面破坏层,65,2、Angle lapping or polishing,(1) The samples of silicon wafers are lapped (in angle lapping) or polished under an angle of 5 deg. (2) In order to observe the damage better, oxidation is performed to the tilted surface. (3) Selective etching is done on the tilt
26、ed surface with “Yang“ solution, to make the defects visible. (4) To determine the depth of the subsurface damage, the etching pits are counted in the tilted surface of the sample. The distribution of the etching pits gives the depth of the subsurface damage.,下表面破坏层,66,3、Micro-Raman spectroscopy,An
27、incident monochromatic laser beam is focused on the surface of a specimen. The scattered light is then collected by a multielement lens that focuses the light on the entrance slit of a spectrometer (detection device). By using different wavelengths, the penetration depth of light is changing, thus,
28、by varying the wavelength it is possible to probe the different depths of the sample.,下表面破坏层,67,（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,13Joseph A. Randi, et al, Subsurface damage in some single crystalline optical material, Appl
29、ied Optics, Vol.44, No.12, 20 April 2005, 22412249.,68,（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=(34)SR Aleinikov (利用SiC Abrasives)： SSR=(3.930.17)SR 对于固着磨料抛光14：Edwards发现： SSR=(6.41.3)SR,下表面破坏层,14P.Paul Head, Optical glass fabrication technology, Relationship b
30、etween surface roughness and subsurface damage, Applied Optics, Vol.26,No.21,1987(46774679),69,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,70,酸咬去应力的实验中，有时是通过控制浸泡时间来决定去除量的大小如果时间过短，下表面破坏层并不能完全去除即使镜子已经浸泡了很长一段时间（比如30min），当把镜子继续浸泡时
31、，还是有部分材料去除 用酸咬及通过测量去除量的深度来确定下表面破坏层的方法有待商榷。,讨 论,问 题（二）,71,应用型研究,如何消除工件表面的高频误差 去除函数的优化 改变射流的性质 修正面形 寻求最佳的运动方式 寻求最佳的运动路径 驻留函数的优化求解,72,（一）、去除函数的优化,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 改变喷管的形状或内部结构 改变抛光头的运动方式及路径,应用型研究,一、消除高频误差,73,（二）、改变射流的特性,加入新的媒质比如利用三相射流脉动射流 采用其它性质的抛光液采用粘滞系数大的液体,应用型研究,一、消除高频误差,注：国防科大正在从事磁性磨料射流
32、抛光,74,（一）、抛光头的运动方式及路径,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 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 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,二、修正面形的能力,75,（二）、驻留函数的求解,根据机床改进的结果，根据喷管的运动方式及路径，对驻留函数开展具体的研究工作。,应用型研究,二、修正面形的能力,76,谢谢指教！,77,Measurement setup,78,79,80,The results,81,82,Zeeko Jet,Collaboration with TNO TPD DelftSlurry-jet directly impacts the surfaceAgain, uses precession Ideal for discontinuous surfaces (edges, ledges, corners etc), very small parts, or deep recessesNear-Gaussian Influence FunctionsSoftware identical to Zeeko Classic,
