磨料水射流抛光技术研究

【摘要】：随着对光学性能要求的不断提高,越来越多的非球面以及自由曲面光学元件被广泛应用。同时,光学系统元件也向着多极化方向发展,大尺寸大相对口径元件、高陡度大长径比内腔元件以及微小尺寸非球面光学元件的应用与需求都在不断增加。然而对于高陡度长径比内腔元件和微小尺寸非球面元件的加工,由于易发生机械干涉或受抛光头尺寸大小的限制,一直没有十分有效的超精密抛光方法,因此也严重制约了这些零件的应用研究。磨料水射流抛光技术其纤细的射流束径能够产生较小的去除斑点,且射流束长度柔性可控,不易与工件形成机械干涉,具有适用范围广、无亚表面损伤、加工精度高、材料去除稳定等优点,是一种具有广阔应用前景的高精度光学镜面加工方法。本文从CCOS成型原理出发,重点研究磨料水射流抛光中材料去除机理、去除函数建模及优化以及工艺参数稳定性等方面的关键问题,并将该技术成功地应用于超精密光学镜面加工,验证了其独特的加工特性。 全文的研究工作主要包括以下几个部分: 1.根据CCOS原理及其对去除函数的基本要求,设计搭建了磨料水射流抛光系统,并对其结构和功能进行了优化设计。针对射流抛光的材料去除特性,设计了倾斜旋转抛光系统,并对核心部件——喷嘴的形状结构进行了仿真对比优化。 2.对射流冲击过程进行了物理描述,并对材料的脆塑性去除进行了理论计算,对射流束的速度剖面和压力剖面分布情况进行了分析研究。从弹性波能理论及其能量分布的角度,分析了射流冲击过程中的材料去除机理,并得出垂直冲击和倾斜冲击的材料去除量理论公式。对比分析了纯水射流与磨料水射流的材料去除能力,分析表明射流抛光中材料去除的最主要因素为磨粒与工件高速碰撞过程中的剪切作用力。 3.推导了垂直及倾斜冲击时的材料去除三维模型,并通过多点实验法获取了不同冲击角度下的材料去除函数,针对去除函数提取过程中出现的问题,提出了优化改进措施。通过理论分析及试验验证,成功获得了高斯型去除函数。结合具体的光学镜面面形,仿真分析了优化后去除函数模型在修形中的优越性。试验研究了优化模型的稳定性及其主要影响因素,试验结果表明该去除函数模型的波动误差可控制在±5%以内。对去除函数的修形能力进行了研究,对于空间波长一定的误差面形,一般去除函数尺寸越小,其修形能力越强,同时将优化前后的去除函数模型进行了修形能力对比研究,进一步说明了优化去除函数模型的优越性。 4.试验研究了磨料水射流抛光各主要工艺参数对材料去除率及表面粗糙度的影响关系。根据试验结果,分析了在不同的加工阶段,不同的加工要求下选取不同的工艺参数,有益于提高加工效率,优化实验结果。并研究了工件定位工艺的优化方法,研究了定位误差的辨识与补偿技术。通过CFD仿真分析,研究了不同形状零件的射流冲击流场分布情况。 5.在上述工作基础上,进行了磨料水射流抛光技术应用试验研究。进行了周期性车削刀痕的去除试验,并对磨削后不锈钢表面进行了超精密抛光试验,试验结果均显示了该技术在金属材料表面进行超精密抛光加工的可行性。在修形加工方面,分别对矩形平面镜及?21mm微小圆形平面镜进行了修形试验研究,试验结果表明磨料水射流抛光技术具有很高的面形误差收敛比,显示了其在超精密光学镜面面形修整中的应用价值。