第 1 章  緒論 

1.1 課題的背景及意義
直徑或?qū)蔷�直徑1m以上的大尺寸超精密大玻璃元件（以下簡(jiǎn)稱“大玻璃”）在航空航天、天文和核能源等行業(yè)中使用非常廣泛。例如：現(xiàn)代制導(dǎo)武器最廣泛應(yīng)用的激光制導(dǎo)設(shè)備，它使用的許多激光原件如大型激光反射鏡、激光陀螺腔體、非球面透鏡等是均是大玻璃元件；歐洲南方天文臺(tái)（European Southern Observatory，ESO）正在研制世界的最先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡 E-ELT（European Extremely Large Telescope）核心部件是直徑 42m 由 800 塊以上直徑 1.5m 的六邊形非球面反射鏡片組成的鏡頭；為解決人類能源危機(jī)研制的激光慣性約束聚變（Inertial Confined Fusion ,ICF）裝備的核心部件激光核聚變反射鏡，其中美國(guó)國(guó)家激光聚變裝置（National Ignition Facility, NIF）通過(guò) 3000 塊磷酸鹽玻璃將單束激光放大，法國(guó)激光兆焦耳工程（Laser Mega-Joule, LMJ)及我國(guó)神光ⅳ高功率激光點(diǎn)火裝置都使用大量的大尺度光學(xué)玻璃；光刻工藝目前使用的極紫外光刻技術(shù)（Extreme Ultraviolet Lithography, EUVL）的部件極紫外光刻物鏡是由六片中頻粗糙度均方根值在 0.1nm 左右的光學(xué)玻璃構(gòu)成的。 隨著光學(xué)玻璃在航空航天、光電、空間技術(shù)以及精密工程等領(lǐng)域應(yīng)用的擴(kuò)展，對(duì)光學(xué)玻璃元件的加工效率和加工質(zhì)量要求越來(lái)越高。光學(xué)玻璃加工質(zhì)量對(duì)其使用性能有很大影響，光學(xué)玻璃加工后的表面粗糙度、面形精度等會(huì)影響光學(xué)元件的成像質(zhì)量，而光學(xué)玻璃加工后的亞表層損傷則會(huì)降低光學(xué)元件的抗疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性和相變穩(wěn)定性等，從而降低其使用壽命。因此如何提高光學(xué)玻璃的加工效率和加工質(zhì)量是目前光學(xué)制造業(yè)急需解決的核心問(wèn)題。 光學(xué)玻璃屬于硬脆材料，硬度高、脆性大，在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生表面裂紋、亞表層損傷等問(wèn)題。目前主要采用磨削、研磨和拋光相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)行光學(xué)玻璃加工。研磨和拋光主要通過(guò)對(duì)磨削后的工件進(jìn)行進(jìn)一步加工，去除磨削對(duì)工件造成的損傷從而使其達(dá)到質(zhì)量要求，但是其材料去除率低、加工效率低。因此在光學(xué)玻璃的加工過(guò)程中，需盡量提高磨削加工質(zhì)量從而減少研磨、拋光時(shí)間，提高加工效率。 
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1.2 光學(xué)玻璃的加工工藝 
從上述論述中可看出：大玻璃作用特殊,要求儀器數(shù)量大、尺度大、加工形狀精度和表面質(zhì)量高，如直徑 1.5m 的光學(xué)元件，在 1.5m 的范圍內(nèi)，其表面形狀精度小于 1μm，表面粗糙度不低于 20nm Rms，極少的亞表面損傷。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，目前國(guó)際主流加工工藝流程為（圖 1.1）：固體粒子磨削，加工時(shí)可快速去除材料，平面度可達(dá) 1～2μm、表面粗糙度不低于 Ra 50-150nm；離散粒子加工，玻璃加工技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可達(dá)到平面度0.5～1μm、表面粗糙度Ra20-50nm；原子分離加工，用高硬度固體粒子（如金剛石砂輪）和大玻璃之間高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，快速去除玻璃表面的材料，提高表面形狀精度和粗糙度，盡可能避免亞表面損傷。國(guó)外，英國(guó) Cranfield 大學(xué)自主開(kāi)發(fā) BoX 大玻璃專業(yè)數(shù)控磨床采用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪實(shí)現(xiàn)對(duì)自由曲面大玻璃的快速磨削，BoX 磨床及其加工技術(shù)代表著國(guó)際大玻璃磨削技術(shù)的前沿，目前服務(wù)于 E-ELT 的大玻璃的超精密磨削。國(guó)內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了 Elid 金屬結(jié)合劑修整技術(shù)，用于普通中小型光學(xué)玻璃的鏡面磨削，屬于這種磨削方式。 目前大玻璃磨削技術(shù)及裝備開(kāi)發(fā)已經(jīng)納入國(guó)家重點(diǎn)支助計(jì)劃，由上海機(jī)床股份有限公司和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位負(fù)責(zé)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，目前尚處在起步階段。 
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第 2 章  約束磨料射流拋光去除理論及壓力場(chǎng)建模

隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高精度的光學(xué)玻璃的需求量也急劇增長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)高精度光學(xué)的加工原理及加工方法的要求也越來(lái)越高。本章主要介紹射流去除理論，并建立自由射流及約束射流拋光數(shù)學(xué)模型，具體分析磨料射流拋光的去除機(jī)理，為約束式磨料射流拋光技術(shù)的深入研究奠定理論基礎(chǔ)。 

2.1 射流理論 
射流是指流體從各種形狀的噴嘴射入同一種或另一種流體的流動(dòng)。在給水排水工程、水利水電工程、航空航天工程、環(huán)境工程以及在機(jī)械、冶金、化工、能源等許多領(lǐng)域都會(huì)利用到射流技術(shù)。 如果從噴嘴噴射出的流體射入流體特性相同的無(wú)限空間中，則稱之為淹沒(méi)自由射流；如果射流處于層流狀態(tài)，則成為層流射流；若射流為紊流狀態(tài)，則稱之為紊動(dòng)射流。實(shí)驗(yàn)研究表明，紊動(dòng)射流一般分為三個(gè)區(qū)段，即初始段、過(guò)渡段及主體段。初始段由勢(shì)流核和剪切層組成，在勢(shì)流核內(nèi)，其速度保持原來(lái)的出射速度，邊界逐漸向射流軸線收縮直至相交；在剪切層內(nèi)，其速度分布具有誤差函數(shù)形式，并自入射點(diǎn)逐漸向兩側(cè)擴(kuò)散，即邊界層的擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)研究表明，剪切曾內(nèi)存在相干結(jié)構(gòu)，亦稱擬序結(jié)構(gòu)。這種有組織結(jié)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，有一種成對(duì)合并現(xiàn)象，稱之為渦旋配對(duì)。射流的斷面擴(kuò)展及其對(duì)周圍流體的卷吸就是渦旋配對(duì)的結(jié)果。在自由射流主體段，邊界層充分發(fā)展，其速度、濃度、溫度均服從高斯分布。射流的過(guò)度段很短，一般在分析中常予以忽略。另外對(duì)于三維紊動(dòng)射流，氨氣軸線速度衰減狀況，可分為三個(gè)明顯的流動(dòng)區(qū)域。即勢(shì)流核心區(qū)、特征衰減區(qū)及軸對(duì)稱衰減區(qū)。 沖擊射流是指自由射流對(duì)固體壁面的沖擊流動(dòng)，按其流動(dòng)特性可分成三個(gè)流動(dòng)區(qū)域：自由射流區(qū)，該區(qū)流動(dòng)特性與自由射流相同；沖擊區(qū)，該區(qū)流動(dòng)改變方向，并且有很大的壓力梯度；壁面射流區(qū)，對(duì)于紊動(dòng)壁面射流，分為內(nèi)層和外層，內(nèi)層具有壁面邊界層的特性，外層則具有自由射流的特性。 
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2.2 自由磨料射流拋光去除理論 
在磨料射流拋光工藝中，磨料磨粒在拋光設(shè)備儲(chǔ)能器的作用下隨著拋光液以一定的速度噴射到工件表面，引起工件材料的去除。工件材料的去除主要有材料的塑性變形和脆性去除。磨料射流對(duì)脆性工件的拋光主要是以磨粒以高能方式在工件表面滾動(dòng)劃擦及高能沖擊方式去除。 單顆磨粒的速度可以分解為垂直和平行于工件方向，垂直于工件的方向主要是在高速壓力的作用下擠入工件，平行于工件方向的速度是給材料的去除提供切削方向。本文主要研究的是約束式磨料射流拋光方法（圖 2.2），在拋光過(guò)程中微粉磨料隨拋光液沖射到工件與約束輪的縫隙中，攜帶高能量的磨粒在約束輪和射流的共同作用下對(duì)工件的表面微觀形貌進(jìn)行不斷的沖撞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料的去除。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制本文研究的磨料遠(yuǎn)小于工件與約束輪的間隙，因而對(duì)工件材料的去除不是約束輪對(duì)磨粒的擠壓而實(shí)現(xiàn)，而是完全由磨粒在約束輪與工件之間的不斷沖撞彈射去除[14]。因此約束式磨料射流拋光的材料去除方式主要是磨粒滾動(dòng)去除與磨粒沖擊去除。
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第 3 章  拋光區(qū)域 CFD 仿真與數(shù)值計(jì)算 ......... 18 
3.1 引言 ...... 18 
3.2 拋光區(qū)域流體 CFD 仿真 ....... 18
3.3 約束式磨料射流拋光 MATLAB 數(shù)值計(jì)算 ...... 24 
3.4 約束式射流拋光壓力場(chǎng)仿真 ........ 29 
3.4.1 約束式射流拋光磨料流壓力分布 .......... 29 
本章小結(jié) .... 30 
第 4 章  磨料射流拋光裝備及控制系統(tǒng)研究 .......... 32 
4.1  引言 ..... 32 
4.2  拋光液的配置及分散性研究 ....... 33 
4.2.1 氧化鋁微粉的分散方式 ..... 33 
4.2.2 拋光液的配置實(shí)驗(yàn) ...... 35 
4.3 磨料射流拋光系統(tǒng)的搭建 ..... 37 
4.3.1 射流發(fā)生系統(tǒng) ....... 37 
4.3.2 機(jī)床本體系統(tǒng) ....... 38 
4.4 流體輸送控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ..... 39 
4.4.1 流體輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ......... 39 
4.5 射流拋光攪拌及過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì) .... 40 
本章小結(jié) .... 43 
第 5 章  約束式磨粒射流拋光工藝實(shí)驗(yàn)研究 .......... 44 
5. 引言 ...... 44 
5.1 實(shí)驗(yàn)及測(cè)量基礎(chǔ) ....... 44 
5.2 自由拋光與約束拋光對(duì)比實(shí)驗(yàn) .... 48
5.3 約束式磨料射流拋光單因素實(shí)驗(yàn) ....... 53
5.4 約束拋光正交實(shí)驗(yàn)研究 ......... 56 
本章小結(jié) .... 61 

第 5 章  約束式磨粒射流拋光工藝實(shí)驗(yàn)研究 

5.1 引言 

利用約束式磨料射流拋光方法進(jìn)行光學(xué)玻璃的精密拋光，其基本機(jī)理是磨粒在工件及約束輪之間的反復(fù)碰撞進(jìn)行材料的去除。因此進(jìn)行約束式磨料射流拋光過(guò)程中的各個(gè)工藝參數(shù)包括噴嘴角度，拋光間隙，磨料粒度，磨料濃度，約束輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)都將對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此研究實(shí)際拋光過(guò)程中各工藝參數(shù)對(duì)工件實(shí)際拋光質(zhì)量的影響具有重要意義。 本文對(duì)約束式磨粒射流拋光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)自由拋光與約束式拋光對(duì)比實(shí)驗(yàn)，單因素實(shí)驗(yàn)，及正交實(shí)驗(yàn)方法，分別研究了自由拋光與約束拋光拋光對(duì)比拋光效果，各因素對(duì)工件拋光質(zhì)量的影響，各工藝參數(shù)對(duì)工件拋光質(zhì)量的顯著性影響因素情況，以此來(lái)驗(yàn)證約束式射流拋光方法在去除材料及提高工件表面質(zhì)量的優(yōu)越性。第 5 章  約束式磨粒射流拋光工藝實(shí)驗(yàn)研究 5.1 引言 利用約束式磨料射流拋光方法進(jìn)行光學(xué)玻璃的精密拋光，其基本機(jī)理是磨粒在工件及約束輪之間的反復(fù)碰撞進(jìn)行材料的去除。因此進(jìn)行約束式磨料射流拋光過(guò)程中的各個(gè)工藝參數(shù)包括噴嘴角度，拋光間隙，磨料粒度，磨料濃度，約束輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)都將對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此研究實(shí)際拋光過(guò)程中各工藝參數(shù)對(duì)工件實(shí)際拋光質(zhì)量的影響具有重要意義。 本文對(duì)約束式磨粒射流拋光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)自由拋光與約束式拋光對(duì)比實(shí)驗(yàn)，單因素實(shí)驗(yàn)，及正交實(shí)驗(yàn)方法，分別研究了自由拋光與約束拋光拋光對(duì)比拋光效果，各因素對(duì)工件拋光質(zhì)量的影響，各工藝參數(shù)對(duì)工件拋光質(zhì)量的顯著性影響因素情況，以此來(lái)驗(yàn)證約束式射流拋光方法在去除材料及提高工件表面質(zhì)量的優(yōu)越性。 

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總結(jié)

本文介紹了大尺寸光學(xué)玻璃的現(xiàn)實(shí)需求及加工工藝現(xiàn)狀，光學(xué)玻璃的精密拋光工藝過(guò)程，特別是離散粒子拋光工藝，并分析其加工方法的缺陷，提出來(lái)了約束式磨料射流拋光方法。本文通過(guò)對(duì)自由射流及約束式磨料射數(shù)學(xué)模型的建立，運(yùn)用 CFD 流體計(jì)算仿真軟件及 MATLAB 數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)約束式磨料射流拋光區(qū)域的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真與計(jì)算，分析拋光工藝參數(shù)及效果。在課題組前期研究基礎(chǔ)上研制了約束式磨料射流拋光系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)磨料流體的清潔、穩(wěn)定、持續(xù)的噴射拋光。并利用該系統(tǒng)對(duì)光學(xué) K9 玻璃進(jìn)行單因素及正交實(shí)驗(yàn)，得到了光學(xué)玻璃加工參數(shù)對(duì)工件拋光質(zhì)量的影響曲線。 
（1）結(jié)合自由射流拋光理論，明確了約束式磨料射流拋光理論的去除機(jī)理，建立了拋光區(qū)域壓力場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，包括射流原理，自由射流拋光材料去除數(shù)學(xué)模型的建立，約束式磨料射流拋光材料去除模型中磨料滾動(dòng)去除模型，磨料沖蝕模型的建立。 
（2）在理想狀況下根據(jù) Navier-Stokes 方程建立流體速度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，以及磨粒在流體中運(yùn)動(dòng)狀況的分析，同時(shí)明確了磨粒射流的幾何特征，同時(shí)借助CFD 流體仿真軟件及 MATLAB 數(shù)值分析方法計(jì)算拋光區(qū)域壓力場(chǎng)情況，獲得了拋光工藝參數(shù)對(duì)壓力場(chǎng)的影響情況。 
（3）對(duì)約束式磨料射流拋光裝備及其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。包括磨料發(fā)生系統(tǒng)及機(jī)床本體系統(tǒng)兩類，主要進(jìn)行拋光微粉磨料的分析，拋光液的配置、懸浮、分散實(shí)驗(yàn)，過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，噴嘴的設(shè)計(jì)，工件安裝方法的改進(jìn)提高，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。 
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參考文獻(xiàn)(略)

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本文編號(hào)：57032