基于负压吸流空穴效应的微小非球面纳米抛光

Nano polishing of micro aspherical surface is an unresolved problem. Traditional Elastic or viscoelastic polishing tool is difficult to access processing areas. In ordinary high-pressure abrasive jet polishing, the efficiency is low and the polisihing point is big because of the air turbulence. A new method is proposed for nano polishing of small aspherical surface based on negative pressure suction flow and cavitations. Through replacing atmospheric environment for negative pressure environment, fine abrasives are droven by negative pressure jet from the small suction nozzle to cut the workpiece surface. The micro cavitations enhances the erosion ability to get the ultra-smooth aspherical surface. Through preparing fine abrasive fluid, developing polishing device and conducting foundation experiment, nano polishing mechanism of suction flow cavitations is discussed. The kinetic model and material removal model will be established. The process parameters and micro-polishing path will be optimized to achieve efficient and stable process. This project will have realistic significance to imprvoe our manufacturing level of optical lens and molds.

微小非球面纳米抛光一直是一个未能解决的难题。传统的弹性或粘弹性固态抛光工具难以进入微小加工区；而采用高速射流加工，效率低，且由于空气扰动而导致抛光点偏大。针对这些问题，本课题提出一种基于负压吸流空穴效应的微细磨料流体纳米抛光新方法。将负压环境取代常压环境，利用负压产生的压差从微小吸嘴中吸出微细磨料并对加工面进行微切削，同时负压空穴效应产生微射流增强流体的冲蚀能力，进而获得超光滑非球面。配制性能优良的微细磨料流体，研制微小非球面抛光装置，进行工艺实验研究。探讨基于压差吸流空穴效应的纳米抛光机理，建立相应的动力学模型和材料去除模型，优化微量抛光路径与工艺参数，以实现微小非球面的纳米抛光。本项目的开展对于提高和发展我国微光学透镜及模具制造水平具有现实意义。

微小非球面纳米抛光在超精密光学加工中非常重要。传统的弹性或粘弹性固态抛光工具难以进入微小加工区；而采用高速射流加工，效率低，且由于空气扰动而导致抛光点偏大。针对这些问题，本课题提出一种基于负压吸流空穴效应的微细磨料流体纳米抛光新方法。将负压环境取代常压环境，利用负压产生的压差从微小吸嘴中吸出微细磨料并对工件进行微切削，同时负压空穴效应产生微射流增强流体的冲蚀能力，进而获得超光滑非球面。.项目提出了负压吸流抛光工艺方案，研发了实验装置平台，选择了相应的关键部件。对锥形、锥直形、圆柱形、流线型等四种不同喷嘴结构进行了仿真分析。研究了负压吸流条件下微磨料流体的材料去除机理，包括负压抽吸产生、空化现象和判断理论、空化气泡生长和断裂理论。利用混合多相流模型和空化模型进行了FLUENT模拟仿真。利用不同类型和直径的磨粒对光学玻璃进行了抛光实验。分析了不同磨料类型、磨粒大小和抛光距离对抛光工件的表面粗糙度的影响。利用不同类型、粒径的磨料对玻璃进行了纳米抛光工艺实验，研究不同磨料类型、不同粒径、不同抛光距离对抛光结果的影响。研究了不同负压下不同磨粒对碳化钨表面粗糙度的影响，并进行了工艺试验。.项目研究获得了部分重要的结论，包括：1）空穴在溃灭时产生瞬时高温高压，形成强烈的冲击波和高速微射流冲击壁面，材料去除在磨粒切削与空穴冲蚀作用下进行。2）出口为常压时，改变入口压力对空化效应的增强不明显；出口为负压时，空化效应的强度随着真空度的增加而增强。3）抛光区的形状都为弯月形。4）喷射压力越大，磨料剪切作用增强，但是存在一定的鲁棒性。喷射倾角减小，剪切力逐渐变大；剪切力随磨料浓度先增大再减少。5) 当抛光距离4mm，抛光压力0.25Mpa，真空度-0.04MPa，抛光时间120min，抛光液中金刚石磨料体积分数0.1，磨粒大小1μm。负压吸流抛光可以获得表面粗糙为Ra 0.8nm的碳化钨工件。.本项目的开展对于提高和发展我国微光学透镜及模具制造水平具有现实意义。.