液體噴射拋光技術(shù)PPT演示文稿

1、1,研究進(jìn)展及方向,報(bào) 告 人：方 慧 指導(dǎo)教師：余景池 郭培基 2005. 12. 15,液體噴射拋光技術(shù),2,報(bào)告內(nèi)容,一、研究背景 二、已開展的工作 三、準(zhǔn)備開展的工作 四、想法及問題討論,3,一、研究背景,高精度光學(xué)元件的應(yīng)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術(shù),液體噴射拋光技術(shù)1,優(yōu)點(diǎn),不存在“磨頭”磨損,加工難度與球面相當(dāng),各種非球面的拋光,加工

2、特性不受位置影響,去除函數(shù)保持不變,4,去除機(jī)理的初步研究 材料去除量與工藝參數(shù)的關(guān)系 數(shù)學(xué)模型的建立 去除函數(shù)的優(yōu)化 駐留函數(shù)的求解 表面粗糙度的研究,二、已開展的工作,5,一、去除機(jī)理的研究,圖1.1實(shí)驗(yàn)裝置圖,一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),已開展的工作,6,一、去除機(jī)理的研究,二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖1.2 材料去除量分布,已開展的工作,7,一、去除機(jī)理的研究,三）結(jié)果分析,圖1.3 流場的分布特征,8,三）結(jié)果分析,一、去除機(jī)理的研究,圖1.4.1 射流體對工件表面壓力分布,圖1.4.2 射流體在工件表面速度分布,9,一、去除機(jī)理的研究,四）結(jié)果討論2,沖擊壓力,軸向壓應(yīng)力,徑向運(yùn)動,徑向剪切應(yīng)力,中心有最大

3、值,玻璃材料的抗壓強(qiáng)度（1.964.9GPa）大于抗拉及抗張強(qiáng)度(34.383.3MPa,沖擊邊緣最大,形成W型去除量分布,拋光液中磨料粒子的徑向流動對工件產(chǎn)生的徑向剪切應(yīng)力是材料去除的關(guān)鍵,2.方慧，郭培基，余景池，“液體噴射拋光技術(shù)材料去除機(jī)理的研究”，光學(xué)技術(shù)，2004(04,10,補(bǔ) 充,一）、高速射流在與工件碰撞時(shí)的情況3,3 T.Mabrouki,K.Raissi,A.Cornier, Numerical simulation and experimental study of the interaction between a pure high-velocity waterje

4、t 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,補(bǔ) 充,二）、碰撞時(shí)壓力分布情況,12,補(bǔ) 充,三）、材料去除量分布情況,13,二、材料去除量與工藝參數(shù)的關(guān)系4,去除量與工作時(shí)間 去除量與工作壓力 噴射角對去除量分布的影響 噴射角對去除量的影響 噴管口徑對去除量分布的影響 去除量與工件材料特性的關(guān)系

5、,已開展的工作,4.方慧，郭培基，余景池，“液體噴射拋光中各工藝參數(shù)與材料去除量的關(guān)系”，光學(xué)技術(shù)，2004(05,14,工藝參數(shù),去除量與工作時(shí)間近似成線性關(guān)系,圖2.1,材料去除需要一定時(shí)間的積累作用，即需要一定數(shù)量磨料粒子的持續(xù)作用,一）、去除量與工作時(shí)間,15,二 ）、去除量與工作壓力,去除量與工作壓力近似為線性關(guān)系,存在材料的去除閾值,圖2.2,工藝參數(shù),16,三）、噴射角對去除量分布的影響,圖2.3.a 噴射角為0,圖2.3. c 噴射角為45,圖2.3.b 噴射角為30,圖2.5.d 噴射角為60,工藝參數(shù),17,三） 、噴射角對去除量的影響,表2.1,工藝參數(shù),18,四）噴管口

6、徑與去除量分布,圖2.4噴管直d=2.5mm,圖2.5噴管直徑d=1.2mm,工藝參數(shù),19,五）、去除量與材料特性的關(guān)系,表2.2去除量與材料特性5,5 Shixian Li, Lenian Zhen, Hand book of optical design. BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY PRESS，1990, 26-37,20,1、去除量與相對研磨硬度,圖2.6 去除量與相對研磨硬度,數(shù)據(jù)存在發(fā)散點(diǎn)，材料的去除量并不是完全由材料的相對研磨硬度決定的,相對研磨硬度,材料特性,21,2、去除量與楊氏模量及顯微硬度,圖2.7 去除量與材料特性的關(guān)系,材料的去除

7、既包括彈性變形也包括塑性變形的形式，但具體去除方式還需要進(jìn)一步研究,材料特性,22,補(bǔ) 充,利用散粒磨料拋光技術(shù)，材料的去除量和材料的特性存在一線性關(guān)系6,其中，E 為楊氏模量， Hk為顯微硬度， Kc 為斷裂韌度,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, 1501-1516,23,三 、數(shù)學(xué)模型的建立,材料去除

8、的本質(zhì)：高速磨料粒子與工件表面之間的碰撞剪切作用,區(qū)別于傳統(tǒng)的拋光技術(shù) 利用計(jì)算機(jī)控制拋光技術(shù)，需要根據(jù)被加工件的面形誤差進(jìn)行定量修正 為此，有必要提出并建立一個數(shù)學(xué)物理模型，來定量描述整個光學(xué)加工過程,已開展的工作,24,一）、影響去除量的因素分析,影響去除量的大小 磨料粒子及工件材料的特性 拋光液的濃度、溫度 工作壓力 工作時(shí)間 影響去除量分布特征 噴管的形狀、尺寸及口徑等 準(zhǔn)確建立去除函數(shù)與所有工藝參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系是不現(xiàn)實(shí)的，只能重點(diǎn)探討對材料去除影響較大的幾個參數(shù),數(shù)學(xué)模型的建立,25,選擇工件表面不同半徑處的四個環(huán)帶區(qū)域 噴管在工件表面沿直徑方向運(yùn)動，控制駐留時(shí)間正比于工件的半徑,

9、圖3.1材料去除量（=504 rpm,不同半徑區(qū)域處材料的去除量是不同的，說明工件自轉(zhuǎn)對去除量有一定的影響,二)、工件轉(zhuǎn)速的影響,數(shù)學(xué)模型的建立,26,1、駐留時(shí)間的修正,設(shè)：射流體向外流動時(shí)的平均速度v0 工件自轉(zhuǎn)角速度,引入,合成速度,考慮到,工件轉(zhuǎn)速,27,不同環(huán)帶處的駐留時(shí)間應(yīng)滿足,圖3.3 修正之后的去除量分布 （=504rpm,結(jié)果顯示材料去除量是近似相等的,2、修正結(jié)果,工件轉(zhuǎn)速,28,三）、總 結(jié),實(shí)驗(yàn)結(jié)果： （1）、去除量與工作壓力近似成線性關(guān)系 （2）、去除量與作用時(shí)間近似成線性關(guān)系 （3）、去除量與磨料粒子和工件表面之間的相對速度有關(guān),數(shù)學(xué)模型的建立,數(shù)學(xué)模型7,k為比例

10、常數(shù)，由除工作壓力及運(yùn)動狀態(tài)以外因素決定； p為工作壓力，由高壓泵的轉(zhuǎn)速及噴管口徑?jīng)Q定； kv是比例系數(shù)，取決于工件轉(zhuǎn)速與射流體的相對速度,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） 深入探討系數(shù)k與其它工藝參數(shù)的關(guān)系 比如拋光液的濃度、酸堿度，磨料粒子與工件的特性等 面臨的主要困難有： 拋光液的濃度很難控制 或許該問題可以通過分別在較小的容器內(nèi)配置不同濃度的拋光粉，利用單點(diǎn)拋光的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來反

11、映問題 拋光粒子的特性的影響 需要添加新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及管道組件，防止清洗不徹底的影響,四）、繼續(xù)研究的方面,數(shù)學(xué)模型的建立,30,四、駐留函數(shù)的求解,材料去除量是去除函數(shù)與駐留時(shí)間決定的,一）理論基礎(chǔ),Z(x,y)材料去除量；R(x,y)去除函數(shù) ；D(x,y)駐留時(shí)間,二）離散卷積,1,31,四 、駐留函數(shù)的求解,1）式可表示為,2,2）簡化為,32,對于（3）式，不能利用矩陣除法,四 、駐留函數(shù)的求解,33,四 、駐留函數(shù)的求解,4,利用反復(fù)跌代方法8,8.Hui Fang, Peiji Guo, Jingchi Yu,“ Dwell function Algorithm in Fluid

12、Jet Polishing”,Applied Optics. Accepted,設(shè)駐留時(shí)間Di 的值正比于預(yù)計(jì)的材料去除量Zi，代入方程（2）,使矩陣計(jì)算沿著正向進(jìn)行。 得到的材料去除量Zi+1與Zi之間的差值將作為新的駐留函數(shù)，直至面形誤差滿足要求為止,34,三）實(shí)驗(yàn),圖4.1 拋光前,四、駐留函數(shù)的求解,圖4.2去除函數(shù),35,四、駐留函數(shù)的求解,圖4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖4.3理論結(jié)果,四）結(jié)果,36,繼續(xù)研究的方面,該方法直接將面形誤差作為駐留函數(shù)，利用離散卷積數(shù)值解法，通過反復(fù)疊代，最終將面形誤差控制在允許范圍內(nèi)。該方法可以達(dá)到收斂面形誤差的目的。 雖然克服了傅立葉變換方法求逆變換時(shí)的不收

13、斂問題及矩陣除法求得的駐留函數(shù)值的正負(fù)交替現(xiàn)象，但計(jì)算量較大，是不是最好的方法還需進(jìn)一步研究。 資料介紹有用小波變換方法求駐留函數(shù)的，比如離子束拋光（去除函數(shù)為理想的高斯型分布的），看該方法能不能借用于FJP中,駐留函數(shù)的求解,37,五、去除函數(shù)的優(yōu)化,圖5.1 面形誤差收斂情況,高斯型去除函數(shù)能達(dá)到迅速收斂面形誤差及提高加工精度的目的,38,一)、多點(diǎn)垂直作用,圖5.2 垂直作用四次,圖5.3垂直作用六次,五、去除函數(shù)的優(yōu)化,39,圖5.4 傾斜（45）作用四次,2）、四點(diǎn)傾斜作用,8 Hui Fang， Peiji Guo, Jingchi Yu, Optimization of the

14、Material Removal in Fluid Jet Polishing, Optical Engineering,五、去除函數(shù)的優(yōu)化,40,三）、噴管旋轉(zhuǎn),五、去除函數(shù)的優(yōu)化,噴射角為30,噴射角為0,41,七、表面粗糙度,光學(xué)元件的表面粗糙度是表面微觀幾何形狀的表征，即加工表面上的微觀不平度。表面粗糙度是引起光散射和光學(xué)表面吸收的主要因素，是評價(jià)光學(xué)元件成像質(zhì)量的重要指標(biāo),42,1）SiC (W10)的拋光結(jié)果,一）、磨料粒子的影響,七、表面粗糙度,圖7.1 表面粗糙度的變化情況,43,P=7bar,1）SiC (W10)的拋光結(jié)果,一）、磨料粒子的影響,圖7.2.1 拋光前,圖7.

15、2.2 拋光后,七、表面粗糙度,44,2）SiC (W2.5)的拋光結(jié)果,結(jié)果分析 利用液體噴射拋光技術(shù)可以改善細(xì)磨后的表面粗糙度，但并不能達(dá)到光學(xué)表面（Ra小于12nm,一）、磨料粒子的影響,圖7.3 拋光后,七、表面粗糙度,45,3）CEROXTM 1650 的拋光效果,初始表面粗糙度Ra=0.645nm,一）、磨料粒子對的影響,圖7.4 拋光后,七、表面粗糙度,46,二）、材料特性的影響,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、 與顯微硬度（Hk）的關(guān)系,圖7.5 表面粗糙度與顯微硬度的關(guān)系,七、表面粗糙度,對于軟并脆的火石玻璃(ZF6, ZF1,

16、F1, BaF8, ZBaF3)，所得到的的表面粗糙度隨顯微硬度的增加而減小 而對于較硬的硅酸鹽玻璃（K9, ZK1），情況則相反 與固著磨料拋光結(jié)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）、材料特性與表面粗糙度的關(guān)系,2） 與楊氏模量（E）和顯微硬度(Hk)的關(guān)系,圖7.6 表面粗糙度與材料

17、特性的關(guān)系,七、表面粗糙度,49,三）、工作壓力與表面粗糙度,結(jié)果 近似線性關(guān)系，但大壓力（611bar）對表面粗糙度的增加量比小壓力（25bar）的效果大,圖7.7表面粗糙度與工作壓力的關(guān)系,七、表面粗糙度,50,四）、噴射角與表面粗糙度,表7.2,七、表面粗糙度,噴射角度不同，得到的表面粗糙度的值也不同 以不同的角度噴射時(shí)，磨料粒子對工件產(chǎn)生的沖擊及剪切力不同,51,補(bǔ) 充,散粒磨料拋光（loose abrasive conditions）： Buijs and Korpel-Van Houten 10 得到,七、表面粗糙度,固著磨料拋光（deterministic microgrindi

18、ng）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、將要開展的工作,從課題研究的方向 （一）、基礎(chǔ)型研究 去除方式及去除特性的研究 工件與粒子的作用形式 下表面破壞層的研究 （二）、應(yīng)用型研究 消

19、除高頻誤差的方法 修正面形的能力,53,一）、材料的去除方式,需要解決的問題： 在一定條件下，材料是以脆性裂紋的形式還是以塑性變形的方 式去除 擬采取的研究方案： 從塑性變形與脆性斷裂的不同特征出發(fā) 去除量的大小 去除量與噴射角的關(guān)系 去除量的分布形狀 工件材料與磨料粒子的相對性質(zhì),基礎(chǔ)型研究,54,依據(jù)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 磨料粒子的能量較小，不能達(dá)到使工件表面產(chǎn)生裂紋的程度，則材料是以塑性變形的形式去除的 措施 從實(shí)驗(yàn)及材料結(jié)構(gòu)方面考察材料的去除量是不是以nm量級去除的,去除方式,55,依據(jù)二、去除量與沖擊角的關(guān)系11,若材料是以脆性裂紋的形式去除

20、沖擊角為90度時(shí)去除量最大,若以塑性變形的方式 與磨料粒子的沖擊及橫向剪 切有關(guān)，且沖擊角為40度時(shí)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,依據(jù)三、去除量的分布形狀11,以裂紋的形式發(fā)展并去除: 中間有最大去除量，射流體的沖擊壓力是導(dǎo)致材料去除的關(guān)鍵 塑性材料，是以塑性形變形式去除: 主要是由于射流體對工件邊遠(yuǎn)的橫向剪切作用強(qiáng)，剪切去除占主導(dǎo)，

21、去除函數(shù)為環(huán)狀結(jié)構(gòu)的,去除方式,57,依據(jù)四、工件材料與磨料粒子的相對性質(zhì),用硬的粒子作用，材料表現(xiàn)是塑性 用軟的粒子作用，材料表現(xiàn)是脆性 小的粒子往往使材料以塑性變形的方式去除,去除方式,問題： 對于同一種材料K9玻璃，在用碳化硅和氧化柿拋光粉作用時(shí)，對于不同的磨料粒子， K9所表現(xiàn)出的性質(zhì)是不是一樣的,58,二）、工件與粒子的作用形式12,基礎(chǔ)型研究,12Konstantin Babets, Numerical modeling and optimization of waterjet-based surface decontamination, January ,2001,需要解決的問題

22、： 粒子沖擊工件時(shí)，工件吸收粒子能量的方式？ 現(xiàn)有的理論： a、粒子的能量一部分用來使工件發(fā)生塑性變形； b、粒子能量以壓力波的形式傳播，使材料去除； c、剩余的能量：主要引起粒子碎裂,59,三）、下表面破壞層的研究,需要解決的問題： 是否產(chǎn)生下表面破壞層？ 如何測量下表面破壞層？ 下表面破壞層與何種具體參數(shù)有關(guān)？ 下表面破壞層與表面粗糙度的關(guān)系？ 殘余應(yīng)力的研究,基礎(chǔ)型研究,60,一）、是否產(chǎn)生下表面破壞層,1.傳統(tǒng)的研究方法 將兩研磨好的表面用冷杉膠粘結(jié) 將其側(cè)面拋光 用顯微鏡觀察其中縫，考察下表面破壞層的性質(zhì),下表面破壞層,存在的問題： （1） 冷杉膠粘結(jié)時(shí)存在縫隙，會有拋光粒子進(jìn)入，則

23、該拋光粒子若受到拋光盤的作用力，會對拋光過的待測面有一定的作用力，所以測量下表面破壞層時(shí)會有疑問（下表面破壞層是由何處的粒子引起的？） （2）研磨過的表面，則該表面是不是也會殘留研磨留下的破壞層,61,2. 擬采取的研究方法,方案 1 把經(jīng)FJP作用的表面用酸侵蝕，將由FJP產(chǎn)生的下表面破壞層去掉，測量侵蝕掉的量及侵蝕以后的形貌 方案 2 把玻璃試樣的一半保護(hù)起來，于是侵蝕和未侵蝕過的部分形成一條分界線，用FJP對準(zhǔn)該分界線進(jìn)行沖擊，再同時(shí)將其侵蝕，比較有何區(qū)別,二、下表面破壞層,62,二）如何測量下表面破壞層,現(xiàn)存的測量方法： Cross-sectional microscopy Angle

24、 lapping or polishing X-ray diffraction Micro-Raman spectroscopy Dimple method,下表面破壞層,63,1、Cross-sectional microscopy,測量前準(zhǔn)備： 切割； 打磨：保證將由切割時(shí)產(chǎn)生的破壞層去除 拋光： 酸腐蝕：用“Yang” 水 (H2O: HF49%: Cr2O3 = 500 ml: 500 ml: 75 g)，室溫下作用五分鐘,缺點(diǎn)：只能測量特定區(qū)域的情況 測量前的準(zhǔn)備工作比較復(fù)雜,下表面破壞層,64,2、Angle lapping or polishing,下表面破壞層,65,2、Ang

25、le 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 tilted surface with Yang solution, to make the def

26、ects 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,下表面破壞層,66,3、Micro-Raman spectroscopy,An incident monochromatic laser beam is focused on t

27、he 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, by varying the wavelength it is possible to probe

28、 the different depths of the sample,下表面破壞層,67,三）與何具體參數(shù)有關(guān),需要解決的問題： 與工件特性的關(guān)系？ 楊氏模量（E），顯微硬度(HK) 與工藝參數(shù)的關(guān)系？ 工作壓力，作用時(shí)間，磨料粒子的特性等 與去除率的關(guān)系？ 與磨料粒子的特性的關(guān)系？ 資料表明13,下表面破壞層,13Joseph A. Randi, et al, Subsurface damage in some single crystalline optical material, Applied Optics, Vol.44, No.12, 20 April 2005, 2241224

29、9,68,四）、與表面粗糙度的關(guān)系,需要解決的問題： 利用FJP得到的下表面破壞層與表面粗糙度有何關(guān)系？ 資料表明： 對于散粒磨料拋光14： Preston 發(fā)現(xiàn)： SSR=(34)SR Aleinikov (利用SiC Abrasives)： SSR=(3.930.17)SR 對于固著磨料拋光14： Edwards發(fā)現(xiàn)： SSR=(6.41.3)SR,下表面破壞層,14P.Paul Head, Optical glass fabrication technology, Relationship between surface roughness and subsurface damage, Applied Optics, Vol.26,No.21,1987(46774679,69,問 題（一,下表面破壞層在測量前一般是先將工件表面用酸（10%的HF或者Yang solution）腐蝕，目的是將由該技術(shù)條件下產(chǎn)生的下表面破壞層去除 （1）如何確定下表面破壞層全部去除？ （2）腐蝕掉的深度