射流抛光中材料去除实验及机理研究

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射流抛光技术(FJP)由于具有可获得原子级粗糙度和无损伤表面、可加工任意形状曲面等特点,已成为超光滑表面加工技术中最具发展潜力的一种。但目前FJP仍处于研究阶段,依然存在材料去除量小、去除机理不明确等问题。针对这些问题,本论文拟实验研究射流抛光中各主要工艺参数对材料去除的影响,阐述射流抛光中的材料去除机理,进而探索获得高去除率和高表面质量的途径和方法,并尝试将该技术应用于超精密光学镜面加工中。  首先,自主搭建了一套射流抛光实验系统。该射流抛光实验系统可实现最高80m/s的喷射速度,射流速度可调,喷嘴与工件表面可实现四自由度的相对运动,满足实验要求。利用射流抛光实验系统,研究了不同工艺参数与抛光液特性对射流抛光中材料去除的影响。结果表明,材料去除量随喷射速度及颗粒粒径的增大而单调增加,但随着喷射角度和颗粒浓度的变化,材料去除量呈现非单调变化;当其他实验条件不变时,改变喷射速度,颗粒粒径及颗粒浓度对材料去除环直径影响较小,对材料去除体积的影响主要是通过改变材料最大去除深度来实现。进而,实验与仿真相结合,研究了射流抛光中的材料去除机理。结果表明,工作壁面上颗粒碰撞次数分布与实验中材料去除量分布具有一定的相似性,因而推导出材料去除是由颗粒碰撞造成的;进一步通过对单次颗粒碰撞造成的原子去除数的计算,发现材料去除方式与颗粒粒径有关。当颗粒粒径为纳米量级时材料去除方式为单原子方式的“化学吸附去除”,而颗粒粒径为微米量级时材料去除方式为块状的“轰击去除”。  本文中对射流抛光技术工艺参数及去除机理的研究,不仅在学术上有助于揭示超光滑表面加工中的新机制和新规律,而且在应用上有助于指导FJP过程的工艺制定,从而提高产品的质量和可靠性。
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