射流抛光材料去除机理及影响因素分析

射流抛光材料去除机理及影响因素分析

马占龙;刘健;王君林

【摘要】Fluid dynamics simulation of fluid jet polishing material removal mechanism was studied base on the Fluent software, and the pressure, velocity and wall shear stress of the flow were analyzed. It indicates that

the material removal rate is dependent on the distribution of surface shear stress, and the removal function presents W type. The influence of the entrance velocity, operation distance and abrasive concentration on the polishing result was analyzed by using orthogonal test, the result shows that the material removal rate increases with the increase of the incident velocity and abrasive concentration, it decreases as the operation distance increases, and the operation distance has a significant impact on the removal rate. This work can be used for choosing process parameters in process investigation.%采用Fluent软件对射流抛光材料去除机理进行了流体动力学仿真研究,通过对射流流场压力、速度和工件表面剪切力的分析可知材料去除

量应与表面剪切力的分布相对应,去除函数呈现W型；随后采用正交法对入射速度、工作距离和磨料浓度等工艺参数对抛光效果的影响进行了综合分析,结果表明:去除

效率随入射速度和磨料浓度的增大而增大,随工作距离增大而减小,并且工作距离对

去除率具有显著影响,为实验研究中工艺参数的选取提供了一定的指导意义.

【期刊名称】《应用光学》

【年(卷),期】2011(032)006

【总页数】6页(P1206-1211)

【关键词】光学加工;射流抛光;材料去除;流体动力学;正交试验

【作者】马占龙;刘健;王君林

【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点

实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国

家重点实验室,吉林长春130033

【正文语种】中文

【中图分类】TN204;TP60

引言

射流抛光技术（fluid jet polishing）作为一种新型非接触式超光滑表面加工技术，具有加工精度高、无亚表面损伤等特点，适用于球面、非球面以及自由曲面等光学元件的加工。其加工原理如图1所示，混有微细磨料粒子的抛光液以一定速度由

喷液磨头喷出，与工件表面发生碰撞后沿径向流动，依靠与工件表面相互作用产生的强大剪切力来实现工件表面材料的去除。由于微细磨料粒子冲击工件表面所产生的能量不足以使工件表面材料发生塑性变形，而只是原子间结合的微小弹性变形，所以可以得到原子级精度且无亚表面损

式中：Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb为由浮力引起的湍

动能k的产生项；YM为可压速湍流脉动膨胀对总耗散率的影响；C1ε，C2ε和

Cμ 为经验常数；σk 和σε 分别是与湍流能k和耗散率ε对应的Prandtl数；μt为湍流粘性系数；Sk和Sε为用户定义的源项。

在Fluent中，作为默认值常数，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，Cμ＝0.09，湍动能k

和耗散率ε的湍流普朗特数分别为σk＝1.0，σε＝1.3。

2 射流抛光流场仿真

2.1 仿真条件设置

仿真模型如图2所示，抛光液由速度入口以一定速度进入喷液磨头，由喷射出口

喷出，与工件表面发生碰撞后沿周向流动并由压力出口流出作用范围。

图2 仿真模型Fig.2 Model of simulation

材料属性设置：抛光液选取SiC和水的混合液，SiC体积分数取0.1；水的密度为

1 000kg／m3，粘度为1.003×10－3 kg／m－s；SiC的密度为3 200 kg／m3，颗粒平均尺寸取20nm。仿真过程中假设抛光液为均匀介质，SiC和水的速度相同。计算模型设置：首先采用Gambit软件建模、划分网格，然后导入Fluent软件中

进行计算，仿真时认为磨头内部抛光液流动是稳定的；求解器选用Pressure Base 下的Implicit；多相流模型选用Mixture两相流模型；湍流模型选用标准k－ε模

型［8］。

边界条件设置：入口边界设为速度入口，速度取20m／s；出口边界设为压力出口，压力为1MPa；壁面采用无滑移固壁条件即固体表面上流体的速度和紊流参数为零。求解方法设置：计算过程采用SIMPLE算法，此算法能直接求出速度场和压力场，并且解的收敛性较好，边界条件处理方便；残差收敛标准均选择1e－5。

2.2 仿真结果分析

图3、图4、图5和图6分别为射流流场压力分布云图、工件表面压力分布图、射流流场速度分布云图和工件表面速度分布图，从图中可以看出抛光液从磨头出射并与工件发生碰撞之后，压力迅速增大，在滞止点处压力达到峰值，此时对应的速度最小；随着离开轴心距离的增加，压力迅速衰减，并且压力梯度先增大后减小，速度不断增大并且在压力最小处达到峰值，随后逐渐减小至一恒值从作用区流出。