冲击角度对射流抛光中材料去除面形的影响分析

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作者简介 ：施春燕 （ ， 男， 博士研究生 ， 主要从事先进光学制造技术方面的研究 。Ｅ ： １ ９ ８ ４—） ｍ ａ ｉ ｌ ａ ｎ ｃ ｓ ｈ ｉ ６ ３． ｃ ｏ ｍ ＠１ ｙ 导师简介 ：袁家虎 （ —） ， 男， 研究员 ， 博士生导师 ， 主要从事先进光学制造技术方面的研究 。Ｅ ： ｈ ｕ ａ ｎ ｓ ｚ １ ９ ６ ７ ｍ ａ ｉ ｌ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ ＠１ ｊ ｙ
［ １～３］
还受磨粒特性 、 抛光液浓度 、 射流距离 、 射流 力有关 ，
］ ４～７ 工件材料特性等影响 ［ 。 压力 、
按冲击角度 （ 射 流 与 冲 击 面 的 夹 角） 的 不 同， 射 流抛光可分为垂直射流抛光和斜冲击射流抛光 。 垂 由于射流 直射流抛光是射流 垂 直 冲 击 到 工 件 壁 面 ， 的轴对称性 ， 得到的 工 件 抛 光 面 形 呈 对 称 性 的 圆 环
第３ ０卷 第２期 ２ ０ １ ０年２月 （ ） ０ ２ ５ ３ ２ ２ ３ ９ ２ ０ １ ０ ０ ２ ０ ５ １ ３ ０ ５ 文章编号 ：
光 学 学 报 犃 犆 犜 犃犗 犘 犜 犐 犆 犃犛 犐 犖 犐 犆 犃
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ０，Ｎ ｏ ． ２ ， 犉 犲 犫 狉 狌 犪 狉 ２ ０ １ ０ 狔
图 ３ 不同冲击角度模型的工件壁面压力分布 Ｆ ｉ ． ３ Ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓｏ ｎｗ ｏ ｒ ｋｐ ｉ ｅ ｃ ｅｗ ａ ｌ ｌｗ ｉ ｔ ｈｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ａ ｎ ｌ ｅ ｓ ｇ ｐ ｇ
有个速度为零值的 射流冲击到工 件 壁 面 上 时 ， 滞止点 ， 滞止点处流线应和壁面正交 ， 当冲击角度不 时， 该点不在射 流 轴 线 的 延 长 线 上 ， 而在流线 为９ ０ °
冲击角度对射流抛光中材料去除面形的影响分析
２ １ １ １ 施春燕１， 袁家虎 伍 凡 万勇建
１ ２ （ 中国科学院光电技术研究所 ，四川 成都 ６ 中国科学院研究生院 ，北京 １ ） １ ０ ２ ０ ９； ０ ０ ０ ４ ９
摘要 冲击角度会影响冲击射流的动力特性 ， 对射流抛光的材料去除面形和去 除 量 大 小 有 重 要 的 影 响 。 利 用 计 算 流体动力学理论进行了冲击角度对射流抛光中材料磨蚀的影响的仿真和实验研究 ， 分析了冲击角度对冲击射流特 性的影响 ， 结合实验研究 ， 基于射流厚度 、 壁面速度和 压 力 等 几 个 方 面 分 析 了 冲 击 角 度 对 材 料 去 除 面 形 的 影 响 ， 得 其材料去除面形分布与实际抛光面形能很好的符合 。 到了材料去除分布与冲击角度的去除模型的关系描述公式 ， 关键词 光学加工 ； 射流抛光 ； 冲击角度 ； 材料去除 中图分类号 ＴＨ ： ／ ７ ４； Ｔ Ｐ ６ ０ 文献标识码 Ａ 犱 狅 犻 １ ０． ３ ７ ８ ８ 犃 犗 犛 ２ ０ １ ０ ３ ０ ０ ２． ０ ５ １ ３
２
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６］ 状分布 ［ 。 对于斜 冲 击 射 流 抛 光 ， 其射流特性比垂
。 射流抛光技术是近 几 年发展 起
来的一种新型的光 学 加 工 技 术 ， 与传统的散粒磨料 它是 通 过 射 流 冲 击 工 件 表 面 产 生 的 磨削抛光不同 ， 冲击作用和壁面流动产生的剪切力作用来实现材料 的去除 。 材料的去除率主要与射流的冲击力和剪切
１ 引 言
随着 科 学 技 术 的 发 展 ， 人们对光学系统提出了 许多新的要求 ， 光学 系 统 中 采 用 非 球 面 不 仅 能 提 高 系统性能 ， 还能 简 化 系 统 结 构 。 鉴 于 对 非 球 面 光 学 对非球面光学加工技术的完善 、 发展和 元件的需求 ， 创新势不容缓
［］ Ｓ Ｉ Ｍ Ｐ Ｌ Ｅ Ｃ 算法对射流抛光模型进行数值模拟 ９ 。 图１ 是 不 同 冲 击 角 度 的 冲 击 射 流 流 场 分 布， 而
２ 仿真分析
为研究冲击角度θ 对冲击射流特 性和抛 光效 果 的影响 ， 基于计算流体动力学 （ 分析对不同冲击 Ｃ Ｆ Ｄ）
］ ８ 。 斜冲 击射流 具有 角度的射流抛光过程进行仿 真［
图 ２ 是不同冲击角度的冲击射流在工件壁面上的速 图 ３ 是压力分布 。 从图 １、 图２和图３是可以看 度， 出， 冲击角度对射流特性的影响是多方面的 ， 射流流 场分布 、 轴线两侧射流厚度分布 、 工件壁面上的速度 分布和压力分布都受冲击角度的影响 。 对于垂直冲 射流流场 、 射 流 厚 度、 速度和压力都呈对称 击射流 ， 性分布 ； 随着冲击角度的减小 ， 射流流场表现更为复 杂， 射流厚度 、 速度和压力的分布越来越不平衡 。
（
Hale Waihona Puke Baidu
１
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２ ０ ０ ９ ０ ３ １ ４；收到修改稿日期 ： ２ ０ ０ ９ ０ ４ １ ５ 收稿日期 ： 基金项目 ：青年科学基金 （ ） 资助课题 。 ６ ０ ８ ０ ８ ０ １ ７
冲击压力与壁面速 直冲击射流特性表 现 更 为 复 杂 ， 度不对称分布 ， 射流周围的厚度分布也不一样 ， 材料 的磨蚀分布会因冲击角度的不同而显现得不一样 。
弯曲程 度 较 大 的 一 侧 （ 即流线弯曲角度较大的一 ， 如图 ２ 所示的速度零值点分布 。 滞止点偏离射 侧）
一个对称面 ， 为简化计算模型 ， 分别 构建了 冲击 角度 分别为 ９ ， ， ， ， ， 和３ 二维射流抛光 ０ ° ７ ０ ° ６ ０ ° ５ ０ ° ４ ５ ° ４ ０ ° ０ ° 模型 。 射流抛光的仿真模型按实验实 际参 数进行 设 置， 喷嘴出口直径 犱＝１ｍｍ， 通过计算分析得出喷射
图 １ 不同冲击角度模型的射流流场分布 Ｆ ｉ ． １ Ｔ ｈ ｅ ｆ ｌ ｏ ｗｆ ｉ ｅ ｌ ｄｗ ｉ ｔ ｈｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ａ ｎ ｌ ｅ ｓ ｇ ｐ ｇ
图 ２ 不同冲击角度模型的工件壁面速度分布 Ｆ ｉ ． ２ Ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓｏ ｎｗ ｏ ｒ ｋｐ ｉ ｅ ｃ ｅｗ ａ ｌ ｌｗ ｉ ｔ ｈｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ａ ｎ ｌ ｅ ｓ ｇ ｙｄ ｐ ｇ
５ １ ４
光 学 学 报
３ ０卷
材料去除分布的准确表达是抛光工艺控制模型 的基础 ， 本文基于计算流体动力学理论 ， 结合射流抛 光的特点 ， 从数值仿 真 和 实 验 研 究 两 方 面 研 究 冲 击 角度对射流抛光中材料磨蚀的影响 。
距离（ 喷嘴距工件的距离） 为喷嘴口径的 １ ０ 倍左右最 合适 ， 即 喷 射 距 离 犎 ＝１ 入口压力设置为 ０ｍｍ， ， 出 口 压 力 设 置 为 ０ ，采 用 ０ ． ８Ｍ Ｐ ａ ． １ ０ １ Ｍ Ｐ ａ