抛光颗粒尺度均匀性对射流去除特性的影响

基于单喷嘴射流抛光去除机理,研究了抛光颗粒尺度分布理想均匀时,颗粒直径和抛光液质量分数变化对冲击去除分布的影响。在此基础上,考虑到实际加工过程中,抛光粉颗粒不可避免地存在分布不均匀的情况,在非理想不均匀条件下,提出了一种分析颗粒尺度的材料去除特性模型,重点研究了不同颗粒尺度分布范围对材料去除特性的影响。结果表明:在理想状态下,冲击去除随着抛光颗粒直径的增大而减小,随着抛光液质量分数的增大而增大。当颗粒直径随机分布时,材料去除量将出现明显的波动,抛光液质量分数的增大使去除量波动也增加,去除量波动的大小与抛光粉颗粒的平均直径直接相关,且与理想均匀状态下的去除特性相比,颗粒分布不均匀性使得材料的去除量有所增大。     

磁流变抛光入口区域剪切力场形成机制数值分析

平面光学元件的浸入深度、凸球面光学元件的浸入深度、凸球面光学元件的曲率半径不同会使磁流变抛光入口区域剪切力场发生变化.为了研究磁流变抛光入口区域剪切力场的形成机制,建立磁流变抛光过程中必要的流体模型,对入口区域的几何特征进行分析;通过数值计算平面光学元件不同浸入深度、凸球面光学元件不同浸入深度、凸球面光学元件不同曲率半...     

抛光区域几何特征与流场创成关键参数关系

磁流变抛光在其实际工作过程中,抛光区域几何特征的不同将会对流场创成的关键参数产生很大的影响。针对此问题建立三维模型与实验仿真展开研究。在研究抛光区域几何特征与流场创成关键参数的关系时,先改变抛光区域形状,观察其对流场创成中剪切应力、压力产生的影响;再控制抛光区域的形状相同时,通过改变抛光区域尺寸大小,观察对流场创成中剪切应力、压力产生的影响。结果表明:当抛光区域形状不同时,抛光区域为凹面时剪切应力最大,抛光区域为凸面时剪切应力最小。当抛光区域形状为凸面时,抛光区域两边的剪切应力随着抛光区域曲率大小增大而增大;当抛光区域形状为凹面,抛光区域两边的剪切应力随着抛光区域曲率大小增大而减小。当抛光区域形状不同时,抛光区域为凹面时压力最大,抛光区域为凸面时压力最小。当抛光区域形状为凸面时,抛光区域处的压力随着抛光区域曲率增大而增大;当抛光区域形状为凹面时,抛光区域处的压力随着抛光区域曲率增大而减小。     

抛光液的pH值对抛光元件表面粗糙度的影响

减小大孔径超光滑玻璃表面的粗糙度是提高抛光质量的关键。实验研究了抛光过程中pH值对抛光元件表面粗糙度的影响。结果表明:抛光液的pH值对抛光元件表面粗糙度有较明显的影响;抛光过程中抛光液的pH值会随抛光时间而变化;抛光过程中,当保持抛光液处于微碱状态,且离抛光粉的等电离点较远时,抛光元件表面具有较小的粗糙度。     

液浮法抛光优化技术

一种新的光学元件表面抛光工艺—液浮抛光技术,采用具有剪切增稠效应的非牛顿流体作为抛光液,流体在抛光区域形成液膜,实现对工件表面高效、低损伤的加工。以材料去除量以及工件表面粗糙度作为评价指标,利用正交实验法对K9玻璃抛光过程中的四个关键影响因素:磨粒质量分数、磨头入口压强、磨头重力、剪切增稠相中分散相的质量分数进行实验分析,得到一组最优参数组合以及各主要影响因素对抛光效果的影响程度。对于工件表面粗糙度,采用极差法得出各因素对整个工件的影响程度的主次顺序为(主→次):二氧化硅质量分数、磨头重力、入口压强、磨粒质量分数,最佳参数组合为:磨粒氧化铈质量分数为14%,入口压强为0.3MPa,剪切增稠相中分散相二氧化硅质量分数为9%,磨头重力为34.3kg;对于材料去除量分布,经过90min的抛光,其平均去除量为0.2μm。     

矩形微通道内两相流流阻压降特性的可视化研究

以去离子水和质量分数为0.3%的水基纳米流体为工质,在当量直径为1.241mm的矩形微通道内进行了两相流流动沸腾的实验研究,并借助高速摄像仪对矩形微通道内流型随着质量流量及热流密度的变化进行了观察分析。实验结果表明:单位长度上的两相摩擦压降会随着质量流速的提升而提高;单位长度上的两相摩擦压降会随着热流密度的增大而升高;减小质量流速和提高其热流密度均会加快气泡的产生并提高气泡的脱离直径,当热流密度增大到一定程度时,通道内几乎为环状流与液态单相流交替出现,且环状流占周期中的较长时间。     

基于CFD的射流抛光喷射距离的分析和优化

分析了喷射距离对射流抛光效果的影响,基于计算流体动力学进行了喷射距离的分析和优化.通过构建射流抛光不同喷射距离的物理模型,采用能更好地处理流线弯曲程度较大的流动的RNG k-ε紊流模型应用于射流抛光的数学建模,使用SIMPLEC算法对射流模型进行数值计算,得到了不同模型的射流抛光冲击射流流场及工件壁面上的冲击压力、紊动强度、壁流速度分布.根据射流抛光对冲击射流特性的要求,比较和分析不同喷距模型的数值仿真结果,结果显示,射流抛光最优化喷距范围为喷嘴口径的10倍至12倍之间.     

熔石英再沉积层结构的纳米级表征和杂质分析

利用原子力显微镜观察熔石英不同蚀刻时间的表面形貌,结合二次离子质谱分析,研究了熔石英的再沉积层结构和杂质分布。结果表明,熔石英表面深度10nm的再沉积层内存在大量微裂纹和杂质,经蚀刻展开形成nm级划痕和坑点,其分布随着深度增加呈指数衰减。根据nm级划痕密度、宽深比随蚀刻深度变化的规律,估算出再沉积层厚度,估算结果与二次离子质谱测得的杂质嵌入深度基本一致。杂质元素嵌入深度与抛光微裂纹分布特征的关联性表明,杂质很有可能藏匿在抛光微裂纹中。     

射流抛光中抛光液黏度对材料去除函数的影响

抛光液黏度是影响射流抛光(FJP)效果的重要因素,针对硬脆光学元件射流抛光中对抛光液黏度缺乏系统研究的现状,研究了抛光液黏度变化对材料去除函数的影响。建立射流抛光连续相、离散相模型和磨损模型,计算不同黏度下磨粒运动轨迹,分析磨料颗粒撞击速度矢量随黏度的变化规律。配置不同黏度相同质量分数的抛光液,结合BK7工件静态采斑实验研究与塑性磨损理论计算,获得不同黏度下的材料去除函数,分析黏度对去除函数的影响机制,并进一步研究由此引起的工件表面粗糙度变化。结果表明:随着抛光液黏度增大,材料去除函数的去除深度减小、去除形状及去除范围保持不变,这有利于降低工件表面粗糙度。该研究扩展了现有光学元件射流抛光材料去除理论,对实际抛光液黏度调控具有理论指导意义。     

基于CFD的射流抛光喷射距离的分析和优化

分析了喷射距离对射流抛光效果的影响,基于计算流体动力学进行了喷射距离的分析和优化.通过构建射流抛光不同喷射距离的物理模型,采用能更好地处理流线弯曲程度较大的流动的RNG k-ε紊流模型应用于射流抛光的数学建模,使用SIMPLEC算法对射流模型进行数值计算,得到了不同模型的射流抛光冲击射流流场及工件壁面上的冲击压力、紊动强度、壁流速度分布.根据射流抛光对冲击射流特性的要求,比较和分析不同喷距模型的数值仿真结果,结果显示,射流抛光最优化喷距范围为喷嘴口径的10倍至12倍之间.     

熔融石英玻璃无水环境固结磨粒抛光特性

为了克服游离磨粒抛光的随机性、磨料浪费以及产生的水合层等问题,提出了一种无水环境下熔融石英玻璃固结磨粒抛光技术。研究实现了稳定的抛光轮烧结工艺,并应用于熔融石英玻璃抛光加工,通过对加工产物和抛光轮粉末进行EDS能谱分析和XRD衍射分析,从微观上初步阐述了固结磨粒抛光的去除机理;从宏观上探索压力和转速对去除效率和表面粗糙度的影响。实验结果表明:加工过程中,在法向力和剪切力作用下,CeO₂磨粒和熔融石英发生化学反应,CeO₂将SiO₂带出玻璃,实现材料去除;同时,压力和转速对加工效率影响并不遵循Preston公式,温升和排屑成为决定去除效率的关键。     

超声搅拌磁流变抛光液的声场仿真分析

为了探究超声搅拌磁流变抛光液的制备及优化工艺,利用多物理场数值计算方法,建立了超声搅拌磁流变抛光液的声场仿真模型,并进行了频域分析。研究了不同液位深度、超声变幅杆探入深度,不同功率下磁流变抛光液的声场分布。通过测量磁流变抛光液的声场强度对声场仿真进行了验证。结果表明：随着距变幅杆距离的增加,声强逐渐减弱,高声强区域主要分布在换能器轴线附近。声强在距变幅杆20mm范围内急剧衰减,变幅杆最佳探入深度为10mm,增大功率有助于空化区域的扩大。声场仿真结果与实验测量结果基本一致,对磁流变抛光液的制备提供了数值计算基础。     

磁流变抛光工艺参数的正交实验分析

对利用自行配制的水基磁流变抛光液和磁流变抛光实验样机进行了以抛光去除效率和表面粗糙度为考核指标的工艺实验。应用正交试验方法分析了磁流变抛光中主要工艺参数(磁场强度、抛光粉浓度、抛光盘的转速、抛光盘与工件间的间隙)对抛光去除效率和表面粗糙度的影响规律,并结合磁流变抛光机理对其进行了分析。根据实验结果对工艺参数进行了优化。     

Effect of cavitation bubble on the dispersion of magnetorheological polishing fluid under ultrasonic preparation

In the ultrasonic dispersion process, the ultrasonic cavitation effect can seriously affect the dispersion efficiency of magnetorheological polishing fluid (MRPF), but the mechanism remains unclear now. Through considering the continuity equation and Vand viscosity equation of the suspension, a revised cavitation bubble dynamic model in the MRPF was developed and calculated. The effects of presence or absence of solid particles, the volume fraction of solid particles, and viscosity on the cavitation bubble motion characteristics in the MRPF were discussed. Settlement experiments of the MRPF under ultrasonic and mechanical dispersion were observed. Analysis of particle dispersion is made by trinocular biomicroscope and image processing of the microscopic morphology of the MRPF. The results show that the high volume fraction of carbonyl iron particle (CIP) will significantly weaken the cavitation effect, and the low volume fraction of green silicon carbide (GSC) has a negligible effect on the cavitation effect in the MRPF. When the liquid viscosity is greater than or equal to 0.1 Pa·s, it is inconvenient to produce micro-jets in the MRPF. The sedimentation rate of the MRPF prepared by ultrasonic dispersion is lower than mechanical dispersion when the volume fraction of CIP is between 1% and 25%. The dispersion ratio under ultrasonic dispersion is lower than that under mechanical dispersion. The experimental results fit the simulation well. It offers a theoretical basis for exploring the ultrasonic cavitation effect in the industrial application of the MRPF.     

船运铁矿粉污染海冰反射光谱特征研究

国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）中关于防止船舶垃圾污染的附则V规定,对含有海洋环境有害的物质（HME）的干燥残留物必须在适当的港口接收设施中排放,但因费用等因素影响,很多船只将废弃物直接抛弃于海洋中。散落于海冰表面的船运铁矿粉会污染海冰品质,并加速海冰融化,对海洋环境造成一定的污染。对铁矿粉污染海冰的光谱反射率特征的研究,能够为利用光学遥感影像进行海冰品质监测提供数据基础。通过现场测量覆盖不同面积比例铁矿粉颗粒的海冰和清洁海冰之间光谱特征差异,为港口附近铁矿粉污染的范围以及沉降量的估算提供参考和依据。该研究是在渤海海域天然海冰条件下进行的,获取并分析了不同污染程度的海冰光谱特征,探讨这些光谱特征与铁矿粉颗粒几何截面积比例的相关性。为了反演海冰表面铁矿粉面积比例,利用光谱矢量角余弦值和光谱吸收指数阈值法进行了海冰、铁矿粉端元提取,根据混合像元线性解混模型理论,建立基于特征光谱波段反射率值的海冰表面铁矿粉面积比例反演模型。所研究海冰表面铁矿粉面积比例分为0 （洁净海冰）,25.8%,37.2%,46.1%,52.1%,65.1%,72.5%,82.3%,92.3%,93.1%和100%（纯铁矿粉）等,数据采集波长范围350～2 500 nm。结果表明,利用1 460 nm波段处的吸收指数（SAI）进行海冰和铁矿粉端元提取效果最佳,反射率与铁矿粉面积在918～1 400,1 500～1 780和2 250～2 300 nm波段,相关系数都大于0.90,86%以上波段范围的反射率与铁矿粉面积的相关系数在0.90以上,91.75%以上的波段范围相关系数在0.80以上。选取1 610～1 630 nm波段的平均反射率估算铁矿粉面积比例,几何截面积较小的误差一般大于几何截面积较大的,在克服海冰背景反射率的影响下,比较精确地估算了海冰-铁矿粉像元中铁矿粉颗粒的几何截面积比例,平均反演精度达到94.23%。     

大口径激光玻璃环抛光学沥青抛光胶

研制了四种不同沥青和松香含量的光学沥青抛光胶,对其形貌、针入度、玻璃化转变温度、软化点和粘度等参量进行了表征。从组成和结构分析了抛光胶三种物理状态变化原因,将玻璃化转变温度和软化点作为其临界转变温度。实验研究了四种抛光胶对大口径激光玻璃的抛光效果,发现抛光胶中沥青和松香的质量分数分别为30%和70%时,抛光效果比较理想,在像散和表面疵病控制方面能够满足要求,可作为大口径激光玻璃抛光专用胶。     

内凹面磁流变槽路抛光方法的研究

针对高陡度非球面光学元件的内凹面抛光难题,提出了一种内凹面磁流变槽路抛光方法。设计与待加工内凹面形状匹配的凸模,并在凸模上开出供磁流变液循环通过的槽路,当磁流变液经过设有磁场的区域时发生流变作用形成柔性抛光磨头对内凹面产生材料去除作用。通过工件的旋转和外部磁极的移动完成对整个内凹面的抛光加工。建立了实验平台并开展了相关初步实验和分析。结果表明该方法能够适应内凹面抛光加工的需要,可获得较高表面质量,具有一定的可行性和应用潜力。     

Investigating the mechanisms of diamond polishing using Raman spectroscopy

Recent research has shown that a phase transformation of diamond to a different form of carbon is involved when diamonds are polished in the traditional fashion. The question as to how this phase transformation is activated and maintained to produce high wear rates is of great technological interest since it may radically change the way we view the processing of diamond. This paper describes the use of Raman spectroscopy to examine debris produced on the diamond polishing wheel, both during its preparation and during polishing. In addition, polished diamond surfaces were examined for the possible existence of non-diamond surface layers in an attempt to identify material removal mechanisms. Raman spectroscopy proves ideal for these analyses because its relatively high spatial resolution is well suited to the analysis of small wear features and debris particles, and because of the wealth of information it reveals about chemical structure. This level of structural information has been lacking in previous analyses of diamond polishing debris. In addition to the non-diamond carbon found in the wear debris, significant quantities of two iron oxides, magnetite (Fe₃O₄) and haematite (α-Fe₂O₃), were also found. An interesting observation was that a transformation from magnetite to haematite could be induced either by using high power laser excitation or by frictional heating during polishing. It is suggested that some of the Raman peaks previously attributed to lonsdaleite might better be explained by the presence of these oxides.     

Function of liquid and tool wear in ultrasonic bound-abrasive polishing of fused silica with different polishing tools

The recently proposed fixed-abrasive polishing process was revisited, but this paper focuses mainly on the potential influence of various liquids and the different kinds of pellets on the polishing process as well as the wear of pellet in ultrasonic assisted and conventional processes. The results show that using liquids is helpful in improving surface quality and lowering surface roughness. In particular, the surface roughness is improved sharply for pore-free pellet, from >80 nm to <1 nm (avg.) and the polishing process smoothly proceed that otherwise will hardly progress without liquids. However, the liquids do not necessarily always improve polishing process. There is an optimal volume for a specific polishing process. Moreover, the wear of pellet was also evaluated as well. The results suggest that applying ultrasonics can effectively alleviate the wear loss of pellet and increase the “G-ratio” of polishing process.