磨料射流拋光中各工藝參數對材料去除率及拋光區形貌的影響

隨著現代科技的迅猛發展,高陡度非球面、大長徑比內腔以及小尺寸非球面等光學零件的應用越來越廣泛,傳統的拋光技術很難滿足這些復雜型面的加工要求[1-3]。近年來涌現出了一批先進的非球面加工技術,其中磨料射流拋光技術就是其中之一。與傳統的拋光技術相比,磨料射流拋光技術的優點主要如下[4]:由于其拋光頭是一段細長的液體射流束,因此加工過程中拋光面質量不受拋光盤變形的影響,具有不會改變材料的力學和物理性能及不會產生磨料硬損傷、熱損傷等優點;細長的射流束拋光頭不受工件形狀和空間位置的限制,可對任意復雜形狀的工件進行拋光,尤其可以伸入非球面的內部對其深內腔進行加工;拋光液的循環使用可以保證被拋光件的溫度恒定,同時可以自動清除加工碎屑;細小的射流束可以產生很小的加工斑點,幾乎不存在邊緣效應,有益于加工微小零件及去除中高頻誤差。

  本文通過試驗,研究了磨料射流拋光技術中各工藝參數對材料去除率及拋光區形貌的影響,并經過優化,得到了適合于磨料射流拋光的工藝參數,為射流拋光加工的進一步研究提供了一定的幫助。

   1拋光裝置及機理的研究磨料射流拋光裝置示意圖如圖1所示?；旌霞殥伖饽チ项w粒的拋光液在容器中經過機械攪拌均勻后,一個相對低壓的壓力系統將磨料流吸入圓柱形噴嘴形成射流,射流束向上噴射到一定距離處的工件,對其表面進行拋光,最后使用過的拋光液在防護罩及回收皿的作用下經過濾后重新回到容器中循環使用。工件安裝在一個可以做自轉、擺動和直線運動的多軸數控主軸上,通過擺動和直線運動可以設定工件表面法線與噴嘴軸線間的夾角以及工件距離噴嘴的基準距。試驗裝置由混合容器、攪拌設備、泵和收集回流裝置等組成,系統還包括檢測狀態的壓力傳感器和流量傳感器。

磨料射流拋光是個復雜的去除過程,它包括磨料粒子對工件材料的碰撞和微剪切等作用。根據材料去除的類型,一般分為脆性去除和塑性去除兩大類[5,6]。脆性去除時,主要是沖擊壓力導致脆性裂紋的不斷擴展而使材料被去除,塑性去除一般是由剪切作用造成的。由于射流拋光屬于低速射流加工,因此射流沖擊時只發生塑性去除。碰撞后磨料顆粒在沖擊壓力及水平方向速度的作用下對工件材料產生剪切應力。當剪切應力足夠大時,會將工件材料直接剪切去除,從而達到拋光的目的。

2　各工藝參數對射流拋光的影響

本系列試驗均采用前混合磨料拋光液,拋光液成分為氧化鈰與水的混合液,其中氧化鈰的平均粒徑為1μm。試驗中拋光材料均為K9平面光學玻璃,拋光過程中工件固定不動,噴嘴是采用德國LECHLER公司的不銹鋼圓柱形噴嘴,直徑為1. 9mm。其中部分參數的定義如圖2所示,d為入射距離,α為入射角度,r為射流半徑。下面依次研究了入射角度、射流速度、入射距離、拋光液濃度以及加工時間與材料最大去除深度及拋光區形貌的關系。

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