秦 琳，彌 謙，李 宏

(西安工業(yè)大學(xué) 陜西省光學(xué)先進(jìn)制造工程技術(shù)研究中心，西安 710021)

引言

目前先進(jìn)的超精密拋光技術(shù)層出不窮[1]，如離子束拋光、化學(xué)機(jī)械拋光[2-3]、彈性發(fā)射加工[4]、射流拋光、磁流變拋光等技術(shù)，這些技術(shù)都各有各的拋光特點(diǎn)，并且都取得了一定的拋光效果，都可達(dá)到超光滑加工的要求，即能夠獲得亞納米精度的光學(xué)元件光滑表面，但是它們都存在一定的局限性，比如拋光介質(zhì)為造價(jià)昂貴的磁流變液[5]或者化學(xué)溶劑介質(zhì)[6]，加工成本高且對環(huán)境造成危害；需要高精密的數(shù)控機(jī)床去控制其加工精度，并且容易產(chǎn)生波紋誤差；對工件的加工方式為點(diǎn)拋光或小面積拋光，加工效率低?；谝陨先嵝話伖獯嬖诘木窒扌?，為尋求一種對工件表面實(shí)現(xiàn)大面積拋光，并且不需要高精密機(jī)床去控制其拋光精度，環(huán)保的柔性加工技術(shù)，本文提出液浮法拋光技術(shù)。

該技術(shù)充分利用流體與工件表面大面積接觸的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對粗糙工件表面的大面積去除，大大提高了加工效率；且該技術(shù)使用的磨頭結(jié)構(gòu)簡單；根據(jù)液浮原理，磨頭與工件能夠達(dá)到自平衡狀態(tài)，不需使用高精密機(jī)床。

本文加工采用具有剪切增稠效應(yīng)的非牛頓流體作為拋光液。目前非牛頓流體應(yīng)用于光學(xué)表面加工的研究還處于初步探索階段，其目前應(yīng)用在軸承鋼[8]、陶瓷[9]、石英晶體[10]等材料領(lǐng)域，技術(shù)還未十分成熟。本文探索非牛頓流體應(yīng)用在K9玻璃上的加工,利用具有剪切增稠效應(yīng)的非牛頓流體的剪切增稠特性[11]，當(dāng)流體滿足剪切增稠?xiàng)l件時(shí)，實(shí)現(xiàn)對工件表面材料的去除。

1 液浮拋光法

1.1 工作原理

圖1為液浮拋光的原理圖，采用具有剪切增稠效應(yīng)的非牛頓流體[5]作為拋光液，經(jīng)壓力泵輸送進(jìn)入磨頭，在壓力的作用下拋光液從磨頭中心向四周流動，在磨頭的拋光面與工件之間形成液膜將磨頭與工件隔離開，磨頭漂浮在工件表面上方，最終達(dá)到一種自動平衡狀態(tài)。在拋光區(qū)域，工件粗糙表面的凸峰[7]對流體產(chǎn)生的阻力，使固態(tài)粒子將磨粒緊緊包裹其中，形成粒子簇，產(chǎn)生類固體，對凸峰產(chǎn)生剪切，從而達(dá)到對工件表面去除的效果。當(dāng)磨頭結(jié)構(gòu)、磨頭所受壓力以及磨頭入口處流體壓強(qiáng)確定時(shí)，工件與拋光面之間的間距確定，此間距變化范圍一般在幾十微米到幾百微米之間。

圖1 工作原理圖Fig.1 Working principle diagram

1.2 建立模型

圖2所示為液浮拋光法的物理模型，這里選取其模型的截面結(jié)構(gòu)，入口直徑為4 mm，拋光面直徑為100 mm，磨頭結(jié)構(gòu)簡單。

圖2 液浮拋光物理模型Fig. 2 Liquid float polishing physical model

1.3 Fluent仿真及流場分析

根據(jù)液浮拋光技術(shù)的工作機(jī)理，當(dāng)剪切增稠流體運(yùn)動速度較小時(shí)，分散相(磨粒和固態(tài)粒子)均勻分布在分散劑中，不會產(chǎn)生剪切增稠效應(yīng)，幾乎無法實(shí)現(xiàn)對工件的去除效果。當(dāng)流體以一定運(yùn)動速度v流經(jīng)工件表面，磨粒嵌入工件粗糙表面凸起微峰時(shí)，工件材料發(fā)生屈服，磨粒受到其阻力作用的影響(材料達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，假設(shè)磨粒所受阻力為fz)，此時(shí)流體產(chǎn)生剪切增稠效應(yīng)，流體中的固態(tài)粒子將磨粒把持、包裹在其中形成粒子簇[12]，此時(shí)對工件產(chǎn)生層流的流體剪切力為Fy，在較大的流體壓力下，最終形成一種類似“柔性固著磨具”[13]，當(dāng)滿足Fy>Fz時(shí)，對工件粗糙表面微觀凸起的高峰實(shí)現(xiàn)去除的效果。

根據(jù)剪切增稠流體去除材料的機(jī)理，在設(shè)計(jì)模型時(shí)，在工件表面設(shè)置幾個(gè)相同結(jié)構(gòu)凸起的微峰，為了簡化仿真過程，采用二維旋轉(zhuǎn)軸對稱的磨頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，如圖3所示，右上方為截取去除區(qū)域粗糙表面凸峰結(jié)構(gòu)，圖4為其網(wǎng)格劃分的結(jié)果。將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入fluent軟件中進(jìn)行仿真。

圖3 二維簡化模型Fig.3 2D simplified model

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果 Fig.4 Meshing results

將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到fluent軟件中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，對于本文中液浮拋光技術(shù)使用的拋光液為具有剪切增稠特性的非牛頓流體，在流體力學(xué)中[14]，決定流體在流場中運(yùn)動形態(tài)的因素有：流速V、流體黏度η和流場的特征長度L，為了能夠清楚判別流體的運(yùn)動形態(tài)，使用無量綱的雷諾數(shù)Re作為流體由層流向湍流轉(zhuǎn)變的依據(jù)。Re的計(jì)算公式為：

(1)

根據(jù)流體動力學(xué)中剪切增稠流體的流動狀態(tài)(粘度較大)可確定拋光液的流動狀態(tài)為層流。因此，在仿真過程中流體模型選擇Laminar、Mixture(本文選用兩項(xiàng)流模型，剪切增稠相與磨粒固態(tài))模型。非牛頓冪律流體模型的粘度方程[11]：

(2)

冪律流體：

(3)

則粘度為

η=kγn-1

(4)

式中：K為稠度系數(shù)，n為冪律指數(shù)。其決定了非牛頓流體的特性，選用fluent中自定義的非牛頓流體系統(tǒng)，激活冪律模型。在材料設(shè)置中選擇CeO2磨粒作為混合模型的第二相。

邊界條件設(shè)置：入口選用壓力入口，出口為壓力出口。選用SIMPLEC算法進(jìn)行求解計(jì)算。fluent中數(shù)值模擬具體參數(shù)設(shè)置見表1所示。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)Table 1 Numerical simulation parameters

對其模型進(jìn)行后處理，如圖5所示，圖5(a)為模型結(jié)構(gòu)所受壓力分布情況，從圖中可以看出當(dāng)流體進(jìn)入磨頭內(nèi)部時(shí)，其在空腔處壓力幾乎不發(fā)生變化，大小約為0.4 MPa。當(dāng)流體流入去除區(qū)域時(shí)，在去除區(qū)域處流體的壓強(qiáng)逐漸減小。圖5(b)為模型剪切力分布情況，從圖中可以看出在空腔內(nèi)剪切力很小，在工件表面其有一定的剪切力，并且在凸起的微峰處剪切力很大。右上方為其去除區(qū)域凸起微峰處剪切力分布的放大圖。圖5(c)為過工件表面中心某條線的壓力分布情況，圖5(d)為過工件表面中心某條線的剪切力分布情況，從圖中可以看出在凸峰處剪切力最大達(dá)到4 000 Pa，且越遠(yuǎn)離中心，其剪切力越小，從而從理論上可證明液浮拋光法對粗糙的工件表面有一定的剪切力。

圖5 后處理結(jié)果Fig.5 Post-processing results

根據(jù)仿真分析所得結(jié)果可知，對于利用具有剪切增稠效應(yīng)的流體作為拋光液的液浮拋光技術(shù)，其對粗糙的工件表面是有一定的剪切力存在的。

1.4 入口壓強(qiáng)對液浮拋光技術(shù)的影響規(guī)律

控制其他變量不變，拋光基液密度設(shè)置為1 500 kg/m3，磨料密度為3 200 kg/m3，粒徑大小設(shè)置為5 μm，拋光區(qū)域的間距定為0.2 mm。 研究入口壓強(qiáng)大小的變化對工件表面所受剪切力大小的影響規(guī)律。在工件表面設(shè)置不同結(jié)構(gòu)大小的凸峰，為方便觀察其工件表面所受剪切力大小。分別設(shè)置入口壓強(qiáng)分別為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa，如圖6所示，隨著入口處壓強(qiáng)的增大，工件表面所受剪切力大小呈增長趨勢。上述現(xiàn)象表明，入口壓強(qiáng)的增加促使剪切增稠效應(yīng)的增強(qiáng)；同時(shí)被固體膠態(tài)粒子緊緊把持包裹的磨粒，其切削能力明顯增強(qiáng)，參與切削加工的有效磨粒的數(shù)量顯著增加。因此，其材料去除效果更加明顯。

圖6 入口壓強(qiáng)大小對工件表面剪切力大小影響規(guī)律Fig.6 Effect of inlet pressure on shear force of workpiece surface

2 液浮拋光法加工原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

從實(shí)驗(yàn)出發(fā)探索該拋光技術(shù)的可行性。配置剪切增稠拋光液，最終實(shí)現(xiàn)對K9玻璃的拋光，具體實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameters

如圖7為本實(shí)驗(yàn)的拋光裝置，磨頭相對于工件位置固定，使磨頭的中心與工件中心重合放置。給磨頭施加壓力，并控制磨頭入口處流體的壓強(qiáng)，在拋光區(qū)域流體與工件之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，利用拋光液的剪切增稠特性實(shí)現(xiàn)對工件表面材料的去除。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺Fig.7 Experimental platform

根據(jù)液浮拋光法的拋光特點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)工件表面較大面積的去除效果，且在距工件中心不同距離處其拋光效果不同，根據(jù)磨頭拋光面的結(jié)構(gòu)，從拋光面中心向外留有一個(gè)直徑15 mm的空腔，所以對于結(jié)果的檢測，如圖8所示做以下標(biāo)記點(diǎn)。在距離拋光面中心不同距離處選取9個(gè)點(diǎn)，從中心到空腔邊緣處，每隔5 mm標(biāo)記一個(gè)點(diǎn)，從空腔邊緣到工件邊緣，每隔10 mm標(biāo)記一個(gè)點(diǎn)，磨頭中心所對應(yīng)的點(diǎn)記為點(diǎn)0，從中心到外圍分別記為點(diǎn)0～點(diǎn)8，每次檢測對每個(gè)點(diǎn)測量3次求平均值，以盡量保證不同次數(shù)測量時(shí)均為同一個(gè)區(qū)域。對加工不同時(shí)間后的工件表面粗糙度使用zygo公司的newview8 000白光干涉儀進(jìn)行檢測[16]。圖9中(a)、(b)、(c)、(d)分別為點(diǎn)5位置處不同時(shí)刻的粗糙度變化情況，從圖中可以看出粗糙度有明顯的變化。

圖8 標(biāo)記圖Fig.8 Marker diagram

圖9 點(diǎn)5粗糙度變化圖Fig.9 Point 5 roughness change diagram

最終測得所有點(diǎn)處粗糙度變化結(jié)果如圖10所示，橫坐標(biāo)代表離中心的距離大小，縱坐標(biāo)為粗糙度的變化情況。從圖中可以看出，隨著拋光時(shí)間的變長工件表面粗糙度不斷減小，前期下降很快，前兩次拋光粗糙度由25 nm左右降到2.5 nm左右，這是由于初期工件的粗糙表面微凸體較多，主要以剪切去除粗糙峰為主，去除效果明顯，表面粗糙度下降很快；后期降幅變小且趨于穩(wěn)定，隨著對工件的進(jìn)一步拋光，表面變得光滑平整，相應(yīng)的粗糙峰減少，對剪切增稠流體的阻力減小，所以剪切增稠“粒子簇”效應(yīng)變?nèi)?，?dǎo)致表面粗糙度變化緩慢。

圖10 線上各點(diǎn)粗糙度變化圖Fig.10 Roughness variation of each point on line

3 結(jié)論

從軟件仿真及實(shí)驗(yàn)兩方面出發(fā)，證明了該技術(shù)可用于光學(xué)元件的加工。根據(jù)軟件仿真的結(jié)果，剪切增稠流體在液浮拋光技術(shù)下對粗糙工件表面的微凸峰具有一定的剪切力。通過設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了液浮法拋光技術(shù)對工件可以實(shí)現(xiàn)高效去除，工件表面粗糙度從23.97 nm經(jīng)過90 min的拋光，可以達(dá)到1.023 nm，并且初期拋光效果較明顯，后期逐漸平穩(wěn)。