磨料射流拋光中各工藝參數(shù)對(duì)材料去除率及拋光區(qū)形貌的影響

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展,高陡度非球面、大長(zhǎng)徑比內(nèi)腔以及小尺寸非球面等光學(xué)零件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,傳統(tǒng)的拋光技術(shù)很難滿(mǎn)足這些復(fù)雜型面的加工要求[1-3]。近年來(lái)涌現(xiàn)出了一批先進(jìn)的非球面加工技術(shù),其中磨料射流拋光技術(shù)就是其中之一。與傳統(tǒng)的拋光技術(shù)相比,磨料射流拋光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要如下[4]:由于其拋光頭是一段細(xì)長(zhǎng)的液體射流束,因此加工過(guò)程中拋光面質(zhì)量不受拋光盤(pán)變形的影響,具有不會(huì)改變材料的力學(xué)和物理性能及不會(huì)產(chǎn)生磨料硬損傷、熱損傷等優(yōu)點(diǎn);細(xì)長(zhǎng)的射流束拋光頭不受工件形狀和空間位置的限制,可對(duì)任意復(fù)雜形狀的工件進(jìn)行拋光,尤其可以伸入非球面的內(nèi)部對(duì)其深內(nèi)腔進(jìn)行加工;拋光液的循環(huán)使用可以保證被拋光件的溫度恒定,同時(shí)可以自動(dòng)清除加工碎屑;細(xì)小的射流束可以產(chǎn)生很小的加工斑點(diǎn),幾乎不存在邊緣效應(yīng),有益于加工微小零件及去除中高頻誤差。

  本文通過(guò)試驗(yàn),研究了磨料射流拋光技術(shù)中各工藝參數(shù)對(duì)材料去除率及拋光區(qū)形貌的影響,并經(jīng)過(guò)優(yōu)化,得到了適合于磨料射流拋光的工藝參數(shù),為射流拋光加工的進(jìn)一步研究提供了一定的幫助。

   1拋光裝置及機(jī)理的研究磨料射流拋光裝置示意圖如圖1所示。混合細(xì)拋光磨料顆粒的拋光液在容器中經(jīng)過(guò)機(jī)械攪拌均勻后,一個(gè)相對(duì)低壓的壓力系統(tǒng)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(duì)其表面進(jìn)行拋光,最后使用過(guò)的拋光液在防護(hù)罩及回收皿的作用下經(jīng)過(guò)濾后重新回到容器中循環(huán)使用。工件安裝在一個(gè)可以做自轉(zhuǎn)、擺動(dòng)和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的多軸數(shù)控主軸上,通過(guò)擺動(dòng)和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)可以設(shè)定工件表面法線(xiàn)與噴嘴軸線(xiàn)間的夾角以及工件距離噴嘴的基準(zhǔn)距。試驗(yàn)裝置由混合容器、攪拌設(shè)備、泵和收集回流裝置等組成,系統(tǒng)還包括檢測(cè)狀態(tài)的壓力傳感器和流量傳感器。

磨料射流拋光是個(gè)復(fù)雜的去除過(guò)程,它包括磨料粒子對(duì)工件材料的碰撞和微剪切等作用。根據(jù)材料去除的類(lèi)型,一般分為脆性去除和塑性去除兩大類(lèi)[5,6]。脆性去除時(shí),主要是沖擊壓力導(dǎo)致脆性裂紋的不斷擴(kuò)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(shí)只發(fā)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(duì)工件材料產(chǎn)生剪切應(yīng)力。當(dāng)剪切應(yīng)力足夠大時(shí),會(huì)將工件材料直接剪切去除,從而達(dá)到拋光的目的。

2　各工藝參數(shù)對(duì)射流拋光的影響

本系列試驗(yàn)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(yàn)中拋光材料均為K9平面光學(xué)玻璃,拋光過(guò)程中工件固定不動(dòng),噴嘴是采用德國(guó)LECHLER公司的不銹鋼圓柱形噴嘴,直徑為1. 9mm。其中部分參數(shù)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(shí)間與材料最大去除深度及拋光區(qū)形貌的關(guān)系。

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