磨料射流抛光中各工艺参数对材料去除率及抛光区形貌的影响3

2.2　射流速度对抛光特性的影响保持入射角度为90°,入射距离为15mm,抛光液浓度为4%,加工时间为3min,试验测得的射流速度与抛光特性如图6所示。

试验表明,在一定范围内,射流速度与最大去除深度近似呈线性关系。即射流速度越大,抛光

液的能量越大,磨粒与工件的碰撞剪切作用增强,致使材料去除量增大。但存在速度极限值,即当射流速度低于某一值时,磨粒对工件的剪切作用力很小,不足以切除作用点的材料,此时无材料去除。同时,射流速度越大,碰撞剪切作用越强烈,抛光区的表面形貌越差,粗糙度值越大。经测量分析,射流速度取20～ 25m/s为宜。

2.3　入射距离对抛光特性的影响

射流速度保持为25m/s,抛光液浓度为4%,入射角度为90°,加工时间为5min,试验研究了入射距离对抛光区最大去除深度的影响,其结果如图7所示。试验表明,在一定距离以内,最大去除

深度基本不随距离的变化而变化,当距离进一步增加时,最大去除深度呈先增大后减小的变化趋势,其中55mm处是曲线的一个拐点。图8所示为不同入射距离下的抛光区形状。

根据射流力学理论,抛光液从喷嘴射出后,仍会保持一段稳定的圆柱射流,在此距离内射流不扩散,没有能量损失,各处射流能量基本不变化而且此时射流能量足够大,致使碰撞中产生了二次射流,即在最大去除深度环外还包围着一个浅环。当喷射距离进一步增大时,出现了射流与周围空气介质的摩擦卷吸现象,能量减损,射流束呈发散的趋势。此时二次射流作用逐渐减弱,能量集中于初次射流,从而使得最大去除深度增大。当入射距离为55mm时,二次射流基本消失,此时射流边缘速度减小,所有的能量都集中于初次射流,因此最大去除深度较存在二次射流时要增大。随着入射距离的进一步增大,射流能量减小,并且随着射流束的不断发散,最大去除深度逐渐减小,直至最终失去去除能力。2.4　抛光液浓度与材料最大去除深度的关系在射流速度为25m/s,入射角度为90°,入射距离为15mm,工作时间为5min的条件下,测得的抛光液浓度与最大去除深度的关系曲线如图9所示。

曲线表明,最大去除深度随着抛光液浓度的增大而迅速增大。分析表明,随着抛光液浓度的增大,射流中的磨粒增多,使得对工件的碰撞剪切的次数增多,从而增大了去除速率。当浓度高达一定数值后,射流中磨粒间的彼此碰撞几率增大,导致部分磨粒的运动方向改变,更多的粒子直接以一定的倾斜角度射入工件表面,增大了剪切作用力,从而使得去除效率大大提高。通过激光波面干涉仪测量发现,随着浓度的增大,去除效率提高的同时,表面粗糙度也增大,因此要综合去除效率与表面质量来合理选取抛光液浓度,一般取4%～ 6%为最佳。

2.5　工作时间与材料最大去除深度的关系

  保持入射角度为90°,射流速度为25m/s,入射距离为15mm,抛光液浓度为6%,试验测得作时间与最大去除深度的关系如图10所示。其中,实线代表初次射流所产生的内环的深度关系曲线,虚线代表二次射流所产生的外环的深度关系曲线。可以看出两次射流的最大深度均与时间基本呈线性关系,即材料去除量随工作时间的增加而线性增加,这与传统抛光技术中时间对材料去除量的影响一致。

3　抛光试验

根据以上的试验结果,选取入射角度为90°,入射距离为15mm,抛光液浓度为4%,射流速度为25m/s,工作时间为5min,对平面K9光学玻璃进行了单点抛光试验,试验测得抛光速率约为30nm/min,抛光区域的粗糙度约为2. 25nm。抛光结果如图11所示。

4　结束语

本文通过试验研究了磨料射流抛光工艺中入射角度、射流速度、入射距离、抛光液浓度以及加工时间对材料去除率及抛光区形貌的影响,分析了各工艺参数对材料去除的影响规律,为磨料射流抛光加工的进一步研究奠定了试验基础。