纳米颗粒胶体射流抛光机理及试验研究_4_2纳米颗粒胶体射流抛光系统的原理与组成_

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1、哈尔滨工业大学工学博士学位论文第4章纳米颗粒胶体射流抛光试验装置的研制4.1引言纳米颗粒胶体射流抛光是一种可以实现原子级材料去除的抛光过程。首先-通过胶体中的OH离子在工件表面的化学吸附来降低工件表面原子的原子结合能，然后利用入射胶体中纳米颗粒与工件表面原子的碰撞反应及胶体的粘滞作用，使表面原子与工件表面分离，从而实现工件材料的原子级去除。纳米颗粒胶体射流抛光作为一种新的光学抛光方法，为了能够实现工件的超光滑表面抛光，要求纳米颗粒胶体射流抛光系统的驱动压强稳定可控、能够实现微量进给及精确定位，而且需要保证在抛光过程中具有很强化学活性的纳米颗粒胶体不被污染。本章基于前文关于纳米颗粒胶体射流抛光去

2、除机理的研究，研制了纳米颗粒胶体射流抛光系统，为纳米颗粒胶体射流抛光提供了技术及设备。4.2纳米颗粒胶体射流抛光系统的原理与组成4.2.1纳米颗粒胶体射流抛光系统的总体方案设计纳米颗粒胶体射流抛光系统的加工方法是采用微孔喷嘴形成微细射流，通过射流动压强将能量施加在胶体中的纳米颗粒上，入射的纳米颗粒与工件表面原子碰撞后发生表面界面反应，再通过胶体的粘滞作用，将与工件表面反应的纳米颗粒连同工件表面原子一起带离工件表面，对工件材料进行原子级的去除，实现超光滑表面加工的目的。传统射流抛光的去除机理主要是靠机械作用，而纳米颗粒胶体射流抛光是化学作用、流体动压碰撞和胶体粘滞等共同作用的结果。其中化学作用占

3、主导地位，而流体动压碰撞主要是增加纳米颗粒的入射动能，便于入射的纳米颗粒与工件表面原子之间反应的进行，然后胶体的粘滞作用将吸附在工件表面的纳米颗粒连同工件表面原子一起带走。在纳米颗粒胶体射流抛光过程中为实现材料的微量去除，要求射流的能量密度较低；同时为了能够加工复杂表面，要求数控系统具有较高的控制精度和四维联动特征。综合以上应用需求，为了能够实现超光滑表面抛光，纳米颗粒胶体射流抛光系统应满足以下要求：-64-第4章纳米颗粒胶体射流抛光试验装置的研制1．纳米颗粒胶体射流抛光中形成满足超光滑表面加工的、连续稳定、压强可调的微细胶体射流；2．纳米颗粒胶体抛光液连续循环使用，在循环过程中，保持纳米颗粒

4、胶体抛光液的物理化学特性不变；3．可根据被加工表面的具体情况进行微量进给及精确定位，实现复杂曲面及自由曲面的表面处理及修正。基于以上系统要求，为方便对不同工艺条件下的纳米颗粒胶体射流抛光过程进行详细研究，需对纳米颗粒胶体射流抛光系统采用模块化设计。在模块化设计纳米颗粒胶体射流抛光试验装置之前，须要对该抛光系统的功能进行分析。从纳米颗粒胶体射流抛光材料去除机理来看，工件材料的去除是利用纳米颗粒与工件表面原子在胶体抛光液的射流动压区域内的界面反应来实现的，因此，首先要保证提供形成稳定胶体射流的供压系统和微细喷射系统。此外由于纳米颗粒胶体的pH值呈碱性或酸性，具有较强的反应活性及腐蚀性，容易在供压、

5、喷射及回收环节与外界环境及液压系统部件发生反应，从而导致其物理化学特性的改变。因此，还需要设计一个与外界隔绝的纳米颗粒胶体循环系统。以上三个系统形成了纳米颗粒胶体加工系统的基本功能模块，这三个模块共同作用可形成具有一定能量密度的微细胶体射流，完成对工件材料去除的功能，实现纳米颗粒胶体抛光液的循环使用，并实现连续加工的功能。纳米颗粒胶体射流供压系统、微细纳米颗粒胶体射流喷射系统和纳米颗粒胶体循环系统共同作用实现了纳米颗粒胶体射流抛光系统的超光滑表面加工技术。将这种超光滑表面加工技术与高精度的多轴数控机床结合就能实现复杂曲面及自由曲面的超光滑表面抛光与面形修正。因此，纳米颗粒胶体射流抛光系统需包含

6、以下五个基本系统功能模块：供压系统、胶体喷射系统、纳米颗粒胶体循环系统、机床本体和多轴数控系统，如图4-1所示。图4-1纳米颗粒胶体射流抛光系统功能模块图Fig.4-1Functionalblockdiagramofnanoparticlecolloidjetpolishingsystem.-65-哈尔滨工业大学工学博士学位论文在纳米颗粒胶体射流抛光系统的设计过程中，保证其各个子系统功能模块的相对独立性，会使整个纳米颗粒胶体射流抛光系统具有更好的兼容性和开放性。同时可保证在后续抛光试验中通过对个别子系统及其功能模块的改进和完善来提高整个加工系统的加工精度和质量，也可以通过添加新的功能子系统模块

7、，从而扩大整个加工系统的加工功能和工艺范围。4.2.2纳米颗粒胶体射流抛光系统的研制设计合理的工艺过程和系统结构，是保证系统具有良好抛光性能的前提。基于上述纳米颗粒胶体射流的形成原理及纳米颗粒胶体射流抛光本身的特点，本文的纳米颗粒胶体射流抛光系统由供压系统、胶体喷射系统、纳米颗粒胶体循环系统、机床本体和多轴数控系统五部分组成。4.2.2.1纳米颗粒胶体射流供压系统在整个纳米颗粒胶体射流抛光系统中，