傅遠(yuǎn)韜 文東輝 孔凡志 淦作昆 成志超

摘要：分析了線性液動(dòng)壓拋光加工中液流對(duì)工件表面的作用形式，推導(dǎo)了黏性切應(yīng)力和液動(dòng)壓力數(shù)學(xué)模型。對(duì)線性液動(dòng)壓拋光流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，剖析了拋光輥?zhàn)映叽缫约皰伖夤に噮?shù)對(duì)液動(dòng)壓和黏性切應(yīng)力的數(shù)值及分布均勻性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力數(shù)值隨輥?zhàn)又睆胶洼佔(zhàn)愚D(zhuǎn)速的增加而增加，與此同時(shí)其分布均勻性反而下降；拋光間隙值越小，液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力數(shù)值越大，且其分布均勻性越好。最后采用自制的線性液動(dòng)壓拋光實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以K9玻璃為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，探究了拋光加工表面形貌和表面粗糙度的創(chuàng)成過程。

關(guān)鍵詞：線性液動(dòng)壓拋光；液動(dòng)壓力；黏性切應(yīng)力；流場(chǎng)；表面形貌；表面粗糙度

中圖分類號(hào)：TG580

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2023.11.006

Research on Characteristics of Flow Fields during LHP Processes

FU Yuantao1，2 WEN Donghui1，2 KONG Fanzhi1，2 GAN Zuokun1，2 CHENG Zhichao1，2

1.Special Equipment Manufacturing and Advanced Processing Technology， Ministry of Education/

Zhejiang Provincial Key Laboratory，Hangzhou，310023

2.School of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，310023

Abstract： The action form of fluid flow on workpiece surfaces in LHP was analyzed， the mathematic models of viscous shear stress and hydrodynamic pressure were derived. The flow field of LHP was numerically simulated and the influences of the sizes of polishing roller and polishing parameters on the numerical values and distribution uniformities of hydrodynamic pressure and viscous shear stress were analyzed. The results show that the values of hydrodynamic pressure and viscous shear stress increase with the increasing of roller diameters and rotation speeds， while the distribution uniformity decreases. The smaller the values of polishing clearance， the larger the values of hydrodynamic pressure and viscous shear stress， and the better the distribution uniformity. Finally， taking K9 glass as the experimental object， the formation processes of surface morphology and surface roughness were investigated by using a self-made LHP experimental platform.

Key words： linear hydrodynamic polishing（LHP）; hydrodynamic pressure; viscous shear stress; flow field; surface topography; surface roughness

0 引言

依賴于磨粒與工件表面軟性接觸的流體動(dòng)壓拋光技術(shù)是獲取少無損傷、超光滑表面的主流方法之一，由于改善了磨粒與工件表面的剛性接觸狀態(tài)，可以獲得較高的表面精度、少無表面損傷，又因?yàn)閽伖夤ぞ吣p趨勢(shì)緩慢，因此拋光過程的穩(wěn)定性和可重復(fù)性好，有望實(shí)現(xiàn)低損傷超光滑的加工效果［1-2］。

MORI等［3-4］提出并研究了彈性發(fā)射加工（elastic emission machining，EEM），加工過程中聚氨酯球高速旋轉(zhuǎn)，使拋光間隙內(nèi)形成液動(dòng)壓力并驅(qū)使拋光液中的磨粒對(duì)工件表面產(chǎn)生沖擊，在單晶硅、碳化硅和K9玻璃材料上均實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)超光滑表面加工。SU等［5］研究了不同潤(rùn)滑條件下EEM的材料去除速率變化規(guī)律，研究結(jié)果表明該方法的加工速率與潤(rùn)滑膜的剪切應(yīng)力存在正相關(guān)性。NAMBA等［6］提出浮法拋光，采用高平面度、微溝槽的錫盤，工件與拋光盤之間形成的動(dòng)壓液膜效應(yīng)可超過材料斷裂韌性的閾值，從而產(chǎn)生材料去除并保持磨粒與工件表面呈現(xiàn)軟性接觸狀態(tài)。WATANABE等［7］提出了動(dòng)壓浮離拋光，利用拋光盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)拋光液流經(jīng)楔形結(jié)構(gòu)流道產(chǎn)生液動(dòng)壓，使工件產(chǎn)生動(dòng)壓浮離效應(yīng)，拋光粒子在浮離空隙中對(duì)工件進(jìn)行拋光加工。對(duì)于以圓盤形為拋光工具的浴法拋光、浮法拋光、動(dòng)壓浮離拋光和盤式流體動(dòng)壓拋光，其流場(chǎng)特征是沿拋光盤直徑朝圓心方向上，流體的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)呈現(xiàn)梯度增大，因此導(dǎo)致拋光區(qū)域的液體動(dòng)壓力和材料去除速率分布不均。

PENG等［8］提出了液動(dòng)壓效應(yīng)拋光，該方法利用化學(xué)沖擊反應(yīng)實(shí)現(xiàn)材料的彈性區(qū)域內(nèi)去除加工，可以有效去除材料表面和亞表面損傷。WEN等［9］提出了液動(dòng)壓懸浮拋光，在動(dòng)壓浮離拋光結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上添加了約束邊界和蓄流槽從而形成新型拋光工具盤，使得工件能夠在液動(dòng)壓和流體剪切力穩(wěn)定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)拋光加工。鄭子軍等［10］對(duì)液動(dòng)壓懸浮拋光工具盤結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后拋光工具盤產(chǎn)生的動(dòng)壓力均值和均勻性都提高了30%。CAO等［11］在彈性發(fā)射加工和流體射流拋光的基礎(chǔ)上提出了新型圓盤流體動(dòng)力拋光，液膜作為磨粒的載體存在于拋光工具與拋光表面之間，還發(fā)現(xiàn)可以通過增加額外去除量的方式減小單一波長(zhǎng)的面形誤差。付有志等［12］提出了集群磁流變動(dòng)壓復(fù)合拋光方法，通過動(dòng)態(tài)周期性擠壓磁流變液拋光墊，增大拋光壓力并增加有效磨粒數(shù)，實(shí)現(xiàn)了集群磁流變液磨粒的多維運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化了拋光力學(xué)特性，提高了拋光效率和質(zhì)量。采用中心供液方式有效改善了局部壓力分布的均勻性，但總體特征沒有發(fā)生變化，因此對(duì)材料的均勻去除和表面粗糙度、輪廓參數(shù)及表面微觀形貌的調(diào)控能力尚有進(jìn)一步提升空間。

線性液動(dòng)壓拋光（linear hydrodynamic poli-shing，LHP） 方法采用了圓柱拋光輥?zhàn)樱纬傻囊簞?dòng)壓力與黏性切應(yīng)力呈線狀分布且均勻，合理控制工件的進(jìn)給速率有望實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的均勻拋光加工。本文分析了線性液動(dòng)壓拋光加工的基本原理，建立了黏性切應(yīng)力和液動(dòng)壓力的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬了拋光輥?zhàn)映叽缂皰伖夤に噮?shù)對(duì)黏性切應(yīng)力和液動(dòng)壓力的作用規(guī)律，研究了黏性切應(yīng)力和液動(dòng)壓力的數(shù)值大小及其分布均勻性，并采用自制的線性液動(dòng)壓拋光實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以K9玻璃為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，探究了平面拋光加工表面形貌和表面粗糙度的創(chuàng)成過程，為后期獲得更好的表面形貌和粗糙度提供了一定的參考價(jià)值。

1 線性液動(dòng)壓拋光加工

1.1 線性液動(dòng)壓拋光原理

線性液動(dòng)壓拋光原理如圖1所示，工件完全浸沒于含有納米粒子的黏性拋光液中，表面圓柱形拋光輥?zhàn)痈咚倩剞D(zhuǎn)，同時(shí)工件與拋光輥?zhàn)颖３种⒚准?jí)間隙并做往復(fù)平移。線性液動(dòng)壓拋光加工過程中，拋光輥?zhàn)优c工件表面構(gòu)成的楔形間隙區(qū)域會(huì)產(chǎn)生流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)［13］，同時(shí)磨粒在拋光輥?zhàn)痈咚倩剞D(zhuǎn)所產(chǎn)生的高流速作用下以較高的速度對(duì)工件表面粗糙峰進(jìn)行沖刷，從而實(shí)現(xiàn)原子級(jí)材料去除加工。

1.2 材料表面微粗糙峰的受力分析

1.2.1 線性液動(dòng)壓流場(chǎng)的拋光力

拋光過程中工件表面的受力可以分別表現(xiàn)為：在Y方向的液動(dòng)壓力p和在X方向的黏性切應(yīng)力τ，如圖2所示。由動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生的液動(dòng)壓力p驅(qū)動(dòng)拋光液中的磨粒對(duì)工件表面的粗糙峰進(jìn)行沖擊、碰撞，促進(jìn)材料的松弛并減小鍵結(jié)合力。由高速旋轉(zhuǎn)的拋光輥?zhàn)訋?dòng)的拋光液產(chǎn)生較大的流體速度梯度，再由黏性效應(yīng)產(chǎn)生較大的黏性切應(yīng)力τ，該作用力對(duì)工件表面的粗糙峰進(jìn)行沖擊、滑擦以抵抗材料的鍵結(jié)合力，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。

在實(shí)際拋光加工過程中，作用力p和τ將共同驅(qū)使微細(xì)磨粒對(duì)工件表面粗糙峰進(jìn)行沖擊、碰撞、滑擦，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。

1.2.2 拋光力模型

1.2.2.1 液動(dòng)壓力

Reynolds方程［14］作為流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論的基本方程，闡明了在黏性流體環(huán)境中的一般形式可根據(jù)質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程并滿足以下基本假設(shè)推導(dǎo)得出：

①忽略流體體積力作用的影響；

②固體界面與相鄰流體界面的速度相同；

③液膜厚度方向動(dòng)壓大小保持不變。

基于上述假設(shè)，推導(dǎo)得出Reynolds方程的一般形式如下：

式中，ρ為流體密度；h為動(dòng)壓液膜厚度；μ為流體動(dòng)力黏度；u1、u2分別為動(dòng)壓液膜上下表面的X向速度；v1、v2分別為液膜上下表面的Z向速度；w1、w2分別為液膜上下表面的Y向速度；x、z分別為X向和Z向的位移。

線性液動(dòng)壓拋光加工過程中，拋光液可視為不可壓縮流體，流體密度ρ為定值，即變密度效應(yīng)可忽略不計(jì)；輥?zhàn)右訸軸為中心高速旋轉(zhuǎn)，圓柱輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為定值，則此時(shí)液膜上下表面沿X軸方向的速度u1、u2可視為定值；忽略圓柱輥?zhàn)拥闹圃炀群桶惭b精度以及儀器振動(dòng)的影響，則圓柱輥?zhàn)友豘軸方向的速度v1+v2=0，因此可忽略伸縮效應(yīng)；同時(shí)流體在Y軸方向的速度也可視為0，即可忽略擠壓效應(yīng)。由此Reynolds方程可簡(jiǎn)化為

1.2.2.2 流體黏性切應(yīng)力

根據(jù)廣義牛頓內(nèi)摩擦定律，拋光間隙中的流體黏性切應(yīng)力定義為

式中，y為Y向的位移；du/dy為Y向的流體速度梯度。

引入流體動(dòng)量守恒方程（即N-S方程）［15］，對(duì)于不可壓縮黏性流體，它在X向的微分形式為

其中，等號(hào)左側(cè)為慣性力作用項(xiàng)；等號(hào)右側(cè)依次為體積力、壓差力、黏性力；FX為控制體質(zhì)量力在X向的分量；uX為流體在X向的速度。

忽略慣性力及體積力影響，又因?yàn)閽伖忾g隙中的流體只會(huì)存在Y向的速度梯度，則式（6）可簡(jiǎn)化為

對(duì)式（7）中y進(jìn)行兩次積分，得到

式中，a、b為常數(shù)。

線性液動(dòng)壓拋光加工情形下，當(dāng)無限趨近于工件表面的流體速度為0即y=0時(shí)，uX=0；當(dāng)無限趨近于拋光輥?zhàn)颖砻娴牧黧w速度等于輥?zhàn)泳€速度即y=h時(shí)，uX= u0，其中u0為輥?zhàn)舆吘壘€速度，h為工件面到輥?zhàn)用娴拇怪本嚯x（即動(dòng)壓液膜厚度）。代入上述邊界條件并聯(lián)立式（4），則拋光間隙中任意位置X向的流體速度為

將式（9）代入式（5），得到拋光間隙中的流體黏性切應(yīng)力表達(dá)式為

2 線性液動(dòng)壓流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究

線性液動(dòng)壓拋光過程中的材料去除作用主要受液動(dòng)壓力p和黏性切應(yīng)力τ的影響，其中液動(dòng)壓力來自動(dòng)壓效應(yīng)，流體黏性切應(yīng)力來自流體的黏性作用。上述兩種作用的強(qiáng)弱及分布均勻性將對(duì)工件表面微觀形貌產(chǎn)生直接影響。

將前處理的流場(chǎng)模型導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬條件為：拋光輥?zhàn)又睆?0 mm、長(zhǎng)度30 mm、輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速24 000 r/min、拋光間隙20 μm。選取工件表面為觀察面，其液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力分布如圖3所示。以圖3b與圖3d中坐標(biāo)系為參考，分別提取x=0時(shí)的Z向數(shù)據(jù)，繪制液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力分布曲線［16-17］，見圖4。分析圖3和圖4可知，液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力的分布特點(diǎn)是在工件表面X方向上呈中間大、兩端小，Z方向上呈倒“U”形的分布形式。圖4a與圖4b中液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力中間區(qū)域的變化率分別為1.58%和1.29%，判定為穩(wěn)定區(qū)域，更適合工件表面的均勻加工，兩端驟降的分布區(qū)域稱為驟降區(qū)域，不適宜工件表面的均勻加工。

液動(dòng)壓拋光加工過程中，應(yīng)保持工件處于液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力的穩(wěn)定區(qū)域，一方面，根據(jù)工件尺寸調(diào)整輥?zhàn)映叽缗c工藝參數(shù)范圍；另一方面，控制好X向的進(jìn)給速率。通過此方法可以實(shí)現(xiàn)液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力分布均勻區(qū)域內(nèi)的材料去除加工。

2.1 拋光輥?zhàn)映叽绲倪x擇

主要研究輥?zhàn)娱L(zhǎng)度以及輥?zhàn)又睆綄?duì)拋光流場(chǎng)液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力的數(shù)值大小及其分布均勻性的影響規(guī)律。以前述所選取觀察面上Z向數(shù)據(jù)線的液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力的數(shù)值大小、分布寬度以及分布均勻性為指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，構(gòu)建單因素實(shí)驗(yàn)表，見表1。

為分析圓柱輥?zhàn)娱L(zhǎng)度L對(duì)液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力的影響規(guī)律，選取輥?zhàn)又睆綖?0 mm，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為24 000 r/min，拋光間隙為20 μm。為探究圓柱輥?zhàn)又睆紻對(duì)液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力的影響，選擇輥?zhàn)娱L(zhǎng)度為30 mm，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為24 000 r/min，拋光間隙為20 μm。將數(shù)值模擬后得到的相應(yīng)液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力數(shù)據(jù)繪制成分布特性曲線，見圖5。

由圖5a、圖5b可知，拋光輥?zhàn)娱L(zhǎng)度的改變不會(huì)影響液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力的大小以及曲線兩端液動(dòng)壓力降和黏性切應(yīng)力降的長(zhǎng)度。但當(dāng)拋光輥?zhàn)娱L(zhǎng)度為15 mm時(shí)，該長(zhǎng)度小于兩端液動(dòng)壓力降和黏性切應(yīng)力降的長(zhǎng)度，這就會(huì)導(dǎo)致輥?zhàn)娱L(zhǎng)度不足以支撐液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力達(dá)到在此拋光條件下的最大值。但過長(zhǎng)的輥?zhàn)訒?huì)放大制造及裝配誤差，影響材料的均勻去除，因此要保證拋光輥?zhàn)娱L(zhǎng)度略大于工件長(zhǎng)度加上兩端液動(dòng)壓力降和黏性切應(yīng)力降的長(zhǎng)度。

由圖5c、圖5d可知，當(dāng)輥?zhàn)又睆皆龃髸r(shí)，曲線兩端液動(dòng)壓力降和黏性切應(yīng)力降的長(zhǎng)度也會(huì)隨之增大，但過大的輥?zhàn)又睆綍?huì)導(dǎo)致液動(dòng)壓力與速度的分布均勻性變差，顯然這對(duì)材料的均勻去除會(huì)產(chǎn)生不利影響，因此，在保證其去除作用足夠的情況下，對(duì)于直徑越小的拋光輥?zhàn)樱a(chǎn)生的液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)域越大。

2.2 拋光加工工藝參數(shù)的選擇

主要研究輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速及拋光間隙對(duì)拋光流場(chǎng)液動(dòng)壓力及黏性切應(yīng)力的影響規(guī)律。以觀察工件面上Z向的液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力大小及分布均勻性為指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，構(gòu)建單因素實(shí)驗(yàn)表，見表2。

為探究拋光輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速n對(duì)液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力的影響規(guī)律，選擇輥?zhàn)娱L(zhǎng)度為30 mm，輥?zhàn)又睆綖?0 mm，拋光間隙為20 μm。為探究拋光間隙h0的對(duì)液動(dòng)壓與黏性切應(yīng)力的影響規(guī)律，選擇輥?zhàn)娱L(zhǎng)度為30 mm，輥?zhàn)又睆綖?0 mm，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為24 000 r/min。將數(shù)值模擬后得到的相應(yīng)液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力數(shù)據(jù)繪制成分布特性曲線，見圖6。

由圖6a、圖6b可得，拋光輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速與液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力大小成正相關(guān)，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速越大，液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力就越大。但過高的輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力的分布均勻性降低，不利于工件表面材料的均勻去除。

由圖6c、圖6d可得，拋光間隙大小與液動(dòng)壓和黏性切應(yīng)力大小成負(fù)相關(guān)，拋光間隙越小，液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力就越大。且越小的間隙產(chǎn)生的液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力的穩(wěn)定區(qū)域越大，更有利于材料的均勻去除。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合K9玻璃工件尺寸15 mm×15 mm×2 mm，選定圓柱輥?zhàn)又睆胶烷L(zhǎng)度均為30 mm；在保證去除作用能夠成功進(jìn)行的前提下，為使得材料均勻去除，拋光輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速不宜過高；而對(duì)于拋光間隙，該參數(shù)數(shù)值越小越有利于試樣表面材料的均勻且高效去除。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 拋光實(shí)驗(yàn)

線性液動(dòng)壓拋光實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示，該拋光平臺(tái)在滄州聚航隔振設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JG-JM-12-08型精密光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行組裝，可實(shí)現(xiàn)拋光輥?zhàn)拥幕剞D(zhuǎn)以及在X、Y方向上的平移運(yùn)動(dòng)，工件在Y方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及在X方向上的微米級(jí)調(diào)節(jié)。拋光加工時(shí)，拋光輥?zhàn)优c工件浸沒于拋光液中，拋光輥?zhàn)与S電主軸高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)直線電機(jī)帶動(dòng)工件在Y方向進(jìn)行勻速往復(fù)平移運(yùn)動(dòng)，并能夠與拋光輥?zhàn)颖３忠粋€(gè)穩(wěn)定的間隙值距離。

實(shí)驗(yàn)流程如圖8所示，將工件用無水乙醇超聲清洗3 min，清洗完成后風(fēng)干工件。將工件盤置于加熱臺(tái)上，待溫度上升至90 ℃后取適量石蠟融于工件盤并完成工件貼片，用精密研磨盤完成壓片操作以確保石蠟均勻分布。待工件盤冷卻后將其安裝于直線電機(jī)上，然后借助角度和間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成工件面的調(diào)平以及控制工件與拋光輥?zhàn)拥拈g隙。設(shè)置直線電機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)程序與電主軸（即輥?zhàn)樱┑霓D(zhuǎn)速，將拋光液倒入拋光槽至適當(dāng)液位。運(yùn)行直線電機(jī)程序并啟動(dòng)電主軸，此刻即正式開始線性液動(dòng)壓拋光；待拋光加工一定時(shí)間后，關(guān)閉直線電機(jī)與電主軸，結(jié)束拋光。取下工件盤并在清水下沖洗，去除其表面殘留的拋光液；加熱工件盤至可取下工件，然后將工件分別用丙酮、無水乙醇、超純水超聲清洗3 min，烘干后放入工件盒待測(cè)試。采用中圖儀器公司所生產(chǎn)的Super-view W1系列光學(xué)3D表面輪廓儀測(cè)量拋光工件表面粗糙度數(shù)值和表面微觀形貌。

為更深入了解線性液動(dòng)壓拋光工藝的加工特性，獲取更加優(yōu)異的表面形貌，采用單因素實(shí)驗(yàn)探究拋光表面形貌的演變規(guī)律，實(shí)驗(yàn)條件見表3。

3.2 表面微觀形貌的演變規(guī)律

選取輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為12 000 r/min、拋光間隙為40 μm，依照?qǐng)D8所述的操作步驟進(jìn)行線性液動(dòng)壓拋光加工實(shí)驗(yàn)，拋光時(shí)間t分別設(shè)置為20 min、40 min、60 min和80 min，獲得對(duì)應(yīng)的表面粗糙度Rt數(shù)值變化情況如圖9所示。隨著拋光時(shí)間的增加，工件表面粗糙度Rt的數(shù)值不斷減小，60 min后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到1.81 nm。

圖10顯示了不同拋光時(shí)間下工件表面采樣輪廓點(diǎn)高度和3D顯微表面形貌，相應(yīng)3D顯微表面形貌充分表明了工件表面采樣輪廓點(diǎn)高度特征。對(duì)比輪廓高度箭靶圖可以看出，進(jìn)行線性液動(dòng)壓拋光加工之前，工件表面質(zhì)量較差，工件表面上存在大量分布明顯的“凸峰”特征，工件表面采樣輪廓點(diǎn)高度主要集中在2～6 nm的分布區(qū)間。而當(dāng)開始進(jìn)行拋光加工后，“凸峰”特征被不斷去除，工件表面采樣輪廓點(diǎn)的高度逐漸減小。在經(jīng)過60 min拋光加工后，此時(shí)拋光工件表面的微觀缺陷已基本消失，輪廓點(diǎn)高度主要集中在1 nm附近，輪廓點(diǎn)最大高度也已經(jīng)降低到了1.8 nm的水平，工件表面形貌得到明顯的改善。

3.3 拋光工藝參數(shù)的影響規(guī)律研究

選取拋光時(shí)間固定不變且為60 min，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)論，拋光間隙和拋光輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速會(huì)影響液動(dòng)壓力與黏性切應(yīng)力的大小與均勻性，從而影響最終的拋光效果，因此選取拋光輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速n和拋光間隙h0作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)?？紤]到隨機(jī)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果的干擾，每組單因素實(shí)驗(yàn)同時(shí)加工3塊工件，每塊工件隨機(jī)測(cè)量3個(gè)點(diǎn)的Rt值，最后取該3塊工件的9個(gè)測(cè)試值求平均值并作為每組實(shí)驗(yàn)拋光后的Rt有效值。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)論以及實(shí)際加工條件，各工藝參數(shù)水平選取結(jié)果見表4。每組單因素實(shí)驗(yàn)均控制其他參數(shù)處于水平2，繪制各工藝參數(shù)水平影響Rt值的曲線圖以及影響輪廓高度的箭靶圖，見圖11～圖13。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前文數(shù)值模擬結(jié)果一致。由圖11a和圖12可知，拋光輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速的增大會(huì)在一定程度上減小拋光表面粗糙度Rt的數(shù)值，輪廓點(diǎn)高度逐漸集中在1 nm附近，但當(dāng)轉(zhuǎn)速由16 000 r/min增大到20 000 r/min時(shí)，會(huì)使液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力分布的均勻性降低，反而不利于材料的均勻去除，最終會(huì)導(dǎo)致粗糙度Rt的數(shù)值不降反增，輪廓點(diǎn)分布也更差。由圖11b和圖13可知，拋光間隙越小，液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力的大小和分布的均勻性越好，越有利于工件表面材料的均勻且高效去除，因此粗糙度Rt的數(shù)值越小，輪廓點(diǎn)分布愈加集中于較低高度，表面形貌越好。

4 結(jié)論

（1）依據(jù)動(dòng)壓潤(rùn)滑理論闡釋了線性液動(dòng)壓拋光流場(chǎng)中產(chǎn)生液動(dòng)壓力的原理；通過對(duì)流場(chǎng)中拋光作用力的分析闡述了拋光表面形貌的演變機(jī)制，即液動(dòng)壓力將磨粒壓向工件表面，然后在高速流體的帶動(dòng)下對(duì)工件表面材料進(jìn)行沖擊以達(dá)到去除作用。

（2）借助FLUENT軟件對(duì)拋光流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析討論了拋光輥?zhàn)映叽缫约皰伖夤に噮?shù)對(duì)拋光區(qū)域液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力的大小及分布均勻性的影響規(guī)律，結(jié)論如下：輥?zhàn)又睆胶洼佔(zhàn)愚D(zhuǎn)速的增大都會(huì)使得液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力的數(shù)值增大，但分布均勻性會(huì)下降，不利于材料的均勻去除。拋光間隙值越小，液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力越大，分布均勻性越好。拋光輥?zhàn)拥拈L(zhǎng)度過短或過長(zhǎng)都不利于材料的均勻去除。

（3）采用自制的線性液動(dòng)壓拋光實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以K9玻璃為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，探究拋光加工表面形貌和表面粗糙度的創(chuàng)成過程。拋光輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速的增大會(huì)在一定程度上減小拋光表面粗糙度Rt的數(shù)值，但當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，會(huì)使液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力分布的均勻性降低，反而不利于材料的均勻去除，最終會(huì)導(dǎo)致粗糙度Rt的數(shù)值不降反增，輪廓點(diǎn)分布更差，表面形貌也更差。拋光間隙越小，液動(dòng)壓力和黏性切應(yīng)力的大小和分布的均勻性越好，越有利于工件表面材料均勻而高效地去除，從而使粗糙度Rt的數(shù)值越小，輪廓點(diǎn)分布愈加集中于較低高度，表面形貌越好。

參考文獻(xiàn)：

［1］ MA Zhanlong， LIU Jian， WANG Junlin. Development and Application of Ultra-smooth Optical Surface Polishing Technology［J］. Laser & Optoelectronics Progress， 2011， 48（8）：082202.

［2］ 袁巨龍， 毛美姣， 李敏， 等. 基于響應(yīng)曲面法的YG8硬質(zhì)合金刀片化學(xué)機(jī)械拋光工藝參數(shù)優(yōu)化［J］. 中國機(jī)械工程， 2018， 29（19）：2290-2297.

YUAN Julong， MAO Meijiao， LI Min， et al. Optimization of Process Parameters for Chemical Mechanical Polishing of YG8 Cemented Carbide Inserts Based on Response Surface Methodology ［J］.China Mechanical Engineering， 2018， 29（19）：2290-2297.

［3］ MORI Y， YAMAUCHI K， ENDO K. Elastic Emission Machining［J］. Precision Engineering， 1987， 9（3）：123-128.

［4］ MORI Y， YAMAUCHI K， ENDO K. Mechanism of Atomic Removal in Elastic Emission Machining［J］. Precision Engineering， 1988， 10（1）：24-28.

［5］ SU Y T， WANG S Y， HSIAU J S. On Machining Rate of Hydrodynamic Polishing Process［J］. Wear， 1995， 188（1/2）：77-87.

［6］ NAMBA Y， OHNISHI N， YOSHIDA S， et al. Ultra-precision Float Polishing of Calcium Fluoride Single Crystals for Deep Ultra Violet Applications［J］. CIRP Annals， 2004， 53（1）：459-462.

［7］ WATANABE J， SUZUKI J， KOBAYASHI A. High Precision Polishing of Semiconductor Materials Using Hydrodynamic Principle［J］. CIRP Annals， 1981， 30（1）：91-95.

［8］ PENG W Q， DENG X， LUO Z B， et al. A Nano-imprint Method Analysis of the Optical Subsurface Quality Processed by Hydrodynamic Effect Polishing［J］. Optik， 2018， 171：71-76.

［9］ WEN D H， PIAO Z Y， ZHANG T H. A Hydrodynamic Suspension Polishing Method for Ultrasmooth and Low-damage Surface［J］. Precision Engineering， 2016， 46：278-287.

［10］ 鄭子軍， 李攀星， 蔡?hào)|海， 等. 液動(dòng)壓懸浮拋光流場(chǎng)的數(shù)值模擬及拋光工具盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］. 中國機(jī)械工程， 2019， 31（6）：638-643.

ZHENG Zijun， LI Panxing， CAI Donghai， et al. Numerical Simulation of Hydrodynamic Suspension Polishing Flow Field and Optimization of Poli-shing Tool Plate Structure［J］.China Mechanical Engineering， 2019， 31（6）：638-643.

［11］ CAO Z C， LIN B， JIANG X M， et al. Flow Field Analysis of the Thin Fluid Film in Disc Hydrodynamic Polishing［J］. Procedia CIRP， 2018， 77：363-366.

［12］ 付有志，路家斌，閻秋生，等.磁流變動(dòng)壓復(fù)合拋光基本原理及力學(xué)特性［J］.表面技術(shù)，2020，49（4）：55-63.

FU Youzhi， LU Jiabin， YAN Qiusheng， et al. Basic Principle and Mechanical Property of Magnetorheological Hydrodynamic Compound Polishing［J］. Surface Technology， 2020， 49（4）：55-63.

［13］ JADHAO V， ROBBINS M O. Rheological Properties of Liquids under Conditions of Elastohydrodynamic Lubrication［J］. Tribology Letters， 2019， 67（3）：1-17.

［14］ JIANG Y， XU B， LU X， et al. Multiscale Simulation of Flow in Gas-lubricated Journal Bearings：A Comparative Study between the Reynolds Equation and Lattice Boltzmann Methods［J］. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics， 2021， 15（1）：1792-1810.

［15］ BAYADA G， CHAMBAT M. The Transition between the Stokes Equations and the Reynolds Equation：A Mathematical Proof［J］. Applied Mathematics and Optimization， 1986， 14（1）：73-93.

［16］ 文東輝， 許鑫祺， 鄭子軍. 線性液動(dòng)壓拋光流場(chǎng)的剪切特性研究［J］. 中國機(jī)械工程， 2021， 32（18）：2203-2210.

WEN Donghui， XU Xinqi， ZHENG Zijun. Study on Shear Characteristics of Flow Field in Linear Hydrodynamic Polishing［J］. China Mechanical Engineering， 2021， 32（18）：2203-2210.

［17］ 鄭子軍， 薛凱元， 文東輝， 等. 線性液動(dòng)壓拋光加工的流體動(dòng)壓特性研究［J］. 中國機(jī)械工程， 2020， 31（8）：907-914.

ZHENG Zijun， XUE Kaiyuan， WEN Donghui， et al. Study on Hydrodynamic Characteristics of Linear Hydrodynamic Polishing［J］.China Mechanical Engineering， 2020， 31（8）：907-914.