为了实现对工件表面的超精密抛光, 建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统。对不同型腔结构的两种喷嘴的光耦合纳米颗粒胶体射流抛光的流体动力学特性、抛光工艺、超光滑表面形貌特性进行了研究。首先, 根据光-液耦合要求设计了锥柱和余弦光液耦合喷嘴。接着, 对所设计的两种光液耦合喷嘴进行了非淹没射流三相流仿真, 对比分析了纳米颗粒的流动径迹及流场分布情况。然后, 用TiO2纳米颗粒胶体作为抛光液, 用两种喷嘴对同一单晶硅工件分别进行了光耦合射流抛光试验。最后, 对抛光前后的表面进行了表征及对比分析。结果表明: 相同条件下余弦喷嘴获得的流动速度(20.73 m/s)和动压力(2.5 MPa)均高于锥柱喷嘴的流动速度(7.12 m/s)和动压力(0.2 MPa), 纳米颗粒在余弦喷嘴内的平均停留时间(0.005 s)比锥柱喷嘴的平均停留时间(0.023 s)更短。相同参数下余弦喷嘴射流抛光后的工件表面粗糙度(Rq=0.810 nm, Ra=0.651 nm)更低。光耦合纳米颗粒胶体射流抛光中利用余弦喷嘴可获得比锥柱喷嘴更低的表面粗糙度。

抛光液黏度是影响射流抛光(FJP)效果的重要因素,针对硬脆光学元件射流抛光中对抛光液黏度缺乏系统研究的现状,研究了抛光液黏度变化对材料去除函数的影响。建立射流抛光连续相、离散相模型和磨损模型,计算不同黏度下磨粒运动轨迹,分析磨料颗粒撞击速度矢量随黏度的变化规律。配置不同黏度相同质量分数的抛光液,结合BK7工件静态采斑实验研究与塑性磨损理论计算,获得不同黏度下的材料去除函数,分析黏度对去除函数的影响机制,并进一步研究由此引起的工件表面粗糙度变化。结果表明:随着抛光液黏度增大,材料去除函数的去除深度减小、去除形状及去除范围保持不变,这有利于降低工件表面粗糙度。该研究扩展了现有光学元件射流抛光材料去除理论,对实际抛光液黏度调控具有理论指导意义。

提出了一种高斯型去除(GTR)函数生成过程的数学建模方法。基于环路积分的思路,建立了一种旋转扫掠生成GTR函数的数学模型,明确了喷嘴高度为决定GTR函数形貌的关键工艺参数,验证了模型的正确性。在该模型的指导下,进一步研究了生成GTR函数的喷嘴高度范围和GTR函数的形貌变化规律,发现当回转中心与定点斜入射去除函数最深点重合时,生成的去除函数最接近理想高斯型。这对实际加工中工艺参数的优化具有理论指导意义。

提出了一种快速生成高斯型去除函数的实验方法。通过研究倾斜定点入射方式下射流束中心与工件的交点和材料去除形貌之间的关系,得到了对应高斯型去除函数的喷嘴高度范围。在确定的工艺参数条件下,添加主轴旋转运动,得到了对应高斯型去除函数的喷嘴高度。对高斯型抛光斑进行了对称性分析和动态去除实验。结果表明,以高斯斑为基础的动态去除过程具有较高稳定性,能满足超精密光学加工的要求,同时也证明了该方法的高效性和可靠性。

研究了水射流抛光条件下的去除函数特征，根据去除函数的一维轮廓特征采用分段解析函数拟合方法建立了去除函数的解析表达式。根据解析表达式采用Matlab 数值模拟方法对不同参数条件下的去除函数进行了一维叠加去除模拟，引入波纹度均方根值W_rms 指标，对均匀去除与线性去除条件下不同参数对去除函数一维误差修正的影响进行了讨论。通过两轮水射流抛光实验，使φ50 mm 熔石英玻璃面形峰谷值λ_PV 由0.148λ收敛至0.062λ，90%与75%口径范围分别收敛至0.048λ与0.032λ。面形均方根值λ_rms 由18.86 nm 收敛至4.87 nm，90%与75%口径范围内分别收敛至3.67 nm 与3.15 nm。

为实现 193 nm投影物镜光学元件的超光滑加工，介绍了一种非接触式微射流超光滑表面加工方法，对该方法的材料去除特性和超光滑加工效果进行研究。首先，采用计算流体动力学理论对其材料去除机理进行了仿真研究，通过对微射流流场的压力、速度和表面剪切力的分析得到其去除函数形状与表面剪切力的分布相反，呈现 W型。随后，采用正交法对各工艺参数对抛光效果的影响进行了综合分析，结果表明材料去除效率随入射速度和磨料浓度的增大而增大，随工作距离增大而减小，并且工作距离具有显著影响，为实验研究中工艺参数的选取提供了指导意义。最后，在自研的微射流抛光机床上对一平面熔石英进行了抛光实验，加工样件表面粗糙度均方根值由初始的 1.02 nm降为 0.56 nm。实验结果表明，微射流抛光技术可以用于光学元件的超光滑加工。

采用Fluent软件对射流抛光材料去除机理进行了流体动力学仿真研究，通过对射流流场压力、速度和工件表面剪切力的分析可知材料去除量应与表面剪切力的分布相对应，去除函数呈现W型；随后采用正交法对入射速度、工作距离和磨料浓度等工艺参数对抛光效果的影响进行了综合分析，结果表明：去除效率随入射速度和磨料浓度的增大而增大，随工作距离增大而减小，并且工作距离对去除率具有显著影响，为实验研究中工艺参数的选取提供了一定的指导意义。

针对现有光学加工抛光头运动方式由于光栅形或螺旋形等对称扫描方式带来的运动轨迹间的迭代误差，提出随机轨迹抛光运动方式。随机轨迹方法通过随机轨迹算法随机生成镜面离散点的抛光顺序和抛光轨迹，采用随机轨迹驻留时间补偿方法控制镜面离散点的驻留时间，对各个点进行相应大小的材料去除。实验结果显示，随机轨迹方法产生的抛光运动轨迹表现为混乱分布，从而把运动轨迹间的迭代误差均匀分布在整个镜面上，与规则运动轨迹方式相比降低了轨迹误差分布。

A new removal optimization method called submerged jet polishing (SJP) is reported. Experiments are conducted to obtain the removal shape. Results of SJP indicate that a Gaussian shape removal function can be obtained and that the removal rate is sensitive to variations in the standoff distance. SJP is applied to the corrective figuring of a BK7 optical glass. The flatness is improved from photovolatic (PV) 0.066 \lambda to 0.024 \lambda (\lambda=632.8 nm) after three iterations, and the root mean square (RMS) value is improved from 0.013 \lambda to 0.00395 \lambda. The experimental result indicates that SJP has a capability for ultra-precision figuring and can be applied in polishing complex-shaped surfaces.

研究了射流抛光材料去除面形不呈理想的对称形和重复抛光材料去除量的波动不稳性，分析认为射流抛光过程稳定性和误差因素会影响材料去除的不稳定性。分析了射流系统的误差影响因素，其主要由压力波动、磨粒沉降作用和流体的紊动作用等部分组成，并研究了各误差影响因素的产生机理和对材料去除的影响。通过仿真和实验分析，得到压力波动、磨粒沉降作用和流体紊动作用的波动范围，构建了基于各误差的材料去除稳定性的完整表达式，理论计算误差范围与实验误差范围吻合。