学术研究报告：新型圆盘流体动力抛光工艺及工具在高效超光滑表面加工中的应用

1. 研究作者、机构及发表信息

本研究的作者包括Bin Lin、Xiang-Min Jiang、Zhong-Chen Cao（通讯作者）和Yan Li，均来自天津大学教育部先进陶瓷与加工技术重点实验室（Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology, Ministry of Education, Tianjin University）。论文发表于期刊《Micromachines》2018年7月刊，标题为《Novel Disc Hydrodynamic Polishing Process and Tool for High-Efficiency Polishing of Ultra-Smooth Surfaces》。

2. 学术背景与研究目标

科学领域：本研究属于精密加工与光学制造领域，聚焦超光滑表面（ultra-smooth surfaces）的高效无损伤抛光技术。
研究背景：大型非对称光学表面（如天文望远镜镜片）需要亚微米级形貌精度和纳米级表面粗糙度，传统加工方法难以兼顾效率与表面完整性。弹性发射加工（Elastic Emission Machining, EEM）和流体射流抛光（Fluid Jet Polishing, FJP）虽能实现原子级去除，但存在工具局限性（如球形工具加工区域小、圆柱轮效率低）。
研究目标：提出一种结合EEM和FJP优势的新型圆盘流体动力抛光（Disc Hydrodynamic Polishing, DHDP）方法，通过优化流体膜动力学特性实现高效、无亚表面损伤的超光滑表面加工。

3. 研究流程与方法

3.1 抛光工具设计与验证
- 工具结构：设计直径50 mm、中心孔3 mm的金属圆盘工具，表面刻有12条螺旋角45°的动压槽（grooves），通过数控机床（CNC）加工成型。
- 工作原理：抛光浆料（CeO₂颗粒与水混合）通过中心管注入，在高速旋转（1000–5000 rpm）下形成流体膜，动压槽增强流体压力与颗粒动能，实现原子级材料去除。

3.2 计算流体动力学（CFD）模拟
- 模型建立：使用Fluent软件分析流体膜厚度（50–150 μm）对动态压力（dynamic pressure）和剪切应力（shear stress）的影响。
- 关键发现：
- 带槽工具的压力分布更均匀，高压区面积随膜厚增加而扩大，但峰值压力降低（图3）。
- 剪切应力在距中心4 mm处最大，随后沿径向递减（图6）。

3.3 实验验证
- 流体膜厚度控制：通过调节工具负载（80 N）和转速，验证CFD预测的膜厚-负载关系（图8）。
- 转速影响：带槽工具的膜厚随转速增加而显著增大，平面工具则无此效应（图9）。
- 表面质量测试：对熔融石英玻璃抛光120分钟后，表面粗糙度Ra从10 nm降至2 nm以下，轮廓高度Rz从28.76 nm降至7.81 nm（图10）。

4. 主要研究结果

• CFD与实验一致性：模拟与实验数据在50–150 μm膜厚范围内高度吻合（图8），证实流体膜作为磨粒载体（carrier of abrasive grains）的关键作用。
  
• 工艺参数优化：
  
  • 工具负载：增加负载会减小膜厚，提高动态压力，但可能导致表面粗糙度恶化（图11a）。
    
  • 转速：带槽工具在3000 rpm时抛光效率最佳（图11b）。
    
• 无损伤抛光：DHDP通过原子级碰撞去除材料，避免了亚表面损伤（subsurface damage）和划痕（scratches）。
  

5. 研究结论与价值

• 科学价值：揭示了流体膜动压槽对抛光均匀性的调控机制，为超光滑表面加工提供了理论模型。
  
• 应用价值：DHDP工艺适用于硬脆材料（如光学玻璃）的高效抛光，可满足天文仪器和半导体等领域对纳米级表面质量的需求。
  

6. 研究亮点

• 创新工具设计：螺旋动压槽结构首次应用于流体动力抛光，显著提升流体膜动力学性能。
  
• 多方法融合：结合CFD模拟与实验验证，系统性优化工艺参数。
  
• 高效无损伤：在120分钟内将Ra降至2 nm以下，效率优于传统EEM。
  

7. 其他有价值内容

• 局限性：研究未涉及复杂曲面（如自由曲面）的适用性，未来可扩展工具适应性。
  
• 潜在方向：探索不同磨粒（如金刚石）对抛光速率的影响，或进一步降低表面粗糙度。
  

（注：全文术语首次出现时保留英文原词，如“动压槽（grooves）”“流体膜（fluid film）”）