本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：
主动控制弹性发射加工中的轮廓预测与分析研究
作者及机构
本研究由Weihao Ma、Jiahui Li和Xi Hou（通讯作者）合作完成。作者团队来自中国科学院光电技术研究所（Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences）和中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences）。研究成果发表于2024年4月的《International Journal of Mechanical Sciences》（卷275，文章编号109274）。
学术背景
本研究属于超精密光学制造领域，聚焦于弹性发射加工（Elastic Emission Machining, EEM）技术的改进。EEM通过流体动力学润滑效应和化学反应实现原子级无损伤材料去除，广泛应用于短波长高性能光学元件（如X射线光学系统、光刻系统）的制造。然而，传统EEM的加工间隙控制精度要求极高（约1微米），且材料去除轮廓（Material Removal Profile, MRP）易受流体流动性和颗粒多样性干扰，难以预测。
为解决上述问题，作者提出主动控制弹性发射加工（Active Controlled Elastic Emission Machining, ACEEM）方法，通过主动控制初始抛光间隙，结合流体膜厚度与抛光轮变形的动态平衡，建立MRP预测模型，旨在实现确定性加工并提升表面粗糙度收敛效率。
研究流程与方法
ACEEM设备开发与原理设计
- 创新设备：研制了ACEEM实验装置，包含三轴位移平台、抛光臂及抛光液过滤系统。通过伺服电机控制Z轴运动，精确调节初始抛光间隙（5–8 μm），突破了传统EEM依赖弹簧平衡负载的限制。
- 材料去除机制：羟基化纳米SiO₂颗粒在流体剪切应力作用下与工件表面发生化学反应，削弱原子间化学键，实现原子级剥离（图1c）。
流体膜厚度建模与应力分析
- 流体控制方程：基于Navier-Stokes方程和雷诺方程（Reynolds equation），建立流体膜厚度与压力/剪切应力的隐式关系（公式6）。
- 有限元求解：采用有限元法计算抛光区域流体压力（图5a）和剪切应力分布（图5b），考虑抛光轮弹性变形（公式12–13）。
MRP预测模型构建
- 模型框架：将材料去除分解为压力（(p)）和剪切应力（(\tau)）的独立贡献，引入Sigmoid函数处理化学反应的阈值效应（公式17）。
- 参数优化：通过准牛顿法（Quasi-Newton method）求解未定系数（(c_1, c_2)）、幂指数（(\alpha_1, \alpha_2)）及阈值（(\gamma)），目标函数为平均绝对误差（公式18）。
实验验证与参数分析
- 实验设计：选用单晶硅（Monocrystalline Silicon）和熔融石英（Fused Quartz）工件，对比不同初始间隙（5/8 μm）和转速（1500–2500 rpm）下的MRP（表1）。
- 模型评估：采用Pearson相关系数（>0.95）、均方根偏差（Root Mean Square Deviation, RMSD）和相对深度偏差（δd <20%）验证模型准确性（图8–9）。
子孔径抛光应用
- 确定性加工：基于模型计算驻留时间，在平面上加工双曲面轮廓（公式24），表面粗糙度从0.553 nm RMS提升至0.085 nm RMS（图16）。
主要结果
流体应力主导作用
- 剪切应力贡献占比达80%（(c{2\tau s}=2.00) vs. (c{1ps}=0.54)），压力仅在前端区域显著（图11）。
- 材料去除阈值（(\gamma)）在单晶硅中为2 nm/min，对应40 nm台阶深度（20分钟加工）。
材料依赖性差异
- 熔融石英的去除速率低于单晶硅（图13），因其表面羟基密度和原子键能差异，模型参数（(c_1, c_2)）显著不同（表3）。
初始间隙的关键性
- 初始间隙占流体膜厚度的70–95%（图14），大幅降低传统EEM对抛光轮精度的依赖。
结论与价值
科学价值
- 揭示了ACEEM中流体剪切应力的主导作用，阐明了多参数耦合下材料去除的动力学机制。
- 提出的MRP预测模型为超精密加工的确定性控制提供了理论框架。
应用价值
- ACEEM可实现亚纳米级粗糙度（<0.1 nm RMS）与复杂面形的同步收敛，适用于自由曲面光学元件制造。
- 模型通用性适用于多种材料（如硅、石英）和工艺参数组合，减少实验试错成本。
研究亮点
- 方法创新：首创主动间隙控制的ACEEM技术，通过Z轴指令调节初始间隙，突破传统EEM的工艺限制。
- 模型优势：首次将Sigmoid函数引入MRP预测，解决了化学阈值效应的数学描述难题。
- 发现突破：明确剪切应力在原子级去除中的核心作用，为优化工艺参数提供方向。
其他价值
研究提出的建模框架（图17）可扩展至其他确定性抛光方法（如磁流变抛光、流体射流抛光），为超精密制造领域的多物理场耦合问题提供解决范式。