大氣等離子體射流炬設(shè)計(jì)及性能研究.pdf

1、高精度、無(wú)亞表層損傷的光學(xué)鏡片在慣性約束核聚變等大科學(xué)工程中廣泛應(yīng)用，成為決定工程進(jìn)展的關(guān)鍵因素之一。其中，復(fù)雜自由曲面的高效無(wú)損傷加工尤為困難，成為先進(jìn)光學(xué)制造面臨的重大挑戰(zhàn)。大氣等離子體加工技術(shù)是一種可控的化學(xué)刻蝕加工方法，能夠達(dá)到亞毫米級(jí)加工分辨率，為復(fù)雜自由曲面的無(wú)損加工提供了切實(shí)可行的新途徑。然而，當(dāng)前大氣等離子體加工的去除速率、長(zhǎng)時(shí)間加工穩(wěn)定性仍無(wú)法滿足大批量高精度光學(xué)零件生產(chǎn)加工的需要。在大氣等離子體加工中，射頻能量經(jīng)等離

2、子體炬耦合作用，激發(fā)反應(yīng)氣體產(chǎn)生活性刻蝕粒子，因此，能量耦合效率和炬工作穩(wěn)定性是制約去除速率和加工穩(wěn)定性的核心問(wèn)題。高效而穩(wěn)定的等離子體炬的研制是目前等離子體加工應(yīng)用尤為必要和迫切的工作。
　　以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定加工為目標(biāo)，本文研制了新型大氣等離子體射流炬，采用理論仿真與實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的手段研究其放電特性，通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)證明了其高效加工的能力，并提出了能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定加工的“間斷加工方法”。
　　首先，面向高分辨率復(fù)雜曲面加工的

3、需要，根據(jù)氣體放電原理，設(shè)計(jì)了兩種大氣等離子體射流炬，對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)火調(diào)試，監(jiān)測(cè)電壓電流，分析放電模式，優(yōu)選出針孔電極炬作為研究對(duì)象。采用單因素法，實(shí)驗(yàn)研究氣體流量、加工距離對(duì)去除函數(shù)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)合理的氧氣配比能夠大幅度提高加工效率，實(shí)現(xiàn)了高效加工的目標(biāo)。
　　然后對(duì)等離子體炬由外部到內(nèi)部進(jìn)行理論、仿真研究。建立外部功率匹配網(wǎng)絡(luò)模型，得到功率最大化耦合條件，結(jié)合電壓電流監(jiān)測(cè)的方法，分析了等離子體炬電學(xué)特性的變化；對(duì)等離子體炬內(nèi)部放

4、電過(guò)程，以COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件為平臺(tái)，建立流場(chǎng)、組分場(chǎng)仿真模型。并以此為基礎(chǔ)，建立等離子體炬放電區(qū)的容性耦合等離子體放電模型，探究不同放電模式下的活性粒子密度和分布的差異性。
　　最后，對(duì)針孔電極炬進(jìn)行了加工穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究。以等離子體炬溫度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)、工件溫度對(duì)去除速率影響實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，開(kāi)展加工穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，探究電極表面特性的演變規(guī)律，確定了導(dǎo)致加工不穩(wěn)定的本質(zhì)原因?yàn)榧庸み^(guò)程電極表面生成AlF3膜。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)研究電極材料，