微磨料气射流加工技术研究现状与展望

微磨料射流加工技术是一种基于高能流体的磨粒冲蚀磨损加工技术,已广泛应用于难加工材料、复杂三维型面、光滑表面的加工。为进一步提高磨料射流加工过程中的精准控形控性能力,国内外学者开展了诸多基础加工理论与工艺探索等方面的研究工作。本文在概述磨料射流加工技术发展的基础上,全面总结了国内外学者在微磨料气射流加工(MAJM)技术中的微磨料气射流束发散效应及其抑制策略、材料力学性能对材料冲蚀去除模式的影响、材料冲蚀加工过程磨料嵌入抑制策略、微结构冲蚀加工几何特征等方面的主要研究成果,并对微磨料射流加工技术的难点与发展趋势进行了展望。

微磨料气射流加工结构化拓扑鱼鳞表面的实验研究

为了在脆性难加工材料上制备结构化鱼鳞表面,首先提取了鱼鳞表面的拓扑特征,建立了鱼鳞单元的表面模型,并基于鱼鳞模型进行搭接,得到结构化鱼鳞表面;然后根据微磨料气射流加工原理,分析了气射流加工拓扑鱼鳞实验的可行性与影响结构化鱼鳞表面形貌的重要工艺参数;最后采用单因素实验法对重要加工参数进行实验分析,得到了较好的拓扑鱼鳞表面单元,并以此进行排布得到结构化表面。研究结果表明,微磨料气射流加工结构化拓扑鱼鳞表面较为合理的工艺参数组合是加工时间为10 s、气射流加工压力为0.5 MPa、靶距离为10 mm以及射流角度为30°,在此工艺条件下,鱼鳞表面的形态和尺寸可能会受到一定的影响,但鱼鳞表面的拓扑属性保持不变。

微磨料水射流三维加工的实验研究

对微磨料水射流技术三维加工进行了实验研究。实验采用特殊设计的微磨料水射流切割头,水喷嘴内径为127μm,聚焦管内径为300μm,碳化硅固体磨料粒子平均直径25μm。微磨料水射流切割头利用螺杆泵送原理直接将微细磨料主动送入切割头混合腔,通过水射流对磨料粒子加速、混合并经聚焦管喷出形成微磨料水射流。螺杆由步进电机驱动,通过控制步进电机转速来精确控制磨料流量。将切割头置于高精度四轴联动数控平台的刀架上,实现对工件的加工。研究表明,通过改变磨料流量可较好地控制微磨料水射流的能量密度。对特定材料,首先设定走刀速度,改变磨料流量就能获得不同的切割深度,实现微磨料水射流车削、磨削、铣削、雕刻等三维加工。微磨料水射流在半导体材料加工、微型电子机械制造以及光学器件生产上具有广阔应用前景。

微磨料水射流技术及其应用

介绍了微磨料水射流技术及其在半导体制造工艺中的应用。在分析研究微磨料水射流技术国内外发展基础上，提出了微磨料水射流的产生方法及关键技术。对增压发生器的压力、喷嘴直径、微磨料粒子的精度、浆液磨料制备方法、浆液磨料的输送及质量流量的控制、工作平台的运动精度等关键技术进行了分析讨论。研究表明，为了产生射束直径100μm以下的微磨料水射流，必须采用湿式磨料，同时完全避免空气进入。采用300nm至8μm氧化铝浆液磨料和Ф40—50μm喷嘴，应用运载方法可以产生束径达Ф40-50μm级的微细加工磨料水射流。在同样水压力下，其切割的能量密度是普通磨料水射流的4～5倍。微磨料水射流在半导体材料加工、微型电子机械系统制造以及光学器件生产上具有广阔应用前景。

微磨料水射流加工技术研究现状

现代制造技术正朝着产品小型化和加工过程微型化的方向不断发展,用于加工微型零件的材料越来越难加工,对加工精度的要求也越来越高,当前微细加工技术面临巨大挑战.近十几年来,微磨料水射流加工技术（射流直径10~100μm）快速发展,已实现对金属、陶瓷、光学玻璃、半导体以及复合材料等难加工材料的精密微细加工,其加工精度和表面质量已达到激光加工水平,是一种具有广阔应用前景的新型微细加工技术.为进一步了解该项技术的最新发展动态,本文介绍了微磨料水射流加工技术的基本原理、研究现状以及未来的发展趋势.

微磨料空气射流加工特性研究

通过微磨料空气射流加工普通平板玻璃的试验研究,分析了加工时间、空气压力、磨料流量、喷射距离、喷射角度、磨料种类、喷嘴结构和尺寸等加工工艺参数与微磨料空气射流加工的材料冲蚀率及玻璃表面冲蚀加工凹坑尺寸(凹坑直径和凹坑深度)之间的关系,得出了这些工艺参数对微磨料空气射流加工效果的影响规律。结果表明:喷射距离对材料冲蚀率和冲蚀凹坑的尺寸影响最大,存在一个可以获得最大冲蚀率和加工深度的最佳喷射距离;喷嘴的形状、尺寸和喷射角度的不同直接改变加工凹坑的轮廓,是影响微磨料空气射流加工轮廓结构形状的关键因素。

微磨料水射流加工技术的发展

微磨料水射流加工技术的射流直径在10μm^100μm之间,较常规磨料水射流直径(500μm^1200μm)小一个数量级,在微加工领域仍保持常规磨料水射流的许多的性能,尤其适宜对硬脆材料、复合材料等难加工材料进行微加工。目前其孔加工精度已达到相当于激光微加工技术的水平。为加深对该新技术的最新发展的理解,本文介绍了微磨料水射流加工技术射流生成方式、装置设计的关键技术、主要参数对加工性能的影响及部分应用示例。最后提出了微磨料水射流加工技术中有待深入研究的工作。

微磨料水射流对工件表面抛光作用的研究

采用碳化硅固体磨粒、纯水和水溶性乳蜡(水蜡)混合而成的液体磨料,液体磨料的浓度按固体磨粒与添加液的质量比1∶2的比例混合,工件材料采用热作模具钢4Cr5MoSiV1,被抛光工件表面分别为未经热处理的模具钢表面和电火花加工后的工件表面。实验研究了不同粒度的固体磨粒、添加液浓度、抛光时间等对抛光性能的影响。研究表明,经过90min的抛光,两种抛光面的表面粗糙度值Ra都呈显著下降。对于电火花加工表面,抛光90min后的粗糙度值由最初的Ra=1.0μm下降到Ra=0.08μm;对于未经热处理的工件表面,抛光90min后的粗糙度值由最初的Ra=0.36μm下降到Ra=0.06μm。证明微磨料水射流对工件表面具有良好的抛光作用。研究还表明,磨料液成分、抛光时间以及被抛光工件材料以及工件表面原始粗糙度等对抛光性能有重要影响。对于硬度和粗糙度较高的工件表面,宜采用具有较粗的固体磨料粒子和较高浓度添加剂的磨料液;对于硬度和粗糙度较低的工件表面,宜采用较细的固体磨料粒子和添加剂浓度较低的磨料液。对于较低硬度的工件表面,采用蜡敷磨粒的磨料液可缩短抛光时间和提高抛光的表面精度。

微磨料浆体射流的浆体配制及钻孔性能研究

微磨料浆体射流技术是在微磨料水射流加工技术基础上发展起来的一种新技术。通过添加分散剂和悬浮剂来提高浆体的沉降稳定性;为了配制出优质钻孔浆体,研究了磨料质量浓度、磨料种类、分散剂体积分数和悬浮剂体积分数对钻孔加工的影响,并研究了分散剂体积分数和悬浮剂体积分数对浆体沉降稳定性的影响。研究结果表明:磨料质量浓度存在最佳取值;分散剂并非一定能改善颗粒的沉降稳定性,这与磨料种类、磨料质量浓度和分散剂体积分数等有关;悬浮剂能够改善浆体的悬浮性,其体积分数影响浆体的沉降稳定性和钻孔效果。

微磨料浆体射流抛光技术

近年来,在非传统抛光方法中,微磨料浆体射流抛光由于初始成本低,无热损伤,不改变材料力学和物理性能,抛光特性不受工件抛光位置影响,被认为是当前对具有复杂表面的硬脆性材料制品进行超光滑表面加工的最有潜力方法之一。本文详细介绍了微磨料浆体射流抛光技术的应用及特点、装置设计原理及实例、材料去除机理,重点分析了喷射压力等工艺参数对抛光效果的影响,并提出了微磨料浆体射流抛光中有待进一步深入开展的研究工作。

基于微磨料水射流的刀具钝化模型研究

应用微磨料水射流技术对刀具钝化进行研究,验证了微磨料水射流用于刀具钝化的可行性,应用MikroCAD三维光学刀具测量仪获得刀具切削刃的钝化圆角半径以及微观结构,发现刀具切削刃上不同截面的钝化圆角分布不均匀。基于人工神经网络方法,建立微磨料水射流刀具钝化圆角半径的BP神经网络模型。研究结果表明,BP神经网络能够有效地预测刀具钝化圆角半径,预测值与试验测量值的相对误差为0.63%～4.60%。

微磨料空气射流加工技术的发展

微磨料空气射流加工(MAJM)技术是对硬脆材料进行微细加工的一种非常有潜力的技术,特别是对复杂的三维微细结构的加工。微磨料空气射流加工技术是基于传统的喷砂技术发展起来的,通过由空气喷射磨料微粒形成高速气流冲击工件表面而去除工件材料。与其它的加工技术相比,微磨料空气射流加工具有环境友好、易于控制、无热影响区、切口质量好等优点。本文介绍了此技术的基本加工原理、特点以及加工过程中的影响因素,论述了微磨料空气射流加工的材料冲蚀机理和切口特征。重点分析了一些主要的加工参数,例如空气压力、磨料材料、尺寸、供给率、喷嘴的形状和尺寸、喷射距离以及工件材料,对切削性能和切口特征的影响。并提出了微磨料空气射流加工技术中有待进一步深入开展的研究工作。

微磨料水射流精确送料装置设计及应用研究

针对微磨料水射流加工中磨料连续、均匀供给问题,利用螺杆泵送原理设计开发了微磨料精确送料装置。螺杆泵采用微型直流减速电动机驱动,通过相应的控制电器板控制电动机转速,从而实现磨料流量精确控制。根据实验测试数据,对磨料质量流量与电动机电压关系进行了线性拟合。计算表明,在10～24V范围,螺杆泵送磨料质量流量平均误差1·03g/min,最大误差为1·96g/min;平均相对误差0·2%,最大相对误差1·79%。该方程可以用于磨料流量精确控制方程。在现有水射流机床上应用该装置进行切割实验表明,工件切割断面的表面粗糙度平均值比传统自吸式供料系统提高2.64倍。微磨料水射流供料装置在精密加工领域具有广阔的应用前景。

微磨料水射流加工脆性玻璃的冲蚀机理研究

微磨料水射流加工技术正成为制造微细结构零件重要的经济高效的微细加工技术。作者在玻璃上进行微磨料水射流微细槽加工的实验基础上,对微磨料水射流加工的表面形貌、材料冲蚀去除机理及加工工艺性能进行了研究。结果表明,玻璃加工表面沿着槽道的方向形成了波纹状形貌,呈非对称或对称的波形,波纹表面很光滑,波纹图案沿着射流冲击区的径向方向发展。由于黏性流体的阻滞作用,脆性玻璃在微磨料水射流加工过程中,在黏性流区域没有发现任何裂纹,材料的冲蚀去除主要是以塑性断裂的方式为主,形成了光滑的加工表面。适当地控制加工工艺参数,在低压下,微磨料水射流加工是一种用于脆性材料上微细通道的加工切实可行的方法,并可获得良好的加工表面质量。

微磨料气射流成形加工表面波纹度研究

表面波纹度是评定微磨料气射流加工表面质量的重要指标之一。通过微磨料气射流加工硅片试验,研究了工艺参数及其交互作用对加工表面波纹度的影响,建立了表面波纹度的广义回归神经网络模型。结果表明,喷嘴横移速度对表面波纹度的影响最显著,其次分别是靶距、磨料喷射机工作压力、靶距和喷嘴横移速度的交互作用,以及磨料喷射机工作压力和靶距的交互作用,而磨料喷射机工作压力和喷嘴横移速度的交互作用对表面波纹度的影响不显著。表面波纹度随着磨料喷射机工作压力的增加而增大,随着靶距的增加先增大后减小,随着喷嘴横移速度的增加而减小。选用较低磨料喷射机工作压力和较大靶距的组合,以及较高喷嘴横移速度和中低靶距或者较大靶距的组合均有利于降低表面波纹度。基于广义回归神经网络理论,建立了表面波纹度的神经网络模型。经验证,该模型能够有效地预测表面波纹度。

微磨料气射流切割深度建模

微磨料气射流切割技术具有无热影响区,工件受加工作用力小的优点,非常适合于切割硅和玻璃等硬脆材料薄板。切割深度是评价切割能力的重要参数之一。建立了微磨料气射流切割硬脆材料的切割深度半经验模型。通过全因素实验和回归分析确定了模型中的经验参数。该切割深度模型表明,切割深度随气压和射流角度的增加而增加,随喷嘴横移速度的增加而减小。通过比较实验值和预测曲线,分析了模型的预言能力。结果表明该模型能够有效地预言微磨料气射流切割深度。

微磨料水射流切割头装置设计与研究

传统磨料水射流切割头的磨料靠负压吸入,可靠性差、吸入不均匀、流量不能精确控制。采用螺杆泵输送原理,设计了一种新型微磨料水射流切割头装置及控制系统。该装置采用螺杆泵主动送料,螺杆由步进电机驱动,单片机发出的控制脉冲控制步进电机的转速,步进电机的转速与磨料流量一一对应,从而将磨料定量、连续地送到切割头混合腔,实现磨料流量的精确控制。在混合腔的排出通道上设置单向阀门,解决了喷嘴堵塞后高压水直接进入磨料罐引起磨料输送系统失效问题。

精密零件的微磨料气射流光整加工

近年来,在非传统去毛刺加工方法中,微磨料气射流去毛刺由于初始成本低、生产效率高、灵活性强、无应力、无热影响区,在精密零件的光整加工中获得了广泛的应用。本文详细介绍了微磨料气射流用于光整加工去毛刺的加工原理、材料去除机理、去毛刺的工艺参数以及对棱边尺寸的影响,并列举了一些微磨料气射流在不同应用领域的加工实例。

微磨料水射流机床悬臂梁的有限元分析

微磨料水射流切割机床的切割精度与机床数控平台、数控系统精度以及水射流工艺参数直接有关,同时还与安装水射流切割头及其附件的悬臂梁刚度和绕曲变形有关。针对微磨料水射流机床的重要部件悬臂梁进行了Solidworks三维建模,基于ComsWorks进行了静态和模态分析。分析表明,微磨料水射流切割机床悬臂梁固有一阶、二阶、三阶和四阶频率分别为20Hz、31Hz、91Hz和104Hz。为了避免引起共振,负载频率应以一定幅度错开其固有频率。现有悬臂梁结构具有足够的刚度。

微磨料汽雾超声抛光加工技术及实验研究

提出了一种新型精密抛光加工方法,即用含有微磨料的抛光液经超声振动使之雾化形成汽雾流,用此含有微磨料的汽雾流冲蚀工件表面而去除工件材料。通过产生汽雾流的超声振动分析和实验对这一微磨料汽雾超声抛光加工技术进行了研究。结果表明:这一方法可以实现对工件表面的抛光处理,而且比传统的抛光加工方法具有加工冲蚀力更柔软、加工质量更好,并且没有喷嘴损耗等优点。