磨料水射流抛光技术及其发展

磨料水射流抛光技术是应用于表面抛光加工的新技术.利用含有细小磨料粒子的抛光液在高压作用下,与工件表面发生冲击、冲蚀而微去除材料,以达到抛光目的.论述了磨料水射流抛光技术的基本原理和特点,以及影响抛光效果的主要工艺参数,并对其发展趋势进行了展望.     

磨料水射流抛光技术的研究现状

磨料水射流抛光是新出现的一种精密加工技术。本文综述了国内外学者对磨料水射流抛光技术的研究情况，介绍了磨料水射流抛光机理和各工艺参数对抛光效果的影响，指出了目前磨料水射流抛光加工中存在的问题。     

磨料射流表面抛光研究综述

作为精密超精密光学制造工艺过程中的一个重要环节,各种新型表面抛光方法与工艺始终吸引着科研人员不断深入研究与探索。磨料射流抛光方法为小型复杂零件的表面抛光提供了一个新思路,成为精密超精密光学加工技术的重要组成部分。对磨料射流表面抛光过程中衍生的磨料水射流抛光、磁射流抛光、负压吸流抛光、磨料气射流抛光、冰粒水射流抛光、纳米胶体射流抛光的抛光原理、方法及特点进行了综述,分析了各射流表面抛光技术材料去除的最新发展;从加工原理、磨料选择、抛光精度、数学模型等方面对上述新型射流抛光技术进行深入分析与比较,其中磁射流抛光、纳米胶体射流抛光、磨料水射流抛光的抛光精度较高,可以实现表面粗糙度纳米级的超精密抛光,而磨料气射流抛光、冰粒射流抛光从加工成本上来讲则相对较低。最后,对磨料射流表面抛光在去除函数优化、精度效率的提高、应用范围扩展、在线检测、商业化应用等方面的发展趋势进行了预测。     

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。     

一种磨料水射流试验工作台的研制

介绍了磨料水射流试验工作台的系统组成及其工作原理，通过分析磨料水射流加工的工作机理给出了喷射系统的结构及部分参数。试验表明，通过调整工艺参数，本磨料水射流试验工作台可对材料进行表面抛光、去毛刺、清洗、剥层、切割等加工和实验。     

微磨料水射流抛光硅片的实验研究

采用微磨料水射流对硅片进行抛光实验研究。根据后混合磨料水射流原理,通过设计实验,在选取合适磨粒直径和其他参数的条件下,采用微磨料水射流对硬脆性材料的表面进行抛光是完全可行的。并以正交试验设计为依据,分析在抛光硅片过程中,微磨料水射流主要加工工艺参数对表面粗糙度的影响。通过分析该实验结果的相关指标,可知抛光效果较好,因此用微磨料水射流对硅片的抛光是可行的。     

高压磨料水射流加工中材料去除机理研究

本文根据脆、塑性断裂理论,通过高压纯水射流和磨料水射流对石材冲蚀试验,对冲蚀凹坑成型机理进行了研究。结果表明,高压纯水射流只有不发散的中心射流对材料具有去除作用。高压磨料水射流对材料表面冲击时形成"倒钟"型孔,材料去除机理是在成穴力、剪切应力和水楔的共同作用下,以脆性和塑性断裂方式实现去除。磨料水射流对材料的冲蚀区分为中心射流区、成穴区和喷砂区,材料的主要体积去除量处在成穴区。磨料水射流加工孔的直径和深度随靶距的增加而增加。磨料水射流从射流中心沿径向至射流边缘流速逐渐降低,磨料浓度逐渐增大,但射流能量最高的部位既不在射流中心也不在磨粒集中的射流边缘,而是在成穴区。     

磨料射流铣削工艺参数优化

目的对表面粗糙度和材料去除率作为输出参数的磨料水射流铣削45#钢过程进行研究,旨在寻找最优加工参数。方法对射流去除材料机理进行了分析,设计并进行了以磨料粒度、射流压力、横向进给距离、靶距为加工工艺参数的田氏正交实验。采用Minitab对不同实验参数组合下磨料水射流加工45#钢的表面粗糙度、材料去除效率进行了数据分析,并从材料去除机理方面,对4种加工工艺参数对于铣削表面质量和材料去除效率的影响程度和影响趋势,以及各因素之间的交互作用进行了分析。结果对射流铣削面表面粗糙度影响较显著的因素是横向进给距离,射流压力次之;对于材料去除效率,磨料粒径的影响最显著,横向进给距离次之。结论综合材料去除效率和表面粗糙度值,选出最优加工参数:磨料粒径2000目,射流压力120~160 MPa,喷嘴横移距离1.0~1.5 mm,靶距约30 mm。     

磨料射流加工技术的发展与研究现状

与其他加工技术相比,磨料射流因具有无热损伤、高柔性、材料适用性强等特点,一直是国内外学者研究的热点。近年来,磨料射流被广泛用在微切割、微流道制备、表面抛光等领域,其发展趋势已经由宏观尺度向微观尺度转变,由粗加工向精加工转变。从射流的本质或根源来看,传统技术主要分为(磨料)水射流、浆体射流和磨料气射流。首先对上述各射流技术的发展背景、工作原理进行了综述。此外,还介绍了最近出现的多相射流和高压浆体射流等新技术。面对复杂的应用需求,如何挑选出合适的射流技术是一个难题。鉴于此,对各磨料射流技术的射流速度、工作压力、射流束直径、侵蚀轮廓和加工机理进行了深入分析和比较。最后对各磨料射流技术在微流道制备和表面光整加工等领域的应用情况以及存在的问题进行了论述,并详述了多相射流和浆体射流在表面抛光方面的优缺点。结果表明,磨料气射流拥有低压高速的优点,可以快速地去除材料。磨料气射流的缺点是射流易发散,需要结合掩模制备微流道。目前,掩模磨料气射流能加工宽度低至10 μm的微流道。浆体射流和磨料水射流的射流束直径已经可低至50 μm,能直接在表面刻蚀出大于50 μm的微流道。抛光应用中,浆体射流的材料去除率远低于磨料气射流,但表面粗糙度要好。考虑到两者的优点,多相射流试图在磨料气射流和浆体射流之间建立一个桥梁。同时,与浆体射流的W形侵蚀轮廓相比,多相射流的U形侵蚀轮廓更有利于表面抛光。     

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,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.     

固结磨料抛光垫的凸起图案对其加工性能的影响

抛光垫是化学机械抛光中的重要组成部分,其磨损均匀性能是影响加工后工件平面度的重要因素。本文比较了具有优化凸起图案的固结磨料抛光垫、凸起均布的固结磨料抛光垫和聚氨酯抛光垫的研磨抛光性能,结果表明:利用优化凸起图案的固结磨料抛光垫加工,可以得到更加优异且稳定的表面质量,材料去除效率远高于聚氨脂抛光垫游离磨料的加工方式。     

固结磨料研磨与抛光的研究现状与展望

分析了传统游离磨料研磨抛光存在的缺点和固结磨料的研磨抛光的优点;阐述了固结磨料研磨抛光的材料去除机制以及固结磨料研磨盘抛光技术在氮化硅陶瓷加工、半导体制程中的应用;介绍了多种固结磨料研磨盘、抛光垫的制作方法;并展望了固结磨料的研磨抛光的发展趋势。     

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10 μm～100 μm之间,较常规磨料水射流直径(500 μm～1200 μm)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.     

高压水射流切割技术原理和应用前景

论述了水射流切割(含磨料水射流)技术的实施原理、系统组成、水射流结构、材料去除机理及主要切割参数和切割效能,介绍了其特点和应用范围。针对国内外水射流技术现状,指明了待解决的关键技术问题和研究势态。     

动态磁场集群磁流变抛光加工机理及试验研究

基于动态磁场集群磁流变平面抛光的加工机理以及动态磁场作用机理,对单晶硅基片进行动态磁场集群磁流变抛光试验研究。结果表明:动态磁场能使畸变的抛光垫实时自修复,磨料具有频繁的动态行为,克服了静态磁场作用下抛光垫变形难恢复且磨料堆聚的缺点,使材料去除过程稳定,抛光效果较好;在动态磁场作用下,不同抛光方式的加工效果也不同;在多工件同步抛光中,大尺寸的工具头高速自转使工件表面有更高的线速度,磨料对单晶硅表面缺陷去除作用更强。经过5 h抛光,硅片表面粗糙度R_a由0.48 μm下降到3.3 nm,获得超光滑表面。      

冰粒水射流表面抛光实验研究

对冰粒水射流抛光进行实验研究。在选取合适冰粒直径和其他参数的条件下,根据后混合磨料水射流原理,用冰粒水射流对硬脆性材料的表面进行抛光。选用的抛光试件为未经过热处理的45钢,抛光喷嘴内径为3.175 mm,冰粒直径为0.5～2 mm,冰粒贮存温度为-20～-50℃。设计正交试验,分析冰粒水射流抛光过程中,主要加工工艺参数对表面粗糙度的影响。结果表明:冰粒水射流完全可以达到抛光功用;靶距是影响抛光效果的主要因素。     

高压水射流切割技术原理和应用前景

论述了水射流切割（含磨料水射流）技术的实施原理，系统组成、水射流结构、材料去除机理及主要切割参数和切割效能，介绍了其特点和应用范围，针对国内外水射流技术现状，指明了待解决的关键技术问题和研究势态。     

磨料水射流喷嘴收缩段锥角对磨料粒子混合程度的影响

介绍了磨料水射流的起源、用途、特点及抛光原理,针对混合腔内磨料粒子与高压水束混合不均匀而影响抛光表面质量及磨料砂管使用寿命的缺陷,通过对磨料水射流切割喷嘴结构的研究,建立了对称双管供料喷嘴几何模型,并运用CFD软件对喷嘴内部流场进行仿真研究,分析了喷嘴收缩段锥角对磨料粒子和高压水束混合均匀程度的影响。研究结果表明:选择30°和45°的收缩段锥角有利于延长砂管使用寿命及提高磨料粒子与水射流的均匀混合,从而在抛光加工中提高工件表面质量。     

超声辅助微细磨料水射流冲蚀K9玻璃的实验研究

目的 提高微细磨料水射流对硬脆材料的加工能力,改善加工表面的形貌和质量.方法 引入超声振动作为辅助手段,使工件在垂直于加工表面方向作小振幅超声频振动.以K9玻璃为加工对象,利用自主设计搭建的超声辅助微细磨料水射流加工装置进行微孔冲蚀加工实验,并以无超声振动时的微孔加工实验作为对照.借助超景深三维显微镜对各实验条件下所加工的微孔进行观测,获取其尺寸和截面轮廓数据,研究超声振动对微孔尺寸、形貌的影响.结果 微孔的深度和顶部直径与射流压力的大小和加工时间的长短呈正相关.超声振动的引入,显著增加了微孔的深度,实验中深度的最大增幅达54.6％,但微孔顶部直径略有减小,最大降幅为8.2％,总体的材料去除量有所提升.塑性冲蚀作用主导了材料的去除过程,微孔的截面呈典型的"W"形.在引入超声振动后,"W"形截面形貌得到了改善,微孔中心凸起部分的材料得到更多的去除,底面平坦程度得到提升.结论 超声振动的引入增强了微细磨料水射流对K9玻璃的冲蚀性能,超声辅助微细磨料水射流加工技术可以实现对K9玻璃等硬脆材料的高质量、高效率加工.     

超声辅助微细磨料水射流加工装置的研制及实验研究

为了提高磨料水射流的加工性能,设计了超声辅助微细磨料水射流加工系统,磨料供给采用前混合方式。超声喷嘴装置是该系统的关键,并研究了其加工机理,利用超声振动产生具有空化效应的脉冲水射流,通过脉冲射流的高强度动压力作用和空化作用以提高磨料水射流的加工能力。变幅杆是超声装置的核心部件,通过有限元分析验证变幅杆的性能,确保变幅杆能够有效且准确地工作。冲蚀实验证明:超声振动作用可以提高冲击力及材料去除率。然而,随着振幅的增加,表面质量下降。