（机械制造及其自动化专业论文）精密磨料气射流抛光技术研究.pdf

摘要 精密磨料气射流抛光技术研究+ 摘要 磨料气射流加工技术具有工艺适应性强，没有热影响，加工成本低等优点， 是加工硬脆难加工材料的理想加工技术。目前有关磨料气射流精密抛光技术的研 究较少。因此本文通过磨料气射流抛光石英和k d p 材料，研究了磨料气射流抛光 机理和抛光性能，这对于解决硬脆难加工材料的精密加工问题及磨料气射流抛光 技术的推广和应用都具有十分重要的理论指导意义。 实验研究了抛光工艺参数对表面粗糙度的影响。结果表明，石英抛光后的表 面粗糙度随气射流压力的增大而先减小后增大，随喷嘴移动速度和冲蚀角度的增 大而增大，随靶距和磨料流量的增大而先增大后减小。抛光表面形貌质量随气射 流压力的增大而先变好后变差，随喷嘴移动速度、靶距、磨料流量和冲蚀角度的 降低而变好。利用回归分析，得出了各抛光工艺参数与表面粗糙度的经验公式。 研究了磨料气射流抛光石英和k d p 材料时的性能。结果表明，各抛光工艺参 数对磨料气射流抛光石英效果的影响从大到小为气射流压力、冲击角度、靶距、 磨料流量和喷嘴移动速度，抛光k d p 效果的影响从大到小为靶距、气射流压力和 喷嘴移动速度，得出了在所选参数范围内最优抛光工艺参数组合，利用回归分析 建立了磨料气射流抛光石英和k d p 表面粗糙度经验模型。 研究了磨料气射流加工硬脆材料时的冲蚀机理，分析了硬脆材料脆塑转变冲 蚀动能临界条件。在磨料气射流加工中降低磨料粒子的冲蚀动能，可使材料的去 除机理为塑性剪切冲蚀，利用磨料气射流抛光技术可以获得较好的表面质量。 研究了磨料气射流抛光石英时的冲蚀机理。结果表明，抛光材料去除存在脆 塑转变机理。在冲蚀动能较低时，工件材料发生塑性剪切冲蚀，不会产生磨料硬 损伤，可以实现对材料的少无损伤精密抛光，提高表面加工质量。 建立了磨料气射流单次抛光时表面粗糙度理论模型。假设磨料气射流单次抛 光所形成的表面轮廓为锯齿形，利用塑性冲蚀理论，建立了单次抛光时表面粗糙 本研究得到了中国博士后科学基金( 2 0 0 8 0 4 3 1 2 1 1 ) 和教育部博士点基金新教师项目 ( 2 0 0 8 0 4 2 2 1 0 4 6 ) 资助 v i j 东大学硕十学位论文 度理论模型，并进行了实验验证。 关键词：磨料气射流) j n q - ；硬脆材料；抛光；表面粗糙度模型 v i a s t u d y 。np r e c i s i o na b r a s i v e a i r j e tp 。l i s h i n gt e c h n 。l 。g y a b s t r a c t a b r 邪i v ea i 巧吼m a c h i n i n gh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hm a c h i n i n g v e r s a t i l i t 、y a l m o s tn oh e a tg e n e r a t e da n dl o w m a c h i n i n gc o s t s oi ti sav e 秒i d e a lt e c h n 0 1 0 9 yt 0 m a c m n eh a r d - b r i t t l em a t e r i a l s h o w e v e r , t h e r ei sa f e wo f s t u d yo np r e c i s i o np o l i s h i n g t e c h n o l o g yo fa b r a s i v ea i r j e tm a c h i n i n g t h e r e f o r e ，i nt h i s t h e s i s ，t h ep o l i s l l i n g p e 付0 册加c e 锄d t h ee r o s i o nm e c h a n i s m so fa b r a s i v ea i r j e tm a c h i n i n g i si n v e s t i g a t e d o np o l i s h i n g q u a r t za n dk d p t h i sr e s e a r c hw i l lp r o v i da ne f f e c t i v ep r e c i s i o n m a c h i n i n g t e c h n o l o g yf o rh a r d - b r i t t l em a t e r i a l s ，a n d p r o m o tt h ea p p l i c a t i o no fa b r a s i v ej e t jn ee 挝to fv 撕o u sp r o c e s sv a r i a b l e s o i lt h es u r f a c er o u g h n e s sa f e 殴u d i e d b y e x p e n m e n t s t h er e s u i t ss h o wt h a tt h ep o l i s h e dq u a r t zs u r f a c e r o u g l l l l e s sf i r s td e c r c a s e s w i m 锄i n c r e a s ei n 蛳e i p r e s s u r e , a n dt h e ni n c r e a s e s a n d 此p o l i s h e dq u a r t z 蛐c e r o u g h n e s s1 n c 嬲e s 谢廿la l li n c r e a s ei nn o z z l et r a v e r s es p e e da n d i n c i d e n c e 粕9 1 e ，a n d 士1 r s t1 n c 嬲e sw i ma ni n c r e a s ei n s t a n d o f fd i s t a n c ea n da b r a s i v e 矗o wr a t e ，a n dt h e n d e c r e a s e s t h ep o l i s h e ds u r f a c em o r p h o l o g y q u a l i t yo fq u a r t zi sb e c o r n i n gf i r s t l yb e t t e r m ma n1 n c r e 髂ei n 钔r j e tp r e s s u r ea n d t h e nb e c o m i n gw o r s e ，a n da l s oi sb e c o r n i n gb e 骶r w i t ha nd e c r e a s ei nn o z z l et r a v e r s es p e e d ，s t a n d o f f d i s t a l l c e ，a b r a s i v ef l o w 娥a n d l n c l d e n c ea n 9 1 e t h ep r e d i c t i v em o d e l sf o rs u r f a c e r o u g h n e s sr e l a t e dt 0 涮o u sp r o c e s s 1n ep o l i s h i n gp e 墒册a 1 1 c eo f q u a r t za n dk d pw i t ha b r a s i v ea i r j e tm a c h i n i n gi s s t u d l e db y 懿p 翻m e n t s i ti ss h o w nt h a tt h ee f f e c to r d e ro f p r o c e s sv a r i a b l e s0 nt h e p o i i s h e dq u a n z 州瓶r o u g h n e s si s a i o e tp r e s s u r e ，i n c i d e n c ea n g l e ，s t a n d o f fd i s 劬c e a b r a s l v ef l o wr a t e a n dt h en o z z l et r a v e r s es p e e d t h e e f f e c to r d e ro f p r o c e s sv a r i a b l e s o nt h ep o l i s b e dk d ps u r f a c er o u g h n e s si s s t a n d o f fd i s t a i l c e ，a i r j e tp r e s s u r ea 1 1 d t h e n o z z l e 昀螂es p e e d m o s ts u p e r i o re x p e r i m e n t a le o m b i n a t i o ni n c h o s i n gp r o c e s s p 删m e t e r s1 s0 b t a i n e d ，a n dt h ep r e d i c t i v em o d e l sf o rt h ep o l i s h e d q u 讹a n dk d p s u 订k er o u g h n e s sa lee s t a b l i s h e d b yr e g r e s s i o na i i a l y s i s s u p p o r t e db yc h i n ap o s t - d o c t o r a t e f o u n d a t i o n ( n o 2 0 0 8 0 4 31211 )f o u n d a t i o no f m i n i s t r yo f e d u c a t i o no f c h i n a ( 2 0 0 8 0 4 2 2 i 0 4 6 1 v i l 山东火学硕十学位论文 鲁量皇i 一；一i i i ii 鼍曼皇! 詈詈皇詈! 曼詈! 蔓皇皇皇篁! ! 寰! 皇曼 t h ee r o s i o nm e c h a n i s m so fa b r a s i v ea i r j e tm a c h i n i n gi si n v e s t i g a t e d ，a n d e f f e c t i v ee r o s i o nk i n e t i ce n e r g ym o d e l so fs i n g l ea b r a s i v ep a r t i c l ei nf r a c t u r ee r o s i o n a n dd u c t i l ee r o s i o ni sa n a l y z e d i ft h ee r o s i o nk i n e t i ce n e r g yi sr e d u c e d ，t h ee r o s i o ni s f o r m e di nt h ed u c t i l ee r o s i o nm e c h a n i s ma n dt h eg o o ds u r f a c eq u a l i t yc a nb eo b t a i n e d a s t u d yo nt h ee r o s i o nm e c h a n i s m so fa b r a s i v ea i r j e tp o l i s h i n gf o rh a r d - b r i t t l e q u a r t zi sc o n d u c t e d i ti ss h o w nt h a tb r i t t l e d u c t i l et r a n s i t i o nm e c h a n i s m so fp o l i s h i n g q u a r t zm a t e r i a l sw i t ha b r a s i v ea i r j e td oe x i s t u n d e rl o w e re r o s i o nk i n e t i ce n e r g y c o n d i t i o n s ，t h ed u c t i l ee r o s i o no c c u r sw i t h o u ts c r a t c hd a m a g ei nm a t e r i a l s ot h e p r e c i s i o na b r a s i v ea i r j e tp o l i s h i n gt e c h n o l o g yi sap r o m i s i n gt e c h n i q u eo nm a c h i n i n g h a r d b r i t t l em a t e d a l s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h es u r f a c er o u g h n e s sp o l i s h e dw i t ha b r a s i v ea i r j e t f o ro n es i n g l e - p a s si se s t a b l i s h e d t h ep o l i s h e dp r o f i l eo fas i n g l e p a s sp o l i s h i n go ft h e j e tc a nb eb u i l ta saf o r mo fz i g z a g t h e r e f o r e ，t h e s u r f a c er o u g h n e s sm o d e li s e s t a b l i s h e du s i n gt h ed u c t i l ee r o s i o nm e c h a n i s ma n dv e r i f i e de x p e r i m e n t a l l y k e yw o r d s ：a b r a s i v ea i r j e tm a c h i n i n g ，h a r d - b r i t t l em a t e r i a l ，p o l i s h i n g ，m o d e l o f s u r f a c er o u g h n e s s v i l i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 盥j 盎血 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：姓导师签名- 亟叁日期：之墨堡乡 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 磨料气射流加工技术概论 随着科技的发展，玻璃、陶瓷、硅片等硬脆性材料在生产中的应用越来越广 泛。而这些难加工材料具有高硬度、高脆性及高熔点等特点，目前现有的加工技 术不能满足其加工效率、加工精度和加工质量等方面的要求。例如：激光切割会 在工件上产生缺陷和热变形，限制了它的应用范围；常用的超声波加工、研磨和 抛光技术加工效率和精度不足；化学和电化学加工过程对环境有污染。为了加工 这些难加工材料，人们研究开发了许多新型加工技术，磨料气射流加工就是其中 之一。 磨料气射流加工( a b r a s i v ea i r j e tm a c h i n i n g ) 是在喷砂馈丸加工工艺基础上 发展起来的，它是利用磨料与空气或其他气体混合而成的高速喷射流，通过专门 设计的喷嘴射向工件，依靠磨料的高速冲击而实现对工件表面去除材料和修饰加 工的一种方法【1 瑚。 磨料气射流加工特别适合于对高硬度金属材料和和高脆性非金属材料的局部 加工，如对硅、锗、玻璃、陶瓷和云母等材料上的窄槽等结构形状的局部加工。 其加工尺寸精度达到十微米级，介于微米级的磨削、蚀刻和百微米级的切削、放 电加工之间。但其对脆性材料具有的高效率加工性能和对复杂形状结构的加工优 势是磨削、蚀刻和放电加工等工艺方法所不能及的，但会在工件已加工表面残留 有少量磨料，加工出的孔和槽壁会存在一定锥度【4 】。 磨料气射流加工与喷砂加工有很多相似之处，但也有根本区别，主要表现在 以下三个方面1 5 j ： ( 1 ) 喷砂加工的主要用途是清理工件表面等没有精度要求的粗加工；磨料气 射流加工可以对材料进行尺寸精度达到0 0 l 微米的精加工。 ( 2 ) 喷砂加工使用的磨粒比较粗，磨粒均匀性没有严格要求；磨料气射流加 工使用4 5 0 微米直径的均匀微细磨料。 ( 3 ) 喷砂加工使用较大直径的喷嘴( 一般大于3 毫米) ；磨料气射流加工可 以使用小到0 1 毫米孔径的喷嘴，能使磨料聚焦到较小的加工点。 i 【j 东大学硕十学何论文 1 1 1 磨料气射流加工工艺方法及加工装置 1 1 1 1 磨料气射流加工工艺方法 磨料气射流加工方法主要有掩膜保护加工和直接加工两种。 对于掩膜保护加工( 见图1 1 ) 方法，首先在工件表面涂敷一层感光胶等作为 覆盖层，然后通过紫外光成像系统产生曝光图案，碱液清洗形成裸露的待加工的 图案；然后用磨料气射流加工裸露图案；最后清理掩膜层完成对工件表面的加工。 影响掩膜加工精度的因素包括掩膜层厚度、图案形成工艺等，但与磨料喷嘴内径 无关，因而可使用较大内径喷嘴。用该方法加工图案的深度受到较大限制，一般 用于加工浅而阔的平面图案。根据所需的加工精度、成本和可控性，常用的掩模 材料由感光胶片、金属膜、印刷膜。感光胶片如负性抗蚀膜和聚酰亚胺树脂材料 用于大面积加工，且适合加工非常微细和精确的结构，其分辨率和膜厚相关；表 面蚀刻的薄不锈钢板和电镀镍板常用作金属膜，尽管它们的抗冲蚀性很好，但由 于在加工过程中容易变形及受限于加工微细图样，只能用在某些特定场合；便宜 的印刷膜由于加工精度低，常用于玻璃加工等。电镀铜板结合了金属的低冲蚀率 和平版印刷工艺的高分辨率，非常适合进行深而精确的喷砂加工l 。7 1 。 直接加工( 见图1 2 ) 方法则是通过细小的磨料喷嘴直接加工出图案而无需掩 膜保护，具有效率高等特点。该方法不但可以加工平面图案，而且还可以加工深 度很大的形状构件，用于制作微构件，其加工精度决定于磨料束的直径。 卧 2 图1 2 直接加i t 6 】 磨料气射流加工装置主要由供气系统、干燥系统、磨料供给系统、喷砂设备、 嘴 = 喷 = 第一章绪论 除尘装置和控制系统等组成，如图1 3 所示。供气系统的作用是给系统提供气源， 所用气体可以为空气、氮气或二氧化碳等气体，气体压力一般在0 2 2 5 m p a 之间。 干燥系统用来去除气流中的水分，湿度过大会使磨料粘成团块而影响其成为磨料 流，所以空气要通过干燥系统干燥后才能与磨料混合。磨料供给系统输送磨料与 气射流混合，通过喷砂设备喷向待加工工件。除尘装置用来去除加工中产生的灰 尘，控制系统控制喷嘴的运动轨迹。 图1 3 磨料气射流加工设备示意图 1 1 2 磨料气射流加工技术的优缺点 与传统加工方法相比，磨料气射流加工具有以下优点： ( 1 ) 加工范围广，既能加工各种金属材料，也能加工陶瓷、玻璃、高分子聚 合物等非金属材料。 ( 2 ) 适应性好，只要高压气流束能直接达到的地方，都可以用磨料气射流进 行加工，特别适合表面形状复杂的工件。 ( 3 ) 加工表面质量好，j n 3 ：残余应力及热影响较小，因此适合于加工热敏、 压敏、脆性、塑性和复合型等各种性质的材料，而且具有独特的加工效果和显著 的经济效益。 ( 4 ) 磨料气射流加工装置结构简单，制造成本低。喷嘴可以由人工或机械手 【ij 东大学硕十学位论文 操作移动，加工安全方便。 磨料气射流加工具有加工精度低，加工环境差，容易对环境造成污染等缺点。 1 1 3 磨料气射流技术的应用领域 与传统的加工方法相比，磨料喷射加工具有适用性和通用性好，结构简单、 成本低，加工过程不产生热损伤，加工表面粗糙度均匀等优点，被广泛应有于航 空、机械、电子、纺织、兵器、轻工、医疗器械、模具、工艺品、玻璃装饰和陶 瓷等方面。主要应用领域包括【8 】： ( 1 ) 表面清除加工：金属氧化层或热处理后黑皮、表面细孔、金属或非金属 表面污锈清除，陶瓷表面黑点及着色去除或彩绘再生，橡胶模及重力压铸模氧化 层、残渣或脱模剂去除。 ( 2 ) 表面美化加工：各种金属制品装饰加工及电镀品消光及柔光雾面处理， 以及非金属制品如玻璃、水晶玻璃等表面雾化处理。 ( 3 ) 前处理加工：电镀、喷漆、金属喷焊和镀钛等前处理及增加表面附着力。 ( 4 ) 刻蚀加工：贵金属饰品、宝石、玻璃、石材、石头印章、陶瓷、木材等 表面修饰处理。 ( 5 ) 医疗航空器械的清洁消毒及航空零件的应力消除。 ( 6 ) 电子零件加工：电子线路板去毛刺，硅晶片刻蚀加工，陶瓷电热材料清 洁等。 ( 7 ) 模具加工：导电橡胶模、轮胎模和电子产品模具的清洁及雾面处理。 近年来，磨料气射流加工已经在脆性材料的局部切除和三维结构创成等领域 得到较好的应用，用磨料气射流加工可以很容易地在单晶硅片上加工出窄槽和小 孔，能高效率地加工薄而脆的材料，并且在工件切口处不产生微小裂痕。用磨料 气射流可以容易地在玻璃镜片和光学镜头上雕刻代码，在大面积平面玻璃显示屏 上经济地加工出每平方米近百万个毫米尺寸的小孔【9 j 。 除此之外，磨料气射流加工应用于微机电系统构件的加工，可以生产数毫米 大小的应用在电泳和惯量传感器( i n e r t i a ls e n s o r s ) 中的玻璃微芯片装置，惯量传 感器微构件等。用磨料气射流微细加工方法加工惯量传感器构件，可以达n 5 0 0 m 4 第一章绪论 以下线宽，蚀刻率至1 l m m m i n ，远远高于其他加工方法【1 0 ，1 1 1 。 1 2 磨料气射流加工技术的研究现状 作为一种新型的加工技术，磨料气射流加工技术已经越来越多地引起人们的 重视。现在很多学者对磨料气射流的加工性能、加工机理及应用技术进行了大量 研究。 1 2 1 磨料气射流加工机理研究现状 1 2 1 1 磨料气射流塑性去除理论 磨料气射流塑性去除理论主要有微切削理论、切削变形理论、挤压理论等。 f i n n i e 1 2 1 1 9 5 8 年首先提出塑性材料的切削理论，他认为磨粒如一把微型刀具， 当它划过靶材表面时，便把材料切除而产生磨损。该模型假设一颗多角形磨粒， 质量为m ，以一定速度v 、冲蚀角n 冲击到靶材表面，由理论分析得出冲蚀磨损量y 随冲蚀角仅变化的表达式为： y = 老孚( 口) m 1 ) i s i n2 a 一3s i n 2a ( a 1 8 5 。) 八小t 孚”m 叫 “。2 ) 式中，p 一靶材流动应力，肛常数。 经实验验证，式( 1 1 ) 很好地解释了塑性材料在多角形磨粒、低冲击角下的 磨损规律。但对于塑性不很典型的一般工程材料、脆性材料、非多角形磨粒( 球 形磨粒) 、冲蚀角较大( 特别是冲蚀角a - - 9 0 0 ) 的冲蚀磨损则存在较大的误差。并 且，粒子入射速度与靶材磨损体积之间不是严格的二次方关系，其指数应为2 2 2 4 f 1 2 】。 b i t t e r 1 3 l 提出冲蚀磨损可以分为变形磨损和切削磨损两部分，他认为，在9 0 0 冲蚀角下的冲蚀磨损与粒子冲击时靶材的变形有关，冲蚀破坏是力学因素造成的， 存在亚表面层裂纹成核长大及屑片脱离母体的过程。他从能量平衡的观点出发， 通过对冲蚀磨损中粒子冲入和挤出两个阶段的能量分析，分别推导出变形磨损量 5 山东人学硕十学位论文 和切削磨损量与冲蚀磨粒质量从磨粒速度1 ，、冲蚀角n 、变形磨损系数e 、切 削磨损系数q 之间的代数关系式，总冲蚀磨损量为两者之和。 = m ( v s i na k 2 ) 2 s ( 1 3 ) w c = = 鼍篙芦 v s i n a - 一q h ， ( a ad ) = 老 y 2 c 口吨( v 砌a k ) ( a 嘞) 式中，a o - 当w c l = w c 时的冲蚀角，c 、聊局一常数。 该理论在单颗粒冲蚀磨损实验机上得到验证，合理地解释了塑性材料的冲蚀 现象，但缺乏物理模型的支持。 l e v y 等【1 4 】使用分步冲蚀实验法和单颗粒寻迹法研究了冲蚀磨损的动态过程。 结果表明，无论是大角度( 9 0 0 ) 还是小角度冲蚀磨损，由于磨粒的不断冲击，使 靶材表面材料不断地受到挤压，产生小的、薄的、高度变形的唇片。形成唇片的 大应变，出现在很薄的表面层中，该表面层由于绝热剪切变形而被加热到( 接近 于) 金属的退火温度，于是形成一个软的表面层。其下面有一个由于材料塑性变 形而产生的加工硬化区。这个硬的次表层一旦形成，将会对表面层唇片的形成起 促进作用。在反复的冲击和挤压变形作用下，靶材表面形成的唇片将从材料表面 上剥落下来。该理论较好地解释了显微切削模型难以解释的现象，是当前塑性材 料冲击磨损中一种很有前途的理论，得到了许多研究者的赞同和证实。 t i l l y 1 5 】用高速摄影术、电子显微镜以及筛分法研究了磨粒断裂对塑性材料冲 蚀的影响，提出了二次冲蚀模型。该模型认为，磨料粒子在冲击过程中会出现碎 裂，其碎裂程度与粒度、速度及冲蚀角度有关。当粒子冲蚀角度较小或入射速度 很小时，不出现冲蚀或仅出现一次冲蚀；只有粒径足够大、速度足够大时，冲击 中的粒子碎裂才导致第二次冲蚀。材料的总冲蚀量应为第一次冲蚀和第二次冲蚀 之和。 综上所述，微切削理论着重于低冲击角冲蚀磨损的切削作用，变形磨损理论 着重于不同冲击角冲击靶材时的两种变形过程及能量变化分析，挤压理论着重于 6 第一章绪论 大冲击角的冲蚀磨损。塑性去除机理对硬脆材料的延性域冲蚀加工具有一定的参 考意义。但由于硬脆材料的延性域去除涉及到材料微量去除过程，而以上去除机 理模型是建立在宏观连续体力学基础上的，因此在分析硬脆材料的微观延性域去 除过程时，其理论误差会表现的比较突出。 1 2 1 2 磨料气射流脆性去除理论 磨料气射流脆性材料的冲蚀去除理论大多基于压痕断裂力学的理论，主要有 弹性理论、弹塑性理论、磨粒喷射理论等。 1 9 7 9 年，e v a n s t j 6 j 等提出了弹塑性压痕破裂理论，该理论认为，压痕区域下形 成了弹性变形区，在持续载荷的作用下，中间裂纹从弹性区向下扩展，形成径向 裂纹。同时，当最初的载荷超过中间裂纹的极限载荷时，即使没有持续载荷的作 用，材料内部的残余应力也会导致裂纹横向扩展。r i u e d l 7 1 注意到多晶氧化铝陶瓷 材料冲蚀的特点，认为多晶材料的去除是由于晶间断裂引起的。s p a u l i 博】等人提出 了一种弹塑性碰撞去除机理模型，认为球形磨料更容易在冲蚀过程中形成脆性断 裂，而带尖锐棱角的磨粒更适合于形成塑性去除。a w m o m b e r 1 9 】认为半脆性材料 的冲蚀方式依赖于材料在压缩载荷作用下对冲蚀能量的吸收能力，能量吸收能力 高的材料容易引起穿晶断裂，能量吸收能力低的材料容易引起晶间断裂。 z e n g 和k i m 2 0 ，2 1 1 通过s e m 观察发现，氧化铝陶瓷材料在冲蚀过程中既有塑性 流动去除也有脆性断裂，而以材料在冲击作用下产生的网状裂纹引起的晶间断裂 形式为主。基于磨粒冲击能量平衡的观点，提出了材料去除模型。z e n g 所建立的 模型基于冲击能量的平衡，考虑到材料对应力波的动态响应、塑性去除和脆性断 裂去除的共同作用。但在模型建立中没有考虑磨料粒子硬度、材料内部缺陷( 如 气孔等) 、磨料粒子碎裂等影响因素。因此，限制了该模型的应用范围。 大量实验证明，e v a n s 等人提出的弹塑性压痕破裂理论很好地反映了靶材和磨 粒对冲蚀磨损的影响，实验值和理论值较吻合，但不能解释脆性粒子以及高温下 刚性粒子对脆性材料的冲蚀行为。 1 2 2 磨料气射流加工应用研究现状 印度工学院机械系m r 。b a l a s u b r a m n i a m 教授捌对磨料气射流加工应用于表面 7 山东大学硕十学位论文 去毛刺时产生的边缘圆角半径大小进行了理论研究。结果表明，在磨料气射流加 工表面存在形如钟口的边缘半径，靶距是影响边缘半径大小的最重要因素。 g u l d e n 2 3 1 观察到氮化硅在被硅粒子( 相对较软) 冲击后，没有产生横向裂纹， 而用硬粒子冲击后则有横向裂纹，这种差异可能是由于软粒子不会在靶材表面发 生弹性流动，材料流失仅仅是没有二次变形的薄片机制造成的，这使得材料冲蚀 率较低。s h i p w a y 和董刚掣2 4 之5 】发现当磨料粒子与材料表面硬度比( h p h t ) 逐渐 减小到l 时，材料冲蚀率迅速降低，硬粒子冲蚀主要是弹塑性压痕机理所致，而 软粒子冲蚀则是薄片机制作用的结果。 m w a k u d a t 2 6 】对磨料气射流加工工程陶瓷的性能进行了研究，指出材料的断裂 韧度和硬度是影响材料去除率的最重要因素。陶瓷表面经磨料气射流加工后得到 的已加工表面具有较好的完整性，通过四点弯曲实验对工程陶瓷表面抛光样品和 微磨料气射流微细加工样品比较，没有发现两者之间的强度差异，即微磨料气射 流微细加工过程中材料没有明显损伤，因此磨料气射流加工技术可以实现对陶瓷 材料的少无损伤加工。 m i z a w a t 2 7 1 研究了用磨料气射流在平板上加工孔的应用。他在4 0 m m x 4 0 m m x o 3 m m 的氧化铝底板上加工出l m m x l m m 的盲方孔，方孔深为0 2 8 m m ，其精度为 士0 o l m m ，加工速度达到4 孔分钟；在8 0 m m x 8 0 m m 的陶瓷底板上加工后留下宽 0 5 m m 高l m m 的肋板，加工速度为l 片d x 时。在陶瓷材料上形成如此复杂的形状， 其他加工方法几乎是不可能的。 许多学者对磨料气射流在加工聚合物材料方面的应用进行了研究。z a h a v i l 2 8 】 指出石英聚酰胺、环氧树脂玻璃和石英聚丁二烯的最大冲蚀率出现在冲蚀角为 7 5 0 _ 9 0 0 时。b r a n d s t a d t e r 2 9 1 等人用不同粒度的氧化铝磨料冲蚀双马来酰亚胺树脂时 发现材料冲蚀去除率是磨料尺寸的一个函数，并且材料去除机理是脆性裂纹。 h g e t u 等人【3 0 】研究了用气射流加工有机玻璃( p l m a ) 的冲蚀率，发现当冲蚀角度 为2 5 0 时，材料的冲蚀率达到最大，p l m a 的冲蚀机理是塑性冲蚀机理。w a l l e y l 3 1 1 研究了聚丙烯的冲蚀机理，发现在不同的冲蚀条件下，聚丙烯的冲蚀机理是不同 的，在小冲蚀角度和较大的冲蚀速度下，聚丙烯同时出现了脆性断裂和塑性挤压 两种冲蚀情况。一般来说，热塑性塑料在冲蚀中更多的表现为塑性冲蚀，而热固 性塑料更多的表现为脆性冲蚀【3 2 】。 8 第一章绪论 许多学者研究了磨料气射流在改善e d m ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n e d ) 粗加 工表面方面的应用，研究发现，用磨料气射流可以去除e d m 粗加工所形成表面破 坏层，形成一个新的残余压应力表面层，并且降低工件的表面粗糙度【3 3 。3 5 1 。j u nq u l 3 6 】 研究了用微磨料射流改善e d m 粗加工的w c - c o l 件表面，使其平均表面粗糙度r a 从1 3 降到o 7 1 t m 。 1 3 抛光技术的研究现状 抛光技术又称镜面加工技术【3 7 1 ，是制造平坦且加工变形层较小，没有擦痕的 平面加工工艺。抛光不仅能增加工件的美观，而且能够改善材料表面的耐腐蚀性、 耐磨性及获得特殊性能，在电子设备、精密机械、仪器仪表、光学元件、医疗器 械等领域应用广泛。 抛光工艺主要分为传统机械抛光加工( 磨削、研磨、抛光和超精密加工) 、现 代抛光加工( 离子束抛光、激光束抛光、化学抛光、电化学抛光、磁粒光整加工、 超声波研磨、抛光等) 和复合非传统光整加工( 化学机械抛光、电化学超声波研 磨、电化学机械光整加工及其他复合光整加工) 等。目前，常用的表面抛光方法 有以下几种【3 引。 1 3 1 常用抛光方法 1 - 3 1 1 手工抛光 主要靠人工以抛光膏或抛光液作润滑，利用砂纸或油石在工件表面做往复运 动，利用摩擦原理去除工件表面凸起，提高工件精度和表面光洁度。适用于金属 材料和高分子材料工件的表面抛光，是我国模具行业抛光模具复杂型腔的主要方 法，但加工周期长，效率低，工人劳动强度较大。 1 3 1 2 机械抛光 靠切削、材料表面塑性变形去掉被抛光面的凸部而得到平滑面，主要包括机 械轮抛光、皮带抛光、滚筒抛光及振动抛光、超精研磨等。 ( 1 ) 机械轮抛光 将剪成圆形的布、呢、绒毛毡等数层重叠缝成车轮状，安装在抛光机轴上， 9 山东人学硕十学位论文 使其旋转而进行抛光的方法，仅用于光泽加工，无法保证工件尺寸。 ( 2 ) 皮带抛光 用附有研磨材料的皮带摩擦进行的抛光方法，所用的抛光研磨材料有2 种。 固相研磨材料是将磨粒细粉末与油脂混合，在常温下固化成型，做成便于使 用的棒状；油脂成分为硬脂酸、硬化油、牛油、石蜡、树蜡、金属肥皂、表面活 性剂等。液相研磨材料是脂肪酸、硬化油等油脂用水和乳化剂配制的液体中乳化， 然后放入氧化铁、氧化铬、氧化铝等粉末研磨材料作为均匀悬浮液。 ( 3 ) 滚筒抛光及振动抛光 将一定比例的工件、磨料与增光剂投放到滚筒或振动机中，迫使内部物体作 三维空间运动，由于各自形状、大小和质量不同，产生相对摩擦，工件表面和周 边毛刺就会被磨掉，棱角被倒圆，氧化皮被除掉，达到抛光的目的。与抛光轮相 比，因有锤打效果，光泽稍差，但较均匀。抛光后表面粗糙为r a o 8 - 3 1 1 t m 。 ( 4 ) 超精研磨 采用特制的磨具，在含有磨料的研磨液中，紧压在工件被加工面上，作高速 旋转运动，工件由工作台带动作纵向往复运动，使得磨具在工件表面形成极其复 杂、均匀而又细密的运动轨迹。由于该技术同时具有研磨、抛光和超精密加工的 特点，因此称为超精研抛光技术。利用该技术可以达到r a o 0 1 1 t m 的表面粗糙度， 是各种抛光方法中最好的。 机械抛光方法是现在生产中最常用的抛光方法。因为它是利用物理手段而使 表面平滑或光亮，因此会引起材料产生塑性变形层及组织变化层，会在工件表面 留下研磨材料或油脂等异物，必须经过特种除蜡处理，才能获得光亮清洁的表面。 1 3 1 3 电化学抛光 以被处理的金属零件为阳极，铝或其他材料作阴极，含有氧化剂或含氧酸及 其盐类的溶液为电解质溶液，作金属阳极化处理，使金属表面由于部分溶解而得 到微观平整，产生表面光泽的过程称为电化学抛光，也称电抛光。 电抛光时，工件接阳极。通电时工件表面会产生电阻率高的稠性粘膜，其厚 度在工件表面不均匀。表面微观凸出部分较薄，电流密度较大，金属溶解较快； 表面微观下凹处较厚，电流密度较小，金属溶解较慢。由于稠性粘膜和电流密度 分布的不均匀性，微观凸出部分尺寸减少较快，微观下凹处尺寸减少较慢，使工 1 0 第一章绪论 件表面粗糙度降低，从而达到抛光目的。 1 3 1 4 化学抛光 在一定溶液中，不用外接电源，依靠化学浸蚀作用完成抛光过程的工艺称为 化学抛光。与电抛光比较，化学抛光不用直流电源和导电工具；可抛光形状复杂 及各种尺寸的工件，生产效率高。但使用寿命短，溶液浓度保持稳定较困难。而 且，化学抛光往往析出一些有害气体，抛光质量比电抛光差。 化学抛光的核心问题是抛光液的配制。化学抛光液的基本组成包括腐蚀剂、 缓蚀剂和水。腐蚀剂起溶解作用：缓蚀剂抑制腐蚀过程，使产生光泽；水起稀释 作用，便于反应产物的扩散，并控制抛光过程。 1 3 1 5 超声抛光 超声抛光是利用超声频振动的工具冲击磨料，通过磨料对工件进行抛光的一 种方法。其加工原理是利用超声频振动的工具捶击被加工表面上的磨料，通过磨 料的作用把工件加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从工件表面上脱落下来，同 时磨料以高速高频研磨加工表面。超声抛光是磨粒在超声振动下的机械撞击和研 磨作用以及超声波空化作用的综合结果，其中磨料的撞击是主要的。 传统的抛光方法对一些硬脆材料及复杂曲面难以进行加工，为了生产的需要， 人们有必要研究一些新型的抛光方法，磨料气射流抛光就是其中之一。 1 3 2 磨料气射流抛光 磨料气射流抛光以冲蚀磨损理论为基础，利用粒子冲击材料表面，在材料表 面发生能量再分配( 能量交换) 。在粒子的冲击下，初始在材料表面产生弹性或 塑性变形，进而在材料不平表面的波峰处产生压应力，使微观不平处材料产生剪 切位移、塑性流动和材料流失，从而使材料表面不平度逐渐降低，最终达到磨削 抛光的目的。它是一种通过控制射流喷射压力、方向及驻留时间等参量来定量修 正加工工艺。 与传统的抛光技术相比，磨料气射流抛光技术的优点是：它的加工工具是流 动的磨料，不存在抛光盘磨损的问题，体积去除保持恒定，面型精度易于控制； 由于在加工过程中气射流连续加工，所以能保证抛光工件温度基本不变，同时还 山东大学硕十学位论文 能自动清除加工碎屑；适合于各种形状工件的抛光，抛光特性不受工件位置的影 响，应用范围较广。 1 4 本课题研究的目的、意义及主要研究内容 1 4 i 研究目的 本文从磨料气射流对硬脆材料的抛光实验分析入手，研究磨料气射流抛光中 各加工参数对抛光表面质量的影响，磨料气射流的抛光机理，磨料气射流的抛光 性能，以掌握影响磨料气射流抛光表面质量的主要控制因素，建立磨料气射流抛 光的数学模型，为制定磨料气射流抛光工艺提供理论指导，促进磨料气射流在抛 光领域的应用。 1 4 2 研究意义 磨料气射流加工技术是从传统的喷砂工艺发展而来的。随着各种相关技术的 成熟应用，磨料气射流加工的应用领域不断扩展，并由最初的粗加工逐步向高硬 高脆性材料的精密加工方向发展。开展磨料气射流抛光技术的研究，必将极大地 推动精密加工技术的发展。 虽然很多学者对磨料气射流加工技术进行了研究，但在磨料气射流抛光方面 的研究较少，其加工机理及相应技术有待进一步的研究。现在利用磨料气射流抛 光技术实现对硬脆材料的精密加工的研究刚刚起步，在这一领域投入更多地研究 是很有必要的。 1 4 3 主要研究内容 ( 1 ) 通过单因素实验，研究磨料气射流抛光中各抛光参数对抛光表面粗糙度 的影响。通过正交试验，优化气射流抛光工艺，并通过回归分析，建立磨料气射 流抛光表面粗糙度经验预测模型，为实际应用提供一定的理论指导。 ( 2 ) 从理论研究出发，分析磨料气射流对硬脆材料冲蚀加工的脆塑转变机理， 揭示磨料气射流抛光机理。 ( 3 ) 在理论分析和实验的基础上，建立磨料气射流抛光的表面粗糙度数学模 1 2 第一章绪论 型，为磨料气射流在抛光方面的应用提供理论支持。 山东大学硕十学位论文 第2 章磨料气射流抛光性能研究 石英材料是一种典型的脆性材料，由于它具有耐高温、耐腐蚀、绝缘、抗磨 等优点，被广泛应用于光学、电子、机械和生物等领域。随着科技的发展，对石 英材料进行精密微细加工的应用越来越广泛，但因其脆性大，加工时容易在已加 工表面形成脆性断裂损伤。k d p ( 磷酸二氢钾) 材料是2 0 世纪4 0 年代发展起来的 优质非线性光学晶体材料，已被广泛应用于激光技术中的变频、电光调制和快速 光开关等高科技领域，在航空航天、国防军工、信息技术、微电子及光电子等尖 端科学技术领域得到了广泛应用。然而k d p 晶体本身具有质软，易潮解，脆性高， 对温度变化敏感，易开裂等一系列不利于光学加工的特性，难以利用传统加工方 法进行加工。磨料气射流加工技术具有热影响小、加工力小等优点，可以实现对 传统加工方法难以加工材料的精密加工。 本章实验研究了精密磨料气射流抛光工艺参数对抛光表面质量的影响，研究 了石英和k d p 晶体材料的抛光性能，分析了磨料气射流抛光时主要工艺参数对表 面粗糙度的影响等级；在实验分析的基础上，运用多元正交回归分析方法，建立 了磨料气射流抛光石英和k d p 晶体材料的表面粗糙度经验预报模型，为磨料气射 流抛光工艺的推广应用提供实验依据。 2 1 精密磨料气射流单因素抛光实验研究 磨料气射流抛光加工技术为硬脆材料的精密加工提供了一个较好的加工方 法，其良好的加工表面质量能够减少加工工件的表面缺陷，降低摩擦磨损，从而 延长工件使用寿命。研究磨料气射流加工表面质量，对磨料气射流加工技术的推 广应用具有重要意义。本节利用单因素抛光实验，研究磨料气射流抛光工艺参数 对抛光表面粗糙度和表面形貌的影响，磨料气射流抛光加工的示意图如图2 1 所 示。 一 1 4 矍：薹璧坠兰彗堡篓垄堡璧竺圣 刊 圈2 - 】磨料气射流抛光加j 示意图 2 1 1 磨科气射流加工实验装置 磨料气射流加工装置主要由气源设备、空气过滤设各、喷砂设备和运动控制 装置等组成。 本实验中气源设备主要包括空气压缩机、储气罐和空气干燥机，如图2 - 2 所示。 空气压缩机是广东正力精密机械有限公司生产的o g f d 3 8 7 型号单螺杆空气压缩 机，其公称容积流量为3 8 m 3 m i n ，公称排气压力为0 7 m p a 。空气经压缩后进入储 气罐。因为从空气压缩机出来