微磨料水射流加工技术的发展-2007-07-11修改-发表版.doc

微磨料水射流加工技术的发展*程谟栋1 王成勇1 樊晶明1 徐晓东2（1.广东工业大学机电工程学院，广州 510090）（2.中科院广州能源研究所，广州 510640）摘要微磨料水射流的射流直径在10m-100 m之间，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进一步深入研究的工作。关键词 微磨料水射流；射流生成方式；射流装置 中图分类号 TH16Development of Micro Abrasive Water Jet Machining TechnologyChengModong1 Wang Chengyong1 Fan Jingming1 Xu Xiaodong2(1. Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, China）(2. Guangzhou Institute of Energy Conversion Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)Abstract Micro Abrasive Water Jet (MAWJ) works with the jet diameters from 10m to 100m. MAWJ retains the unique capabilities of the conventional abrasive water jet but at the micro level, particularly for machining hard material, and composite material, etc. Now the machining precision of MAWJ has approached the level of laser machining. The MAWJ generation methods, key technologies for designing MAWJ device, effects of the major process parameters on the cutting performance together with some examples of application are introduced and discussed. And the further research on MAWJ technology is proposed.Keywords Micro abrasive water jet; Water jet generation methods; Water jet equipments1 前言工业陶瓷、高性能复合材料等以其优良的性能越来越受到重视，微小机电系统、光电子元件及医疗器械对微细加工（包括精密切削和钻孔）的需求及其产值也在不断增长1-2。用于微细零件的材料，如工业陶瓷、光学玻璃、电子芯片、聚合物等，多具有高硬度、高脆性和高熔点等特点，使用激光等和其他传统的加工手段，难以实现良好的加工效率、精度和加工质量 3-5。微磨料射流技术通过磨料冲击磨蚀实现微去除可满足这一需求，并成为近10年来发展最快的特种加工技术之一。*广东省科技计划项目(2004B10201012)资助微磨料射流技术包括微磨料气射流技术（Micro Abrasive Jet Machining - MAJM）及微磨料水射流技术（Micro Abrasive Water Jet Machining - MAWJ）。微磨料气射流是以一定压力的空气运送的磨料流加工零件，特别适合脆性零件微成形、表面抛光去毛刺等加工。在微磨料气射流加工中由于加工的锥角大，不宜进行钻孔作业和大厚度切割；工件上容易造成磨料颗粒的沉积，也导致加工效率较低 6-8。微磨料水射流是在常规磨料水射流技术的基础上发展起来的一种全新的微型加工技术，常采用浆体射流、低压前混合射流和后混合射流，射流直径在10m-100m之间，比常规磨料水射流直径（500 -1200 m）小了一个数量级9。MAWJ保持了常规磨料水射流加工不改变材料的力学和物理性能、无热影响区、可加工范围广及切口质量好等优点，同时具有许多不同于常规磨料水射流的的功能和特点。微磨料水射流加工中，磨料尺寸更小，含量更低，切割速度和切深都比常规磨料水射流低，适合对微小零件进行精密钻孔、切割加工。2 研究现状总体上来看，MAWJ的研究尚处于起步阶段。目前国外有关MAWJ的研究工作主要集中在英国9-11、美国12、澳大利亚13-14、欧盟等15，。Miller、Hashish等对MAWJ的生成方式进行了研究和探索9-11,16，Miller、Wang Jun等都已设计出试验平台并进行了部分钻孔、切割等试验9-11,13-14。国内黄传真等对喷嘴内部流场进行了仿真研究17，王建生等对小喷嘴磨料水射流进行了仿真与试验研究18-19，为进一步研究微磨料水射流工作打下基础。表1列出了目前实验室和生产中微磨料射流切割（钻孔）加工的部分基本参数。表1微磨料水射流切割（钻孔）加工基本参数表研究者射流方式水压MPa磨料粒度喷嘴直径m加工对象加工性质加工工艺Miller10浆体射流70300/50nm50复合材料等实验加工切割、钻孔Miller10后混合40复合材料等实验加工切割、钻孔Hashish20浆体射流104-345229实验加工切割Hollinge20浆体射流52-104254石英晶片实验加工切割Bloomfield20浆体射流36-69280-300实验加工切割Hashish16后混合8274m380石英晶片生产应用钻孔Hashish16后混合379 74m380石英晶片生产应用切割Iscoff Dean16 浆体射流250生产应用2.1 射流生成方式目前国内外在研究微磨料水射流加工时主要采用浆体射流及后混合式射流。Miller还提出了湿式送料后混合磨料射流(FAWS)、蒸汽送料后混合磨料射流(SAWS)两种新的后混合微磨料水射流方法，但其产生的最小射流直径不及浆体射流的小21。(1) 浆体射流: 目前微磨料水射流生成多采用浆体射流方式。浆体射流（Abrasive Suspension Jets-ASJ）工作介质是由水、高聚物及磨料等成份严格制备的非牛顿流体，经加压后由喷嘴喷出。如图1所示，磨料混合系统通常由水流控制阀、磨料开关阀、磨料罐及混合腔组成。一路高压水通过节流阀置换部分磨料从磨料罐底部流入主回路，经磨料开关阀最后从切割喷嘴喷出。其射流密集性好、打击力大，十分适宜微磨料水射流加工9-11,13。浆体射流由于磨料颗粒已经在水中均匀混合，在射流能量向磨料动能转化方面，浆体射流比后混合式高许多，相同参数条件下，浆体射流每分钟切割面积达后混合方式的五倍11；在切割精度方面，浆体射流的适宜工作范围10-100m之间，同时由于其射流密集性好，其切口宽度与射流直径非常相近；从成本方面考虑，低压浆体射流系统成本约为后混合方式的1/51/3。由于射流喷嘴直径小、流量低、易堵塞，故对系统要求严格，由此也导致系统较复杂。喷嘴磨损、管路堵塞及磨损、不能连续供料等问题仍有待完善22。泵流量控制阀喷嘴浆体控制阀磨料罐 （a） 原理图 (b) 系统图图1 浆体微磨料水射流系统10(2)后混合式: 图2为后混合式磨料射流系统图 14。后混合磨料水射流通过高压水流的高速流动将磨料罐的磨料带入混合腔实现水和磨料的混合，后混合是常规射流的最佳生成方法10,22。喷嘴设计是影响后混合射流质量的最关键因素，但常规后混合磨料射流磨料喷嘴设计大同小异，随喷嘴直径下降，磨料输送愈加困难，射流切割能力随直径的减小急剧下降,不能产生直径小于400m的有效磨料水射流11。要实现后混合式微磨料水射流加工，必须对现有切割头结构或送料方式进行改进。通过对磨料喷嘴装配结构优化设计可将喷嘴出口直径降至250m，这种喷嘴的主要特征有12：水喷嘴和聚束管连接采用球面配合，可通过调节获得最佳同轴度；送料管在混合腔内与抽真空管相连接，以保证纯水射流吸力不够时仍可连续稳定供应磨料；水喷嘴下方开有卸荷旁路，以防止压力波动时磨料回流损坏水喷嘴；混合腔两侧布置两条低压冲洗管，可随时清除混合腔内沉积的磨料。通过采用湿式送料、压缩蒸汽送料可将射流直径最低降至40m10-11,21，由此可见，后混合也是一种非常有潜力的微磨料水射流生成方法。磨料水泵磨料罐磨料水射流收集器工件高压管切割头(进给运动) (a）原理图(b)系统图图2 后混合式微磨料水射流系统142.2微磨料水射流装置设计关键技术微磨料水射流系统相比常规磨料水射流直径小、流量低，对射流中磨料含量的控制、阀件精度及运动精度要求高，影响系统性能的主要因素有9-11,13-14,16,21：(1) 磨料供应的精确控制: 在浆体射流中，磨料与水如何流态化均匀进入混合腔是设计的关键。另外由于系统的流量非常小，系统关闭会导致磨料不在悬浮状态，引发系统堵塞，系统清洁度及射流中磨料含量的控制都对系统的稳定性起决定性作用。(2) 浆体控制阀: 在浆体射流中，浆体控制阀位于喷嘴前，如果没有该阀，则每次磨料水射流加工结束都要关闭系统，99的能量都被压力升降过程消耗，故浆体控制阀是系统效能提高的关键10。该阀一直处于高度磨损状态，而且要实现高速启闭，阀芯需采用金刚石。(3) 切割喷嘴优化设计及精密加工: 切割喷嘴是影响系统性能和效率的重要部件，材料常取工业金刚石、硬质合金等材料。试验表明喷嘴的寿命已经不存在问题，但建立合理的喷嘴材料和孔型仍是以后研究工作的关键10。现有激光技术可以加工直径50m的喷嘴，且加工质量和成本能被接受，直径小于10m时质量和成本不甚理想22。故喷嘴直径主要取决于微型喷嘴的加工水平。(4) 系统防堵塞: 磨料中的杂质也是引起堵塞的主要原因，当喷嘴直径降低至50m时，允许通过的最大磨料粒径为30m，许多空气的尘埃都超过该尺寸，故磨料需要密封存放和使用23；另由于水的可压缩性，当系统压力降低时，磨料罐内的磨料混合液会大量喷出，导致射流中磨料含量急剧升高，此时极易发生堵塞，在磨料罐出口增加截至阀或对系统进行改进可有效防止这种堵塞。3 主要工艺参数对加工性能的影响影响微磨料水射流加工性能的参数非常多，通常只对影响显著且易于控制的参数进行研究。这些参数包括：水压力、喷嘴直径、水流量、磨料含量、磨料粒子大小、喷嘴横移速度、粒子与工件相对硬度、靶距等。微磨料水射流加工过程的各参数对加工性能的影响趋势与常规磨料水射流基本一致，但也存在一些显著特点。(1) 射流压力: 与常规磨料水射流相同，压力对切割深度的影响近乎线性，对给定材料存在一个临界最小压力。由于微磨料水射流的喷嘴直径更小，故所需的临界最小压力值也会相应提高19，但从系统稳定的角度考虑，微磨料水射流系统的设计压力不宜过大，通常浆体射流适宜30-100Mpa下工作，考虑到经济性，定型压力在70Mpa左右10-11,22，后混合式压力通常比前混合式及浆体射流高11,16。(2) 喷嘴直径: 磨料水射流切割过程存在一个临界最小喷嘴直径，低于该值切割不能进行或只能进行微量切割 24。浆体射流方式适宜在喷嘴直径为10-100m之间工作23，后混合式磨料射流直径小于500m时，其切割能力逐渐下降，至300m时完全丧失切割能力10。但通过改进喷嘴可降低该极限值 9-11,16,21。研究表明，切割能力正比于喷嘴出口面积，喷嘴直径为600m射流切割能力仅为1000m时的36，切深仅为后者的1/3-1/4，但600m喷嘴的切割能力随压力增高的增速较后者快18。(3) 喷嘴移动速度: 增加移动速度通常会降低切割深度24。而且移动速度的稳定性显著影响切割效果，由于切割过程是周期性形成切口，不稳定的移动速度会打断切口形成的周期性过程，导致粗切削（粗纹）16,24 。另外由于切割能力的限制，微磨料水射流喷嘴的移动速度相对较低。(4) 磨料含量: 射流中磨料含量高低取决于磨料粒径与喷嘴直径的关系。当磨料粒径小于喷嘴直径的十分之一时，射流中最高磨料含量可达50%，但在如此高的磨料含量下切割效果并不好；磨料含量为10%时切割速度与磨料消耗处于最优状态；如果只考虑切割速度，磨料的最佳含量在20%-30%之间25。由于喷嘴直径非常小，磨料含量一些小的波动都可能引起系统堵塞，故微磨料水射流加工时的磨料含量通常不高。王建生等人研究指出，磨料含量为3-8时切割效果最佳，且磨料含量的稳定显著影响系统及切割质量的稳定18-19。(5) 磨料粒径: 磨料粒径直接影响加工效果，当磨料粒径超过喷嘴直径60%时，系统极易堵塞，而当磨料粒径小于喷嘴直径10%时，射流加工性能衰减10,23。在采用粒径为50m的喷嘴、粒径为3m、300nm、50nm的氧化铝磨料对金属进行切割试验中，采用300nm磨料的切割质量与采用3m磨料的一样好，但喷嘴移动速度降低。采用50nm的磨料喷嘴横移速度更低，且切口质量差10。研究表明，磨料粒径为喷嘴直径的1/3-1/4较为合适19。4应用示例MAWJ将磨料水射流的加工领域拓宽到微加工，且性能优于微磨料气射流，在难加工材料的精密加工领域必将获得越来越广泛的应用。美国加利福尼亚州AIT公司报道称其第一次将微磨料水射流技术（支持50m切宽）成功应用于自动在线封装过程 26。Hashish将380m直径磨料射流改装到现有芯片加工母机上，工序能力指数达1.33，经济性和加工效果都非常理想16。图3为直径为380m喷嘴芯片切割及ALN材料基片钻孔的效果 16。另外在实验室内Miller采用多种方式进行微磨料水射流的加工研究，也获得了非常理想的效果，图4为其采用浆体射流对不锈钢进行切割及钻孔效果照片10。 (a) 芯片切割效果 (b) ALN材料基片钻孔效果图3微磨料水射流加工芯片 16(a) 图案切割（最小刻度100m） (b)钻孔效果（孔径85m，间距250m，工件厚50m）图4 浆体射流对不锈钢进行切割及钻孔效果105 结论对MAWJ技术的认识目前还是比较缺乏，要进一步提高MAWJ的性能和适应性，可通过CFD结合其他试验手段进一步探索喷嘴内部流体动力特性，根据分析结果对喷嘴孔型进行优化。需要优化工艺参数，但提高压力不是最优选择，一些新工艺如前向喷射、摆动喷射及多次走刀等显然更具吸引力。此外，磨料粒径变化及与喷嘴孔径之比的变化对切割机理的影响及切口特征数学建模都是十分有意义的研究方向。 参考文献 1 Kuriyagawa,T.et al. 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