微细磨料喷射加工技术综述

微细磨料喷射加工技术综述［摘要］本文阐述了微细磨料喷射加工技术的产生及原理，介绍了国内外微细磨料喷射加工技术研究现状并对这一技术的应用进行了展望。［关键词］微细磨料喷射加工工艺参数近年来，玻璃、陶瓷、单晶硅等具有高硬度、高脆性和高熔点的材料越来越多的应用于电子元器件、光学仪器、微机电系统和半导体等领域。由于传统的加工方法如激光加工、化学蚀刻等本身的缺陷将对加工对象或加工设备产生较大的负面影响，使得加工范围受到限制，很难用于加工硬脆材料或制造尺寸微小的器件。微细磨料喷射加工技术（Micro-AbrasiveJetMachining,MAJM）则可以很好地解决硬脆材料的加工问题，微细磨料喷射加工是用高速气流将微细磨料加速，用高速的微细磨料粒子冲击硬脆材料的工件，被加工工件表面被冲击后表层材料就被去除的一种加工方法。首先，由于这种加工方法不是用刀具来切割，所以工件整体所受的力非常小，这样就不会使工件破碎，并且加工过程不产生热，对工件的性质没有影响；其次，利用这种方法所加工出的形状完全由喷嘴移动的轨迹决定，所以可以用于加工出任意形状的孔和槽；最后，这种加工方法所使用的设备简单、造价低廉，可以大大地节约加工成本。另外这种加工方法也可以用于掩膜加工和刻蚀加工，为加工微小孔和刻线加工提供了新的有效的方法。微细磨料喷射加工技术的产生及原理微细磨料喷射加工技术的基本加工原理和传统的喷砂加工原理相同，即由气体携带磨料微粒形成高速气流冲击工件表面而去除工件材料。当磨料冲击工件表面时，微小的磨粒就像细小的刀刃一样击碎工件表面而产生小的碎屑，每一个冲击颗粒只能去除很少的材料，气流将磨料微粒和破碎的材料颗粒一起带走。但微细磨料喷射加工在磨料的粒度、进给运动、加工精度等方面的要求不同于传统的喷砂加工，在加工工艺上也有显著区别。喷砂工艺的主要用途是清理工件表面，微细磨料喷射加工技术是利用磨料对被加工材料表面进行冲击加工；喷砂工艺所使用的磨料粒度比微细磨料喷射加工技术中的磨料粒度大很多，并且喷砂对磨料的均匀性没有严格要求，微细磨料喷射加工要求直径较小的均匀磨料；微细磨料喷射加工的磨料能完成精确地切削加工，喷嘴的直径比较小，一般小于1毫米，而喷砂所使用的喷嘴直径较大一般大于3毫米。微细磨料喷射加工是一个干加工过程，对环境无污染，对工件表面不会产生热影响，加工变质层发生少，对工件的损伤小，可加工深宽比（定义为孔或切口的深度与孔的直径或切口的宽度之比）高达2.5以上的深微结构，可实现复杂形状和各种材料的加工，易碎和脆性材料更好加工，初始成本低，生产效率高。微细磨料喷射加工技术是以气体为载体，将微细磨料粒子加速，利用微细磨料对材料的冲击进行去除加工。微细磨料喷射加工所用的气体的压力比较小（一般在1MPa以下），喷嘴的直径也比较小（一般小于1毫米）。所以微细磨料喷射加工技术主要应用于硬脆材料的微细加工，例如光学玻璃和硅晶片的打孔和刻蚀等。微细磨料喷射加工技术的材料去除机理如图1和图2所示，当磨料粒子撞击到工件表面时在接触区附近的小区域内形成塑性变形区，而在材料较深处则形成径向裂纹和横向裂纹，横向裂纹的产生和扩大就导致了材料的去除。图1微细磨料喷射加工材料去除机理图2间歇式磨料喷射加工原理国内外研究现状传统的喷射加工设备一般是连续地喷射磨料，当采用小喷嘴或磨料不均匀时，容易堵塞喷嘴、磨料的喷射量也不容易精确控制。而且磨料容易沉积在加工孔的底部，从而使后续磨料不能和加工表面直接接触，随着加工的继续进行，加工效率显著降低。日本东北大学的教授厨川常元等提出了一种新的微细磨料喷射加工方法，并且设计研制了一台新型实验装置。它的原理是间歇式喷射加工，在喷射过程的一个周期内首先喷射磨料和气体的混合气，过一段时间后停止供给磨料，即只喷出载流气体，用以清除残留在加工孔中的磨料，使加工表面始终裸露，提高加工效率（如图1-2所示）。根据这种间歇式喷射加工原理厨川常元等学者开发出了一套新的磨料喷射加工装置，这个装置的原理如图3所示，该装置中有两路气体，一路作为供给磨料用，另一路为加速气体，磨料通过负压被高速的供给气体带进混合腔和加速气体一起从喷嘴喷出。用高速电磁阀来控制磨料供给气路通断，当电磁阀关闭时只有加速气体喷出，这时可以用这路气体来清除堆积在加工孔底部的磨料。通过控制高速电磁阀的通断时间长短及比例可以调整出最优的加工参数。图3间歇式喷射加工装置原理图印度学者R.M.Rani和S.Seshan采用统计学的方法对实验结果进行处理，提出：（1）在特定的实验条件下，有可能精确预测磨料喷射加工材料去除速率。（2）影响磨料喷射加工的三个主要因素，喷嘴离工件的距离、气压和磨料流量之间存在着依存关系。（3）在三个因素中，以磨料流量对材料去除速率的影响最大。印度工学院机械系的R.Balasubramniam教授对磨料喷射加工应用于表面去毛刺时产生的边缘圆角半径大小进行了理论研究，他提出：（1）在磨料喷射加工表面存在着形如钟口的边缘半径。（2）通过建立数学模型分析表明，喷嘴到工件之间的距离是影响边缘半径大小的最重要因素。日本学者M.Wakuda在对陶瓷材料的微细磨料喷射加工实验中总结并提出：（1）在微细磨料喷射加工中使被加工材料破碎的磨料硬度和刚度是影响材料去除速率的关键因素，但是由于磨料的不同被加工材料去除速率会有很大的变化，因此在建立材料去除模型时没有固定的材料去除速率。（2）磨料喷射加工的陶瓷表面并没有力的降低，这是因为放射状裂纹并没有沿着粒子撞击的方向扩散。因此，微细磨料喷射加工陶瓷是一种很有潜力的加工方法。图4为磨料喷射加工陶瓷表面粒子破碎模型。图4陶瓷表面粒子破碎模型国际上只有少数企业研制开发了微型喷射加工设备。日本名古屋SintobratorPtyLtd公司的MoriyasuIzawa开发研制的MB1型和MB2型微磨料喷砂机是目前世界最高水平；美国COMCOINC公司生产的小型手提式微磨料喷砂机，可用于牙齿清洁和普通微细加工；日本的Nikon公司已经商业化了几种不同类型的MAJM系统，主要用于在不同材料上蚀刻、印刷，印刷时的分辨率可达到80dpi。目前微细磨料喷射加工在我国还处于开发研究阶段，国内关于这一方面的文献大部分都是介绍性文章，从理论角度阐述微细磨料喷射加工的原理、工艺规律、方法、应用范围和影响加工的因素。吉林大学对微细磨料喷射加工进行了深入的研究，设计了一套间歇式微细磨料喷射加工装置，并在玻璃材料上进行了微小孔加工实验，深入分析了各种参数对加工质量的影响。吉林大学还开展了微细磨料喷射加工在牙齿修复方面进行了研究，通过改变喷射的压力喷射时间喷射距离等，将羟基磷酸钙（HA）涂镀到牙齿表面，形成一层坚固的膜，以达到修复龋齿的目的。微细磨料喷射加工技术的应用作为一种精密加工技术，微细磨料喷射加工在传统的喷砂加工中引入了精细加工的概念，应用了微细磨料，磨料的连续送料装置和掩膜加工技术，特别适于加工不宜使用热加工技术切割的硬脆材料，如用于制作半导体、电子设备和液晶显示元器件、玻璃、陶瓷、聚合