王成勇　王榮娟　楊佩旋　文　武　邱春林

廣東工業(yè)大學(xué)，廣州，510006

微磨料漿體射流的漿體配制及鉆孔性能研究

王成勇王榮娟楊佩旋文武邱春林

廣東工業(yè)大學(xué)，廣州，510006

微磨料漿體射流技術(shù)是在微磨料水射流加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新技術(shù)。通過添加分散劑和懸浮劑來提高漿體的沉降穩(wěn)定性；為了配制出優(yōu)質(zhì)鉆孔漿體，研究了磨料質(zhì)量濃度、磨料種類、分散劑體積分?jǐn)?shù)和懸浮劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)鉆孔加工的影響，并研究了分散劑體積分?jǐn)?shù)和懸浮劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)漿體沉降穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：磨料質(zhì)量濃度存在最佳取值；分散劑并非一定能改善顆粒的沉降穩(wěn)定性，這與磨料種類、磨料質(zhì)量濃度和分散劑體積分?jǐn)?shù)等有關(guān)；懸浮劑能夠改善漿體的懸浮性，其體積分?jǐn)?shù)影響漿體的沉降穩(wěn)定性和鉆孔效果。

微磨料漿體射流；漿體；分散性；懸浮性；鉆孔加工

0　引言

微磨料漿體射流(micro abrasive suspension/slurry jet, MASJ)技術(shù)于1989年由Hollinger等[1]首次提出，其磨料漿體是以高黏度的高聚物溶液作為載體，加入適量的磨粒配制而成的一種非牛頓流體[2]。微磨料漿體射流具有磨料水射流(abrasive water jet, AWJ)的冷態(tài)加工、非接觸、節(jié)能和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是復(fù)雜幾何形狀硬-脆材料最有潛力的微加工技術(shù)之一[3]。

微磨料漿體是一種非牛頓流體，開發(fā)優(yōu)質(zhì)高效的漿體是研究微磨料漿體射流加工技術(shù)的重點(diǎn)之一。漿體由水、高聚物和磨粒等按成分嚴(yán)格制備而成。楊佩旋[4]提出了微磨料漿體射流加工漿體性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即分散性、懸浮性、穩(wěn)定性和加工效果。在漿體的配制過程中，添加劑的配比和性能優(yōu)化仍然是主體內(nèi)容[5]。Hollinger等[1]推薦了磨料漿體的三種配制方案，并進(jìn)行了高壓(100MPa左右)狀態(tài)下切割鋁板、中碳鋼等材料的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，微磨料漿體射流較微磨料水射流具有更窄的切縫和更好的切割性。劉小健[6]研究了添加膨潤(rùn)土的新漿體，并從理論上探索了漿體的流變特性、流場(chǎng)特性，對(duì)微磨料漿體射流和前混合式微磨料水射流進(jìn)行切割性能上的試驗(yàn)比較，證明微磨料漿體射流切割能力稍弱，但切口質(zhì)量高，切割比能耗低。廖艷培等[7]研究了漿體pH值和添加劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)不同漿體的沉降高度和黏度的影響，并用配制的漿體進(jìn)行拋光玻璃實(shí)驗(yàn)，在用氧化鈰、聚丙烯酰胺(poly acryla mide, PAM)、磷酸鈉和分散劑配制的漿體進(jìn)行拋光時(shí)，材料的去除率可以達(dá)到4.1 μm/min，并能獲得較小的表面粗糙度值。

目前，對(duì)微磨料漿體射流的研究多集中在微磨料漿體射流和微磨料水射流的切割性能比較上。Kovacevic等[8]通過實(shí)驗(yàn)指出，同等條件下，微磨料漿體射流的加工效率是微磨料水射流的加工效率的5倍多；Kolle[9]對(duì)微磨料漿體射流和后混合式磨料水射流的鉆孔能力進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)微磨料漿體射流壓力雖然比后混合式微磨料水射流的壓力低，但能量利用率較高；Hashish等[10]研究了高壓微磨料漿體射流系統(tǒng)的性能，通過實(shí)驗(yàn)得出微磨料漿體射流比相同條件下的微磨料水射流切割深度增大1倍以上，磨料消耗減少，成本降低等結(jié)論。目前對(duì)微磨料漿體射流的漿體配制和漿體特性的研究較少，將微磨料漿體射流用于鉆孔玻璃的研究也鮮見報(bào)道。本文研究了微磨料漿體的配制及其對(duì)石英玻璃鉆孔性能的影響，最終獲得一種性能優(yōu)良的微磨料漿體射流鉆孔玻璃加工的漿體。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

微磨料漿體射流加工系統(tǒng)如圖1所示，主要由增壓裝置、送料裝置、噴射裝置和輔助裝置四大部分構(gòu)成。其中，增壓裝置主要包括氣驅(qū)液泵、蓄能器和低壓減壓閥；送料裝置為前混合方式，主要由雙磨料罐和雙節(jié)流閥構(gòu)成；噴射裝置主要是噴嘴及噴嘴基體；輔助裝置指的是防水裝置和漿體收集器；運(yùn)動(dòng)及控制系統(tǒng)采用CNC控制，對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向的工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，可在X、Y、Z方向上對(duì)噴嘴進(jìn)行精確定位。設(shè)計(jì)加工了噴嘴角度調(diào)節(jié)專用夾具，噴射角度可在0～90°間任意調(diào)整。該裝置壓力在0～35 MPa、流量在0～2 L/min可調(diào)。

圖1　微磨料漿體射流加工系統(tǒng)示意圖

檢測(cè)儀器主要有電子天平、體視顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、JS94H型微電泳儀和其他輔助設(shè)備(數(shù)碼相機(jī)、超聲波清洗器、無水乙醇、濾紙、測(cè)量紙和pH試紙等)。

1.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)中的石英玻璃為80 mm×30 mm×6 mm，噴嘴材料為不銹鋼，噴嘴直徑為0.12 mm。磨料的性質(zhì)決定著微磨料漿體射流加工過程中碰撞沖擊工件作用的強(qiáng)弱和工件加工后加工質(zhì)量的好壞。對(duì)微磨料漿體射流微細(xì)加工效率有影響的磨料因素主要有：磨粒粒徑、磨料質(zhì)量濃度、磨料種類和磨料均勻性。實(shí)驗(yàn)中對(duì)磨料粒徑進(jìn)行了研究，當(dāng)采用粒度為500目(粒徑28～34 μm)的白剛玉進(jìn)行加工時(shí)，噴嘴容易發(fā)生堵塞，粒度改為700目時(shí)可避免堵塞，故本文選用的磨料均為700目(20～24 μm)。在微磨料漿體射流加工系統(tǒng)中，從氣壓泵增壓出來的水一部分進(jìn)入磨料罐，一部分直接流入噴嘴，而磨料罐的漿體是事先配制好的，所以，配制磨料罐漿體時(shí)的磨料質(zhì)量濃度(稱之為磨料配制質(zhì)量濃度ρB)和噴嘴流出來的磨料質(zhì)量濃度(稱之為磨料質(zhì)量濃度ρA)是不同的，本實(shí)驗(yàn)室根據(jù)實(shí)際測(cè)量得出兩者之間的理論計(jì)算公式和換算關(guān)系[4]。為了獲得較好的漿體，我們向漿體中添加一些分散劑和懸浮劑來改善磨料顆粒在水中的分散均勻性和沉降穩(wěn)定性，研究了磨料質(zhì)量濃度ρA、分散劑SBN的體積分?jǐn)?shù)φSBN和懸浮劑PAM的體積分?jǐn)?shù)φPAM對(duì)漿體特性的影響規(guī)律，并進(jìn)行了鉆孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及其評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。表1中，磨料相對(duì)沉降高度HRS=H0/H，其中，H0為從漿體懸浮液的底部到上清液與下層混濁層的分界線間的距離，下層混濁層包括穩(wěn)定漿料和沉降層；H為漿體懸浮液的總高度。HRS值越大，漿體懸浮性越好。

表1　磨料漿體配制實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置和評(píng)價(jià)指標(biāo)

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1磨料質(zhì)量濃度對(duì)鉆孔加工的影響

不同磨料質(zhì)量濃度對(duì)微磨料漿體射流鉆孔加工石英玻璃的影響如圖2所示。由圖2可以看出，孔徑隨著ρA的增大呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢(shì)，但增加量很小，原因可能是ρA增大，造成噴嘴磨損加劇，導(dǎo)致噴嘴出口直徑稍微變大(可以忽略不計(jì))。然而孔深h和工件去除質(zhì)量m均隨著ρA的增大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，說明微磨料漿體射流加工存在一個(gè)最佳ρA值，對(duì)于本文中的加工石英玻璃，其最佳ρA值應(yīng)取170 g/L左右。這主要是因?yàn)槟チ蠞{體射流加工中主要由磨料的剪切沖擊達(dá)到材料去除的目的。在加工過程中，隨著加工深度的增大，磨料漿體和回彈的磨料發(fā)生碰撞，造成部分能量變成熱量散失在空氣中，而ρA較小時(shí)，這種碰撞顆粒較少，即大部分顆粒參與第一次加工。

圖2　磨料質(zhì)量濃度對(duì)鉆孔加工的影響

2.2分散劑體積分?jǐn)?shù)的沉降穩(wěn)定性、靜電穩(wěn)定性和鉆孔加工實(shí)驗(yàn)

2.2.1分散劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)漿體沉降穩(wěn)定性的影響

微磨料漿體射流的加工漿體屬于漿體懸浮液，磨料比重比水大，故混入水后極易聚結(jié)而下沉，加入分散劑的目的是為了能使磨料顆粒之間相互排斥，并使磨料顆粒穩(wěn)定地懸浮在溶液之中。分散劑產(chǎn)生分散作用的原因主要是對(duì)磨料顆粒表面潤(rùn)滑性的調(diào)整上，即通過使顆粒表面吸附添加物，達(dá)到將磨料顆粒包裹的目的，以增加磨料顆粒的表面性質(zhì)和增強(qiáng)顆粒間的排斥作用，從而使磨料分散。同一種分散劑對(duì)漿體中不同磨料的分散性的影響，與該種磨料的表面性質(zhì)、介質(zhì)性質(zhì)以及分散劑的用量都有關(guān)。此外，每種分散劑都有其最大用量范圍限制，這是因?yàn)楫?dāng)分散劑體積分?jǐn)?shù)達(dá)到臨界膠束濃度(表面活性劑分子在溶劑中締合形成膠束的最低濃度)時(shí)，漿體的表面張力出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，漿體的其他性質(zhì)也發(fā)生突變，故實(shí)際中必須嚴(yán)格控制分散劑的用量，方能達(dá)到最佳效果。適用本文實(shí)驗(yàn)的分散劑除了能讓磨料顆粒分散外，還應(yīng)具備不腐蝕磨料罐、易清洗等特性。本文采用SBN分散劑，其pH值為6，呈現(xiàn)偏酸性，但由于添加的懸浮劑PAM呈現(xiàn)偏堿性，故漿體最終呈現(xiàn)中性。此外，大量實(shí)驗(yàn)表明該分散劑的體積分?jǐn)?shù)不宜超過5%，否則分散效果會(huì)變差。分散劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)磨料相對(duì)沉降高度HRS的影響如圖3～圖7所示。

圖3　分散劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)HRS的影響(700目氮化硼，ρB=300 g/L)

圖4　分散劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)HRS的影響(700目棕剛玉，ρB=300 g/L)

由圖3可以看出，任何一種φSBN下，磨料的相對(duì)沉降高度都隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，即時(shí)間越久，磨料沉降得越多。同時(shí)，對(duì)于不同的φSBN，隨著時(shí)間的改變，沉降高度變化的快慢和大小均不同。從圖3中可以看到，不添加分散劑SBN(φSBN=0)時(shí)，HRS值從15 min時(shí)的0.840下降到75 min時(shí)的0.321，即沉降很快，且沉降高度變化幅度為0.519。而φSBN=2.5%時(shí)，HRS值從15 min時(shí)的0.972下降到75 min時(shí)的0.741,即沉降很慢，且HRS值變化幅度為0.231。故從氮化硼磨料漿體的沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，磨料射流中添加SBN分散劑可以明顯地降低磨料的沉降速度，且φSBN影響配制磨料的沉降速度。由圖3我們可以認(rèn)為，對(duì)于ρB=300 g/L的氮化硼,φSBN=2.5%時(shí)最優(yōu)。

圖5　分散劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)HRS的影響(700目石榴石，ρB=300 g/L)

由圖4可以看到，漿體磨料為棕剛玉時(shí)，當(dāng)φSBN=3%時(shí)，漿體懸浮性比較穩(wěn)定，沉降速度最慢。從圖5中可以看到，漿體磨料為石榴石時(shí)，添加不同體積分?jǐn)?shù)的SBN分散劑對(duì)漿體的沉降穩(wěn)定性均有利，但當(dāng)φSBN=1%時(shí)，分散劑對(duì)漿體懸浮性的影響幾乎可以忽略不計(jì)。當(dāng)φSBN=2%時(shí)，沉降高度隨時(shí)間的變化較小，即相對(duì)比較穩(wěn)定，但HRS值均比φSBN=4%時(shí)的小，故對(duì)于石榴石來說，φSBN=4%時(shí)漿體分散性較好。

由圖6可以看到，對(duì)于白剛玉磨料，隨著沉降時(shí)間的變化，φSBN對(duì)配制磨料的相對(duì)沉降高度影響很大。當(dāng)φSBN分別為1%、2%、3%時(shí)，在15 min時(shí)HRS值相對(duì)于沒有添加SBN的值要大，即添加SBN的漿體的沉降速度慢；可是在30 min的我們發(fā)現(xiàn)，添加SBN的漿體的沉降速度均開始大于沒有添加SBN的漿體的沉降速度。這說明并不是添加SBN分散劑就一定對(duì)漿體的沉降有益，φSBN對(duì)其影響很大。當(dāng)φSBN=4%時(shí)，在15 min內(nèi)沉降速度較慢，可隨后沉降速度較快，直至60 min時(shí)沉降高度大于沒有添加SBN的漿體的沉降高度。而φSBN=5%時(shí)，雖然HRS值不大，但相對(duì)于沒有添加SBN的漿體要穩(wěn)定很多，所以對(duì)于白剛玉磨料漿體配制，φSBN=5%相對(duì)較好。

圖6　分散劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)HRS的影響(700目白剛玉，ρB=300 g/L)

由圖7可以看到，φSBN=5%時(shí)，HRS值比較穩(wěn)定，且隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)HRS值基本不變，故在本配比下，φSBN=5%時(shí)漿體分散性較好，這與圖6的結(jié)論一致。與圖6進(jìn)行對(duì)比，兩者漿體配制的磨料均為白剛玉，不同之處在于ρB不同(300 g/L、500 g/L)，但兩者在φSBN=5%時(shí)的HRS值不同，且白剛玉的配制濃度ρB=500 g/L時(shí)沉降相對(duì)較慢。故此，我們猜測(cè)，φSBN和ρB有一個(gè)最佳比例值，這有待于進(jìn)一步研究?？傊?dāng)φSBN=5%時(shí)兩種磨料漿體的分散性均較好。

圖7　分散劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)HRS的影響(700目白剛玉，ρB=500 g/L)

根據(jù)圖3～圖7可得不同磨料和不同磨料配制質(zhì)量濃度的漿體對(duì)應(yīng)的最優(yōu)分散劑體積分?jǐn)?shù)如表2所示。

表2　不同磨料和不同磨料配制質(zhì)量濃度的漿體對(duì)應(yīng)的最優(yōu)分散劑體積分?jǐn)?shù)列表

2.2.2分散劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)漿體Zeta電位及其靜電穩(wěn)定性的影響

磨料漿體的穩(wěn)定性和磨料粒子在漿體中的動(dòng)電位密切相關(guān)，粒子表面Zeta電位較高，即粒子表面核電密度較高，則表明顆粒表面的雙電層表現(xiàn)為最大斥力，那么說明粒子更容易懸浮和分散。然而，磨料粒子在溶液中的Zeta電位和周圍離子存在的情況有關(guān)，因此，對(duì)磨料種類、溶液的pH值和分散劑的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究顯得很重要。在本實(shí)驗(yàn)中，選擇700目石榴石，ρB=300 g/L，研究添加不同φSBN的SBN(pH=6)對(duì)Zeta電位的影響，結(jié)果如圖8所示(Zeta電位值取絕對(duì)值)。

圖8　不同φSBN隨著沉降時(shí)間的改變對(duì)Zeta電位的影響(700目石榴石，ρB=300 g/L)

由圖8可知，石榴石顆粒在φSBN=4%時(shí)有較大的電位(絕對(duì)值)，而當(dāng)φSBN=1%時(shí)，Zeta電位接近于零(顆粒之間的吸引力大于雙電層之間的排斥力，顆粒發(fā)生團(tuán)聚而沉降，這與沒有添加SBN的情況相當(dāng))，這表明φSBN=4%時(shí)的漿體分散性較好，而φSBN=1%時(shí)分散劑對(duì)漿體懸浮分散性的影響幾乎可以忽略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與石榴石靜態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)的結(jié)果(圖5)一致，即700目石榴石、ρB=300 g/L的漿體在φSBN=4%時(shí)的分散性較好。

2.2.3分散劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)鉆孔效果的影響

由分散劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)漿體沉降穩(wěn)定性影響的實(shí)驗(yàn)可知，磨料種類不同時(shí)，盡管磨料的配制濃度ρB相同，分散劑對(duì)沉降穩(wěn)定性的影響也不同。在研究分散劑的體積分?jǐn)?shù)對(duì)鉆孔加工影響時(shí)，分析了不同種類磨料對(duì)鉆孔加工的影響，結(jié)果如圖9所示。

圖9　磨料種類對(duì)鉆孔加工的影響

由圖9可知，氮化硼磨料漿體鉆孔加工時(shí)的孔徑最小，材料去除量和孔深最大，鉆孔效果最優(yōu)。這主要是因?yàn)榈鹉チ系挠捕仍?種磨料中最高而密度卻最低，且分散劑對(duì)氮化硼的分散效果最明顯。氮化硼磨料價(jià)格較高，在選擇時(shí)也應(yīng)考慮這一因素。石榴石的鉆孔效果稍次于氮化硼，石榴石顆粒為球狀，在鉆孔加工時(shí)孔的邊緣出現(xiàn)因顆粒砸擊和推擠作用導(dǎo)致的裂紋，即孔邊緣質(zhì)量不佳。棕剛玉加工的孔徑最大，且材料去除量和孔深均最小，是4種磨料鉆孔加工中效果最差的一種。分析認(rèn)為，這主要是因?yàn)樽貏傆袷翘烊荒チ?，含雜質(zhì)多，形狀不均勻。白剛玉磨料的形狀呈六方體，棱角多且鋒利，添加分散劑后的磨料分散均勻性一般，但白剛玉加工出來的孔邊緣較明晰且圓度較好，白剛玉價(jià)格不高，故本文主要選擇白剛玉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

分散劑體積分?jǐn)?shù)φSBN不同時(shí)白剛玉磨料漿體的鉆孔加工效果如圖10所示。從圖10中可知，φSBN對(duì)孔徑、孔深和工件材料去除量的影響不是很明顯，但仍然可以看出，當(dāng)φSBN=5%時(shí)，鉆孔效果最佳。

圖10　分散劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)白剛玉磨料漿體鉆孔加工的影響

2.3懸浮劑體積分?jǐn)?shù)的沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)和鉆孔加工實(shí)驗(yàn)

使?jié){體穩(wěn)定懸浮的主要方法是讓漿體成為觸變體，即靜置時(shí)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化而具有高的剪切應(yīng)力，而應(yīng)用時(shí)，一經(jīng)外力作用，黏度能迅速降低，有良好的流動(dòng)性，再靜止時(shí)又能恢復(fù)原來的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。目前常用的懸浮劑是一種局部線性的水解PAM。研究指出：當(dāng)水溶液中φPAM=3%時(shí)，則每個(gè)聚合物單位能結(jié)合13個(gè)或14個(gè)水分子，最后形成高分子鏈狀物包裹住水分子和磨料粒子；又因?yàn)镻AM具有黏性，易在管道壁處形成長(zhǎng)鏈黏-彈性聚合物薄層，因而彌補(bǔ)了噴嘴內(nèi)壁易磨損的缺陷，促使?jié){體形成穩(wěn)定的層流，減少了紊流或邊界層渦流的形成，并能以較大的速度通過噴嘴，形成較好的凝聚射流。同時(shí)，PAM具有降阻能力(在水中加入微量的PAM就能降阻50%～80%)，所有這些性質(zhì)使PAM不僅可進(jìn)一步減小切縫寬度，而且能延長(zhǎng)射流的有效靶距。PAM種類繁多，性質(zhì)也各異，每種PAM不僅可用作絮凝劑，還可作為抑制劑、分散劑、懸浮劑和降阻劑。故需要通過實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行選取。

常用的PAM的相對(duì)分子質(zhì)量為500萬～1200萬，且每種分子質(zhì)量的PAM又分為非離子型、陰離子型和陽(yáng)離子型三種。經(jīng)過多次沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，500萬非離子型的PAM ，其體積分?jǐn)?shù)φPAM為0.6%左右時(shí)懸浮作用相對(duì)明顯。為獲取PAM的最優(yōu)用量，本文進(jìn)行了不同φPAM時(shí)的穩(wěn)定沉降實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了鉆孔加工實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11　500萬非離子型PAM體積分?jǐn)?shù)對(duì)HRS的影響

由圖11可看出，當(dāng)φPAM=0.6%時(shí)，漿體懸浮狀態(tài)良好。這是因?yàn)镻AM是一種有空間位阻穩(wěn)定作用的高分子化合物，它加入到溶液中后，可以使其高分子長(zhǎng)鏈的一端緊密地吸附于顆粒的表面，另一端盡可能伸向溶液中，以減小顆粒之間的吸附力，從而實(shí)現(xiàn)空間位阻穩(wěn)定。但如果PAM加入量過小，則它與顆粒之間吸附不足(欠飽和吸附)，另一端便會(huì)吸附在其他顆粒的表面上，從而使顆粒之間發(fā)生聚集而沉淀。如果PAM的加入量過大(過飽和吸附)，則伸向溶液中的高分子長(zhǎng)鏈相互纏繞在一起，也會(huì)使顆粒團(tuán)聚而沉淀。圖11中，φPAM=0.9%時(shí)，PAM對(duì)HRS的提高非常有限。綜上所述，可以認(rèn)為在本實(shí)驗(yàn)條件下φPAM為0.6%～0.9%之間比較好。

由圖12可知，φPAM增大時(shí)，孔深和去除質(zhì)量都有所增大；而當(dāng)φPAM=0.6%時(shí)孔徑稍小一些；φPAM=0.9%時(shí)孔的邊緣破碎較嚴(yán)重，因?yàn)楫?dāng)φPAM增大到一定程度時(shí)，漿體的表觀黏度明顯增大，因黏滯力增大而引起的阻力也相應(yīng)變大，從而減弱了PAM的減阻和凝聚作用，導(dǎo)致孔型圓度變差。

圖12　PAM體積分?jǐn)?shù)對(duì)鉆孔效果的影響

3　結(jié)論

(1)利用微磨料漿體射流在6 mm厚的石英玻璃上進(jìn)行鉆孔加工實(shí)驗(yàn)，研究了磨料質(zhì)量濃度ρA對(duì)鉆孔性能的影響，結(jié)果表明，ρA存在一個(gè)最佳值，在本文實(shí)驗(yàn)條件下，最佳值為ρA=170 g/L。

(2)分散劑并非一定能改善顆粒的沉降穩(wěn)定性，這與磨料種類、磨料質(zhì)量濃度和分散劑體積分?jǐn)?shù)等有關(guān)； 分散劑的主要作用是將磨料粒子在漿體中均勻分散，盡管對(duì)于某種磨料來說，配制漿體時(shí)磨料的質(zhì)量濃度和分散劑體積分?jǐn)?shù)均選擇較恰當(dāng)?shù)闹?，但始終不能避免磨料粒子因自身重力而出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。在本實(shí)驗(yàn)條件下，分散劑體積分?jǐn)?shù)φSBN=2.5%、磨料配制質(zhì)量濃度ρB=300 g/L的氮化硼漿體的分散效果較好，而對(duì)于其他幾種磨料，φSBN為3%～5%時(shí)也能起到較好的分散效果。磨料種類不同，鉆孔效果也不同，要根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行選擇。φSBN不同時(shí)白剛玉磨料的玻璃鉆孔實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)φSBN=5%時(shí)漿體鉆孔性能最優(yōu)，這與不同φSBN時(shí)白剛玉磨料沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。

(3)選擇700目石榴石、ρB=300 g/L，研究了添加不同體積分?jǐn)?shù)的分散劑(pH=6)對(duì)磨料粒子Zeta電位的影響，研究表明：當(dāng)φSBN=4%時(shí)磨料粒子均有較大的電位(絕對(duì)值)，而當(dāng)φSBN=1%時(shí)，Zeta電位接近于零，這與靜態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

(4)不同體積分?jǐn)?shù)的懸浮劑PAM的沉降實(shí)驗(yàn)表明，添加PAM能明顯改善漿體的懸浮性，且在本實(shí)驗(yàn)條件下，取φPAM為0.6%～0.9%比較好。不同φPAM的漿體的鉆孔實(shí)驗(yàn)表明，φPAM增大時(shí)，玻璃孔深和去除質(zhì)量都有所增大,而當(dāng)φPAM=0.6%時(shí)孔徑稍小一些。

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(編輯蘇衛(wèi)國(guó))

Study on Preparation of Slurry and Properties of Micro Abrasive Slurry Jet

Wang ChengyongWang RongjuanYang PeixuanWen WuQiu Chunlin

Guangdong University of Technology,Guangzhou,510006

Micro abrasive slurry jet is a new technology developed in the abrasive water jet machining technology. The sedimentation stability of slurry was improved by adding dispersant and suspending agents. For the preparation of a high quality drilling slurry, the influences of abrasive mass concentration, abrasive type, dispersant volume fraction and suspension volume fraction on glass micro-hole drilling were studied,and the influences of dispersant volume fraction and suspension volume fraction on the sedimentation stability of slurry were also investigated. The results indicate that abrasive mass concentration possesses a best value. Dispersant does not necessarily improve the sedimentation stability of the particles, which is related with the type of the abrasive, the abrasive mass concentration and the dispersant volume fraction and so on. Suspending agents can improve suspension of abrasive, its volume fraction affects the sedimentation stability of slurry and glass micro hole drilling.

micro abrasive slurry jet; slurry; dispersion; suspension property; drilling

2014-06-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075076)；廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009B050400005)

TG73DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.16.011

王成勇，男，1964年生。廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楦咚偌庸ね繉拥毒咧苽?、模具高速加工、難加工材料的精密超精密與納米加工和超硬材料及工具制造等。發(fā)表論文200余篇。王榮娟，女，1982年生。廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士研究生。楊佩旋，女，1984年生。廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。文武，男，1987年生。廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。邱春林，男，1990年生。廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。