陳逢軍　苗想亮　唐　宇　尹韶輝

湖南大學國家高效磨削工程技術(shù)研究中心,長沙,410082

磨料液體射流拋光技術(shù)研究進展

陳逢軍苗想亮唐宇尹韶輝

湖南大學國家高效磨削工程技術(shù)研究中心,長沙,410082

論述了磨料液體射流拋光過程中的材料去除機理，介紹了磨料液體射流加工系統(tǒng)平臺的國內(nèi)外研究成果。從速度變化、材料去除、表面演化、表面粗糙度、數(shù)值模擬五個方面闡述了磨料液體射流數(shù)學模型的構(gòu)建狀況。系統(tǒng)分析了主要工藝參數(shù)如磨粒動能、射流壓力、磨料、噴射角度、噴射距離、添加劑對加工結(jié)果的影響規(guī)律,并總結(jié)了磨料液體射流拋光技術(shù)發(fā)展歷程。最后針對其將來的研究方向與內(nèi)容給出了進一步的建議與展望。

磨料射流；磨粒磨料；流體拋光；超光滑加工；材料去除

0　引言

隨著科技快速發(fā)展,機械電子、精密儀器、光學元件、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的產(chǎn)品制造要求也在不斷地提高。而在精密或超精密加工一些異形面、細長件或者微小區(qū)域時，由于這類構(gòu)件加工難度大,故需要選擇特殊的加工方法以提高產(chǎn)品質(zhì)量。磨料液體射流拋光技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型精密與超精密光學加工工藝，它也是一種計算機控制的小磨頭柔性拋光技術(shù)。20世紀60年代,美國的Bobo獲得了將磨料液體射流技術(shù)用于鉆油井的相關(guān)專利[1]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，磨料液體射流在清洗、切割、拋光、車削、銑削以及鉆井、破碎巖石等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。與傳統(tǒng)拋光技術(shù)相比,磨料液體射流拋光技術(shù)具有能加工任意面形光學元件、柔性強、拋光精度高、易控制和成本低等優(yōu)點，在加工領(lǐng)域已得到了一定的應用。

本文分別對磨料液體射流拋光技術(shù)的機理與方法、數(shù)學模型以及工藝參數(shù)等方面的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)分析，并對磨料液體射流加工技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望。

1　射流拋光原理與方法

1.1磨料液體射流拋光原理

磨料液體射流拋光的基本原理如圖1所示?；煊形⒓毮チ５膾伖庖阂砸欢ㄋ俣扔蓢娨耗ヮ^噴出與工件表面發(fā)生碰撞,并沿工件表面切向流動,產(chǎn)生強大的沖擊力及剪切力,從而實現(xiàn)工件表面的材料微去除[2]。

圖1　液體射流拋光原理圖[2]

磨料液體射流拋光可以獲得具有納米級精度且無亞表面損傷的超光滑表面。文獻[3]對BK7進行了3 h磨料液體射流定點拋光試驗后，拋光點處最大深度為44 nm,拋光點中心處的粗糙度為1.2 nm。表明可以通過極少量材料的塑性移除來獲得極低的表面粗糙度值。K9玻璃的磨料液體射流拋光試驗表明,垂直噴射時材料的去除區(qū)域呈W形的環(huán)狀分布,對材料去除的主導作用是磨粒剪切力，而直接沖擊占次要地位[4]。通過對納米級顆粒與光學元件表面碰撞過程分析可知,納米級顆粒具有足夠高的入射動能才能克服阻礙勢壘，與工件表面原子發(fā)生界面化學吸附反應[5]。

通過水射流沖蝕石材試驗發(fā)現(xiàn)，單純的水射流的中心射流對材料具有去除作用，在成穴力、剪切應力和水楔的共同作用下，材料以脆性和塑性斷裂方式實現(xiàn)去除。如圖2所示,磨料水射流沖蝕區(qū)分為中心射流區(qū)(圓形區(qū)域φA)、成穴區(qū)(φA、φB之間的環(huán)形區(qū))和散射區(qū) (φB、φC之間的環(huán)形區(qū))，材料的主要去除量在成穴區(qū)[6]。磨料液體射流重復拋光時，由于受壓力波動、磨粒沉降和流體紊動等因素的影響,材料去除量呈現(xiàn)波動不穩(wěn)性,從而增大了材料去除量的誤差范圍[7]。

圖2　射流沖蝕區(qū)截面輪廓[6]

1.2磨料液體射流加工系統(tǒng)

噴射系統(tǒng)是射流加工的關(guān)鍵,它將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽軓亩a(chǎn)生高能流束并完成水射流加工。而噴嘴結(jié)構(gòu)對射流的動力學特性、去除函數(shù)及拋光元件的表面粗糙度都會產(chǎn)生很大的影響。研究發(fā)現(xiàn),利用收縮角為13°、長徑比為4的錐柱型噴嘴進行射流拋光能獲得較好的射流特性，其射流出口斷面的紊動強度低、流速和磨料濃度分布均勻[8]。

保持磨料濃度均勻可以使磨料液體射流拋光的效果更好。由于流化混合方式結(jié)構(gòu)簡單,易于安裝,故可使用流化方式攪拌磨料混合液使其更加均勻。使用流化床輔助磨料液體射流加工系統(tǒng)對鋁合金管道內(nèi)表面進行拋光,表面粗糙度可從3 μm減小到0.6 μm,加工效率也可得到較大的提高[9]。

供料系統(tǒng)需要保證精確、均勻、連續(xù)地供料，從而提高磨料液體射流加工的效率和射流性能。對于磨料液體射流,一般有如圖3所示的前混合和后混合兩種供料方式。前混合磨料液體射流是磨料先和水均勻混合成磨料料漿，然后經(jīng)噴嘴噴射形成射流。如圖4所示，結(jié)合流態(tài)化原理，依靠高壓水的快速流動將高壓磨料罐中的磨料負壓吸入并流態(tài)化成均勻的磨料懸浮液，再經(jīng)過三通與高壓水混合，形成高速穩(wěn)定的磨料料漿[10]。后混合磨料液體射流則是高速水射流與低速磨粒分別進入混合腔進行充分混合,同時高速水射流的部分能量傳遞給磨料,通過噴嘴進入噴射狀態(tài)。前混合方式所需壓力低，混合效果好，能量利用率高，加工精度高，但設備復雜,噴嘴磨損嚴重,而后混合方式正好與之相反。因此，在設計磨料液體射流加工系統(tǒng)時必須考慮實際加工精度及成本，從而選擇合適的混合方式。

1.高壓水泵　2.混合腔　3.噴嘴　4.截止閥　5.儲料箱　　6.濃度調(diào)節(jié)閥　　(a)前混合式　1.高壓水泵　2.水噴嘴　3.混合腔　4.噴嘴　　5.儲料箱(b)后混合式圖3　兩種磨料液體射流原理示意圖

圖4　前混合磨料混合系統(tǒng)[11]

1.3磨料液體射流平臺

Beaucamp等[11]在一個7自由度的運動平臺上對非球面光學元件進行磨料液體射流拋光試驗,面型精度值達到50 nm。李天生等[12]設計了一種磨液射流磨削拋光裝置,該裝置通過壓縮裝置在箱體內(nèi)產(chǎn)生負壓將磨料液從吸管吸上來，在壓縮氣流的作用下形成水射流,噴射在工件表面上，同時工件在旋轉(zhuǎn)筒的帶動下不斷旋轉(zhuǎn)，從而完成整個拋光過程。監(jiān)測磨料液體射流加工過程對工藝參數(shù)的優(yōu)化是非常重要的，國內(nèi)外學者對此也作了相關(guān)的研究?？梢岳脺y力傳感器和探針精確確定射流束的直徑[13]。使用聲發(fā)射傳感原理對磨料液體射流工件侵蝕部分進行監(jiān)測，可以控制加工工藝參數(shù)以提高加工質(zhì)量[14]。Fan等[15]使用粒子圖像測速(particle image velocimetry,PIV)技術(shù)對微磨料液體射流的粒子速度分布進行了試驗研究。試驗發(fā)現(xiàn)粒子射流幾乎是線性膨脹的，平均膨脹角度大約為7.2°。

2　磨料液體射流數(shù)學模型

為了對磨料液體射流的加工效率及精度進行定量分析，國內(nèi)外學者根據(jù)材料去除機理、射流特性以及試驗結(jié)果，建立了相關(guān)的數(shù)學模型進行預測與控制。圖5展示了目前磨料射流數(shù)學模型的主要研究內(nèi)容。施春燕等[7]對射流拋光的紊動沖擊射流特性進行了研究,并構(gòu)建了射流拋光的垂直和斜沖擊射流模型，而且將RNGk-ε理論用于模型的計算。

圖5　磨料射流數(shù)學模型

2.1速度變化模型

射流加工中射流截面上磨粒的平均速度可以利用磨粒的能量模型進行精確預測，其模型預測結(jié)果和試驗結(jié)果的皮爾遜相關(guān)系數(shù)達到95%[16]。Wang[17]基于射流動態(tài)特性的CFD仿真研究，提出了可以評估射流方向上流體內(nèi)部任意位置速度變化的數(shù)學模型。該模型與CFD模型預測結(jié)果的平均誤差在1%以內(nèi)，基本可以滿足對射流流體速度的預測。

2.2材料去除模型

材料去除模型的應用可以有效地提高材料去除效率。在對磨料水射流車外圓的試驗中，使用一種考慮了加工過程中沖擊角度變化的模型，可以很好地提高加工過程中對工件直徑的預測精度[18]。Kumar等[19]建立了基于有限元仿真的三維侵蝕模型，并對多磨粒沖擊侵蝕過程進行了仿真計算。Tyagi[20]建立了基于磨粒動能的材料去除率數(shù)學模型，研究了磁場和電場對材料去除率的影響，材料的去除率隨著磁場強度的增大而減小，隨著電場強度的增大而變大。

2.3表面粗糙度模型

表面粗糙度模型能對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，以獲得最佳工藝參數(shù),從而提高表面質(zhì)量。Azmir等[21]采用磨料水射流加工了玻璃環(huán)氧樹脂復合材料，應用分段線性回歸方法建立了加工表面粗糙度模型。Chen等[22]同樣基于大量試驗數(shù)據(jù),建立了磨粒水射流拋光表面粗糙度模型，其預測結(jié)果的平均偏差為3.8%。Che等[23]建立了應用磨粒水射流拋光超硬材料的表面粗糙度理論模型,從理論上反映了各個工藝參數(shù)的變化會對表面粗糙度的影響。

2.4表面演化模型

磨料水射流拋光時，沖擊點處的面形變化會對工件的表面粗糙度、面形精度及去除效果產(chǎn)生影響，方慧等[4]、劉增文等[6]、施春燕等[7]對此作了相關(guān)研究，但他們較少考慮工藝參數(shù)對沖擊點面形變化的影響。一種基于窄帶水平集法的表面演化模型解釋了微磨料液體射流加工中掩膜的磨損和磨粒的二次沖擊問題，從而極大地縮短了加工時間[28]。Ma等[25]建立了可以預測磨料液體射流加工寬度與射流速度的經(jīng)驗關(guān)系模型。Getu等[24]根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對微磨料液體射流加工脆性材料時的表面輪廓演化模型進行了改進。

2.5數(shù)值模擬

通過對磨料液體射流過程進行數(shù)值模擬分析,可以促進實驗與理論研究的發(fā)展。劉國勇等[27]基于CFD多相流混合物模型對前混合磨料水射流混合腔的內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬,當收縮錐角為30°時可獲得較好的流場性能。VOF、Mixture和Euler模型在磨料液體射流的CFD數(shù)值模擬過程中有著非常重要的應用。使用Mixture模型可以對磨料在混合腔中的混合過程進行仿真，并且能夠獲得混合腔內(nèi)磨粒的運動狀態(tài)[29]。該模型也被應用于噴嘴結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析中,可以得出錐直型噴嘴的長徑比在2～3時可獲得最佳的射流速度[30]。陳林等[26]基于多相流Euler模型對幾種典型的后混合磨料水射流噴嘴的內(nèi)流場進行了數(shù)值模擬，當圓柱段長度為出口直徑的23～37倍時，磨粒可獲得最大速度。陸金剛等[31]采用VOF模型對自由水射流流場進行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)噴嘴出口處空氣向噴嘴內(nèi)部卷吸,一定程度上提高了其集束性，而射流上游的湍流動能大小及漩渦強度對射流的集束性影響顯著。

3　磨料液體射流工藝參數(shù)優(yōu)化

磨料液體射流加工的材料去除效率及表面粗糙度受許多工藝參數(shù)的影響,如圖6和圖7所示。分析和研究磨料液體射流加工工藝參數(shù)并進行優(yōu)化對充分發(fā)揮其拋光性能非常關(guān)鍵。李兆澤等[32]研究了射流拋光主要工藝參數(shù)對拋光效率和侵蝕形貌的影響:選取噴射角度90°,噴射距離15 mm，拋光液濃度4%,射流速度25 m/s,工作時間5 min,對平面K9玻璃進行拋光試驗,其表面粗糙度約為2.25 nm,拋光速率可達到30 nm/min。

圖6　影響材料去除的主要參數(shù)

Tsai等[33]對SKD61進行了磨料液體射流拋光優(yōu)化試驗，獲得使工件表面粗糙度達到最佳的加工條件為：粒徑為1.6 μm左右的SiC磨料和水的混合比例為1∶2、沖擊角度為30°、射流壓力為0.4 MPa、噴射距離為10 mm,其表面粗糙度從1.03 μm減小到0.13 μm。Mimura等[43]將單晶4H-SiC的表面拋光到表面粗糙度RMS值為0.323 nm,表面晶體結(jié)構(gòu)完整。Zhang等[44]對K9玻璃進行了磨料液體射流拋光，表面粗糙度RMS值達到了0.935 nm。而Wang等[45]對石英玻璃進行加工,RMS值達到0.123 nm。宋岳干等[46]對0Cr18Ni9Si不銹鋼進行拋光,使得表面粗糙度值從2.203 μm減小到1.195 μm。

(1)磨粒動能。在磨料液體射流過程中磨粒速度越大，其動能也越大，對表面影響也越明顯。圖8所示為對硼酸玻璃進行磨料水射流拋光的試驗結(jié)果，加工后的表面粗糙度隨磨粒動能增大而增大[35]。

(2)射流壓力。一定范圍內(nèi),壓力越大,射流速度越高,磨粒能夠獲得的能量也越大,材料去除量就越大。玻璃和環(huán)氧樹脂復合材料壓層板磨料水射流加工試驗證明了增大工作壓力和磨料流量可以很好地改善加工性能，減小噴射距離和移動速率也能提高加工性能，而噴射角度對加工質(zhì)量影響不大[34]。因此,增大射流過程的動能能夠獲得更好的表面質(zhì)量。

圖7　表面粗糙度的研究狀況

圖8　表面粗糙度與磨粒動能的關(guān)系[35]

(3)磨料。對于硬度較高的工件表面，宜采用具有較大磨粒直徑和較高濃度添加劑的磨料液；對于硬度較低的工件表面,宜采用磨粒直徑較小和添加劑濃度較低的磨料液[37]。而增大磨粒硬度則能提高材料去除率和表面粗糙度[38]。

(4)噴射角度。不同噴射角度對材料去除面形會產(chǎn)生影響。通過射流拋光噴射角度的仿真模擬分析得出,當射流與工作壁面垂直時，拋光區(qū)域整個面形呈W形狀分布；隨著沖擊角度的減小，去除面形呈越來越明顯的彎月形狀分布[39]。噴射角度的大小對侵蝕速率也會產(chǎn)生一定的影響,使用射流速率為106 m/s、粒徑為50 μm的Al2O3磨料對鋁、鋁合金、不銹鋼進行加工,當噴射角度在20°～35°時侵蝕速率達到最高[40]。使用粒徑為25 μm的Al2O3磨粒在有機玻璃上進行微細磨料噴射加工,當噴射傾斜角度為55°時,噴嘴掃描方向工件表面的侵蝕速率影響較大[24]。

(5)噴射距離。噴射距離對材料去除率具有顯著影響。射流在初始階段還未穩(wěn)定，部分磨粒未參與剪切作用,去除量很小。當噴射距離達到一定尺寸時,磨料液體射流達到穩(wěn)定狀態(tài)，材料去除量增大至最大。隨著工作距離進一步增大，磨料的動能降低，沖蝕能力下降,從而降低了材料的去除率。當噴射距離在8～10 mm范圍內(nèi)時,去除效率最高,之后隨著噴射距離的增大而減小[36]。

(6)添加劑。添加劑可以較好地改變材料的去除效率。例如使用粒徑為80 μm左右的SiC對玻璃進行磨粒流體射流加工時，當研磨液中加入丙酮酸和磷酸可以使材料去除率大大提高,而加入高分子聚合物聚丙烯酰胺對材料的去除率影響更大[41]。Yan等[42]使用粒徑為5 μm左右的SiC磨料對SKD61進行水射流拋光,當使用不涂蠟磨料時表面粗糙度從0.36 μm減小到0.054 μm;而當使用涂蠟磨料時表面粗糙度減小到0.049 μm。故使用添加劑可以提高拋光后的表面粗糙度。

4　磨料液體射流拋光技術(shù)的發(fā)展趨勢

圖9展示了磨料液體射流拋光技術(shù)在各個領(lǐng)域比較重要的研究進程。雖然在國內(nèi)外該技術(shù)已獲得了較多的研究成果，但還存在許多問題亟待解決。

圖9　磨料流體射流拋光發(fā)展歷程

(1)材料去除機理的系統(tǒng)性理論研究。材料去除機理總體上可以分為微觀去除機理和宏觀去除機理。單個磨粒對材料去除作用的研究是目前微觀加工機理的主要研究內(nèi)容，而射流則表現(xiàn)為磨粒與流體共同對材料的復合作用,而目前并沒有成熟的系統(tǒng)化理論。對宏觀加工機理的研究,目前主要通過試驗和仿真來完成,缺少系統(tǒng)的理論公式,很難用于指導磨料液體射流拋光技術(shù)的應用。因此，將磨料液體射流在宏觀方面和微觀方面去除機理通過統(tǒng)一化的理論表達出來將成為今后磨料液體射流拋光技術(shù)的一個重要研究方向。

(2)材料去除模型。目前國內(nèi)外已經(jīng)有部分學者建立了各類磨料液體射流拋光的數(shù)學模型。但對于射流加工過程中存在的部分用數(shù)學模型難以準確描述的復雜現(xiàn)象研究較少，如射流流體中介質(zhì)耦合、磨粒與流體相互作用、磨粒相互運動干涉、磨粒破碎及磨料對材料多次沖擊等微觀作用的模型建立與模擬。另外，關(guān)于射流的類別與結(jié)構(gòu)形式、射流的速度及能量分布模型的研究也不多，需要進一步深入研究。而且目前建立的多數(shù)經(jīng)驗模型也包含了許多未知的參數(shù)，很難用于生產(chǎn)實踐，對這些模型的進一步改進非常必要。

(3)磨料液體射流控制方法。工藝過程控制策略與控制方法也是磨料液體射流加工的重要研究內(nèi)容。例如將低壓或者負壓替代高壓射流、多種磨粒共同作用，低溫或高溫環(huán)境下射流拋光、特殊光照射下的特殊材料射流拋光，等等。智能化的加工設備和控制系統(tǒng)可以降低對人工操作的依賴性、提高加工效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。所以，需要根據(jù)不同工藝過程研究出加工設備和系統(tǒng)的不同控制方法。另外,應建立磨料液體射流加工的工藝數(shù)據(jù)庫,以在不同條件下實現(xiàn)磨料液體射流加工的控制。

(4)工藝參數(shù)優(yōu)化的研究。對磨料液體射流加工工藝的優(yōu)化是目前國內(nèi)外學者研究得最廣泛、最直接的內(nèi)容之一。由于磨料液體射流拋光的基礎與應用的研究還處于初步發(fā)展階段，故對其工藝參數(shù)進行深入準確的研究非常必要。同時，磨料液體射流周圍環(huán)境如溫度、氣壓等對加工的影響研究很小,而該技術(shù)應用于精密超精密加工時，必須考慮這些影響因素。另外，復合加工工藝也是現(xiàn)在的研究熱點，目前對于磨料液體射流拋光與其他加工工藝的復合工藝研究較少，可以嘗試與精密磨削、車削、銑削、其他研拋等工藝的復合，以獲得更優(yōu)的拋光效果與效率。

(5)磨料液體射流拋光技術(shù)應用領(lǐng)域的擴展。由于磨料液體射流拋光技術(shù)尚待完善，且加工成本較高，故目前只是應用在部分科技領(lǐng)域，在高科技軍事方面應用較少。隨著新材料、新結(jié)構(gòu)、新要求的產(chǎn)品制造技術(shù)不斷涌現(xiàn)，部分傳統(tǒng)制造技術(shù)無法滿足要求時，磨料液體射流拋光技術(shù)能夠憑借其獨特的優(yōu)勢發(fā)揮其作用。此外，磨料液體射流技術(shù)在微型零件的應用領(lǐng)域可以進一步擴展，尤其是微型光學非球面元件的制造領(lǐng)域。

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(編輯王艷麗)

Research Progresses on Abrasive Fluid Jet Polishing Technology

Chen FengjunMiao XiangliangTang YuYin Shaohui

National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding,Changsha,410082

The mechanism of material removal in the process of polishing was discussed.The research results about jet machining system and platform were introduced.The development of mathematical model of abrasive fluid jet were described,including speed change model,material removal model,surface evolution model,surface roughness model,numerical simulation model.The effect laws of some major process parameters such as particle energy,jet pressure,abrasive,jet angle,stand-off distance,additive on machining results were analyzed,and the research progresses of abrasive jet polishing technology were summarized,and the probable further research was forecasted.

abrasive jet;abrasive particle;fluid polishing;super-smooth machining;material removal

2015-05-22

國家自然科學基金資助項目(51205120);高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20120161120001);中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(531107040147)

TH16DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.021

陳逢軍，男，1979年生。湖南大學國家高效磨削工程技術(shù)研究中心講師。主要研究方向為超精密加工與控制。發(fā)表論文20余篇。苗想亮,男,1988年生。湖南大學國家高效磨削工程技術(shù)研究中心碩士研究生。唐宇,男,1991年生。湖南大學國家高效磨削工程技術(shù)研究中心碩士研究生。尹韶輝,男,1967年生。湖南大學國家高效磨削工程技術(shù)研究中心教授、博士研究生導師。