磨料水射流抛光技术的研究现状

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磨料水射流抛光技术的研究现状
  n$ K3 y3 G, ~1 引言
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4 W# D5 F! w; @8 Q0 T4 K' t2 x% s; r　　磨料水射流是自19世纪80年代迅速发展起来的一种新技术，和传统加工技术相比，它具有加工时无工具磨损、无热影响，反作用力小、加工柔性高等优点，目前已被广泛应用到多种加工行业，用于加工陶瓷、石英、复合材料等多种材料。
　　磨料水射流抛光技术是在磨料水射流加工技术的基础上发展起来的集流体力学、表面技术于一体的一种新型精密加工技术。目前，国内外对于它的研究还比较少，只有少数学者进行了探索性实验研究，尚未形成系统的研究成果。
　　
　　Hashish对于磨料液体射流抛光金刚石薄膜的可行性进行了探索性实验，通过实验发现，利用600目的SiC磨料可以将金刚石薄膜从3μm抛光到 1.3μm。Fahnle，Oliver W等人利用液体磨料射流抛光平板玻璃时，玻璃表面粗糙度从初始的475nm降低到5nm。Booij、 Silvia M.等人在磨料液体射流抛光玻璃过程中，通过调整主要工艺参数（如加工时间、磨料浓度、磨料尺寸和靶距等），发现材料去除速度有可能控制在1nm/min 范围内。Booij、 Silvia M.和Fanle、Oliver W.等人通过实验发现，在磨料液体射流抛光过程中，通过调整喷嘴的运动轨迹，可以得到面形精度为N10的平面。Messelink、 Wilhelmus A. C. M.利用实验验证了磨料液体射流可以对球面进行预抛光和抛光加工，其研究结果表明：在抛光过程中，材料去除速度取决于磨料的锋利程度及其动能的大小。杨乾华和刘继光等人通过实验研究，认为磨液射流对铁合金异型曲表面的磨削抛光是可行的，并得出了较为合理的抛光方案。
　　
8 r" a6 Z- P( F$ ?" i　　2 磨料水射流抛光机理
　　
% C8 I0 @/ j/ Y  G# b　　磨料水射流以一定角度冲击抛光工件时，磨料对工件的冲击力可分解为水平分力和垂直分力。水平分力对工件上的凸峰产生削凸整平作用，垂直分力对工作表面产生挤压，使工件表面产生冷硬作用。
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0 X2 u& F0 u: z  R8 r　　抛光初期，工件表面的凹谷处会滞留一部分磨料水射流混合液，形成一层薄膜。露置在薄膜外的凸峰，会先受到磨料的冲击作用而被去除掉，使工作表面得到明显的平整。通常表面粗糙度为微米级，这一过程通常被称为一级抛光（即粗抛光）。在此过程中，材料的去除量较大，需选用颗粒较大的磨料，其材料去除机理目前被认为与普通磨料水射流加工机理相似。在磨料水射流抛光过程中，磨料去除工件表面材料的机制主要有两种，一种是塑性变形机制引起的，磨料对工件表面的冲击使材料向两侧隆起，这种过程并不会直接引起材料的切削过程，但在随后磨粒的作用下材料产生脱落而形成二次切屑。同时，磨粒也对工件表面如刨削一样有切削过程，这个过程可直接去除材料，形成一次切屑。另一种是利用混有磨料粒子的抛光液对工件的碰撞冲击、剪切刻划作用来去除材料。
　　
! s6 K  g% n1 S' q, @　　粗抛光后，工件表面上只留下较小的凸峰，这时水平冲击分力减小了，垂直冲击分力增大，使得磨料对工作表面的挤压作用增强了，这一过程通常被称为二级抛光，即精抛光。在这一过程中，材料去除量很小，需选用细颗粒磨料。这一阶段材料的去除机理至今还处于研究阶段。有学者认为，当材料去除尺度为纳米级别时，由于去除深度小于其临界切削深度，这时塑性流动便成为材料去除的主要方式，纳米尺度的磨料对工件的作用主要是挤压磨削作用。
　　3 工艺参数对抛光效果的影响
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　　利用磨料水射流进行抛光加工时，加工质量受到诸多因素的影响，例如：射流压力，射流喷嘴直径，靶距，倾角，砂喷管的直径、形状和长度，作用时间，磨粒的流量、大小、形状和硬度以及被加工材料的性质等。
　　（1）喷射压力太大时，材料去除量较大，抛光效果不理想；喷射压力太小，材料难以去除，达不到抛光效果。所以喷射压力应根据材料的性质和硬度来优化选取。
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- ?+ U+ I5 q  T! s　　（2）磨料粒度对抛光效果影响较大，磨料粒度越小，抛光质量越好，但抛光效率亦越低。
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( u* Z/ B, }0 l) O$ [7 D' V0 i　　（3）磨料硬度对抛光效果有明显影响。在普通的磨料水射流加工中，通常认为磨料的硬度要比工件硬度高，才能对工件进行加工。但在磨料水射流精抛光加工时，由于其不同的加工机理和对加工表面质量的高要求，磨料自身的变形量越大，即磨料硬度越小，抛光效果越好。
　　
　　（4）加工时间对抛光效果影响不明显，对材料去除量影响较大，加工时间越长，材料去除越多。
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　　（5）靶距对抛光效果的影响存在最优取值范围。靶距选择过小，如选在射流的初始段内进行抛光时，材料去除率高，但对工件的抛光作用较弱。靶距选择过大，如选在射流的消散段内进行抛光加工时，材料基本没有去除，同样抛光效果不好。通常认为抛光时，靶距的选择应使射流在基本段抛光工件。
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' _1 G' Z3 @, r' ?　　（6）喷射倾角对于抛光效果具有最佳值关系。在磨料水射流抛光工件时，随着喷射倾角的减小，抛光效果越来越好，当减小到一定值时，抛光表面质量达到最优，喷射倾角进一步减小时，表面质量变化不大，但材料去除量会随着喷射倾角的减小越来越小。如果喷射倾角过小（如射流沿与工件表面平行的方向抛光工件），这时材料去除量过小或基本没有去除，抛光效果反而不理想。
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. z0 i1 m! s8 U" \　　（7）砂喷管的直径、形状和长度影响磨料在射流束中的分布情况。抛光时，理想的磨料分布是磨料在射流束中均匀分布。
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　　（8）在相同的抛光条件下，材料硬度越高，表面粗糙度越低，材料去除量越小。
' ]0 B, R* u$ J6 F1 o% E& h　　4 目前磨料水射流抛光技术存在的主要问题
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8 d4 X: I+ a- I/ c& z　　理想的磨料水射流抛光加工结果是材料去除量小，表面质量高。若想得到理想的抛光结果，需选用压力低、磨料尺寸小的磨料水射流，即微磨料水射流。但目前微磨料水射流的理论还不成熟，有以下主要问题有待解决：
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　　（1）微细磨料水射流的形成。普通的磨料水射流形成是利用文杜里效应引射，使磨料进入水射流的，但Miller发现，当射流直径小于300μm时，这种使磨料进入水射流的方式已不能应用。现在对于微磨料水射流混合机理的研究还少见报道。
　　
　　（2）磨料团聚。当磨料颗粒为纳米级时，磨料的表面能很大，在磨料水射流形成过程中，磨料颗粒有团聚趋势。在磨料水射流精抛光加工时，需要用到纳米级的磨料，而对于磨料水射流中纳米级磨料的分散问题目前还没有解决。
　　
　　（3）微细磨料加工时发生喷嘴堵塞。由于微细磨料水射流喷嘴尺寸较小，在射流开关的过程中，极易堵塞。有的学者利用阀控制磨料进入喷嘴的时间，但同时，阀的快速磨损破坏又成为一个新的问题。
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. g5 _' o. L0 N: [: I- m& H　　（4）因为对磨料水射流抛光技术的研究刚处于起步阶段，从实验到理论都还没有形成成熟的抛光工艺、理论。磨料水射流精抛光加工时，材料去除机理是微观去除机理，各种材料的微观去除机理至今还没有定论。
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/ z. _, Y, _* `4 x: H　　（5）磨料水射流抛光加工（尤其是精抛光加工时），选用的磨料尺寸很小，而喷嘴尺寸由于经济和技术的原因，很难做到很小。这时，由于喷嘴尺寸与磨料尺寸比很大而引起的尺寸效应，其中的规律尚不清楚。
　　
3 A! _: T9 S0 y7 ?3 C　　综上所述，可以看出对于磨料水射流抛光技术的研究还处于初级阶段，今后应从理论、实验两方面对磨料水射流抛光技术进行进一步深入研究。
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　　5 结语
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; @( Z. r! C' r　　随着科学技术的进步，开发出越来越多的新型材料，对材料的加工精度要求也越来越高。磨料水射流加工技术作为一种新型的精密加工技术，其具有的独特优势，使其可以在各种难加工材料的加工中发挥作用，尤其是微磨料水射流技术的发展，对磨料水射流抛光技术的研究和工艺的成熟将起到推动作用。