磨料射流加工技术的发展与研究现状

与其他加工技术相比,磨料射流因具有无热损伤、高柔性、材料适用性强等特点,一直是国内外学者研究的热点。近年来,磨料射流被广泛用在微切割、微流道制备、表面抛光等领域,其发展趋势已经由宏观尺度向微观尺度转变,由粗加工向精加工转变。从射流的本质或根源来看,传统技术主要分为(磨料)水射流、浆体射流和磨料气射流。首先对上述各射流技术的发展背景、工作原理进行了综述。此外,还介绍了最近出现的多相射流和高压浆体射流等新技术。面对复杂的应用需求,如何挑选出合适的射流技术是一个难题。鉴于此,对各磨料射流技术的射流速度、工作压力、射流束直径、侵蚀轮廓和加工机理进行了深入分析和比较。最后对各磨料射流技术在微流道制备和表面光整加工等领域的应用情况以及存在的问题进行了论述,并详述了多相射流和浆体射流在表面抛光方面的优缺点。结果表明,磨料气射流拥有低压高速的优点,可以快速地去除材料。磨料气射流的缺点是射流易发散,需要结合掩模制备微流道。目前,掩模磨料气射流能加工宽度低至10 μm的微流道。浆体射流和磨料水射流的射流束直径已经可低至50 μm,能直接在表面刻蚀出大于50 μm的微流道。抛光应用中,浆体射流的材料去除率远低于磨料气射流,但表面粗糙度要好。考虑到两者的优点,多相射流试图在磨料气射流和浆体射流之间建立一个桥梁。同时,与浆体射流的W形侵蚀轮廓相比,多相射流的U形侵蚀轮廓更有利于表面抛光。     

磨料浆体射流抛光模具钢的试验研究

通过磨料浆体射流抛光加工SKD12模具钢的试验研究,分析了浆体射流的加工参数与抛光加工工件表面质量之间的关系,得出了各个工艺参数对磨料浆体射流加工质量的影响规律。结果表明:模具钢抛光表面R_a值与磨料尺寸成正比,与工件的初始R_a值无关;走刀速度4 mm/s、喷射压力0.7 MPa、靶距5 mm、磨料浓度75 g/L时工件表面质量最佳;氧化铝磨料比碳化硅磨料抛光质量高;当走刀间距为1.25D时表面粗糙度值最低,且喷嘴直径越大表面R_a值越小。      

磨料射流表面抛光研究综述

作为精密超精密光学制造工艺过程中的一个重要环节,各种新型表面抛光方法与工艺始终吸引着科研人员不断深入研究与探索。磨料射流抛光方法为小型复杂零件的表面抛光提供了一个新思路,成为精密超精密光学加工技术的重要组成部分。对磨料射流表面抛光过程中衍生的磨料水射流抛光、磁射流抛光、负压吸流抛光、磨料气射流抛光、冰粒水射流抛光、纳米胶体射流抛光的抛光原理、方法及特点进行了综述,分析了各射流表面抛光技术材料去除的最新发展;从加工原理、磨料选择、抛光精度、数学模型等方面对上述新型射流抛光技术进行深入分析与比较,其中磁射流抛光、纳米胶体射流抛光、磨料水射流抛光的抛光精度较高,可以实现表面粗糙度纳米级的超精密抛光,而磨料气射流抛光、冰粒射流抛光从加工成本上来讲则相对较低。最后,对磨料射流表面抛光在去除函数优化、精度效率的提高、应用范围扩展、在线检测、商业化应用等方面的发展趋势进行了预测。     

磨料水射流抛光技术及其发展

磨料水射流抛光技术是应用于表面抛光加工的新技术.利用含有细小磨料粒子的抛光液在高压作用下,与工件表面发生冲击、冲蚀而微去除材料,以达到抛光目的.论述了磨料水射流抛光技术的基本原理和特点,以及影响抛光效果的主要工艺参数,并对其发展趋势进行了展望.     

微磨料水射流抛光硅片的实验研究

采用微磨料水射流对硅片进行抛光实验研究。根据后混合磨料水射流原理,通过设计实验,在选取合适磨粒直径和其他参数的条件下,采用微磨料水射流对硬脆性材料的表面进行抛光是完全可行的。并以正交试验设计为依据,分析在抛光硅片过程中,微磨料水射流主要加工工艺参数对表面粗糙度的影响。通过分析该实验结果的相关指标,可知抛光效果较好,因此用微磨料水射流对硅片的抛光是可行的。     

超声复合磨料振动抛光方法有限元分析与实验

为研究超声复合磨料振动抛光方法对工件表面材料去除量与工件表面粗糙度的影响,分析了超声复合磨料振动抛光方法;并利用ANSYS Workbench软件分别分析了超声振动条件下和超声复合磨料振动条件下工件表面结构与应力变化情况,同时在超声复合磨料振动条件下通过实验验证超声复合磨料振动抛光技术对工件表面材料去除量与工件表面粗糙度的影响程度。结果表明:超声复合磨料振动条件下工件表面位移小于超声振动条件下的工件表面位移,超声复合磨料振动条件下工件表面应力大于超声振动条件下的工件表面应力;在超声复合磨料振动条件下,影响工件表面粗糙度最显著的因素是磨料质量分数,影响工件表面材料去除量最显著的因素是抛光时间,且磨料质量分数为30%、抛光时间为4 h时,抛光效果最佳。     

微磨料空气射流加工技术的发展

微磨料空气射流加工(MAJM)技术是对硬脆材料进行微细加工的一种非常有潜力的技术，特别是对复杂的三维微细结构的加工。微磨料空气射流加工技术是基于传统的喷砂技术发展起来的，通过由空气喷射磨料微粒形成高速气流冲击工件表面而去除工件材料。与其它的加工技术相比，微磨料空气射流加工具有环境友好、易于控制、无热影响区、切口质量好等优点。本文介绍了此技术的基本加工原理、特点以及加工过程中的影响因素，论述了微磨料空气射流加工的材料冲蚀机理和切口特征。重点分析了一些主要的加工参数，例如空气压力、磨料材料、尺寸、供给率、喷嘴的形状和尺寸、喷射距离以及工件材料，对切削性能和切口特征的影响。并提出了微磨料空气射流加工技术中有待进一步深入开展的研究工作。     

微磨料水射流对工件表面抛光作用的研究

采用碳化硅固体磨粒、纯水和水溶性乳蜡(水蜡)混合而成的液体磨料,液体磨料的浓度按固体磨粒与添加液的质量比1∶ 2的比例混合,工件材料采用热作模具钢4Cr5MoSiV1,被抛光工件表面分别为未经热处理的模具钢表面和电火花加工后的工件表面.实验研究了不同粒度的固体磨粒、添加液浓度、抛光时间等对抛光性能的影响.研究表明,经过90 min的抛光,两种抛光面的表面粗糙度值Ra都呈显著下降.对于电火花加工表面,抛光90 min后的粗糙度值由最初的Ra=1.0 μm下降到Ra=0.08 μm;对于未经热处理的工件表面,抛光90 min后的粗糙度值由最初的Ra=0.36 μm下降到Ra=0.06 μm.证明微磨料水射流对工件表面具有良好的抛光作用.研究还表明,磨料液成分、抛光时间以及被抛光工件材料以及工件表面原始粗糙度等对抛光性能有重要影响.对于硬度和粗糙度较高的工件表面,宜采用具有较粗的固体磨料粒子和较高浓度添加剂的磨料液;对于硬度和粗糙度较低的工件表面,宜采用较细的固体磨料粒子和添加剂浓度较低的磨料液.对于较低硬度的工件表面,采用蜡敷磨粒的磨料液可缩短抛光时间和提高抛光的表面精度.     

抛光液中磨料和化学成分对单晶MgO基片化学机械抛光的影响

采用扫描电子显微镜和高分辨粒径分析仪对不同抛光液中磨料形貌、平均粒径大小和粒径分布范围进行观测分析,研究了SiO2磨料特性及各种无机酸对单晶MgO基片抛光材料去除率和表面粗糙度的影响.试验结果表明,使用粒径分布较窄的球形磨料和磷酸反应剂配制成抛光液,可以得到较高的材料去除率和较低的基片表面粗糙度.通过对抛光参数的进一步优化,采用抛光压力42 kPa,抛光转数100 r/min和抛光液流量30 mL/min,对单晶MgO基片进行化学机械抛光加工,单晶MgO基片抛光材料去除率可达到400 nm/min,抛光后的基片表面粗糙度Ra降低至0.4 nm.该抛光工艺已具有一定的实用价值.     

振动辅助固结磨料抛光氟化钙晶体

为了改善氟化钙晶体加工后的表面质量、提高加工时的材料去除率,提出了振动辅助固结磨料抛光氟化钙晶体的加工方法。利用振动与固结磨料抛光有效结合,采用正交实验研究加工工艺参数对材料去除率和表面质量的影响。结果表明:振动辅助固结磨料抛光氟化钙晶体的最优工艺参数为转速40 r/min,振动频率40 kHz,抛光液pH值9,转速比0.95;在最优参数下抛光氟化钙晶体的材料去除率为324 nm/min,表面粗糙度S_a值为1.92 nm;与无振动辅助的固结磨料抛光相比,材料去除率提高了57%,表面粗糙度降低了35%。研究表明:振动辅助能够利用空化作用及规律化间歇性接触,在固结磨料抛光中提高材料去除率及表面质量。