微磨料氣射流加工理論研究.pdf

1、微磨料氣射流加工技術(shù)（Micro Abrasive Jet Machining，簡(jiǎn)稱MAJM），是在傳統(tǒng)的噴砂加工中應(yīng)用了微細(xì)磨料、磨料的連續(xù)送料裝置和掩膜加工技術(shù)，通過微噴嘴形成高速氣流混合微細(xì)磨料對(duì)工件表面進(jìn)行沖蝕加工，其特別適用于制造加工高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)精密微小光電子器件、芯片、傳感器等的三維微細(xì)結(jié)構(gòu)和微細(xì)零件。 本文綜合采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、脆性材料沖擊破碎學(xué)、脆性斷裂力學(xué)、磨削加工和數(shù)學(xué)建模等理論與方法，以及粒子運(yùn)

2、動(dòng)圖像、表面斷口形貌和三維輪廓等測(cè)試分析方法，對(duì)微磨料氣射流加工硬脆材料微細(xì)結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵基礎(chǔ)理論問題進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。在結(jié)合微磨料氣射流加工特性的空氣射流流場(chǎng)數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，從理論和實(shí)驗(yàn)上深入研究了加入微磨料后形成的氣-固兩相射流流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性，及其對(duì)微磨料氣射流加工過程的影響；對(duì)微磨料氣射流加工過程、加工表面特征以及加工過程中磨粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了細(xì)致觀察和理論分析，提出了微磨料氣射流加工的材料切除與微細(xì)結(jié)構(gòu)形成機(jī)理，獲得了加工工藝條

3、件等與加工效率及加工質(zhì)量的數(shù)量化關(guān)系；建立并驗(yàn)證了微磨料氣射流加工材料沖蝕率和工件表面輪廓形成的理論預(yù)測(cè)模型；結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，給出了微磨料氣射流加工硬脆材料三維微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工工藝原則。本文的研究為硬脆材料三維微細(xì)結(jié)構(gòu)和微細(xì)零件的制造，提供了相對(duì)系統(tǒng)完整的加工理論和加工工藝技術(shù)，具有重要的理論與應(yīng)用意義。 本文主要研究結(jié)論如下： 1.微磨料氣射流加工中的空氣氣流和磨粒速度，如沿垂直于噴嘴中軸線的徑向方向度量，其在噴

4、嘴中軸線處最大，離中軸線越遠(yuǎn)越小，其中間部分的磨粒速度相對(duì)均勻；若沿噴嘴中軸線度量，空氣氣流和磨粒速度處于噴嘴內(nèi)及噴出噴嘴后一段距離范圍內(nèi)時(shí)，將不斷增加并達(dá)最高值，隨后磨粒速度略有緩慢下降；同時(shí)，沿噴嘴中軸線方向上的，各個(gè)噴射距離上沿垂直于噴嘴中軸線徑向方向的磨粒速度分布輪廓特征是一致，這可用于優(yōu)化可以獲得良好加工效率和質(zhì)量的加工寬度。 2.粒子圖像測(cè)速儀測(cè)得的微磨料氣射流加工中磨粒最高速度為120-171m/s，略大于計(jì)算流體

5、動(dòng)力學(xué)計(jì)算的結(jié)果10％；在磨粒直徑為10μm時(shí)，也能使磨粒獲得一定的沖蝕去除玻璃材料的動(dòng)能；采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和斷裂力學(xué)可以預(yù)測(cè)采用微磨料氣射流加工脆性材料的可行性和優(yōu)化加工條件。 3.玻璃的微磨料空氣射流加工沖蝕機(jī)理，表現(xiàn)為材料表面在尖銳固體磨粒以很高的沖擊速度沖擊下發(fā)生了脆性斷裂而被去除，沖蝕形貌呈貝殼狀裂紋；加工孔的輪廓呈平底碗形，外圍動(dòng)能最小的磨粒沖蝕形成碗形外圍區(qū)，噴束中部磨料動(dòng)能大形成平底；隨著加工過程的繼續(xù)，中間平

6、坦的底部逐漸變成圓V形；磨粒從噴束中心到外圍，對(duì)工件的沖蝕次數(shù)由多次減為兩次到一次，沖蝕作用隨沖蝕次數(shù)減少越來越弱。 4.微磨料氣射流加工時(shí)，氣流在噴嘴內(nèi)處于壅塞狀態(tài)，在噴出噴嘴后的一段距離范圍內(nèi)處于紊亂狀態(tài)；隨著噴出距離的增加，經(jīng)過一段劇烈的振蕩，逐漸衰減。隨著空氣壓力的增加，射流流場(chǎng)的紊亂程度越劇烈，激波強(qiáng)度越強(qiáng)，延續(xù)的距離也越遠(yuǎn)。 5.氣-固兩相微磨料氣射流流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，很好地反映了微磨料空氣射流加工玻璃孔的基本

7、特征，同時(shí)磨粒速度和噴束擴(kuò)散角計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算的結(jié)果與粒子圖像測(cè)速儀實(shí)測(cè)的結(jié)果吻合，變化趨勢(shì)一致。這表明采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和遵循歐拉-拉格朗日方法的離散相模型，進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算是正確的；這也為噴嘴形狀和加工工藝優(yōu)化等提供了基本研究工具和方法。 6.理論計(jì)算和加工實(shí)驗(yàn)一致表明，隨著磨料粒徑的減小、空氣壓力、噴嘴直徑和噴射距離在一定范圍外的增大，磨粒速度和噴束擴(kuò)散角增加；因此空氣壓力、磨料流量、噴射距離和加工時(shí)間（鉆孔）/進(jìn)給速

8、度（切槽）、噴嘴直徑，對(duì)沖蝕率和加工輪廓有很大影響，而噴射距離對(duì)沖蝕率和加工寬度的影響最顯著。相同加工條件下，不同時(shí)刻噴束中磨料流量的波動(dòng)嚴(yán)重，并隨噴嘴直徑的增大或者空氣壓力的降低而變大。存在一個(gè)能夠獲得最穩(wěn)定加工過程、沿垂直于噴嘴中軸線徑向方向的均勻磨粒速度分布、最大磨粒動(dòng)能和較小擴(kuò)散角的噴射距離、空氣壓力和磨粒粒度等加工條件。 7.基于上述研究，采用因次分析法建立了微磨料氣射流對(duì)脆性材料進(jìn)行鉆孔與切槽時(shí)的沖蝕率數(shù)學(xué)模型，充分

9、反映加工沖蝕率與工件材料參數(shù)（斷裂韌性、硬度和彈性模量）、加工工藝參數(shù)（空氣壓力、磨料流量、噴射距離和加工時(shí)間/進(jìn)給速度）和磨粒參數(shù)（速度、粒徑和密度）的關(guān)系；在此基礎(chǔ)上獲得了玻璃微磨料氣射流加工的沖蝕率預(yù)測(cè)公式。采用多元回歸的后向篩選策略，建立了微磨料氣射流玻璃鉆孔和切槽加工輪廓尺寸與加工工藝參數(shù)影響高度顯著的多項(xiàng)式回歸預(yù)測(cè)模型。上述兩個(gè)模型可從數(shù)量和質(zhì)量上對(duì)微磨料氣射流玻璃鉆孔和切槽加工的材料沖蝕率和輪廓進(jìn)行很好地預(yù)測(cè)，可用于優(yōu)化加

10、工工藝策略。 8.在全文研究的基礎(chǔ)上，提出了微磨料氣射流加工中的微細(xì)精密加工、三維輪廓實(shí)現(xiàn)及噴嘴改進(jìn)等方面的原則。在微磨料氣射流加工時(shí)，為了獲得深寬比大的深直加工輪廓，及較高的加工效率，噴射距離不宜選取過大；在相同的條件下，小噴嘴在加工時(shí)可以得到側(cè)壁更加豎直的輪廓；加工空氣壓力要適中；應(yīng)采用間歇噴磨料加工方式，以提高加工效率增大加工深度；噴嘴選擇和設(shè)計(jì)中，要以控制噴束輪廓、提高磨粒的速度及其分布，改善微磨料氣射流加工的精確性和效