微磨料氣射流加工理論研究.pdf

1、微磨料氣射流加工技術（Micro Abrasive Jet Machining，簡稱MAJM），是在傳統(tǒng)的噴砂加工中應用了微細磨料、磨料的連續(xù)送料裝置和掩膜加工技術，通過微噴嘴形成高速氣流混合微細磨料對工件表面進行沖蝕加工，其特別適用于制造加工高硬度、高脆性、高熔點精密微小光電子器件、芯片、傳感器等的三維微細結構和微細零件。 本文綜合采用計算流體動力學、脆性材料沖擊破碎學、脆性斷裂力學、磨削加工和數(shù)學建模等理論與方法，以及粒子運

2、動圖像、表面斷口形貌和三維輪廓等測試分析方法，對微磨料氣射流加工硬脆材料微細結構的若干關鍵基礎理論問題進行深入系統(tǒng)的研究。在結合微磨料氣射流加工特性的空氣射流流場數(shù)值分析的基礎上，從理論和實驗上深入研究了加入微磨料后形成的氣-固兩相射流流場的動態(tài)特性，及其對微磨料氣射流加工過程的影響；對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動進行了細致觀察和理論分析，提出了微磨料氣射流加工的材料切除與微細結構形成機理，獲得了加工工藝條

3、件等與加工效率及加工質量的數(shù)量化關系；建立并驗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測模型；結合理論和實驗研究結果，給出了微磨料氣射流加工硬脆材料三維微細結構的加工工藝原則。本文的研究為硬脆材料三維微細結構和微細零件的制造，提供了相對系統(tǒng)完整的加工理論和加工工藝技術，具有重要的理論與應用意義。 本文主要研究結論如下： 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，離中軸線越遠越小，其中間部分的磨粒速度相對均勻；若沿噴嘴中軸線度量，空氣氣流和磨粒速度處于噴嘴內及噴出噴嘴后一段距離范圍內時，將不斷增加并達最高值，隨后磨粒速度略有緩慢下降；同時，沿噴嘴中軸線方向上的，各個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量的加工寬度。 2.粒子圖像測速儀測得的微磨料氣射流加工中磨粒最高速度為120-171m/s，略大于計算流體

5、動力學計算的結果10％；在磨粒直徑為10μm時，也能使磨粒獲得一定的沖蝕去除玻璃材料的動能；采用計算流體動力學和斷裂力學可以預測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，外圍動能最小的磨粒沖蝕形成碗形外圍區(qū)，噴束中部磨料動能大形成平底；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，氣流在噴嘴內處于壅塞狀態(tài)，在噴出噴嘴后的一段距離范圍內處于紊亂狀態(tài)；隨著噴出距離的增加，經過一段劇烈的振蕩，逐漸衰減。隨著空氣壓力的增加，射流流場的紊亂程度越劇烈，激波強度越強，延續(xù)的距離也越遠。 5.氣-固兩相微磨料氣射流流場的計算結果，很好地反映了微磨料空氣射流加工玻璃孔的基本

7、特征，同時磨粒速度和噴束擴散角計算流體動力學計算的結果與粒子圖像測速儀實測的結果吻合，變化趨勢一致。這表明采用標準k-ε模型和遵循歐拉-拉格朗日方法的離散相模型，進行流體動力學計算是正確的；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.理論計算和加工實驗一致表明，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，磨粒速度和噴束擴散角增加；因此空氣壓力、磨料流量、噴射距離和加工時間（鉆孔）/進給速

8、度（切槽）、噴嘴直徑，對沖蝕率和加工輪廓有很大影響，而噴射距離對沖蝕率和加工寬度的影響最顯著。相同加工條件下，不同時刻噴束中磨料流量的波動嚴重，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、最大磨粒動能和較小擴散角的噴射距離、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脆性材料進行鉆孔與切槽時的沖蝕率數(shù)學模型，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、噴射距離和加工時間/進給速度）和磨粒參數(shù)（速度、粒徑和密度）的關系；在此基礎上獲得了玻璃微磨料氣射流加工的沖蝕率預測公式。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式回歸預測模型。上述兩個模型可從數(shù)量和質量上對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行很好地預測，可用于優(yōu)化加

10、工工藝策略。 8.在全文研究的基礎上，提出了微磨料氣射流加工中的微細精密加工、三維輪廓實現(xiàn)及噴嘴改進等方面的原則。在微磨料氣射流加工時，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，小噴嘴在加工時可以得到側壁更加豎直的輪廓；加工空氣壓力要適中；應采用間歇噴磨料加工方式，以提高加工效率增大加工深度；噴嘴選擇和設計中，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