磨料液体射流抛光技术研究进展

陈逢军　苗想亮　唐　宇　尹韶辉

湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082

磨料液体射流抛光技术研究进展

陈逢军苗想亮唐宇尹韶辉

湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082

论述了磨料液体射流抛光过程中的材料去除机理，介绍了磨料液体射流加工系统平台的国内外研究成果。从速度变化、材料去除、表面演化、表面粗糙度、数值模拟五个方面阐述了磨料液体射流数学模型的构建状况。系统分析了主要工艺参数如磨粒动能、射流压力、磨料、喷射角度、喷射距离、添加剂对加工结果的影响规律,并总结了磨料液体射流抛光技术发展历程。最后针对其将来的研究方向与内容给出了进一步的建议与展望。

磨料射流；磨粒磨料；流体抛光；超光滑加工；材料去除

0　引言

随着科技快速发展,机械电子、精密仪器、光学元件、医疗器械等领域的产品制造要求也在不断地提高。而在精密或超精密加工一些异形面、细长件或者微小区域时，由于这类构件加工难度大,故需要选择特殊的加工方法以提高产品质量。磨料液体射流抛光技术是近年来迅速发展起来的一种新型精密与超精密光学加工工艺，它也是一种计算机控制的小磨头柔性抛光技术。20世纪60年代,美国的Bobo获得了将磨料液体射流技术用于钻油井的相关专利[1]。经过几十年的发展，磨料液体射流在清洗、切割、抛光、车削、铣削以及钻井、破碎岩石等领域得到了广泛的应用。与传统抛光技术相比,磨料液体射流抛光技术具有能加工任意面形光学元件、柔性强、抛光精度高、易控制和成本低等优点，在加工领域已得到了一定的应用。

本文分别对磨料液体射流抛光技术的机理与方法、数学模型以及工艺参数等方面的研究现状进行了总结分析，并对磨料液体射流加工技术的发展趋势进行了展望。

1　射流抛光原理与方法

1.1磨料液体射流抛光原理

磨料液体射流抛光的基本原理如图1所示。混有微细磨粒的抛光液以一定速度由喷液磨头喷出与工件表面发生碰撞,并沿工件表面切向流动,产生强大的冲击力及剪切力,从而实现工件表面的材料微去除[2]。

图1　液体射流抛光原理图[2]

磨料液体射流抛光可以获得具有纳米级精度且无亚表面损伤的超光滑表面。文献[3]对BK7进行了3 h磨料液体射流定点抛光试验后，抛光点处最大深度为44 nm,抛光点中心处的粗糙度为1.2 nm。表明可以通过极少量材料的塑性移除来获得极低的表面粗糙度值。K9玻璃的磨料液体射流抛光试验表明,垂直喷射时材料的去除区域呈W形的环状分布,对材料去除的主导作用是磨粒剪切力，而直接冲击占次要地位[4]。通过对纳米级颗粒与光学元件表面碰撞过程分析可知,纳米级颗粒具有足够高的入射动能才能克服阻碍势垒，与工件表面原子发生界面化学吸附反应[5]。

通过水射流冲蚀石材试验发现，单纯的水射流的中心射流对材料具有去除作用，在成穴力、剪切应力和水楔的共同作用下，材料以脆性和塑性断裂方式实现去除。如图2所示,磨料水射流冲蚀区分为中心射流区(圆形区域φA)、成穴区(φA、φB之间的环形区)和散射区 (φB、φC之间的环形区)，材料的主要去除量在成穴区[6]。磨料液体射流重复抛光时，由于受压力波动、磨粒沉降和流体紊动等因素的影响,材料去除量呈现波动不稳性,从而增大了材料去除量的误差范围[7]。

图2　射流冲蚀区截面轮廓[6]

1.2磨料液体射流加工系统

喷射系统是射流加工的关键,它将压力能转变为动能从而产生高能流束并完成水射流加工。而喷嘴结构对射流的动力学特性、去除函数及抛光元件的表面粗糙度都会产生很大的影响。研究发现,利用收缩角为13°、长径比为4的锥柱型喷嘴进行射流抛光能获得较好的射流特性，其射流出口断面的紊动强度低、流速和磨料浓度分布均匀[8]。

保持磨料浓度均匀可以使磨料液体射流抛光的效果更好。由于流化混合方式结构简单,易于安装,故可使用流化方式搅拌磨料混合液使其更加均匀。使用流化床辅助磨料液体射流加工系统对铝合金管道内表面进行抛光,表面粗糙度可从3 μm减小到0.6 μm,加工效率也可得到较大的提高[9]。

供料系统需要保证精确、均匀、连续地供料，从而提高磨料液体射流加工的效率和射流性能。对于磨料液体射流,一般有如图3所示的前混合和后混合两种供料方式。前混合磨料液体射流是磨料先和水均匀混合成磨料料浆，然后经喷嘴喷射形成射流。如图4所示，结合流态化原理，依靠高压水的快速流动将高压磨料罐中的磨料负压吸入并流态化成均匀的磨料悬浮液，再经过三通与高压水混合，形成高速稳定的磨料料浆[10]。后混合磨料液体射流则是高速水射流与低速磨粒分别进入混合腔进行充分混合,同时高速水射流的部分能量传递给磨料,通过喷嘴进入喷射状态。前混合方式所需压力低，混合效果好，能量利用率高，加工精度高，但设备复杂,喷嘴磨损严重,而后混合方式正好与之相反。因此，在设计磨料液体射流加工系统时必须考虑实际加工精度及成本，从而选择合适的混合方式。

1.高压水泵　2.混合腔　3.喷嘴　4.截止阀　5.储料箱　　6.浓度调节阀　　(a)前混合式　1.高压水泵　2.水喷嘴　3.混合腔　4.喷嘴　　5.储料箱(b)后混合式图3　两种磨料液体射流原理示意图

图4　前混合磨料混合系统[11]

1.3磨料液体射流平台

Beaucamp等[11]在一个7自由度的运动平台上对非球面光学元件进行磨料液体射流抛光试验,面型精度值达到50 nm。李天生等[12]设计了一种磨液射流磨削抛光装置,该装置通过压缩装置在箱体内产生负压将磨料液从吸管吸上来，在压缩气流的作用下形成水射流,喷射在工件表面上，同时工件在旋转筒的带动下不断旋转，从而完成整个抛光过程。监测磨料液体射流加工过程对工艺参数的优化是非常重要的，国内外学者对此也作了相关的研究。可以利用测力传感器和探针精确确定射流束的直径[13]。使用声发射传感原理对磨料液体射流工件侵蚀部分进行监测，可以控制加工工艺参数以提高加工质量[14]。Fan等[15]使用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对微磨料液体射流的粒子速度分布进行了试验研究。试验发现粒子射流几乎是线性膨胀的，平均膨胀角度大约为7.2°。

2　磨料液体射流数学模型

为了对磨料液体射流的加工效率及精度进行定量分析，国内外学者根据材料去除机理、射流特性以及试验结果，建立了相关的数学模型进行预测与控制。图5展示了目前磨料射流数学模型的主要研究内容。施春燕等[7]对射流抛光的紊动冲击射流特性进行了研究,并构建了射流抛光的垂直和斜冲击射流模型，而且将RNGk-ε理论用于模型的计算。

图5　磨料射流数学模型

2.1速度变化模型

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进行精确预测，其模型预测结果和试验结果的皮尔逊相关系数达到95%[16]。Wang[17]基于射流动态特性的CFD仿真研究，提出了可以评估射流方向上流体内部任意位置速度变化的数学模型。该模型与CFD模型预测结果的平均误差在1%以内，基本可以满足对射流流体速度的预测。

2.2材料去除模型

材料去除模型的应用可以有效地提高材料去除效率。在对磨料水射流车外圆的试验中，使用一种考虑了加工过程中冲击角度变化的模型，可以很好地提高加工过程中对工件直径的预测精度[18]。Kumar等[19]建立了基于有限元仿真的三维侵蚀模型，并对多磨粒冲击侵蚀过程进行了仿真计算。Tyagi[20]建立了基于磨粒动能的材料去除率数学模型，研究了磁场和电场对材料去除率的影响，材料的去除率随着磁场强度的增大而减小，随着电场强度的增大而变大。

2.3表面粗糙度模型

表面粗糙度模型能对工艺参数进行优化，以获得最佳工艺参数,从而提高表面质量。Azmir等[21]采用磨料水射流加工了玻璃环氧树脂复合材料，应用分段线性回归方法建立了加工表面粗糙度模型。Chen等[22]同样基于大量试验数据,建立了磨粒水射流抛光表面粗糙度模型，其预测结果的平均偏差为3.8%。Che等[23]建立了应用磨粒水射流抛光超硬材料的表面粗糙度理论模型,从理论上反映了各个工艺参数的变化会对表面粗糙度的影响。

2.4表面演化模型

磨料水射流抛光时，冲击点处的面形变化会对工件的表面粗糙度、面形精度及去除效果产生影响，方慧等[4]、刘增文等[6]、施春燕等[7]对此作了相关研究，但他们较少考虑工艺参数对冲击点面形变化的影响。一种基于窄带水平集法的表面演化模型解释了微磨料液体射流加工中掩膜的磨损和磨粒的二次冲击问题，从而极大地缩短了加工时间[28]。Ma等[25]建立了可以预测磨料液体射流加工宽度与射流速度的经验关系模型。Getu等[24]根据试验数据对微磨料液体射流加工脆性材料时的表面轮廓演化模型进行了改进。

2.5数值模拟

通过对磨料液体射流过程进行数值模拟分析,可以促进实验与理论研究的发展。刘国勇等[27]基于CFD多相流混合物模型对前混合磨料水射流混合腔的内部流场进行了数值模拟,当收缩锥角为30°时可获得较好的流场性能。VOF、Mixture和Euler模型在磨料液体射流的CFD数值模拟过程中有着非常重要的应用。使用Mixture模型可以对磨料在混合腔中的混合过程进行仿真，并且能够获得混合腔内磨粒的运动状态[29]。该模型也被应用于喷嘴结构的数值分析中,可以得出锥直型喷嘴的长径比在2～3时可获得最佳的射流速度[30]。陈林等[26]基于多相流Euler模型对几种典型的后混合磨料水射流喷嘴的内流场进行了数值模拟，当圆柱段长度为出口直径的23～37倍时，磨粒可获得最大速度。陆金刚等[31]采用VOF模型对自由水射流流场进行了数值模拟,发现喷嘴出口处空气向喷嘴内部卷吸,一定程度上提高了其集束性，而射流上游的湍流动能大小及漩涡强度对射流的集束性影响显著。

3　磨料液体射流工艺参数优化

磨料液体射流加工的材料去除效率及表面粗糙度受许多工艺参数的影响,如图6和图7所示。分析和研究磨料液体射流加工工艺参数并进行优化对充分发挥其抛光性能非常关键。李兆泽等[32]研究了射流抛光主要工艺参数对抛光效率和侵蚀形貌的影响:选取喷射角度90°,喷射距离15 mm，抛光液浓度4%,射流速度25 m/s,工作时间5 min,对平面K9玻璃进行抛光试验,其表面粗糙度约为2.25 nm,抛光速率可达到30 nm/min。

图6　影响材料去除的主要参数

Tsai等[33]对SKD61进行了磨料液体射流抛光优化试验，获得使工件表面粗糙度达到最佳的加工条件为：粒径为1.6 μm左右的SiC磨料和水的混合比例为1∶2、冲击角度为30°、射流压力为0.4 MPa、喷射距离为10 mm,其表面粗糙度从1.03 μm减小到0.13 μm。Mimura等[43]将单晶4H-SiC的表面抛光到表面粗糙度RMS值为0.323 nm,表面晶体结构完整。Zhang等[44]对K9玻璃进行了磨料液体射流抛光，表面粗糙度RMS值达到了0.935 nm。而Wang等[45]对石英玻璃进行加工,RMS值达到0.123 nm。宋岳干等[46]对0Cr18Ni9Si不锈钢进行抛光,使得表面粗糙度值从2.203 μm减小到1.195 μm。

(1)磨粒动能。在磨料液体射流过程中磨粒速度越大，其动能也越大，对表面影响也越明显。图8所示为对硼酸玻璃进行磨料水射流抛光的试验结果，加工后的表面粗糙度随磨粒动能增大而增大[35]。

(2)射流压力。一定范围内,压力越大,射流速度越高,磨粒能够获得的能量也越大,材料去除量就越大。玻璃和环氧树脂复合材料压层板磨料水射流加工试验证明了增大工作压力和磨料流量可以很好地改善加工性能，减小喷射距离和移动速率也能提高加工性能，而喷射角度对加工质量影响不大[34]。因此,增大射流过程的动能能够获得更好的表面质量。

图7　表面粗糙度的研究状况

图8　表面粗糙度与磨粒动能的关系[35]

(3)磨料。对于硬度较高的工件表面，宜采用具有较大磨粒直径和较高浓度添加剂的磨料液；对于硬度较低的工件表面,宜采用磨粒直径较小和添加剂浓度较低的磨料液[37]。而增大磨粒硬度则能提高材料去除率和表面粗糙度[38]。

(4)喷射角度。不同喷射角度对材料去除面形会产生影响。通过射流抛光喷射角度的仿真模拟分析得出,当射流与工作壁面垂直时，抛光区域整个面形呈W形状分布；随着冲击角度的减小，去除面形呈越来越明显的弯月形状分布[39]。喷射角度的大小对侵蚀速率也会产生一定的影响,使用射流速率为106 m/s、粒径为50 μm的Al2O3磨料对铝、铝合金、不锈钢进行加工,当喷射角度在20°～35°时侵蚀速率达到最高[40]。使用粒径为25 μm的Al2O3磨粒在有机玻璃上进行微细磨料喷射加工,当喷射倾斜角度为55°时,喷嘴扫描方向工件表面的侵蚀速率影响较大[24]。

(5)喷射距离。喷射距离对材料去除率具有显著影响。射流在初始阶段还未稳定，部分磨粒未参与剪切作用,去除量很小。当喷射距离达到一定尺寸时,磨料液体射流达到稳定状态，材料去除量增大至最大。随着工作距离进一步增大，磨料的动能降低，冲蚀能力下降,从而降低了材料的去除率。当喷射距离在8～10 mm范围内时,去除效率最高,之后随着喷射距离的增大而减小[36]。

(6)添加剂。添加剂可以较好地改变材料的去除效率。例如使用粒径为80 μm左右的SiC对玻璃进行磨粒流体射流加工时，当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对材料的去除率影响更大[41]。Yan等[42]使用粒径为5 μm左右的SiC磨料对SKD61进行水射流抛光,当使用不涂蜡磨料时表面粗糙度从0.36 μm减小到0.054 μm;而当使用涂蜡磨料时表面粗糙度减小到0.049 μm。故使用添加剂可以提高抛光后的表面粗糙度。

4　磨料液体射流抛光技术的发展趋势

图9展示了磨料液体射流抛光技术在各个领域比较重要的研究进程。虽然在国内外该技术已获得了较多的研究成果，但还存在许多问题亟待解决。

图9　磨料流体射流抛光发展历程

(1)材料去除机理的系统性理论研究。材料去除机理总体上可以分为微观去除机理和宏观去除机理。单个磨粒对材料去除作用的研究是目前微观加工机理的主要研究内容，而射流则表现为磨粒与流体共同对材料的复合作用,而目前并没有成熟的系统化理论。对宏观加工机理的研究,目前主要通过试验和仿真来完成,缺少系统的理论公式,很难用于指导磨料液体射流抛光技术的应用。因此，将磨料液体射流在宏观方面和微观方面去除机理通过统一化的理论表达出来将成为今后磨料液体射流抛光技术的一个重要研究方向。

(2)材料去除模型。目前国内外已经有部分学者建立了各类磨料液体射流抛光的数学模型。但对于射流加工过程中存在的部分用数学模型难以准确描述的复杂现象研究较少，如射流流体中介质耦合、磨粒与流体相互作用、磨粒相互运动干涉、磨粒破碎及磨料对材料多次冲击等微观作用的模型建立与模拟。另外，关于射流的类别与结构形式、射流的速度及能量分布模型的研究也不多，需要进一步深入研究。而且目前建立的多数经验模型也包含了许多未知的参数，很难用于生产实践，对这些模型的进一步改进非常必要。

(3)磨料液体射流控制方法。工艺过程控制策略与控制方法也是磨料液体射流加工的重要研究内容。例如将低压或者负压替代高压射流、多种磨粒共同作用，低温或高温环境下射流抛光、特殊光照射下的特殊材料射流抛光，等等。智能化的加工设备和控制系统可以降低对人工操作的依赖性、提高加工效率和系统稳定性。所以，需要根据不同工艺过程研究出加工设备和系统的不同控制方法。另外,应建立磨料液体射流加工的工艺数据库,以在不同条件下实现磨料液体射流加工的控制。

(4)工艺参数优化的研究。对磨料液体射流加工工艺的优化是目前国内外学者研究得最广泛、最直接的内容之一。由于磨料液体射流抛光的基础与应用的研究还处于初步发展阶段，故对其工艺参数进行深入准确的研究非常必要。同时，磨料液体射流周围环境如温度、气压等对加工的影响研究很小,而该技术应用于精密超精密加工时，必须考虑这些影响因素。另外，复合加工工艺也是现在的研究热点，目前对于磨料液体射流抛光与其他加工工艺的复合工艺研究较少，可以尝试与精密磨削、车削、铣削、其他研抛等工艺的复合，以获得更优的抛光效果与效率。

(5)磨料液体射流抛光技术应用领域的扩展。由于磨料液体射流抛光技术尚待完善，且加工成本较高，故目前只是应用在部分科技领域，在高科技军事方面应用较少。随着新材料、新结构、新要求的产品制造技术不断涌现，部分传统制造技术无法满足要求时，磨料液体射流抛光技术能够凭借其独特的优势发挥其作用。此外，磨料液体射流技术在微型零件的应用领域可以进一步扩展，尤其是微型光学非球面元件的制造领域。

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(编辑王艳丽)

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

国家自然科学基金资助项目(51205120);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20120161120001);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(531107040147)

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

陈逢军，男，1979年生。湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心讲师。主要研究方向为超精密加工与控制。发表论文20余篇。苗想亮,男,1988年生。湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心硕士研究生。唐宇,男,1991年生。湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心硕士研究生。尹韶辉,男,1967年生。湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心教授、博士研究生导师。