磨料水射流抛光

(1)磨料种类。常用的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨料系及软磨料系等四类。不同种类的磨料,其抛光效果是不同的,各有其适用范围。抛光时,首先应选择比工件材料硬度高的磨料种类,这样才能切入被加工物体内,使低硬度的物体表面受到切削加工。其次,要保证磨料粒子在磨削液中保持一定的化学稳定性,以免在加工过程中,与其它物质起化学反应。

(2)磨料粒径。一般来讲,采用越细的磨料加工就可以得到越细的表面粗糙度,但当对工件进行抛光时,采用的磨粒粒度根据原始表面粗糙度值选取,如果初始表面粗糙度值较小,可选用较细的磨粒直接加工即可;当初始表面的粗糙度值较大,先选用较粗的磨粒加工,加工到一定的表面粗糙度值后,再采用细的磨粒加工,粗磨粒的切削作用较强一些,这样可以提高加工的效率。

(3)喷射压力。对于给定的加工条件,工件材料的去除率对应一临界喷射压力,小于临界喷射压力,没有材料去除发生,这是因为较低的喷射压力使射流中的磨粒对工件表面产生碰撞剪切去除的能量不足,只类似于弹性碰撞;当喷射压力大于临界喷射压力时,随着压力的升高,磨粒获得的动能也越大,使去除率提高。在一定压力下,可以根据单位时间的去除量控制加工时的参数,使工件的表面粗糙度达到最优。

(4)喷射时间。在一定时间段内,材料去除量与工作时间近似呈线性关系, 材料去除量随工作时间的增加而线性增加,这与传统抛光技术中时间对去除量的影响是一致的。随着作用时间的增长,去除量逐渐增加,工件的表面粗糙度亦随之减小。但当表面粗糙度减小到一定值时,其值不再随着去除量的增加而减小,同样趋于稳定。主要原因可能是在加工的初期,由于工件表面的凸处较多,磨粒的切削作用较强,随着时间的延续,凸处渐渐减低,磨料的横向运动对工件表面凸起不平处的切削作用相对减弱的结果。

(5)喷射距离。喷射距离指的是喷嘴口与工件待加工表面的距离。对于给定条件,材料去除率对应一最佳喷射距离,因为在最佳喷射距离内,随着喷射距离的增加,磨料粒子运动惯性能量加大,有利于材料的去除;但如果超出最佳喷射距离范围,对于给定的喷射压力,磨料粒子流压力和速度降低,磨料粒子到达工件表面的速度也相应减少,材料去除率降低。如果继续加大喷射距离,可能没有材料去除发生。

(6)喷射角度。由于磨料水射流抛光主要靠磨料粒子的剪切作用达到去除材料的目的,故在给定的加工条件下,存在着材料去除最佳喷射角度。这是由于在磨料喷射时,与工件表面发生碰撞的过程中,有一些磨料粒子被弹回而没有参与材料的切削。在最佳喷射角度内,被弹回磨粒比例随喷射角度增加而减少;当喷射角大于最佳喷射角时,随着角度的增加,被弹回的磨粒和磨料射流发生碰撞,使磨料流有效能量减少,材料去除率也相应降低。

(7)抛光液的成分。在一定范围内，抛光液中悬浮的磨料浓度越高,单位时间内与工件表面单位面积发生碰撞的磨料粒子就越多,材料去除率相应提高。为提高磨料的浓度,可在抛光液中放入一定比例的助悬浮剂,以便悬浮起更多的磨料粒子。在抛光金属材料时,可再加入少量的防锈剂。

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。但微磨料水射流的理论还不成熟,有以下主要问题有待解决:

(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。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。

(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。

(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,而由于经济和技术的原因,喷嘴尺寸很难做到很小。这时,由于喷嘴尺寸与磨料尺寸比很大而引起的尺寸效应对于加工的影响规律尚不清楚。

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。

磨料水射流抛光的基本原理如图所示。当压缩空气通过喷枪上 喷嘴小孔高速喷出时,在喷嘴处产生负压,使液槽里搅拌好的含有细小磨料粒子的抛光液通过进液管吸入喷枪,从而形成高速射流,喷射到工件表面,借助于磨料粒子与工件表面高速碰撞,使工件上局部应力场应力高速集中,并快速变化,因而产生冲蚀、剪切,达到材料去除的目的。在抛光过程中,高速磨料粒子如同一把柔性的车刀,对工件表面进行切削加工。通过控制喷射的压力、角度及时间等参数来定量修正被加工件表面的面形,以达到去除材料、抛光的加工目的。抛光液喷出后,可通过回收装置返回盛有抛光液的容器,循环使用。

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。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。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。

(1)磨料喷射加工与喷砂工艺不同,喷砂工艺的主要用途是清理工件表面,磨料喷射加工是利用磨粒对被加工材料进行切磨加工;喷砂工艺所使用的磨料粒度比喷射磨料加工中的磨料粒度更大;高速喷射的磨料微粒在严密控制下,能完成磨削抛光加工。

(2)与传统的抛光技术相比, 它的"加工刀具"是液体状的,不存在磨具磨损的问题,去除函数保持恒定,面形精度易于控制。可不破坏零件原有的尺寸精度,而达到较高的表面光度。

(3)抛光头是一很小的液体柱,能适合各种诸如齿轮、叶轮、各种模具、精密机械零件等各种型孔、型面及各种特殊复杂表面的抛光。抛光特性不受工件位置的影响,应用范围较广,既可用来加工金属材料,也可以加工非金属材料。

(4)磨料水射流抛光属于冷加工范畴,加工时对材料无热影响,切削时无火花,工件不会产生热变形和热影响区,对加工热敏感材料尤为有利。同时由于在加工过程中抛光液不断循环流动, 还能自动清除加工下来的碎屑。

(5)加工清洁,不产生有害人体健康的有毒气体和粉尘等,对环境无污染,提高了操作人员的安全性。抛光液基本不损耗,可重复使用,寿命较长。

(6))加工"磨具"为高速高压液流,加工过程中不会变钝,减少了磨具准备、刃磨等时间,效率高。喷嘴与加工表面无机械接触,能实现高速加工。

(7)设备维护简单,操作方便,可以灵活地任意选择加工起点和部位,可通过数控,容易地进行复杂形状的自动加工。

由于磨料水射流抛光加工所使用的设备简单,在进行抛光加工时可根据工件的形状特点、加工部位的加工要求,选择合适的喷嘴;针对不同的加工材料,选择相应的磨料,因此使用十分方便,特别适合加工一些用其它加工方法不能加工的工件。

随着科技的发展,在磨料水射流抛光技术基础上,与传统的抛光技术相结合,产生了新的抛光技术,如与金属电解抛光技术结合产生的电解磨料喷射复合抛光新工艺,其原理是:当混合液从喷嘴喷出时,电解液在喷嘴与工件之间形成导电介质,喷嘴与工件间距离较近且接通电解电源,则发生电解作用并在工件表面形成钝化膜。钝化膜会阻碍电解的继续进行,而磨料的喷射作用可以去除钝化膜,且轮廓凸峰处的钝化膜容易最先被去除,使凸峰处金属的电解溶解速度比凹处快,从而表面粗糙度得到改善。大量研究表明,在磨料水射流抛光加工中,有超过25个加工参数对加工结果有直接的影响。而在磨料水射流抛光加工中,只研究磨料种类、磨料粒度、喷射压力、喷射距离、喷射角度等几个参数对加工结果的影响是远远不够的。此外,磨料流中磨料的分布规律及速度分布规律都有待于理论研究和实验验证;针对不同材料和加工条件的优化加工模型有待于完善。总之,磨料水射流抛光加工还处于发展和完善阶段,随着对加工机理认识和试验研究的深入,磨料水射流抛光在工业生产中,特别是在工件异形型面的光整加工中将会发挥更大的作用。

极高的硬度，颗粒外形尖锐锋利，对于不同硬度的材料都具有很好的磨削作用，对于存在软硬相差悬殊的不同相的合金试样抛光效果较好。此外，金刚石抛光磨料磨削寿命长，切削能力高，因而磨料消耗少，同时还可以使试样表面基本不产生形变扰乱层。

硬度很高，与被抛光材料一般不发生化学反应。氧化铝抛光磨料是一般钢铁试样常用的抛光磨料。但它不宜用于抛光铝及铝合金，因为氧化铝磨料容易使铝表面晦暗且产生腐蚀坑。

抛光能力弱于氧化铝，可以用作钢铁试样的最终抛光。

可以获得极光亮的表面，但同时容易产生变形扰乱层，且会将非金属夹杂物从试样金属基体中曳出，使用很少。

硬度较低，颗粒极细，具有尖锐的外形和良好的磨削刃口。它比较适用于铝、镁及其他非铁金属及合金试样的最终抛光。它对钢铁试样中的非金属夹杂物曳出作用小，因此特别适合于夹杂物检验和铸铁石墨试样的抛光特别有利。