电子工业专用设备
Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE
(总第144期)Jan. 2007
1 引 言
微磨料气射流(Micro-AbrasiveJetMachining,
以下简称MAJM)加工技术是对硬脆材料进行微细
加工的一种非常有潜力的
方法
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。与其它的加工技
术相比,微磨料气射流加工具有环境友好、易于控
制、无热影响区等优点。作为一种微细加工技术,
MAJM是在传统的喷砂加工技术基础上发展起来
的一种精细加工方法。它结合了微细磨料切削、磨
料的连续送料技术和掩膜加工技术的特点,特别适
于加工不宜使用热加工技术切割的硬脆材料,如适
用于制作半导体、电子设备和液晶显示元器件的陶
微磨料气射流加工特性实验研究
任延岿,吕玉山,孙建章
(沈阳理工大学 机械工程学院,沈阳 110168)
摘 要:为了获得微磨料气射流加工的一般原理,设计了一套微磨料气射流喷砂实验装置,利用
该装置实验调查了射流特性及喷射参数对微磨料气射流加工的影响规律,并结合气固两相流理
论对问题进行了分析。得到了微磨料气射流加工中喷射距离、喷射时间和磨料粒度对加工效果的
影响规律,最终确定了合理的加工参数。
关键词:微磨料气射流加工;气固两相流;喷嘴
中图分类号:TG115.6 文献标识码:A 文章编码:1004-4507(2007)01-0062-04
Experimental Investigation on the Capabilities of
Micro-Abrasive Jet Machining
RENYan-kui, LUYu-shan, SUNJian-zhang
(ShenyangLigongUniversity,Shenyang110168,China)
Abstract: In order to obtain the mechanisms of micro-abrasive jet machining(MAJM), the principle
experiment set-up of micro-abrasive jet machining are developed. With the help of this device, the
capabilities of MAJM and machining parameter effects on machining capability are investigated, then
some problems of machining process are analyzed by the use of gas-liquid two-phase theory. At last,
the effects ofthe jet distance, jet time and the granularityofmicro-abrasive to machining capabilityare
obtained,andalsofeasiblemachiningparametersareconfirmed.
Keywords: Micro-abrasiveJetMachining;Gas-liquidtwophase;JetNozzle
收稿日期:2006-01-09
作者简介:任延岿(1976-),男,辽宁沈阳,沈阳理工大学硕士研究生,研究方向:微磨料射流加工技术。
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瓷、玻璃、聚合物等材料的精密微细加工。但现在所
用的微磨料气射流系统仅是简单地采用喷砂的原
理,急需对装置的喷射特性及不同喷射参数对材料
去除效应等进行基础的研究,尽管许多学者对此进
行了较深入的研究[1~7],但一些材料去除的相关问
题仍需要深入。本文作者根据MAJM的加工原理,
设计搭建了一套原理性试验装置,根据实验数据,
结合气固两相流理论,分析了若干加工参数对微磨
料气射流加工效果的影响,为微磨粒气射流加工的
深入研究打下一定基础。
2 实验装置设计
2.1实验原理
微磨料气射流加工是利用微细磨料与高压空
气或其它气体混合而成的速喷射流,通过专门设计
的喷嘴射向工件,依靠磨料的高速冲击而实现对工
件
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
面材料的去除。图1显示了气路原理,其组成
由气源、混料室、喷砂嘴和吸尘装置4部分组成。
2.2实验装置设计
本文实验是通过设计搭建一个实验装置进行
的,其核心主要是喷嘴和混料室的设计。喷嘴在喷
射加工过程中会受到磨料的冲击、磨损,所以制作
材料应采用坚硬耐磨材料如蓝宝石、碳化钨等。在
本实验中采用Cr12MoV钢作为制作喷嘴的材料。喷
嘴的形状一般为圆形或矩形。圆形喷嘴结构一般有
通孔形、锥口形、文丘里形、二次文丘里形和拉伐尔
管形等。在本实验中喷嘴设计为锥口形结构,出口
直径为1mm。
图 1 微磨料气射流加工原理示意
混料室有重力式、吸入式、直压式、振动式和搅
拌式等。通过调研和考查国内外一些喷砂装置的混
料方式,认为直压式结构简单而且效果较好。本实
验采用前混和磨料直压式混料室,混料室结构如图
2所示。
图 2 混料室
在实验中,选用空气压缩机作为高压气体提供
装置。由于空压机产生的工业用气含有水汽、油滴、
微尘等杂质,必须经过净化处理才能用于微磨料气
射流加工,所以在空压机输出气路上连接了一个分
水滤气器和压力控制阀两连件,对气体过滤并进行
压力调节。此外,还在工作室内连接吸尘装置,用于
吸取已用磨料并优化工作环境。利用现有Festo气
动实验平台作为工作台,以其机械手控制喷嘴的运
动进行实验,实验装置如图3所示。
图 3 实验装置图
3 实验结果分析
实验工件材料为医用试玻片,磨料使用的是
W10和W20的白刚玉。使用CS-3100轮廓仪采集实
控制阀
压力表水分水滤气器
控制阀
磨料罐 工件控制阀
工作室
气源
除尘室
进气口 出气口 磨料
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验数据。根据实验结果分析各加工参数对加工效果
的影响。
3.1喷射距离对加工效果的影响
图4(a)显示,随着喷射距离的增大,切削深度
呈近似抛物线趋势变化,本实验中2种磨粒分别在
距离为1mm和1.25mm时切削深度最大。当加工
距离过小时,喷出的磨料会在加工的孔内产生堆
积,向四周排出磨料困难,甚至堵塞喷嘴,降低了加
工效率;当加工距离过大时,磨料颗粒动能急剧下
降,切削效率下降。故磨料喷射加工的加工有效距
离有一定的范围,本实验中的加工距离在0.75~
1.5mm之间时效果较好。图4(b)显示,随着喷射距
离的增大,喷射出切口的直径也不断增大。这是因
为随着喷射距离的增大,磨料射出半径会扩散变
大,再结合反弹磨粒的冲蚀作用,导致切口半径增大。
(a)喷射距离与切削深度的关系
气压为0.6MPa,喷射时间为30s
(b)喷射距离与切口直径的关系
图 4 喷射距离与加工效果的关系
3.2喷射时间对加工效果的影响
图5(a)显示,加工时间越长,加工深度越大,但
不是严格成比例的,而且由图数据可推知,随着时
间的延长,纵深平均去除速度逐渐下降。其主要原
因有两个:(1)在加工的过程中,磨料会在孔内堆积,
一定程度的消耗了喷射出的磨料的能量;(2)随着
加工时间的延长,孔深加大,导致喷射距离也随之
加大,由于空气阻力和反弹磨粒的遮敝作用,切削
磨粒的动能急剧下降。而由图5(b)可知,随着喷射
时间延长,切口直径变大,这是由于磨料反弹冲蚀
造成的非必要材料去除。
3.3气体压力对加工能力的影响
图6(a)显示,工作压力越大,加工深度越大,但
不成比例。由图6(b)可知,随着工作压力的增大,切
口的最大直径也随之增大,这是因为加工过程中,
工作压力增大时,磨料粒子动能增大,切削能力增
大,同时,磨料粒子的反弹遮敝作用也加强了,致使
纵深切削效率下降,而切口直径被反弹磨粒切削变
大。综合考虑空气压缩机的供气能力和加工的效率
以及加工的精度,工作压力在0.5~0.6MPa之间较
合适。
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
切
削
深
度
/
m
m
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5
喷射距离/mm
W10白刚玉 W20白刚玉
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5
2.5
2
1.5
1
0.5
0
W10白刚玉 W20白刚玉
喷射距离/mm
切
口
直
径
/
m
m
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
10 20 30 40 50 60
喷射时间/s
切
削
深
度
/
m
m
W10白刚玉 W20白刚玉
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
切
口
直
径
/
m
m
10 20 30 40 50 60
W10白刚玉 W20白刚玉
喷射时间/s
气压为0.6MPa,喷射距离为0.75mm
(b)喷射时间与切口直径的关系
图5 喷射时间与加工效果的关系
(a)喷射时间与切削深度的关系
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3.4磨料颗粒粒度对加工效果的影响
根据气固两相流理论,为简化分析,作如下假
设:(1)忽略磨料颗粒不规则性的影响,把颗粒看成
是规则的理想球体,尺寸大小基本一致;(2)不考虑
颗粒之间的相互作用;(3)假设磨料颗粒具有相似
性,即运动相似、动力相似;(4)分子扩散、布朗运动
等对颗粒的影响可以忽略不计;(5)由颗粒周围流
体压力梯度产生的力、黏性剪切力及其他的外力一
概忽略[8-10]。
在时均定常的气体-颗粒两相流动系统中,考
虑上述假设条件,则颗粒的运动方程可写为[11]:
mp
dVp
dt
=1
2
ApρgCD(Vg-Vp)2 (1)
式中:mp为颗粒质量,Vp为颗粒速度,Vg为气体速
度,Ap为的气体迎风面积,ρg为气体密度,CD为阻
力系数。其中mp、Ap和CD可以分别表示为[11]:
mp=
1
6
πdp3ρp (2)
Ap=
1
4
πdp2 (3)
CD=CDSf(Re)f(δ)fr(kn)fc(Mr)β+ΔCD(T)(4)
式(2)、(3)中:dp为颗粒直径,ρp为磨料密度,式(4)
中:CDS为Stokes阻力系数,f(Re) =1+
3
16
Re为惯性
修正因子,f(δ)为湍流效应修正因子,fr(kn)为稀薄效
应修正因子,fc(Mr)为可压缩性修正因子,β为颗粒
非球形修正因子,ΔCD(T)为温差效应修正项。
把(2)、(3)式代入(1)式,就有:
dVp
dt
= 3
4dpρp
ρgCD(Vg-Vp)2 (5)
从式(5)可以知道颗粒加速度与颗粒直径成反
比,所以相同密度条件下粒度较小的颗粒沿喷砂嘴
运动时具有较大的加速度,从而具有较大的速度。即:
Vp∝
1
dp
(6)
又因为mp∝dp3,从而磨料颗粒的动能为:
Ep∝dp (7)
由此可知在相同密度条件下粒度较大的颗粒
具备较大的动能。
磨料颗粒的动能愈大,其冲击切削能力愈强。
从图4至图6可以看出,2种磨料颗粒的喷射结果
正好验正了上述的理论分析。
4 结论
通过对实验结果的分析,可以得出如下结论:
(1)微磨料喷射加工过程中,喷射距离在一定
范围内去除效率较高,在本实验中,喷射距离在
0.75~1.5mm之间时加工效率较理想。
(2)加工去除深度和喷射时间并不成比例关
系,而磨粒反弹冲蚀造成的非必要材料去除会对加
工精度产生影响,时间越长,影响越大,所以在直接
进行微磨料气射流加工时,一定要控制好喷射加工
时间,本实验条件下,30s的加工时间较理想。
(3)喷射加工时,气源的工作压力越大,加工效
率越高,但也存在一个问题,在通常条件下,工作压
力越大,加工过程中失压现象就越容易发生,导致
加工不稳定。在本实验中,工作压力在0.5~0.6MPa
之间时,实验装置工作稳定。
(下转第70页)
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
W10白刚玉 W20白刚玉
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
压力/MPa
切
削
深
度
/
n
m
(a) 压力与切削深度的关系
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
切
口
直
径
/
m
m
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
压力/MPa
W10白刚玉 W20白刚玉
喷射距离为0.75mm,喷射时间为30s
(b) 压力与切口直径的关系
图6 压力与加工效果的关系
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图 8 位置曲线中跟随误差图
图 9 图 8的局部放大图
计算必要转矩时,留有一定的富裕量。在保证定位
精度和系统不发生震荡的前提下,提高系统刚度,
采用T形加速曲线和S形加速曲线相结合的加速
方式,改善运动算法,使加速过程更加平稳,缩短定
位时间。经过对参数的仔细调节,在现有的机械结
构和控制方式下,工作台x向单步运行时间可缩短
到40 ms,加速时间可缩短到10 ms,此时,x轴的加
速度和最大速度分别为:
加速度:a=2s/t=3.4g
最大速度Vmax= at=0.33m/s。
5 总结
通过实际测试说明,采用安川伺服电机和分辨
率为0.5μm的光栅尺所构成的全闭环双反馈控制
系统,它克服了一般半闭环控制系统定位精度低,
系统误差难以消除,运行速度慢的缺点,同时也避
免了全闭环系统稳定性差的缺陷,在保证定位精度
的同时,可实现快速稳定的运行。
22000.00
20000.00
18000.00
16000.00
14000.00
12000.00
10000.00
8000.00
6000.00
4000.00
2000.00
0.00
-2000.00
0.000.040.080.120.160.200.240.280.320.360.40
位
置
(
脉
冲
数
)
时间/s
局部
(4)通过理论公式的推导和实验数据的分析,可
知颗粒加速度与颗粒直径成反比,所以相同密度条
件下粒度较小的颗粒沿喷嘴运动时具有较大的加速
度,从而具有较大的速度。而决定切削效率的主要因
素是磨料颗粒的动能,所以相同密度条件下粒度较大
的颗粒因为具备较大的动能而有较高的加工效率。
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