导　　师： 王成勇

学科专业： H0202

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 广东工业大学

摘　　要： 微磨料气射流加工技术（micro abrasive jet machining，简称majm），是在传统的喷砂加工中应用了微细磨料、磨料的连续送料装置和掩膜加工技术，通过微喷嘴形成高速气流混合微细磨料对工件表面进行冲蚀加工，其特别适用于制造加工高硬度、高脆性、高熔点精密微小光电子器件、芯片、传感器等的三维微细结构和微细零件。 本文综合采用计算流体动力学、脆性材料冲击破碎学、脆性断裂力学、磨削加工和数学建模等理论与方法，以及粒子运动图像、表面断口形貌和三维轮廓等测试分析方法，对微磨料气射流加工硬脆材料微细结构的若干关键基础理论问题进行深入系统的研究。在结合微磨料气射流加工特性的空气射流流场数值分析的基础上，从理论和实验上深入研究了加入微磨料后形成的气-固两相射流流场的动态特性，及其对微磨料气射流加工过程的影响；对微磨料气射流加工过程、加工表面特征以及加工过程中磨粒的运动进行了细致观察和理论分析，提出了微磨料气射流加工的材料切除与微细结构形成机理，获得了加工工艺条件等与加工效率及加工质量的数量化关系；建立并验证了微磨料气射流加工材料冲蚀率和工件表面轮廓形成的理论预测模型；结合理论和实验研究结果，给出了微磨料气射流加工硬脆材料三维微细结构的加工工艺原则。本文的研究为硬脆材料三维微细结构和微细零件的制造，提供了相对系统完整的加工理论和加工工艺技术，具有重要的理论与应用意义。 本文主要研究结论如下： 1.微磨料气射流加工中的空气气流和磨粒速度，如沿垂直于喷嘴中轴线的径向方向度量，其在喷嘴中轴线处最大，离中轴线越远越小，其中间部分的磨粒速度相对均匀；若沿喷嘴中轴线度量，空气气流和磨粒速度处于喷嘴内及喷出喷嘴后一段距离范围内时，将不断增加并达最高值，随后磨粒速度略有缓慢下降；同时，沿喷嘴中轴线方向上的，各个喷射距离上沿垂直于喷嘴中轴线径向方向的磨粒速度分布轮廓特征是一致，这可用于优化可以获得良好加工效率和质量的加工宽度。 2.粒子图像测速仪测得的微磨料气射流加工中磨粒最高速度为120-171m/s，略大于计算流体动力学计算的结果10％；在磨粒直径为10μm时，也能使磨粒获得一定的冲蚀去除玻璃材料的动能；采用计算流体动力学和断裂力学可以预测采用微磨料气射流加工脆性材料的可行性和优化加工条件。 3.玻璃的微磨料空气射流加工冲蚀机理，表现为材料表面在尖锐固体磨粒以很高的冲击速度冲击下发生了脆性断裂而被去除，冲蚀形貌呈贝壳状裂纹；加工孔的轮廓呈平底碗形，外围动能最小的磨粒冲蚀形成碗形外围区，喷束中部磨料动能大形成平底；随着加工过程的继续，中间平坦的底部逐渐变成圆v形；磨粒从喷束中心到外围，对工件的冲蚀次数由多次减为两次到一次，冲蚀作用随冲蚀次数减少越来越弱。 4.微磨料气射流加工时，气流在喷嘴内处于壅塞状态，在喷出喷嘴后的一段距离范围内处于紊乱状态；随着喷出距离的增加，经过一段剧烈的振荡，逐渐衰减。随着空气压力的增加，射流流场的紊乱程度越剧烈，激波强度越强，延续的距离也越远。 5.气-固两相微磨料气射流流场的计算结果，很好地反映了微磨料空气射流加工玻璃孔的基本特征，同时磨粒速度和喷束扩散角计算流体动力学计算的结果与粒子图像测速仪实测的结果吻合，变化趋势一致。这表明采用标准k-ε模型和遵循欧拉-拉格朗日方法的离散相模型，进行流体动力学计算是正确的；这也为喷嘴形状和加工工艺优化等提供了基本研究工具和方法。 6.理论计算和加工实验一致表明，随着磨料粒径的减小、空气压力、喷嘴直径和喷射距离在一定范围外的增大，磨粒速度和喷束扩散角增加；因此空气压力、磨料流量、喷射距离和加工时间（钻孔）/进给速度（切槽）、喷嘴直径，对冲蚀率和加工轮廓有很大影响，而喷射距离对冲蚀率和加工宽度的影响最显著。相同加工条件下，不同时刻喷束中磨料流量的波动严重，并随喷嘴直径的增大或者空气压力的降低而变大。存在一个能够获得最稳定加工过程、沿垂直于喷嘴中轴线径向方向的均匀磨粒速度分布、最大磨粒动能和较小扩散角的喷射距离、空气压力和磨粒粒度等加工条件。 7.基于上述研究，采用因次分析法建立了微磨料气射流对脆性材料进行钻孔与切槽时的冲蚀率数学模型，充分反映加工冲蚀率与工件材料参数（断裂韧性、硬度和弹性模量）、加工工艺参数（空气压力、磨料流量、喷射距离和加工时间/进给速度）和磨粒参数（速度、粒径和密度）的关系；在此基础上获得了玻璃微磨料气射流加工的冲蚀率预测公式。采用多元回归的后向筛选策略，建立了微磨料气射流玻璃钻孔和切槽加工轮廓尺寸与加工工艺参数影响高度显著的多项式回归预测模型。上述两个模型可从数量和质量上对微磨料气射流玻璃钻孔和切槽加工的材料冲蚀率和轮廓进行很好地预测，可用于优化加工工艺策略。 8.在全文研究的基础上，提出了微磨料气射流加工中的微细精密加工、三维轮廓实现及喷嘴改进等方面的原则。在微磨料气射流加工时，为了获得深宽比大的深直加工轮廓，及较高的加工效率，喷射距离不宜选取过大；在相同的条件下，小喷嘴在加工时可以得到侧壁更加竖直的轮廓；加工空气压力要适中；应采用间歇喷磨料加工方式，以提高加工效率增大加工深度；喷嘴选择和设计中，要以控制喷束轮廓、提高磨粒的速度及其分布，改善微磨料气射流加工的精确性和效率为原则；可通过改变喷射角度和掩膜加工技术相结合的方法，实现复杂三维结构的加工。

关 键 词： 微磨料气射流 冲蚀机理 冲蚀率模型 射流流场 计算流体动力学 射流加工 喷砂加工 掩膜加工

分 类 号： [TP271.32 TN305.7]

领　　域： [自动化与计算机技术] [自动化与计算机技术] [电子电信]