抛光颗粒尺度均匀性对射流去除特性的影响

不同入射角、不同形状颗粒对去除材料的影响1 冲蚀磨损概述冲蚀磨损指的是材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损现象，是由多相流动介质冲击材料表面而造成的。

冲蚀磨损已经成为许多工业部位中材料破坏的原因之一，英国科学家Eyre 认为冲蚀磨损占工业生产中经常出现的磨损破坏总数的8％。

根据介质可将冲蚀磨损分为两大类：气液喷砂型冲蚀及液流或水滴型冲蚀。

流动介质中携带的第二相可以是固体粒子、液滴或气泡，它们有的直接冲击材料表面，有的则在表面上溃灭(气泡)，从而对材料表面施加机械力。

固体粒子冲蚀磨损的定义：固体粒子冲蚀磨损是指高速气体携带大量尺寸小于1000µm 的固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击，发生材料损耗的一种现象或过程，冲击速度一般在550m/s 内。

工程中存在的固体粒子冲蚀磨损现象随处可见，如空气中的尘埃和砂粒可使直升机发动机寿命降低90%；石油化工厂烟气发电设备中，烟气携带的破碎催化剂粉粒对回收过热气流能量的涡轮叶片会造成冲蚀；火力发电厂粉煤锅炉燃烧尾气对换热器管路的冲蚀而造成的破坏大致占管路破坏的1/3；压缩机叶片的导缘只要有极少量材料冲蚀出现，0.55mm 的缝隙便能引进局部失速。

2 微切削理论I ．Finnie 讨论了刚性粒子(有足够硬度，不发生变形)对塑性金属的冲蚀，提出了微切削理论，这是第一个定量描述的完整理论，其体积冲蚀率v 随入射角 α变化的综合表达式为:P f MU V α2=式中M 为粒子的质量，U 为粒子速度，P 为粒子与靶材间的弹性流动压力。

经实验验证，该模型较好地解释了低冲击角下塑性材料受刚性粒子冲蚀的规律，但对高冲击角或脆性材料的冲蚀偏差较大，特别是在冲击角为90°时，其相对冲蚀体积为零。

3单点冲蚀的切削模型Budinski将单点冲蚀划分为四类，主要针对多角粒子：a)点坑型冲蚀(Pitting)，类似于硬度压头的对称性菱锥体粒子正面冲击造成的；b)犁削(Plowing)，类似于犁铧对土地造成的沟，凹坑的长度大于宽度，材料被挤到沟侧面；c)铲削(Shoveling)，在凹坑出口端堆积材料而铲痕两侧几乎不出现变形；d)切片(Chipping)，凹坑浅，由粒子斜掠而造成的痕迹影响因素固体粒子冲到靶材表面上，除入射速度低于某一临界值外，一般都会造成靶材的冲蚀破坏。

磨料水射流抛光技术综述王中昱;张连新;孙鹏飞;李建;尹承真【摘要】磨料水射流抛光技术是一种新兴的确定性加工技术,目前主要用于光学系统中非球面镜,包括自由曲面的加工.其加工机理是通过高速水射流裹挟磨料颗粒冲击工件表面,形成对材料的微切削,从而产生对材料的去除.简要阐述了磨料水射流抛光技术的去除机理与特点,并探讨了其最新的发展方向.【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2019(000)0z1【总页数】5页(P70-74)【关键词】磨料水射流;抛光;去除机理;发展趋势【作者】王中昱;张连新;孙鹏飞;李建;尹承真【作者单位】中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TG456.9随着现代光学系统镜面愈来愈趋向于复杂化，非球面镜面（包括自由曲面）被广泛应用于各个领域，随之而来的是对光学镜面的加工精度和表面质量要求越发严格，在前期加工工艺后必须通过非球面抛光技术对工件表面进行后期修正。

传统的抛光技术不适用于自由曲面的加工，难以保证加工质量及加工效率[1]。

在这种情况下，磨料水射流抛光技术（abrasive jet polishing，AJP）由于其柔性射流为载体、小粒径磨料颗粒为去除主导的独特加工方式，获得了极高的加工质量及自由可调的去除函数，同时具有无热加工、去除函数稳定可控、适用于高陡度内腔加工等优点，成为近年来的研究热点。

1 技术特点磨料水射流抛光技术是由纯水射流发展而来的磨料水射流技术，再经切割、钻井、破碎岩石应用等高压射流发展成为面向高精度光学元件加工的一种新兴的高精度表面加工技术。

磨料水射流抛光技术是通过高速运动的液体裹挟磨料颗粒冲击工件表面并与工件发生碰撞，形成冲蚀及剪切作用以去除材料。

收稿日期：２０２０－１０－１３作者简介：李福来（１９８７—），山东青岛人，助理工程师，主要从事焊接、磨料水射流加工等研究。

磨料水射流加工材料去除机制及影响因素分析李福来１，２，荆正军１，２，马少华１，２，杜明超２（１．石油工业训练中心，山东青岛２６６５８０；２．中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛　２６６５８０）摘要：对磨料水射流加工过程材料的去除机制及相关影响因素进行了分析，结果表明：工件表面材料的去除主要取决于磨料粒子的切削、铲削以及压痕成坑等侵蚀行为的综合作用，介质水起到加速粒子以及冷却工件作用，保证加工过程材料无热变形现象发生。

影响工件切割效果的因素有很多，包括射流压力Ｐ、进砂比、进给速率Ｖ以及喷嘴高度ｈ等，其中射流压力Ｐ和进砂比影响工件切割深度和切割效率，进给速率Ｖ影响切面质量及切缝角的大小，喷嘴高度ｈ影响切缝形态及切割深度，ｈ过大时射流束失去聚合性，出现发散现象，无法完成预设切割深度。

关键词：磨料水射流；材料去除机制；射流压力；进给速率；喷嘴高度中图分类号：ＴＨ１７．１；ＴＨ６９１．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０２０）０２－０１２９－０４ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭａｔｅｒｉａｌＲｅｍｏｖａｌＭｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄＩｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇＦａｃｔｏｒｓｉｎＡｂｒａｓｉｖｅＷａｔｅｒＪｅｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＬｉＦｕｌａｉ１，２，ＪｉｎｇＺｈｅｎｇｊｕｎ１，２，ＭａＳｈａｏｈｕａ１，２，ＤｕＭｉｎｇｃｈａｏ２（１．ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＩｎｄｕｓｔｒｙＴｒａｉｎｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６５８０，Ｃｈｉｎａ；２．ＭｅｃｈａｎｉｃａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（ＥａｓｔＣｈｉｎａ），Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６５８０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｒｅｍｏｖａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｒｅｌａｔｅｄｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｉｎａｂｒａｓｉｖｅｗａｔｅｒｊｅｔｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｒｅｍｏｖａｌｏｎｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｕｒｆａｃｅｍａｉｎｌｙｄｅｐｅｎｄｓｏｎｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｂｒａｓｉｖｅｐａｒｔｉｃｌｅｃｕｔｔｉｎｇ，ｓｌｏｔｔｉｎｇａｎｄｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｐｉｔｔｉｎｇ．Ｔｈｅｍｅｄｉｕｍｗａｔｅｒｃａｎａｃｃｅｌｅｒａｔｅｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄｃｏｏｌｄｏｗｎｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓｎｏｍａｔｅｒｉａｌｔｈｅｒｍａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔａｆｆｅｃｔｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｊｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅＰ，ｓａｎｄｆｅｅｄｒａｔｉｏ，ｆｅｅｄｒａｔｅＶａｎｄｎｏｚｚｌｅｈｅｉｇｈｔｈ．ＴｈｅｊｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅＰａｎｄｓａｎｄｆｅｅｄｒａｔｉｏａｆｆｅｃｔｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐｔｈａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｔｈｅｆｅｅｄｒａｔｅＶａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｕｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｋｅｒｆａｎｇｌｅ，ａｎｄｔｈｅｎｏｚｚｌｅｈｅｉｇｈｔｈａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｓｌｉｔｓｈａｐｅａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐｔｈ．Ｗｈｅｎｈｉｓｔｏｏｈｉｇｈ，ｔｈｅｊｅｔｂｅａｍｗｉｌｌｌｏｓｅｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｓｅｔｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐｔｈｃａｎｎｏｔｂｅｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｂｒａｓｉｖｅｗａｔｅｒｊｅｔ；Ｍａｔｅｒｉａｌｒｅｍｏｖａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ；Ｊｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅ；Ｆｅｅｄｒａｔｅ；Ｎｏｚｚｌｅｈｅｉｇｈｔ 磨料水射流作为一种冷态加工工艺技术，在制造业中有广泛的应用，如管材切割［１］，工件结构物表面除锈［２］等。

第14卷　第6期2006年12月 光学精密工程　O ptics and Precision Enginee ring Vo l.14　No.6 Dec.2006 收稿日期:2006-05-08;修订日期:2006-09-15. 基金项目:国家自然科学基金(N o.50375156)文章编号　1004-924X (2006)06-1004-05磁射流抛光时几种工艺参数对材料去除的影响张学成,戴一帆,李圣怡,彭小强(国防科技大学机电工程与自动化学院机电工程系,湖南长沙410073)摘要:研究了磁射流抛光时几种工艺参数对材料去除的影响。

首先介绍了磁射流抛光的原理和实验装置,然后从实验出发研究了磁射流抛光中材料的去除。

利用标准的磁流变液进行了一系列定点抛光实验。

重点研究了冲击角、工作距离、射流速度和磁场强度对抛光区形状和去除量的影响,获得了相应的关系曲线。

运用计算流体力学方法分析了材料去除机理。

为进一步研究磁射流抛光的各种参数的最佳匹配,实现磁射流抛光的数控加工奠定了基础。

关　键　词:磁射流抛光;射流稳定性;抛光区;去除机理中图分类号:T H161 文献标识码:AEffect on material removal of magnetorheological jetpolishing by several parametersZHANG Xue -cheng ,DAI Yi -fan ,LI Sheng -yi ,PENG Xiao -qiang(College of Mechatronic Engineering and Automation ,National U niversity of D ef ense Technolog y ,Changsha 410073,China )A bstract :The effects on material remo val of MJP (M agneto rheolo gical Jet Polishing )by several pa -ram eters w ere given.Fir stly ,the m echanism and ex periment set -up of MJP w ere introduced.Then the mate rial rem oval of M JP w as investig ated in the experim ent.A series of spot polishing ex periments were conducted using the standard mag netorheo logical fluid.The effects of im pact angle ,stand -o ff distance ,jet velo city and magnetic intensity o n polishing were m ainly studied.And the relatio n curve between each parameter and the amount o f rem oval w as obtained.The mechanism of mate rial remo val w as analyzed by co mputatio nal fluid dy namics.The ex periment results lay a foundation fo r fur ther re -search of best parameter matching for MJP ,and for the implementation of numerical contro l of M JP.Key words :M ag neto rheolog ical Jet Polishing ;jet stabilization ;polishing spot ;remov al mechanism1　引　言 现代光学系统中光学零件的形状变得越来越复杂,其形状精度和表面质量要求也越来越严格。

CMP加工过程中晶片形状对抛光液流动特性的影响在CMP（化学机械抛光）加工过程中，晶片形状对抛光液流动特性有着重要的影响。

抛光液的流动特性直接影响到CMP过程中的磨料、材料去除效率以及表面质量的稳定性。

因此，了解晶片形状对抛光液流动特性的影响，对于优化CMP加工过程具有重要意义。

首先，晶片形状会对抛光液流动的速度和方向产生影响。

晶片的形状决定了抛光液在晶片表面的流动路径。

对于平面晶片来说，抛光液在整个晶片表面上的流动速度和方向是均匀的。

然而，对于具有曲面或凹凸不平的晶片来说，由于流动路径的变化，抛光液的流动速度和方向也会出现变化。

这种变化可能会导致一些区域的磨料颗粒过早耗尽，而其他区域则可能出现堆积，从而影响到CMP加工的均匀性和一致性。

其次，晶片形状会对抛光液的动态流动特性产生影响。

晶片的几何形状不仅仅影响到抛光液的流动速度和方向，还会对抛光液在晶片表面的压力分布产生影响。

对于具有复杂曲面或凹凸不平的晶片来说，抛光液在表面的流动会受到晶片的曲率变化和表面凹凸度的影响，从而导致抛光液在晶片表面形成不同的压力分布。

这种动态流动特性的变化可能会导致CMP加工中的表面平整性和去除效率的非均匀性。

此外，晶片形状还会对抛光液的稳定性产生影响。

在CMP加工过程中，抛光液的稳定性是指抛光液在晶片表面的分布是否均匀。

对于具有复杂几何形状的晶片来说，其表面的不平整性会导致抛光液在表面的分布不均匀，从而影响到CMP加工的一致性和稳定性。

此外，晶片形状还可能会导致抛光液在晶片表面形成死角或淤积区域，从而影响到磨料颗粒的输运和去除效率。

综上所述，晶片形状对抛光液流动特性的影响是复杂而重要的。

晶片的形状决定了抛光液在晶片表面的流动速度、方向和压力分布，进而影响到CMP加工的均匀性、去除效率和稳定性。

因此，在优化CMP加工过程中，需要充分考虑晶片形状对抛光液流动特性的影响，通过合理设计和控制晶片形状，以提高CMP加工的质量和效率。

射流抛光材料去除机理及影响因素分析马占龙;刘健;王君林【摘要】Fluid dynamics simulation of fluid jet polishing material removal mechanism was studied base on the Fluent software, and the pressure, velocity and wall shear stress of the flow were analyzed. It indicates thatthe material removal rate is dependent on the distribution of surface shear stress, and the removal function presents W type. The influence of the entrance velocity, operation distance and abrasive concentration on the polishing result was analyzed by using orthogonal test, the result shows that the material removal rate increases with the increase of the incident velocity and abrasive concentration, it decreases as the operation distance increases, and the operation distance has a significant impact on the removal rate. This work can be used for choosing process parameters in process investigation.%采用Fluent软件对射流抛光材料去除机理进行了流体动力学仿真研究,通过对射流流场压力、速度和工件表面剪切力的分析可知材料去除量应与表面剪切力的分布相对应,去除函数呈现W型；随后采用正交法对入射速度、工作距离和磨料浓度等工艺参数对抛光效果的影响进行了综合分析,结果表明:去除效率随入射速度和磨料浓度的增大而增大,随工作距离增大而减小,并且工作距离对去除率具有显著影响,为实验研究中工艺参数的选取提供了一定的指导意义.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2011(032)006【总页数】6页(P1206-1211)【关键词】光学加工;射流抛光;材料去除;流体动力学;正交试验【作者】马占龙;刘健;王君林【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TN204;TP60引言射流抛光技术（fluid jet polishing）作为一种新型非接触式超光滑表面加工技术，具有加工精度高、无亚表面损伤等特点，适用于球面、非球面以及自由曲面等光学元件的加工。

磨粒颗粒在抛光过程中的运动特性研究随着现代工业的不断发展，抛光技术在制造业中起到了至关重要的作用。

而磨粒颗粒在抛光过程中的运动特性研究，则是提高抛光效率和质量的关键。

本文将探讨磨粒颗粒在抛光过程中的运动规律以及对抛光效果的影响。

1. 磨粒颗粒的大小对运动特性的影响磨粒颗粒的大小直接影响着其运动特性。

通常情况下，较小的颗粒更容易被悬浮在液体中，其运动平稳且迅速。

而较大的颗粒则在液体中受到更大的阻力，运动速度较慢。

因此，在进行抛光处理时，合理选择磨粒颗粒的大小非常重要。

2. 磨粒颗粒的形状对运动特性的影响磨粒颗粒的形状也会对其运动特性产生影响。

不同形状的磨粒颗粒具有不同的运动方式，如球形颗粒通常呈现较好的滚动特性，能够有效地覆盖表面，提高抛光效果。

而棱柱状或不规则形状的颗粒，则容易发生滑动或翻滚，其抛光效果可能受到一定的限制。

3. 液体介质对磨粒颗粒运动特性的影响液体介质作为磨粒颗粒的承载介质，也对其运动特性产生影响。

不同的液体有不同的黏稠度和流动性，从而影响磨粒颗粒的运动速度和轨迹。

一般而言，黏稠度较高的液体能够在抛光过程中更好地阻尼磨粒颗粒的运动，有利于提高抛光的均匀性和表面质量。

4. 外力对磨粒颗粒运动特性的影响在实际抛光过程中，外力也会对磨粒颗粒的运动特性产生重要影响。

外力可以分为机械力和生物力两种形式。

机械力如搅拌、振动等能够促使磨粒颗粒更好地进行碰撞和摩擦，增强抛光效果。

而生物力如气泡的漂浮和流动等，则可导致磨粒颗粒在液体中发生剧烈的运动或聚集，进一步改善抛光效果。

5. 磨粒颗粒运动特性对抛光效果的影响磨粒颗粒的运动特性直接影响了抛光效果的好坏。

合理选择磨粒颗粒的大小、形状以及液体介质，能够使其运动平稳、快速且均匀，有效地提高抛光效率和工件表面质量。

此外，外力的引入也可以改善磨粒颗粒的运动特性，进一步提升抛光效果。

总结：磨粒颗粒在抛光过程中的运动特性是实现高效抛光的关键。

通过合理选择磨粒颗粒的大小、形状和液体介质，并适当引入外力，可以使磨粒颗粒在抛光过程中快速、均匀地运动，提高抛光效果。

流体抛光原理
流体抛光原理是一种利用流体动力学原理进行表面抛光加工的方法。

该技术主要通过将流体（如水）与硬质颗粒混合形成糊状物，通过喷射或涂抹到待抛光物体的表面，并施加一定的力量，从而实现对表面的加工和抛光。

在流体抛光过程中，流体中的颗粒能够产生剪切力和摩擦力。

当流体与被加工材料接触时，颗粒会随着流体的运动在表面上磨擦，从而消除材料表面的粗糙度和不平整处。

通过适当调整流体的流速、颗粒粒径和加工时间，可以控制加工的精度和表面光洁度。

流体抛光的作用机理受到很多因素的影响，例如颗粒粒径、浓度、流体速度、压力、液体的黏度等等。

这些因素之间的相互作用会导致不同的抛光效果。

此外，不同材料的表面性质也会对流体抛光的效果产生影响。

因此，流体抛光技术需要根据具体材料和要求进行调整和优化，以达到最佳的加工效果。

流体抛光技术具有高加工效率、加工力均匀、能够处理复杂表面形状等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、光学仪器、电子器件等领域。

通过整合不同流体抛光参数和颗粒材料，可以实现不同材料和工件的精密加工和光洁度要求。

而且流体抛光还能够避免传统抛光所带来的机械损伤和残留应力，提高加工质量和性能。