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间歇式微细磨料喷射加工控制系统开发研究【摘要】本文介绍了一种间歇式微细磨料喷射加工控制系统的设计思路和实现方式，该控制系统能够实现各轴联动用于复杂图案的加工以及工件的位置确定，能够实现对影响加工质量的喷射压力和喷射距离进行调节。
【关键词】间歇式；微细磨料；喷射加工；控制；系统微细磨料喷射加工技术是以气体为载体，将微细磨料粒子加速，利用微细磨料对材料的冲击进行去除加工。
影响微细磨料加工技术的因素主要有：喷射时间、载流气体的压力、磨料的硬度、磨料的粒度、喷嘴直径、喷射角度、被加工材料材质和喷嘴与工件的距离等。
本文设计开发出了一套微细磨料喷射加工实验系统，该系统能够实现对被加工工件的装夹，各轴联动可以实现复杂图案的加工以及工件的位置确定，能够实现对影响加工质量的喷射压力和喷射距离进行调节，能够精确控制下料量，能够实现对加工影响区域的密封除尘以及磨料的分离回收。
实验系统机械结构包括以下部分：气源、三坐标工作台、喷嘴、下料机构、密封装置、集尘装置等几方面。
将被加工的工件固定在工作台面上就可以实现微细磨料喷射加工。
其中，X轴、Y轴联动运动轨迹即是加工图案，Z轴控制喷嘴与被加工件间的距离，间歇喷射的实现是通过控制高频电磁阀的通断来实现的。
1.微细磨料喷射加工控制方案微细磨料喷射加工系统机械结构是整个实验系统能够达到设计目的的基础，而控制系统是保证机械结构能够精准运行的关键。
为了驱动X轴、Y轴、Z轴工作台移动，首先需要选择符合要求的步进电机和步进电机驱动器。
为了得到控制步进电机以及高频电磁阀的控制信号，选择了PCI-8503 光隔离脉冲计数定时接口卡。
控制卡输出的信号与高频电磁阀正常工作所需要的信号电压不一致，在这两种信号间需要设计一个放大控制电路。
在控制系统硬件搭建完毕以后，最重要的工作就是利用visual basic 6.0开发PCI-8503 光隔离脉冲计数定时接口卡，制作出一套可视化变参数的控制程序来实现对步进电机的精确控制以及对喷射时间及间歇时间的精确控制。
磨料喷射加工一、基本原理磨料喷射加工(Abrasive Jet Machining，简称AJM)是利用磨料与压缩气体混合后经过喷嘴形成的高速束流，通过对工件的高速冲击和抛磨作用来去除工件上多余的材料，达到加工的目的。
气源供应的气体必须干燥、清净，并具有适度的压力。
磨料室混合腔往往利用一个振动器进行激励，使磨料均匀混合。
喷嘴紧靠工件并具有一个很小的角度。
操作过程应封闭在一个防尘罩中或接近一个能排气的集收器。
影响加工过程的有磨料、气体压力、磨料流动速度、喷嘴对工件的角度和接近程度等。
利用铜、玻璃或橡胶面罩可以控制磨料喷射加工刻蚀的图形。
二、设备和工具磨料喷射加工的设备主要包括四部分：①储藏、混合和载运磨料装置；②工作室；③粉尘集收器；④干燥气体供应装置。
粉尘集收器的功率约需500W．它带有过滤器，可以控制粉末微粒在1μm以内。
气体压力不小于600～900kPa。
气体应经过干燥处理，湿度应小于十万分之五。
可以采用用瓶装二氧化碳或氮作为干燥气体。
工作地点应有充足的照明。
喷嘴通常由硬质合金材料制造，其寿命取决于所使用的磨料和工作压力。
采用碳化硅磨料时，喷嘴的寿命一般为8—15h。
采用氧化铝磨料时，喷嘴的寿命一般为20—35h。
磨料必须清洁、干燥，并且经过仔细的筛选分类。
磨料通常不能重复使用。
因为磨损的或混杂的磨料会使加工性能降低。
用于磨料喷射加工的磨料必须是无毒的，并且需要安装和使用完善的粉尘控制装置。
因为在磨料喷射加工过程中有可能产生硅尘，对健康有害。
工厂中的压缩空气如果没有经过充分的过滤以去除湿气和油．不能作为运载气体。
氧气不能用作运载气体，这是因为氧气与工件材料碎屑或磨料混合可能产生强烈的化学反应。
三、实际应用磨料喷射加工可用于玻璃、陶瓷或脆硬金属的切割、去毛刺、清理和刻蚀。
还可以应用于小型精密零件，例如液压阀、航空发动机的燃料系统零件、医疗器械上的交叉孔、窄槽以及螺纹的去毛刺等。
由尼龙、特氟隆(聚四氯乙烯)和狄尔林(乙缩醛树酶)制成的零件也可以采用磨料喷射加工来去除毛刺。
微型结构零件的精细加工技术现代科技的急速发展推动着各种工业系统的进步与创新。
其中微型结构零件的加工技术则是一个成熟而重要的技术分支。
微型结构零件的加工是一门精细化的技术，需要高度的技术水平和创新能力。
今天我们将就微型结构零件的精细加工技术进行一番探讨。
一、微型结构零件的定义及应用领域微型结构零件是指尺寸在数微米至数十毫米之间、复杂程度高、几何形状丰富的零部件，其一般集成于微机电系统(MEMS)、微流体、微电子机械系统(NEMS)、集成光学系统、集成显微镜以及太赫兹系统等多个领域。
如MEMS是将微电子技术、机械工程技术、工艺技术、半导体技术和材料科学等多学科交叉的新兴技术领域，其在生命科学、医疗器械、工业机械、机器人、汽车、航空等领域中具有广泛应用前景。
相应的，微型组件在MEMS领域中迅速发展，其制造工艺也在不断改进。
二、微型结构零件加工的困难目前，微型结构零件的科学技术水平和制造工艺还处于探索和发展阶段，面临诸多挑战。
一方面，本身加工材料和结构参数的复杂度，一方面则是微型结构零件加工项目日益繁杂，多种重要的技术手段较为复杂，操作难度大，周期长，效果不尽人意。
整个过程中普遍存在的零件加工难度主要有以下几个方面：1.微型尺寸的制造精度要求很高由于零部件形状、大小、精度和表面结构等制造要求和实际应用的限制，微型结构零部件的制造难度较高。
2.缺乏优质辅助材料微型结构零件加工过程中不仅需要使用到稳定性高的机床和辅助设备，同时还需要使用到耐磨、耐高温、高强度等优质辅助材料，这样才能够在零件加工过程中保证零整件不出现误差和失真现象。
3.精细加工工程的全面规划微型结构零件加工流程的规划需要精心设计，严格实施，必须考虑到加工以及后续的一系列工序，包括缺陷检测、界面化处理、表面修整等。
三、微型结构零件加工的技术针对微型结构零件加工难题，近年来采用的微型加工技术不断发展进步。
常见的微小切削加工工艺技术有以下几种：1.喷射加工技术喷射加工技术是以高速流体为研磨剂进行微细加工，通常是将悬浮在液体介质中的磨料、气泡、固体颗粒等喷入加工区，对微型结构零件进行精细加工。
微细磨料水射流切割关键技术研究摘要：首先简要的介绍了微磨料水射流切割技术的起源和基本原理，并指出微细磨料水射流采用的是前混合式水射流系统。
然后着重对微磨料水射流的产生方法及关键技术进行了研究，对高压泵的压力、喷嘴的结构设计和选择、微磨料粒子选择、工作平台存在的问题与关键技术等进行了分析讨论与总结，得出了微细磨料水射流切割关键技术选用的相关结论。
关键词：微磨料、技术分析、喷嘴设计、水射流水射流应用最先起源于煤矿开采工程，经过长时间的发展逐渐在加工制造业得到认可与应用，目前在切割加工领域应用最为广泛。
当水流经由微小口径的喷嘴以高压喷射的方式冲击在工件材料上，工件材料会由于水流的动能而产生割裂、剥落、破坏等变化[1]。
国内有很多该类型公司，如南京大地水刀公司，研发推出了多种类的微细磨料水射流切割机，主要应用在大理石加工，灯具加工等行业。
当高速水射流中含有少量细小磨料颗粒并作用于加工工件表面时，能够借助高速磨粒的动能及其锋利的菱角刮擦工件表面，水流的剪切作用也使得突出材料得以去除，从而达到工件材料表面去除的作用，这种加工方式称为磨料水射流加工方法，如图1所示为磨料水射流加工系统示意图。
图1 后混合磨料水射流加工系统示意图1 基本原理微磨料水射流加工技术由供料系统提供微细磨料，将高压水与微细磨料相混合加速，经微细喷嘴形成微细射流，通过微细磨料对被加工的材料冲蚀来实现材料的微量去除。
当前国内外所研究的微磨料水射流加工主要采用后混合式射流和前混合式射流两种[6]。
(1)后混合式射流。
如图2所示，后混合式射流的工作原理是先将低压水加压后经过切割头中的水喷嘴形成高速水射流，高速水射流在加速管内与磨料混合加速后经磨料喷嘴形成磨料水射流对工件进行加工。
在后混合式射流系统中，当喷嘴直径降低时，磨料很难与高压水均匀混合，因而所产生的磨料水射流对工件的加工能力也随之降低。
后混合式系统结构简单，可靠性高，供料方便，高压管路和喷嘴的磨损小，寿命长。
微磨料水射流对工件表面抛光作用的研究近年来，许多行业都在使用水射流抛光技术来提高工件表面质量。
由于水射流抛光过程所涉及的颗粒粒径较小，因此具有一定的抛光效果。
此外，水射流抛光可以节省劳动力，节约能源，提高工件表面质量，保证表面精度和表面光洁度，从而为行业生产带来若干好处。
因此，本研究将从微磨料水射流抛光技术的基本原理、装备及表面处理研究出发，探讨其在工件表面抛光中的应用。
一、微磨料水射流抛光技术的基本原理微磨料水射流抛光技术是利用现代技术所开发出的一种新型技术，它将砂轮、砂纸和其他磨料用水射流进行加工，通过把磨料的磨擦力转换成水力，在工件表面形成微细的拉裂、剥落、波浪状划痕，在磨料和工件之间形成微小的摩擦力，以达到良好的表面效果。
微磨料水射流抛光技术的基本原理是：首先，将适当浓度的磨料溶液和足够的水压力混合在一起，经过压力调节后放入水射流抛光装置，控制水流量，使水射流中携带的磨料能够得到充分表现，最后将磨料溶液通过喷嘴喷出，磨料溶液中的磨料粒子以溅射的形式作用于工件的表面，从而形成一种抛光效果。
二、微磨料水射流抛光装备及表面处理1、微磨料水射流抛光装备：微磨料水射流抛光装备的关键部件有水泵、控制阀、涡轮增压器、罐内搅拌器和扩散器。
主要完成工作包括：将磨料溶液混合于水中，控制混合流量，把水力压力转换成抛光粒子出口速度，控制喷枪坐标移动，控制磨料和水的比例，以及控制磨料的粒径和浓度。
2、微磨料水射流表面处理：完成微磨料水射流抛光需要综合运用几种技术来实现。
具体表面处理技术可以分为打磨、抛光、橡皮擦和上蜡等。
打磨，即利用磨料溶液与工件表面摩擦，去掉前期表面处理遗留的粗糙表面；抛光，即采用水射流抛光装置将微粒粒磨料溶液射向工件表面，使工件表面形成微细的拉裂、剥落、波浪状划痕，从而获得细腻光滑的表面；橡皮擦，即利用一定硬度的软橡胶材料，用轻轻的摩擦力对工件表面表面细节进行清洁；上蜡，即利用蜡材料与工件表面摩擦，让蜡材料溶质与工件表面形成紧密结合，从而达到护理表面、减少锈蚀及清洁等目的。
喷砂的原理及应用图解简单原理喷砂是一种利用高压喷射流体将细小颗粒磨料喷射到被喷射物体表面，以达到清洁、去除污渍、增加摩擦力或改变物体表面质感的技术。
其主要原理如下：1.高压喷射流体：喷砂工具通过高压泵将水或空气等流体加压后，通过一根喷嘴喷射到磨料上，形成高速的喷射流。
2.磨料颗粒：喷嘴喷射流中携带着细小颗粒的磨料，如石英砂、玻璃珠、钢球等。
这些颗粒在喷射流的冲击下，与被喷射物体表面发生磨擦。
3.磨擦作用：磨料颗粒与被喷射物体表面的磨擦产生摩擦热，使被喷射物体表面受到冲击和磨擦力，从而达到清洁、去除污渍或改变质感的效果。
应用喷砂技术因其独特的原理和效果，在各个领域都有着广泛的应用。
以下是喷砂技术的常见应用：1.表面清洁和去污：喷砂被广泛应用于金属、陶瓷、石材、玻璃等材料的表面清洁和去污。
通过喷砂技术，可以有效地去除表面附着的污渍、氧化层、油漆等，使物体表面恢复光洁和原始的外观。
2.表面增加摩擦力：喷砂可以在被喷射物体表面形成微观的凹凸结构，从而增加其摩擦力。
这一特性在制造业中常被应用于提高产品的防滑性能，如汽车轮胎、工业机械零件等。
3.装饰效果：喷砂可以通过改变被喷射物体的表面质感，达到装饰的效果。
喷砂后的物体表面变得磨砂粗糙，有着独特的触感和视觉效果。
这一特性常被应用于艺术品、工艺品、家居用品等的制作和装饰。
4.表面处理：喷砂可以改变物体表面的特性，如增加陶瓷器表面的抗滑性、提高金属表面的耐磨性等。
这一特性在工业领域中广泛应用于金属加工、陶瓷制造等行业。
通过喷砂处理，可以使产品的表面更加耐用和坚固。
简单图解下面是对喷砂原理和应用的简单图解，帮助读者更直观地了解喷砂技术的过程和效果。
喷砂图解喷砂图解从图中可以看出，喷砂技术通过高压喷射流体将磨料颗粒喷射到被喷射物体表面，形成冲击和磨擦力，实现清洁、去污和表面处理的效果。
喷砂技术在工业制造、装饰和表面处理等领域起到了重要的作用。
总结喷砂技术是一种利用高压喷射流体和细小颗粒磨料对被喷射物体表面进行冲击和磨擦的技术。
微细磨料喷射加工技术综述
[摘要] 本文阐述了微细磨料喷射加工技术的产生及原理，介绍了国内外微细磨料喷射加工技术研究现状并对这一技术的应用进行了展望。
[关键词] 微细磨料喷射加工工艺参数
近年来，玻璃、陶瓷、单晶硅等具有高硬度、高脆性和高熔点的材料越来越多的应用于电子元器件、光学仪器、微机电系统和半导体等领域。
由于传统的加工方法如激光加工、化学蚀刻等本身的缺陷将对加工对象或加工设备产生较大的负面影响，使得加工范围受到限制，很难用于加工硬脆材料或制造尺寸微小的器件。
微细磨料喷射加工技术（Micro-Abrasive Jet Machining, MAJM）则可以很好地解决硬脆材料的加工问题，微细磨料喷射加工是用高速气流将微细磨料加速，用高速的微细磨料粒子冲击硬脆材料的工件，被加工工件表面被冲击后表层材料就被去除的一种加工方法。
首先，由于这种加工方法不是用刀具来切割，所以工件整体所受的力非常小，这样就不会使工件破碎，并且加工过程不产生热，对工件的性质没有影响；其次，利用这种方法所加工出的形状完全由喷嘴移动的轨迹决定，所以可以用于加工出任意形状的孔和槽；最后，这种加工方法所使用的设备简单、造价低廉，可以大大地节约加工成本。
另外这种加工方法也可以用于掩膜加工和刻蚀加工，为加工微小孔和刻线加工提供了新的有效的方法。
1.微细磨料喷射加工技术的产生及原理
微细磨料喷射加工技术的基本加工原理和传统的喷砂加工原理相同，即由气体携带磨料微粒形成高速气流冲击工件表面而去除工件材料。
当磨料冲击工件表面时，微小的磨粒就像细小的刀刃一样击碎工件表面而产生小的碎屑，每一个冲击颗粒只能去除很少的材料，气流将磨料微粒和破碎的材料颗粒一起带走。
但微细磨料喷射加工在磨料的粒度、进给运动、加工精度等方面的要求不同于传统的喷砂加工，在加工工艺上也有显著区别。
喷砂工艺的主要用途是清理工件表面，微细磨料喷射加工技术是利用磨料对被加工材料表面进行冲击加工；喷砂工艺所使用的磨料粒度比微细磨料喷射加工技术中的磨料粒度大很多，并且喷砂对磨料的均匀性没有严格要求,微细磨料喷射加工要求直径较小的均匀磨料；微细磨料喷射加工的磨料能完成精确地切削加工，喷嘴的直径比较小，一般小于1毫米，而喷砂所使用的喷嘴直径较大一般大于3毫米。
微细磨料喷射加工是一个干加工过程，对环境无污染，对工件表面不会产生热影响，加工变质层发生少，对工件的损伤小，可加工深宽比（定义为孔或切口的深度与孔的直径或切口的宽度之比）高达2.5以上的深微结构，可实现复杂形状和各种材料的加工，易碎和脆性材料更好加工，初始成本低，生产效率高。
微细磨料喷射加工技术是以气体为载体，将微细磨料粒子加速，利用微细磨料对材料的冲击进行去除加工。
微细磨料喷射加工所用的气体的压力比较小(一
般在1MPa以下)，喷嘴的直径也比较小(一般小于1毫米)。
所以微细磨料喷射加工技术主要应用于硬脆材料的微细加工，例如光学玻璃和硅晶片的打孔和刻蚀等。
微细磨料喷射加工技术的材料去除机理如图1和图2所示，当磨料粒子撞击到工件表面时在接触区附近的小区域内形成塑性变形区，而在材料较深处则形成径向裂纹和横向裂纹，横向裂纹的产生和扩大就导致了材料的去除。
图1 微细磨料喷射加工材料去除机理
图2间歇式磨料喷射加工原理
2.国内外研究现状
传统的喷射加工设备一般是连续地喷射磨料，当采用小喷嘴或磨料不均匀时，容易堵塞喷嘴、磨料的喷射量也不容易精确控制。
而且磨料容易沉积在加工孔的底部，从而使后续磨料不能和加工表面直接接触，随着加工的继续进行，加工效率显著降低。
日本东北大学的教授厨川常元等提出了一种新的微细磨料喷射加工方法，并且设计研制了一台新型实验装置。
它的原理是间歇式喷射加工，在喷射过程的一个周期内首先喷射磨料和气体的混合气，过一段时间后停止供给磨料，即只喷出载流气体，用以清除残留在加工孔中的磨料，使加工表面始终裸露，提高加工效率（如图1-2所示）。
根据这种间歇式喷射加工原理厨川常元等学者开发出了一套新的磨料喷射加工装置，这个装置的原理如图3所示，该装置中有两路气体，一路作为供给磨料用，另一路为加速气体，磨料通过负压被高速的供给气体带进混合腔和加速气体一起从喷嘴喷出。
用高速电磁阀来控制磨料供给气路通断，当电磁阀关闭时只有加速气体喷出，这时可以用这路气体来清除堆积在加工孔底部的磨料。
通过控制高速电磁阀的通断时间长短及比例可以调整出最优的加工参数。
图3 间歇式喷射加工装置原理图
印度学者R.M.Rani和S.Seshan采用统计学的方法对实验结果进行处理，提出：（1）在特定的实验条件下，有可能精确预测磨料喷射加工材料去除速率。
（2）影响磨料喷射加工的三个主要因素，喷嘴离工件的距离、气压和磨料流量之间存在着依存关系。
（3）在三个因素中，以磨料流量对材料去除速率的影响最大。
印度工学院机械系的R.Balasubramniam教授对磨料喷射加工应用于表面去毛刺时产生的边缘圆角半径大小进行了理论研究，他提出：（1）在磨料喷射加工表面存在着形如钟口的边缘半径。
（2）通过建立数学模型分析表明，喷嘴到工件之间的距离是影响边缘半径大小的最重要因素。
日本学者M. Wakuda在对陶瓷材料的微细磨料喷射加工实验中总结并提出：（1）在微细磨料喷射加工中使被加工材料破碎的磨料硬度和刚度是影响材料去除速率的关键因素，但是由于磨料的不同被加工材料去除速率会有很大的变化，因此在建立材料去除模型时没有固定的材料去除速率。
（2）磨料喷射加工的陶瓷表面并没有力的降低，这是因为放射状裂纹并没有沿着粒子撞击的方向扩散。
因
此，微细磨料喷射加工陶瓷是一种很有潜力的加工方法。
图4为磨料喷射加工陶瓷表面粒子破碎模型。
图4 陶瓷表面粒子破碎模型
国际上只有少数企业研制开发了微型喷射加工设备。
日本名古屋Sintobrator Pty Ltd 公司的Moriyasu Izawa开发研制的MB1型和MB2型微磨料喷砂机是目前世界最高水平；美国COMCO INC公司生产的小型手提式微磨料喷砂机，可用于牙齿清洁和普通微细加工；日本的Nikon公司已经商业化了几种不同类型的MAJM系统，主要用于在不同材料上蚀刻、印刷，印刷时的分辨率可达到80dpi。
目前微细磨料喷射加工在我国还处于开发研究阶段，国内关于这一方面的文献大部分都是介绍性文章，从理论角度阐述微细磨料喷射加工的原理、工艺规律、方法、应用范围和影响加工的因素。
吉林大学对微细磨料喷射加工进行了深入的研究，设计了一套间歇式微细磨料喷射加工装置，并在玻璃材料上进行了微小孔加工实验，深入分析了各种参数对加工质量的影响。
吉林大学还开展了微细磨料喷射加工在牙齿修复方面进行了研究，通过改变喷射的压力喷射时间喷射距离等，将羟基磷酸钙（HA）涂镀到牙齿表面，形成一层坚固的膜，以达到修复龋齿的目的。
3.微细磨料喷射加工技术的应用
作为一种精密加工技术，微细磨料喷射加工在传统的喷砂加工中引入了精细加工的概念，应用了微细磨料，磨料的连续送料装置和掩膜加工技术，特别适于加工不宜使用热加工技术切割的硬脆材料，如用于制作半导体、电子设备和液晶显示元器件、玻璃、陶瓷、聚合物等材料的精细加工。
随着科技的进步和人们研究的深入,微细磨料喷射加工技术必将越来越成熟,应用范围也将会逐渐扩大。
参考文献:
[1]樊晶明,王成勇,王军.微磨料空气射流加工技术的发展.金刚石与磨料磨模工程.2005,第1期:25-30,35.
[2]丁嘉志喷射磨料加工.家用电气科技.1996,第3期:16-17.。
