低溫微磨料氣射流加工微流道專用機床

錢炳坤，孫玉利，張桂冠，劉 旭，高 航，左敦穩(wěn)

（1.南京航空航天大學(xué)直升機傳動技術(shù)重點實驗室，南京210016；2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，大連116024）

微流控芯片又被稱為“芯片實驗室”，是微機電技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的一個典型應(yīng)用。通過在微流控芯片表面加工微米級的流道，利用可控的微量液體貫穿整個微流道系統(tǒng)來實現(xiàn)實驗室的各種分析功能[1?3]。為了更好地實現(xiàn)分析功能，微流控芯片對材料選取具有很高的要求。有機高分子聚合物材料聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsilox?ane，PDMS）具有較好的化學(xué)惰性、生物相容性、透光性以及鍵合性，并且無毒，是一種制作微流控芯片 的 理 想 材 料[4?6]。

目前，加工PDMS 的主要方法有模塑法和注塑法等，這些方法可以進行大批量復(fù)制生產(chǎn)，加工效率高。然而，它們在加工之前都需要制作微模具，面對日益發(fā)展的微流控芯片多元化應(yīng)用需求，工藝靈活性差的問題便顯得尤為突出。除上述加工方法外，飛秒激光也能夠?qū)DMS 進行加工[7]，但是飛秒激光加工具有加工效率低、加工質(zhì)量差、激光器成本高且需要專業(yè)的操作環(huán)境等缺點，極大地限制了其在微流控芯片加工領(lǐng)域中的應(yīng)用。

微磨料氣射流加工技術(shù)是一種利用高速壓縮的空氣加速磨料顆粒對工件表面進行沖蝕加工的微細(xì)加工技術(shù)[8]。該技術(shù)具有熱影響區(qū)小、工藝靈活性強以及加工效率高等優(yōu)點，特別適合于加工玻璃、硅、石英和陶瓷等硬脆材料[9?10]。羅國勝[11]利用微磨料氣射流加工石英玻璃，研究了不同的工藝參數(shù)對硬脆材料加工效率的影響，發(fā)現(xiàn)加工距離對加工效率的影響最大。Ghazavi和Papini[12]建立了微磨料氣射流加工玻璃和聚甲基丙烯酸甲酯（Polymeth?yl methacrylate, PMMA）時的表面演化數(shù)學(xué)模型，該模型能夠?qū)Ω呱顚挶任⑼ǖ赖臋M截面輪廓形狀進行準(zhǔn)確地預(yù)測，以便于選擇合適的工藝參數(shù)。

但在常溫下，PDMS 為高彈性材料，使用微磨料氣射流對其進行加工，加工效率很低，甚至為零[13]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在低溫下PDMS 的機械性能會發(fā)生改變，表現(xiàn)出類似于脆性材料的性質(zhì)，其硬度 提 高 約50%[14]。Getu 等[15?16]設(shè) 計 了 一 種 低 溫 微磨料氣射流加工用簡易實驗裝置并開展了低溫微磨料氣射流加工PDMS 的實驗研究。經(jīng)研究表明，當(dāng)PDMS 冷卻至-120 ℃時，PDMS 會發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，具有明顯的脆性特征，加工效率顯著提高。但這種裝置是一種開放式的簡易實驗裝置，極易發(fā)生結(jié)冰堵塞噴嘴的現(xiàn)象，在液氮消耗嚴(yán)重的同時僅能夠驗證在低溫下微磨料氣射流加工PDMS等聚合物材料的可行性，加工性能較差，而且飛濺的磨料會對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染，在實際加工中具有很大的局限性，并不能加工出符合技術(shù)指標(biāo)要求的微流控芯片。

本文針對目前低溫微磨料氣射流加工用簡易實驗裝置存在的問題，提出設(shè)計一臺移動控制精度能夠達到±10 μm、旋轉(zhuǎn)控制精度能夠達到±0.015°的低溫微磨料氣射流加工微流道專用機床，它利用液氮對射流進行冷卻，并且能夠改變射流的溫度、壓力和流量；通過數(shù)控系統(tǒng)及其人機交互界面可以改變射流相對于工件的沖蝕角度、加工距離、進給速度以及加工部位。本機床可在不使用微模具的情況下根據(jù)不同的需求直接在PDMS表面上加工不同形狀的微流道，工藝靈活性強。

1 機床整體設(shè)計及工作原理

本機床分為5 個部分：微磨料氣射流發(fā)生部分、冷卻部分、加工部分、磨料回收部分和控制系統(tǒng)部分。微磨料氣射流發(fā)生部分主要包括空氣壓縮機、空氣干燥機、儲氣罐和噴砂機；冷卻部分主要包括自增壓液氮罐、液氮電磁閥、液氮液位監(jiān)測儀、PLC 控制器和冷卻器；加工部分主要包括四維移動平臺、加工腔室和射流噴嘴；磨料回收部分主要包括吸塵器和漏斗；控制系統(tǒng)部分主要包括人機交互界面、CNC 裝置和步進電機驅(qū)動器。綜合考慮機床加工區(qū)域的封閉性、加工過程的可視性以及除塵的實時性，合理地設(shè)計了機床的布局，保證各運動部件不會產(chǎn)生干涉，同時將液氮液位監(jiān)測儀安裝到機床外殼上，以便在加工時觀察冷卻器的工作狀態(tài)。機床的整體布局如圖1 所示。機床主體是厚鈑金與方鋼架的焊接結(jié)構(gòu)，以保證機床在加工時具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖1 低溫微磨料氣射流加工微流道專用機床整體布局Fig.1 Overall layout of micro-channel special machine tool for cryogenic micro-abrasive air jet machining

本機床的工作原理為：空氣壓縮機產(chǎn)生的壓縮空氣流經(jīng)空氣干燥機和儲氣罐，在噴砂機中與磨料混合，產(chǎn)生壓力穩(wěn)定且干燥的微磨料氣射流。自增壓液氮罐中的液氮通過液氮電磁閥流入冷卻器，射流從另一個方向流入冷卻器，被液氮冷卻形成低溫射流。四維移動平臺和射流噴嘴安裝在封閉的加工腔室中，工件固定在四維移動平臺的工作臺上，射流噴嘴與冷卻器相連并保持固定，低溫射流對工件進行加工，空氣干燥機向加工腔室內(nèi)持續(xù)提供干燥空氣防止結(jié)冰。加工腔室中產(chǎn)生的磨料落入漏斗中，由吸塵器抽走，在實現(xiàn)磨料循環(huán)利用的同時防止對環(huán)境產(chǎn)生污染?？刂葡到y(tǒng)部分能夠控制四維移動平臺獲得工件所需要的運動軌跡。

2 冷卻部分

本機床冷卻PDMS 的方式是將冷卻后的低溫微磨料氣射流沖擊在PDMS 表面上，通過低溫氣流與表面之間的對流傳熱來降低PDMS 加工區(qū)域的溫度，直至降低到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下。作為核心部分，它直接決定了機床的加工性能，因此合理地設(shè)計冷卻部分十分必要。

2.1 冷卻器設(shè)計

2.1.1 冷卻器總體設(shè)計

為了達到低溫加工的目的，設(shè)計了一個具有真空隔熱層的可控溫冷卻器。作為核心部件，它決定了射流的溫度大小和溫度均勻性，是進行高效加工的關(guān)鍵。冷卻器的工作原理為：液氮通過液氮電磁閥流入冷卻器，進而使其內(nèi)筒的蛇形彎管浸沒在液氮中，蛇形彎管周圍的溫度即為-196 ℃，射流在通過蛇形彎管的過程中被液氮冷卻至低溫。冷卻器實物如圖2 所示。

圖2 冷卻器Fig.2 Cooler

2.1.2 蛇形彎管長度計算

蛇形彎管作為冷卻器中的核心零件，其長度決定了射流的溫度，因此為了獲得讓PDMS 發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變的射流溫度并達到預(yù)期的加工效果，應(yīng)進行合理的熱力學(xué)計算。蛇形彎管的長度是指在400 mm 長的冷卻器內(nèi)筒中軸線的實際長度，同時也是其浸沒在液氮中的長度。由于PDMS 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-120 ℃，為了便于后續(xù)研究射流溫度對PDMS 加工的影響，擬通過冷卻器得到-120、-150 和-180 ℃的射流出口溫度。

以射流出口溫度為-120 ℃為例，將問題簡化為：在400 mm 長的直線距離上，高速壓縮空氣流過內(nèi)徑d ＝6 mm 的銅管，由于銅管浸沒在液氮中，且銅材質(zhì)導(dǎo)熱極快，則銅管壁面溫度Tw＝-196 ℃；利用皮托管測得空氣進入管道的速度v ＝175.5 m/s，空氣干燥機干燥后空氣入口溫度Tin＝7 ℃，當(dāng)空氣出口溫度Tout＝-120 ℃時，計算所需要管道的實際長度l。

根據(jù)熱學(xué)關(guān)系，計算以上問題需要用到以下6個公式[17]。

式中：vf為空氣運動黏度；μ 為空氣動力黏度；ρ 為空氣 密 度；Re 為 雷 諾 數(shù)；f 為 摩 擦 因 數(shù)；Nu 為 努 塞 爾數(shù)；Pr 為普朗克數(shù)；h 為對流換熱系數(shù)；λf為導(dǎo)熱系數(shù)；cp為定壓比熱容；A 為銅管橫截面積；Tf為定性溫度，它是空氣入口溫度和出口溫度的平均溫度，便于描述空氣溫度漸變時的物理狀態(tài)，其值為-56.5 ℃。

根據(jù)定性溫度Tf查閱空氣物性表，能夠得到：空 氣 動 力 黏 度μ ＝14.73×10-6Pa·s，空 氣 密 度ρ ＝4.691 2 kg/m3，普朗克數(shù)Pr ＝0.719 4，導(dǎo)熱系 數(shù)λf＝0.020 6 W/(m·K)，定 壓 比 熱 容cp＝1.006 kJ/(kg·K)。將以上變量代入式(1～6)中，可計算出所需要管道的實際長度l ＝743.4 mm，即蛇形彎管浸沒在液氮中的長度為743.4 mm。

同理，能夠計算求得當(dāng)射流出口溫度為-150 ℃時，所需蛇形彎管的長度l ＝1 011.8 mm；當(dāng)射流出口溫度為-180 ℃時，所需蛇形彎管的長度l ＝1 355.1 mm?？紤]到熱學(xué)公式本身存在的誤差同時便于蛇形彎管的制造，實際設(shè)計的蛇形彎管長度分別為：800、1 100 和1 400 mm，其實物如圖3 所示。

圖3 3 種長度的蛇形彎管Fig.3 Three lengths of serpentine tubes

2.2 冷卻器冷卻性能仿真分析

為了初步驗證冷卻器總體設(shè)計的合理性以及蛇形彎管長度計算的準(zhǔn)確性，利用ANSYS Fluent軟件進行冷卻器冷卻性能的仿真分析。首先對冷卻器內(nèi)筒進行簡化建模，將蛇形彎管的材質(zhì)設(shè)置為銅，液氮流場的初始相為空氣，同時將液氮流場與蛇形彎管之間的面設(shè)置為接觸面，蛇形彎管與空氣流場之間的面同樣設(shè)置為接觸面，其中液氮流場的長度為400 mm。簡化后的模型如圖4 所示。

圖4 冷卻器內(nèi)筒簡化模型Fig.4 Simplified model of inner cylinder of cooler

對簡化后的模型進行網(wǎng)格劃分，液氮流場采用體網(wǎng)格劃分，單元尺寸為4 mm；空氣流場采用體網(wǎng)格劃分，單元尺寸為0.5 mm；蛇形彎管的兩個端面采用面網(wǎng)格劃分，單元層數(shù)為4 層，其余部分仍采用體網(wǎng)格劃分，單元尺寸為0.5 mm。模型網(wǎng)格劃分如圖5 所示。

圖5 模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Model meshing

完成網(wǎng)格劃分后，在Fluent 界面進行仿真參數(shù)設(shè)置。這是一種復(fù)雜流體流動和傳熱的耦合情況，因此要打開能量方程和k?ε 湍流模型（k 為湍動能，ε 為耗散率）并在豎直方向上激活重力（重力加速度設(shè)置為-9.8 m/s2）。由于空氣在蛇形彎管中流動時溫度是漸變的，其密度會發(fā)生變化，則空氣選用理想氣體類型。冷卻器的外筒和內(nèi)筒均具有高真空隔熱層，則可以近似認(rèn)為無熱量傳遞，故將液氮流場外壁面設(shè)置為絕熱壁面；液氮流場與蛇形彎管之間的接觸面以及蛇形彎管與空氣流場之間的接觸面均設(shè)置為耦合面。將液氮入口設(shè)置為壓力入口，進入的相為液氮，所采用的自增壓液氮罐工作壓力為0.35 MPa，液氮溫度為-196 ℃；液氮出口設(shè)置為壓力出口，壓力大小為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；射流入口設(shè)置為速度入口，進入的相為空氣，流速為175.5 m/s，射流初始溫度為7 ℃；射流出口設(shè)置為壓力出口，壓力大小為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。模型整體初始溫度設(shè)置為室溫20 ℃，忽略射流中磨料顆粒的傳熱效應(yīng)，采用Coupled 算法進行求解。

利用上述邊界條件求解后，3 種情況的冷卻器內(nèi)筒蛇形彎管軸線剖面上溫度分布如圖6 所示?？梢杂^察到蛇形彎管最終完全被液氮所包圍，彎管中射流的溫度從入口開始逐漸降低，在出口處溫度達到最低。

圖6 3 種情況的冷卻器內(nèi)筒蛇形彎管軸線剖面上溫度分布Fig.6 Temperature distribution on the axial section of the serpentine tubes of the inner cylinder of the cooler in three cases

3 種情況的射流出口溫度分布如圖7 所示。以射流出口處的圓心為原點建立坐標(biāo)系，得到3 種情況的射流出口溫度沿直徑方向（x 方向）的溫度分布曲線，如圖8 所示。仿真結(jié)果表明射流出口溫度分布均勻，在中心位置附近最高，沿直徑方向逐漸降低，在射流最外側(cè)達到最低。蛇形彎管長度為800 mm 時，射流出口最高溫度為-116.45 ℃，最低溫度為-120.75 ℃，平均溫度為-118.57 ℃；蛇形彎管長度為1 100 mm 時，射流出口最高溫度為-145.15 ℃，最低溫度為-148.35 ℃，平均溫度為-146.76 ℃；蛇形彎管長度為1 400 mm 時，射流出口最高溫度為-176.73 ℃，最低溫度為-178.29 ℃，平均溫度為-177.51 ℃。通過比較發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和計算結(jié)果相仿，因此用于蛇形彎管長度計算的數(shù)學(xué)模型具有可行性，同時初步驗證了冷卻器總體設(shè)計的合理性。

圖7 3 種情況的射流出口溫度分布Fig.7 Temperature distribution of jet outlet in three cases

圖8 3 種情況的射流出口溫度沿直徑方向（x 方向）的溫度分布曲線Fig.8 Temperature distribution curves of the jet outlet tem?perature along the diameter direction (x direction) in three cases

2.3 射流出口溫度實際測量

為了進一步驗證計算結(jié)果和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，保證加工順利進行，對射流出口溫度進行實際測量。測溫實驗在環(huán)境溫度為20 ℃的實驗室中進行，采用八通道溫度記錄儀（Madge Tech 公司）將與之相連的溫度傳感器固定在蛇形彎管的出口處進行溫度測量。

在測溫過程中，每隔2 s 記錄一次數(shù)據(jù)，從開始測溫到打開液氮持續(xù)20 s 的時間。經(jīng)過一段時間后，溫度下降到一定程度便不會再下降，而是保持波動狀態(tài)。測量得到的3 種情況下射流出口溫度隨時間的變化曲線如圖9 所示。

圖9 3 種情況的射流出口溫度隨時間的變化曲線Fig.9 Curves of jet outlet temperature with time in three cases

為保證測溫數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從溫度達到波動狀態(tài)開始，每隔2 s 記錄一次數(shù)據(jù)，持續(xù)測量120 s 的時間，觀察溫度是否能夠達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，3種情況的射流出口溫度最終波動狀態(tài)如圖10 所示。當(dāng)蛇形彎管長度為800 mm 時，射流出口溫度圍繞-120 ℃波動，平均溫度為-121.33 ℃；當(dāng)蛇形彎管長度為1 100 mm 時，射流出口溫度圍繞-150 ℃波動，平均溫度為-150.85 ℃；當(dāng)蛇形彎管長度為1 400 mm 時，射流出口溫度圍繞-180 ℃波動，平均溫度為-181.03 ℃。由射流出口溫度實際測量結(jié)果可知，該冷卻器能夠達到預(yù)期的冷卻性能。

圖10 3 種情況的射流出口溫度最終波動狀態(tài)Fig.10 Final fluctuation state of jet outlet temperature in three cases

2.4 冷卻器自動控溫的實現(xiàn)

冷卻器工作時，不僅要保證蛇形彎管完全浸沒在液氮中，還要盡可能地節(jié)約液氮的用量，因此需要對冷卻器內(nèi)筒中的溫度進行實時監(jiān)測并適時補充液氮。冷卻器自動控溫系統(tǒng)如圖11 所示。在蛇形彎管上方安裝一個Pt100 鉑熱電阻，它與ZTC?100A 型液氮液位監(jiān)測儀相連，該監(jiān)測儀會實時顯示所測得的溫度，當(dāng)顯示的溫度不高于-196 ℃時，表明蛇形彎管完全浸沒在液氮中。在排氣口處安裝有另一個Pt100 鉑熱電阻，它與ZTC?100B 型液氮液位監(jiān)測儀相連，PLC 控制器同時連接該監(jiān)測儀和液氮電磁閥。當(dāng)ZTC?100B 型液氮液位監(jiān)測儀顯示的溫度為-196 ℃時，表明排氣口有液氮溢出，此時PLC 控制器根據(jù)溫度信號控制液氮電磁閥關(guān)閉，自增壓液氮罐不能補充液氮；當(dāng)監(jiān)測儀顯示的溫度高于某一溫度值（該溫度值可根據(jù)不同實驗環(huán)境進行調(diào)節(jié)）時，PLC 控制器根據(jù)溫度信號控制液氮電磁閥打開，自增壓液氮罐進行液氮補充，保證ZTC?100A 型液氮液位監(jiān)測儀顯示的溫度不高于-196 ℃。

圖11 冷卻器自動控溫系統(tǒng)Fig.11 Automatic temperature control system of cooler

3 加工部分及控制系統(tǒng)

3.1 四維移動平臺設(shè)計

PDMS 固定在四維移動平臺的工作臺上，工作臺可以沿X 軸、Y 軸和Z 軸方向平動，沿X 軸方向平動可以改變加工距離，沿Y 軸、Z 軸方向平動可以改變加工部位；同時工作臺還可以繞A 軸（A軸平行于Z 軸）轉(zhuǎn)動從而改變沖蝕角度。四維移動平臺的主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

3.2 射流噴嘴選型

考慮到加工過程中磨料會對射流噴嘴產(chǎn)生沖擊，為了減小噴嘴的磨損程度，選用硬質(zhì)合金碳化鎢制作的圓形噴嘴，直徑分別為：0.46、0.8 和1.2 mm。

表1 四維移動平臺的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of four?dimensional mobile platform

3.3 機床控制系統(tǒng)

機床控制系統(tǒng)如圖12 所示。CNC 裝置為機床控制系統(tǒng)中的核心，它通過步進電機驅(qū)動器控制步進電機轉(zhuǎn)動，所使用的步進電機在尾部安裝有同軸編碼器，可實現(xiàn)對平臺運動的閉環(huán)控制。通過在人機交互界面上編寫程序即可實現(xiàn)對加工過程的控制。

圖12 機床控制系統(tǒng)Fig.12 Machine tool control system

4 機床加工微流道驗證實驗

為了驗證本機床的加工性能，在長度、寬度、厚度分別為60、25 和5 mm 的矩形PDMS 基片表面上加工“二”字形微流道，所采用的工藝參數(shù)如表2所示。

PDMS 基片加工后的實際效果如圖13 所示。在微流道上任取A 和B 兩個位置，利用DSX510 型超景深顯微鏡（奧林巴斯公司）測量得到這兩個位置的微流道橫截面輪廓，如圖14 所示。作為對比，利用上述工藝參數(shù)在常溫20 ℃對PDMS 基片進行加工，加工后在完全相同的兩個位置（重新分別記為A1位置和B1位置）測量微流道橫截面輪廓，如圖15 所示。由實驗結(jié)果可見，在低溫下加工的微流道的對稱程度、加工質(zhì)量以及深寬比均高于常溫下加工的微流道，表明了本機床具有很好的低溫加工性能。除此之外，所加工的微流道在A 和B 兩個位置上得到的橫截面形狀相似，且具有相近的寬度和深度，表明了本機床具有很好的加工一致性。若要在PDMS 表面上加工其他形狀的微流道，僅需改變數(shù)控程序讓四維移動平臺改變運動軌跡即可。

表2 實驗工藝參數(shù)驗證Table 2 Verification of experiment process parameters

圖13 “二”字形微流道Fig.13 “二”shaped micro-channel

圖14 A、B 位置的微流道橫截面輪廓Fig.14 Cross-sectional profiles of micro-channels at posi?tions A and B

圖15 A1、B1位置的微流道橫截面輪廓Fig.15 Cross-sectional profiles of micro-channels at posi?tions A1 and B1

5 結(jié) 論

（1）為了更好地將低溫微磨料氣射流加工技術(shù)應(yīng)用在PDMS 的實際加工中，研制了低溫微磨料氣射流加工微流道專用機床。本機床能夠產(chǎn)生壓力穩(wěn)定且可調(diào)、溫度均勻且可控的低溫微磨料氣射流，同時有效地解決了目前簡易實驗裝置存在的低溫環(huán)境下易結(jié)冰阻礙加工、污染嚴(yán)重、磨料無法進行回收再利用以及加工性能差等問題。

（2）針對機床的核心部件冷卻器進行了總體設(shè)計與傳熱計算并通過相應(yīng)的仿真分析驗證了設(shè)計的合理性，同時開展測溫實驗驗證了冷卻器能夠達到預(yù)期的冷卻效果。冷卻器的自動控溫系統(tǒng)能夠達到對內(nèi)筒中的溫度進行實時監(jiān)測并適時補充液氮的目的。

（3）利用所研制的機床開展了加工微流道的驗證實驗，驗證了機床能夠順利地在PDMS 表面上加工微流道，同時在低溫下加工的微流道的對稱程度、加工質(zhì)量以及深寬比均高于常溫下加工的微流道。除此之外，本機床還具有很好的加工一致性。