磨料水射流拋光技術(shù)進展綜述

林 琳， 何周偉， 胡 濤， 尤 暉

(1.廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004; 2.廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術(shù)重點實驗室， 廣西 南寧 530004)

引言

磨料水射流拋光(Abrasive Water Jet Polishing，AWJP)是一種超精密加工技術(shù)，通過細小噴頭將混有磨料的水溶液噴射在工件表面上，利用磨粒與工件表面的相互沖擊與剪切作用來實現(xiàn)材料的去除，在拋光的同時兼具修形能力，能夠滿足非線性、復(fù)雜曲面零件需要的高形狀精度和高表面粗糙度的加工要求。AWJP可以通過計算機控制，獲得較高的加工質(zhì)量和自由可調(diào)的去除函數(shù)[1]，因其無熱影響、無熱變形、加工范圍廣、加工精度高的特性，已應(yīng)用于陶瓷、玻璃、石英、硬質(zhì)合金及特殊材料的自由型面、復(fù)雜三維型面、光滑表面、 微小內(nèi)腔的加工[2-5]。在機床的實際加工應(yīng)用方面，代表為英國ZEEKO公司研制的七軸水射流拋光機床FJP720，結(jié)合干涉儀的使用實現(xiàn)了AWJP在線測量的技術(shù)，并能對自由曲面進行修形與拋光，其面型精度達到了60 nm，表面粗糙度RMS值低至1 nm[6]。加拿大Light Machinery公司的FJP1150F水射流拋光機床能實現(xiàn)復(fù)雜形面、微細槽等結(jié)構(gòu)的自動拋光，其最大加工工件尺寸為50 mm×50 mm，面型精度達到了6 nm，RMS值可達1 nm。Optotech公司提出的主動流體射流拋光技術(shù)(A-FJP)實現(xiàn)了在同一臺設(shè)備內(nèi)進行球面與非球面的修拋，并能達到λ/20的面形精度，之后MANUELA等[7]通過使用打孔的拋光針又改善了A-FJP的加工精度。

國內(nèi)對于磨料水射流拋光機床的研制與應(yīng)用起步較晚，大多都是通過對普通數(shù)控機床進行改裝來實現(xiàn)拋光加工，國防科技大學(xué)根據(jù)CCOS原理研制出一套磨料水射流拋光裝置[8]；東華大學(xué)將現(xiàn)有M1432B萬能外圓磨床改進形成磨料水射流拋光機床[9]；湖南大學(xué)自主研發(fā)超精密水射流拋光系統(tǒng)等[10-11]。

隨著航空航天、精密器械、信息電子、軍事等領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品零件的表面形貌、表面精度的要求進一步提高，高精度、高質(zhì)量、高效率的精密加工技術(shù)已成為重要的研究方向。AWJP在精密加工領(lǐng)域具有良好的研究價值和應(yīng)用前景，但是依然存在加工效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性不足等缺點，因此，探究工藝參數(shù)、去除函數(shù)模型、加工路徑算法等是進一步提高其加工精度和加工效率的關(guān)鍵。本研究對當前具有代表性的AWJP技術(shù)進行綜述，主要闡述射流動能、噴嘴結(jié)構(gòu)、磨料類型、加工路徑、去除函數(shù)模型以及與其他技術(shù)結(jié)合而衍生出的一系列新技術(shù)，以實現(xiàn)高效率、高精度、高穩(wěn)定性為目標，對AWJP、材料去除函數(shù)模型和新技術(shù)的后續(xù)研究進行了展望。

1 磨料水射流加工原理

AWJP基本原理如圖1a所示，拋光液通過高壓泵的加壓作用從噴嘴高速射向工件表面，其內(nèi)部混合的磨料粒子與工件表面通過撞擊和剪切作用實現(xiàn)材料去除，進行表面拋光加工[12]。碰撞結(jié)束后，拋光液與磨料流回到回收裝置中，整個加工過程循環(huán)使用，對工件可進行持續(xù)加工。現(xiàn)有的加工方式主要分為前混合式射流和后混合式射流，其加工系統(tǒng)原理如圖1b、圖1c所示。前混合式射流是先將磨料與水混合均勻，再通過增壓輸送到噴嘴噴射形成磨料水射流。前混合式有著拋光液混合均勻度高、所需壓力低、能量利用率高、射流動力特性好等優(yōu)點，但系統(tǒng)復(fù)雜且磨損嚴重。劉增文[13]研究稱前混合式射流可以克服后混合式加工精度和效率不高的缺點，并通過表面拋光實驗取得了較好的效果。后混合式射流是磨料在噴嘴處的混合腔中與水混合形成拋光液，通過聚焦管而形成射流。其結(jié)構(gòu)簡單，磨損小，使用壽命長，但難以將磨料和水混合均勻，導(dǎo)致噴射于工件表面的磨粒發(fā)散性高，加工精度低。潘崢正等[14]研究了后混合式中磨料顆粒的運動情況，得出磨料顆粒的速度始終小于高壓水速度，而且只有大約20%水射流動能傳遞給磨粒。目前，考慮到噴流液壓系統(tǒng)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和耐磨性能，后混合式使用較為廣泛。但隨著材料科學(xué)和精密加工技術(shù)的發(fā)展，前混合式因其高效率、高精度的優(yōu)點將替代后混合成為研究的熱點。

圖1 磨料水射流拋光系統(tǒng)原理圖

2 AWJP加工過程中各工藝參數(shù)的影響

2.1 射流動能參數(shù)對加工性能的影響

射流動能主要體現(xiàn)于磨粒的動能，磨粒獲得的能量越大、速度越快，對材料表面的影響就越明顯。圖2所示為對硼酸玻璃進行AWJP加工試驗的結(jié)果，可以看出加工表面的粗糙度Ra隨磨粒動能E增大而增大[15]。

圖2 表面粗糙度與磨粒動能的關(guān)系

要想提高材料去除效率與加工精度，需要對影響磨粒動能的高敏感參數(shù)進行深入研究，如射流壓力、 角度、距離、磨料參數(shù)等。鄒云等[16]采用正交試驗法研究了部分工藝參數(shù)對304不銹鋼表面粗糙度的影響，得出工藝參數(shù)的影響主次為：進給量f>噴射壓力p>橫移速度u>噴射距離d，其各工藝參數(shù)對水射流拋光強化效果的曲線效應(yīng)如圖3a所示，強化效果綜合分值為Sc。李兆澤等[8]分析了幾個重要的工藝參數(shù)對材料去除效率及表面粗糙度的影響，通過對K9平面玻璃進行單點駐留拋光試驗， 最終得出工藝參數(shù)對材料去除率C的影響主次為：噴射壓力p>磨料濃度c>噴射距離d>噴射角度α；對粗糙度的影響主次為：噴射壓力p>噴射角度α>噴射距離d>磨料濃度c， 如圖3b所示。李志榮等[17]通過對硅片進行水射流拋光試驗，得出幾個工藝參數(shù)對硅片表面質(zhì)量的影響主次為：靶距>射流壓力>噴射角度>磨料濃度。

圖3 工藝參數(shù)影響主次關(guān)系

國內(nèi)外研究員關(guān)于AWJP中各個工藝參數(shù)對工件表面質(zhì)量的影響做了大量研究。MATSUMURA等[18]通過研究滯留區(qū)大小對磨粒沖擊角度的影響，提出了實現(xiàn)無裂紋現(xiàn)象的微槽加工與拋光方法。ANTHONY等[19]對碳化鎢進行了磨料水射流拋光試驗，發(fā)現(xiàn)低壓射流和大磨料粒度能夠減少表面的加工紋理，有效避免了磨料顆粒嵌入工件表面，提高了拋光效果。張玉等[20]通過對平面玻璃進行不同沖擊角度的定點沖擊試驗，得出沖擊角度越小會導(dǎo)致材料去除形狀越不對稱，且去除率逐漸降低，主要歸因于射流中磨料粒子的碰撞角度及碰撞次數(shù)的變化。羋紹桂等[21]研究了射流速度和沖擊角度對材料去除特性的影響， 試驗結(jié)果表明小角度的沖擊對于存在瑕疵的工件表面具有更好的去除效果， 且材料的去除量隨著射流速度增大而增大。彭家強等[22]對不同噴射距離的影響進行了仿真與實驗，發(fā)現(xiàn)當噴射距離是噴嘴直徑的10～13倍時能擁有較好的射流特性。WANG等[23]研究了噴射距離對鎳銅合金與BK7光學(xué)玻璃表面去除特性的影響， 試驗結(jié)果表明對于韌性材料的鎳銅合金最佳噴射距離為25～35 mm，脆性材料BK7光學(xué)玻璃為8 mm。喬澤民等[24]利用均勻試驗設(shè)計方法獲得了磨料水射流加工的最優(yōu)工藝參數(shù)，結(jié)果表明此方法可節(jié)省70%的時間，大大提高了加工效率。GUO等[25]通過調(diào)整射流距離、壓力、角度以及磨料尺寸的參數(shù)，對Q235鋼表面進行拋光試驗后無法同時獲得高去除寬度、高去除均勻性和低粗糙度的理想表面，研究得出對任何2個參數(shù)的優(yōu)化都會降低其他參數(shù)的去除效果。

綜上，射流壓力對加工的影響較大，且加工不同的材料需要的壓力范圍跨度大，其余工藝參數(shù)需要相互匹配，參數(shù)與參數(shù)之間相互影響。針對不同的被加工材料， 國內(nèi)外學(xué)者對各工藝參數(shù)的組合做了大量的研究，并通過正交實驗獲得了最優(yōu)的參數(shù)組合，詳見表1。

表1 材料加工工藝參數(shù)表

2.2 噴嘴結(jié)構(gòu)對加工性能的影響

在AWJP中除射流動能參數(shù)外，噴嘴的形狀、數(shù)量、運動方式等都對加工性能有很大的影響。為得到更強的加工能力和更好的表面質(zhì)量，需要對噴嘴性能進行定性的研究。梁欽等[37]通過對錐形和流線形噴嘴內(nèi)流場進行仿真，得出錐形噴嘴入口收縮角越小其能量損失越小，且流線形噴嘴能量損失比錐形小。何茵楠等[38]對錐直型噴嘴的流動特性進行了仿真研究，得出當錐角為30°時，射流動壓最穩(wěn)定。陳冰冰等[39]通過對錐直形和流線形結(jié)構(gòu)的噴嘴進行仿真對比，得出流線形噴嘴內(nèi)流場狀況更具有穩(wěn)定性。除此之外，戴旭杰等[40]和宋孝宗等[41-42]都設(shè)計出了錐柱形和余弦形兩種結(jié)構(gòu)的噴嘴，如圖4a、圖4b所示；通過仿真和試驗對比分析，得出余弦形噴嘴具有較好的聚束性能、抗卷吸能力和噴霧效果，利用余弦形噴嘴可以獲得更高的表面質(zhì)量；但余弦形噴嘴的射流反推力要高于其余型腔結(jié)構(gòu)的噴嘴，故在安裝噴嘴時需考慮噴嘴反推力對加工的影響[43]。徐國敏等[44]對余弦光-液耦合噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了田口法優(yōu)化分析，并對單晶硅材料進行拋光處理后獲得了1.09 nm的表面粗糙度。

WANG等[45]研發(fā)了一種管直線噴嘴，孔口形狀是長而窄的矩形，在雙側(cè)處具有半圓形，如圖4c所示，與普通射流拋光噴嘴相比，該結(jié)構(gòu)噴嘴的材料去除率提高了1145%，且去除均勻性也得到了顯著提高。

羋紹桂等[46]設(shè)計出了一種矩形噴嘴結(jié)構(gòu)，基于并行的去除方式來提高加工效率，其垂直沖擊射流分布示意圖如圖4d所示。通過建立去除理論模型并仿真，得出隨著矩形噴嘴長寬比的逐漸增大，材料的去除率先增大后減小。當矩形噴嘴的長寬比控制在10左右時，可以獲得良好的去除效果。張航航等[47]設(shè)計了一種菱柱矩形光液耦合噴嘴，結(jié)構(gòu)如圖4e所示，并通過仿真與試驗得出矩形噴嘴的長寬比系數(shù)θ在0.075～0.3時射流性能最佳。通過以上研究可知，在AWJP加工中，噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化以及形狀的改進對加工精度的提高有著重要的影響，目前噴嘴內(nèi)部型腔多采用流線型結(jié)構(gòu)。

圖4 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

除了對噴嘴內(nèi)部型腔結(jié)構(gòu)的研究，研究人員又對噴嘴數(shù)量的影響開展了一系列的探索。羅銀川等[48]提出了多噴嘴結(jié)構(gòu)的加工方法，并建立了單噴嘴、三噴嘴和七噴嘴的材料去除理論模型，如圖5所示。通過試驗研究和對去除量的分布進行計算與比較，得出當噴射距離為10d(d為噴嘴直徑)，各噴嘴間距為5d時，三噴嘴和七噴嘴的材料去除率分別是單噴嘴的2.16和4.25倍，大大提高了加工效率。通過多噴嘴設(shè)計理念的提出，WANG等[49]提出了采用陣列噴嘴結(jié)構(gòu)， 并通過實驗發(fā)現(xiàn)極大地提高了射流拋光的去除效率，可以滿足大型工件的超精密拋光加工。

圖5 去除函數(shù)理論模型

2.3 磨料參數(shù)與添加劑對加工性能的影響

磨料作為AWJP技術(shù)中材料去除的主體，其形狀、大小、種類等參數(shù)對加工的效率和加工工件的表面質(zhì)量有著直接影響，圖6a為目前已有的幾種常見磨料粒子形狀。強爭榮等[50]研究了磨料粒子圓度對加工的影響，結(jié)果表明磨料圓度越大，出口速度就越大，材料去除率越高，對噴嘴磨損越小。PENG等[51]研究了磨料粒子尺寸對拋光質(zhì)量的影響如圖6b所示，通過仿真模擬不同尺寸粒子在加工過程中的運動軌跡，發(fā)現(xiàn)大粒徑的粒子會嚴重偏離射流中心；最后通過拋光試驗得出磨料粒子粒徑越大，去除率越高，但獲得的表面粗糙度較差；粒徑越小，去除率越低，加工表面較為光滑。付文靜等[52]研究了粒徑均勻性對射流去除特性的影響，結(jié)果表明不同粒徑粒子的沖擊去除率分布相似，但沖擊去除率隨粒徑的增大而減小。ZHAO等[53]分析了磨料粒度對材料去除的影響，增大磨料尺寸時，去除材料的橫截面從W形變?yōu)榱薝形，并通過試驗分析得出粒子間的碰撞是材料去除的主要原因，而納米級的粒子拋光表面以原子形式逐個去除。

為進一步提升加工性能，國內(nèi)外采用不同種類的磨料粒子開展了一系列試驗研究。PENG等[54]將納米粒子作為射流拋光的去除磨料， 提出了納米粒子噴射拋光技術(shù)，其去除機理如圖6c所示。通過納米顆粒表面羥基與吸附在工件表面的羥基發(fā)生鍵合作用，帶走了工件表面的原子，實現(xiàn)原子級材料去除，并通過拋光試驗將K9玻璃表面粗糙度從0.72 nm降低至0.41 nm。王星等[55-56]通過采用SiO2膠體顆粒取代硬質(zhì)磨料，將K9玻璃拋光處理后粗糙度從5.233 nm降至1.649 nm；后又通過將納米膠體射流拋光與空化技術(shù)相結(jié)合，使加工效率比普通納米膠體射流提高了20%左右，并對單晶硅加工后獲得了粗糙度Ra為0.904 nm(RMS 1.225 nm)的超光滑表面。

圖6 磨料粒子的參數(shù)特性

冰粒射流拋光是一種新型拋光技術(shù)[57]，KARPUSC-HEWSKI B等[58]研制出的冰粒射流裝置(如圖7所示)能夠制備出直徑100～700 μm的冰粒，并可實現(xiàn)對42CrMo4等硬脆材料的拋光處理。RAMBABU S等[59]對冰粒制備的條件進行了研究，得出在-4 ℃的溫度下制備的冰粒具有較高的硬度、摩擦系數(shù)以及較低的磨損率。

圖7 冰粒射流裝置

國內(nèi)對冰粒射流拋光的研究起步較晚，初期僅用來做光整、除銹等[60]加工，郭宗環(huán)等[61]采用混合引射法來產(chǎn)生冰粒射流，并對45鋼拋光處理獲得了最低粗糙度為4.9 μm的表面。冰粒射流拋光雖然有成本低、磨損小、環(huán)保等優(yōu)點，但是目前對于微小冰粒的制備、運輸和儲備還是一大難題，對其機理和裝置的完善還需更深層次的研究。

拋光液中加入添加劑能增大磨粒的混合濃度，并使磨?；旌细鶆颍岣邔Σ牧系娜コ?。袁卓林等[62]通過采用SiC固體磨粒、純水和水蠟混合而成的拋光液對熱作模具鋼4Cr5MoSiV1進行了表面拋光試驗，得出高濃度添加劑的磨料液對高硬度的工件表面有良好的去除效果。孫鵬飛等[63]發(fā)現(xiàn)增大拋光液的黏度會減小去除函數(shù)的深度，且去除形狀及范圍不變，故通過使用添加劑來改變拋光液黏度有利于工件表面質(zhì)量的提高。

3 AWJP加工過程中的去除函數(shù)模型

在AWJP加工中，噴嘴入射角90°時得到去除函數(shù)形貌為W形，如圖8所示，其中h為去除函數(shù)模型截面高度。根據(jù)垂直噴射的軸對稱特性，W形去除函數(shù)的理論數(shù)學(xué)模型可表示為[64]：

圖8 去除函數(shù)模型及截面圖

V(x)=N(c,u,x)·E[up(x),α(x),dp,km]

(1)

式中,V表示沖擊位置x的材料去除量；N為磨料顆粒的空間分布，描述磨料濃度c、射流速度u和沖擊位置x的影響關(guān)系；E為單顆磨粒去除的體積，描述沖擊速度up(x)、沖擊角度α(x)、磨料粒度dp和材料特性km的影響關(guān)系。

而75°，60°，30°等斜射入時得到去除函數(shù)形貌為半月牙形，這兩種形貌的去除函數(shù)在面形精度的收斂性會隨著迭代次數(shù)的增加而減小，甚至發(fā)散。要獲得高精度的表面質(zhì)量和面形精度，就需要獲得規(guī)則且連續(xù)的高斯型去除函數(shù)，其典型形狀[65-67]的單個高斯型去除函數(shù)理論數(shù)學(xué)模型可表示為：

(2)

式中,A—— 函數(shù)曲線峰值的高度

B—— 曲線的寬度

xc—— 曲線峰值的位置

隨著研究人員對加工方法的改進，已研究出多種獲得近高斯型去除函數(shù)的方法， 且面形精度隨著迭代次數(shù)的增加可以不斷收斂。HORIUCHI等[68]提出了一種噴嘴做偏心圓周運動的加工方式，如圖9a所示，在加工路徑上確定多個間距相同的待加工點，噴嘴則繞每一個待加工點以半徑r做圓周運動進行加工， 以此得到V形去除函數(shù)，如圖9b所示，并通過試驗得出該去除函數(shù)提高了AWJP拋光與修形的能力。

圖9 偏心圓周運動射流加工

方慧等[69]提出了噴嘴相對靜止而工件自轉(zhuǎn)的加工方式來獲得中心去除量最大的去除函數(shù)，但最后發(fā)現(xiàn)該方法不符合機械運動學(xué)，缺少了進一步的相關(guān)研究。另外她又提出了一種多位置合成沖擊加工方法，如圖10a所示，6個白圈圓心處為6個待加工點，而黑圈部分為實際要去除的區(qū)域；通過噴嘴垂直噴射于各待加工點，且加工相同的駐留時間，得出材料的合成去除斑點如圖10b所示，可以看出合成的加工對斑點中心材料去除最大，成功得到了中心去除量最大的去除函數(shù)。

圖10 多位置合成射流加工

WANG等[70]在磁射流拋光實驗中提出了一種噴嘴偏心回轉(zhuǎn)的射流裝置，且通過實驗得出當偏心距離為0.8L(L為W形去除函數(shù)峰值與相鄰谷之間的水平距離)時，去除函數(shù)的分布非常接近理想的高斯型分布。

彭文強等[71]提出了一種繞中心自轉(zhuǎn)的狹縫射流去除模型，并通過仿真和試驗獲得了良好的準高斯型去除函數(shù)。李兆澤等[8]提出了噴嘴旋轉(zhuǎn)傾斜射流的方法，并通過試驗獲得了理想的高斯型去除函數(shù)，如圖11所示，最后通過穩(wěn)定性試驗驗證了該去除函數(shù)的波動范圍可以控制在5%左右，能實現(xiàn)精密拋光與修形。

李建等[72]提出了斜入式旋轉(zhuǎn)的掃掠方法，其原理如圖12a、圖12b所示為材料去除示意圖。通過利用該方法對多點進行試驗后獲得了高斯型去除函數(shù)， 并對高斯型去除函數(shù)進行了對稱性分析和動態(tài)去除試驗，證明了利用該方法獲得的去除函數(shù)具有較高穩(wěn)定性。郭宗福等[73]發(fā)現(xiàn)，增加一定的射流壓力會將去除函數(shù)的形貌由W形轉(zhuǎn)為雙W形，且去除函數(shù)深度呈指數(shù)增加；為了能獲得穩(wěn)定的中間低的去除函數(shù)，采用了一種偏心回轉(zhuǎn)射流裝置，如圖13a所示，來進行拋光試驗，并對比了在不同偏心半徑下仿真與試驗的去除函數(shù)輪廓，如圖13b所示，結(jié)果表明該方法能夠有效的獲得中間低的去除函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)確定性的精密拋光加工。

圖12 斜入式旋轉(zhuǎn)掃掠射流加工

圖13 偏心回轉(zhuǎn)射流加工

綜上所述，為解決傳統(tǒng)水射流W形去除函數(shù)易產(chǎn)生中高頻誤差的問題[74]，學(xué)者們已提出了多種優(yōu)化方法，但每種方法的獲得形式、去除函數(shù)形貌、特點等各不相同，表2對目前已有的幾種去除函數(shù)優(yōu)化方法做了對比與總結(jié)。

表2 去除函數(shù)的優(yōu)化方法

4 AWJP中加工路徑的研究

AWJP在對工件表面進行加工過程中，對材料的去除難免會產(chǎn)生不均勻的情況，從而引起過加工和欠加工現(xiàn)象的發(fā)生，極易損害工件原有的面型精度。研究人員意識到了加工路徑將嚴重影響工件表面的加工質(zhì)量，并對其做了深入的研究。

KHAKPOUR等[75]提出了一種用于自由曲面磨料水射流自動拋光的掃描路徑生成方法。通過設(shè)計一條參考曲線，利用特定方向上的測地線路徑找到相鄰的偏移曲線，最后主軌跡被劃分為一組連續(xù)的子軌跡，如圖14所示。該方法可以在不重新配置三角網(wǎng)格模型的情況下，生成孔洞曲面和復(fù)雜邊界上曲線之間具有恒定偏移距離的軌跡，并通過幾個實例表明，該方法能有效地生成符合要求的掃描路徑。

郭宗福等[10]為了解決拋光軌跡引起的表面中高頻面形誤差，提出了一種隨機路徑的生成方法。該方法主要是將路徑的規(guī)劃轉(zhuǎn)換為矩陣中元素排列的問題，首先將離散處理后的工件表面各節(jié)點映射到矩陣中，再將路徑節(jié)點所對應(yīng)的矩陣元素按某一順序排列，即可得到一個軌跡向量，最后通過計算機處理形成了一條滿足要求的隨機路徑，如圖15所示。在通過加工試驗時，發(fā)現(xiàn)隨機路徑中拐點處的材料去除深度是不均勻的，這樣不利于工件表面的修形處理，所以在采用隨機路徑進行加工時，需要控制其拐點處的加工速度，達到均勻去除的效果。

圖15 隨機路徑

陳雪松等[76]對拋光異型零件時進行了路徑規(guī)劃的研究， 通過采用空間圓弧和空間樣條曲線的插補算法來實現(xiàn)對復(fù)雜運動軌跡的逼近，并建立了拋光運動的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬證明了該算法獲得的運動軌跡完全符合射流拋光的要求，為解決AWJP技術(shù)的拋光軌跡優(yōu)化問題提供了新的理論基礎(chǔ)。

韓艷君等[77]針對拋光在材料均勻去除和面形校正兩方面的應(yīng)用開展了一系列相關(guān)研究，其中包括實現(xiàn)AWJP對材料均勻去除的物理均勻覆蓋路徑規(guī)劃理論、面形校正中基于路徑適應(yīng)性的殘余誤差優(yōu)化等。通過對兩種類型的材料去除分布，如圖16所示，進行仿真與試驗，其中一組使用固定間隔掃描路徑，另一組采用自適應(yīng)路徑，以實際檢驗直接進給速度規(guī)劃方法用于確定性材料去除的可行性，同時又確定了固定間隔路徑和區(qū)域自適應(yīng)路徑的直接進給率規(guī)劃方法的可行性，得出區(qū)域自適應(yīng)路徑可以在不影響加工精度的情況下有效減小對機床施加的動態(tài)應(yīng)力。

圖16 材料去除分布圖

綜上可知，目前關(guān)于AWJP路徑規(guī)劃的研究比較少，與傳統(tǒng)機械拋光不同的是，AWJP在設(shè)計加工路徑的同時，需要考慮去除函數(shù)、駐留時間、路徑間距等因素之間的關(guān)系，既要減少中頻誤差的產(chǎn)生，又要提高加工效率，因此AWJP路徑的規(guī)劃研究也是一個不可忽略的方向之一。

5 AWJP的改進與結(jié)合技術(shù)

為了進一步提高AWJP加工的精度，研究人員們對射流成形的方式進行了一系列的改進。PENG等[78]研究了負壓空化射流的性能，并與普通射流做了射流速度的仿真對比，結(jié)果如圖17所示?？栈淞魇俣群诵膮^(qū)的長度為11 mm左右，而普通射流束僅為5 mm，所以經(jīng)過負壓空化處理后提高了射流速度的性能。唐宇等[79]通過模擬研究了不同環(huán)境負壓和進口射流壓力空化量的變化，得出在負壓空化磨料水射流系統(tǒng)中，磨料水射流起到主要的拋光作用，而負壓空化僅為輔助增強作用。最后對K9玻璃進行150 min拋光處理后獲得了2.5 nm的表面粗糙度。CHEN等[80]也提出了負壓空化磨料水射流復(fù)合拋光方法，其加工原理如圖18a所示，通過在加工系統(tǒng)中提供一個真空負壓的環(huán)境，使磨料混合液能高速從噴嘴噴出，去除強度遠高于普通的射流拋光。王輝等[81]搭建了負壓吸流拋光試驗平臺，如圖18b所示，并對Cuh62進行了拋光試驗，其表面粗糙度達到了68.7 nm?？梢钥闯鲐搲嚎栈淞骷夹g(shù)有著非常好的拋光效果， 但相比普通射流拋光來說其成本較高，而且結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，所以對負壓空化射流技術(shù)還需更深層次的研究。曹澤平等[82]研制出了一種新型的環(huán)流式空化噴嘴，通過試驗得出環(huán)流式空化射流對表面會產(chǎn)生吸附效果，使噴嘴外部依然存在空化效應(yīng)，增強了噴嘴的加工性能。

圖17 空化射流與普通射流速度對比圖

圖18 負壓空化拋光

微磨料空氣射流技術(shù)是近年來對硬脆材料進行微細加工的新型技術(shù)，有著成本低、易控制、環(huán)保等優(yōu)點。WANG等[83]對空氣磨料射流拋光技術(shù)建立了去除材料的預(yù)測模型，通過對石英玻璃進行一系列的試驗驗證了模型的準確性和必要性，最后試驗和理論結(jié)果均得出小尺寸的磨料和低噴射氣流壓力更能有效地獲得光滑表面。李全來[84-85]采用微磨料氣射流拋光方法對玻璃和硅片進行了加工試驗，其加工系統(tǒng)如圖19a所示，研究了各工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響，并構(gòu)建了一種能有效預(yù)測表面粗糙度的回歸模型。葛江勤等[86]在磨料氣射流和水射流的基礎(chǔ)上，提出了氣-液-固三相磨粒流加工方法，該方法主要基于氣泡的增強效應(yīng)，其加工原理及局部加工過程如圖19b、圖19c所示，最后通過對單晶硅片進行拋光實驗，使平均粗糙度達到了2.84 nm。

圖19 空氣磨料射流拋光

將AWJP與其他技術(shù)相結(jié)合，獲得了許多新的加工方法[87-89]，如磁射流拋光、超聲振動輔助射流拋光、液浮法拋光、 自激振蕩磨粒流拋光等各種新的組合拋光方法，這些新型的拋光方法將是AWJP研究的一個熱門方向。美國QED公司[90]首先提出了磁射流拋光技術(shù)，通過噴嘴附近軸向的磁場對射流束的約束作用，使射流束能保持穩(wěn)定而細長的狀態(tài)，如圖20a、圖20b所示為磁射流拋光原理圖及對比圖，并對熔石英玻璃進行磁射流拋光試驗，PV值從408 nm降低到了42.5 nm，RMS值從50.3 nm降低到6.1 nm。LEE等[91]對銅和鎳材料進行了磁射流拋光試驗，得到了Ra值分別為1.84 nm和2.31 nm的超光滑表面。楊歡[92]設(shè)計了一種新型的磁場發(fā)生裝置，如圖20c所示，該裝置能夠保證穩(wěn)定的磁場外形特征和提供不同的磁場強度，并通過對氧化鋁陶瓷材料進行了拋光試驗，獲得了較好的表面質(zhì)量。海闊[93]設(shè)計了一種擁有高效循環(huán)和攪拌模式的磁射流拋光裝置， 如圖20d所示， 并將導(dǎo)磁金屬5CrNiMu的表面粗糙度拋光到了80 nm以下。

圖20 磁射流拋光

WANG等[36]將超聲扭轉(zhuǎn)振動技術(shù)與AWJP結(jié)合，通過對氮化鋁陶瓷進行拋光試驗， 得出該結(jié)合技術(shù)能提高單個磨粒的臨界磨削深度，從而提高加工精度。ANTHONY B等[94-95]利用縱向振動超聲換能器和聲透鏡聚焦產(chǎn)生超聲振動，使磨料流產(chǎn)生超聲空化效應(yīng)，推動磨料沖蝕表面實現(xiàn)拋光加工，其原理如圖21a所示，并通過試驗得出該方法的加工效率是普通拋光的380%。陳藝文等[96]提出了一種新型的聚焦超聲振動磨料拋光技術(shù)，原理如圖21b所示，即采用凹球殼聚焦超聲振動的方式在拋光液中產(chǎn)生聚焦磨料流對工件進行拋光，經(jīng)試驗將碳化硅工件的表面粗糙度從6.948 μm 降低到了0.488 μm。萬宏強等[97]對超聲復(fù)合磨料振動拋光進行了研究，得出磨料質(zhì)量分數(shù)為30%、拋光時間為4 h時，拋光效果最佳。

圖21 超聲輔助拋光

彌謙等[98]提出了液浮法拋光技術(shù)，其工作原理如圖22所示，利用具有剪切增稠效應(yīng)的非牛頓流體作為拋光液，將磨頭的拋光面與工件之間隔開并形成一層液膜，高壓射流帶動固態(tài)磨粒在液膜中對工件粗糙表面的凸峰進行剪切作用，從而實現(xiàn)材料的去除；秦琳等[99-100]對該技術(shù)進行了加工工藝的優(yōu)化，并對K9玻璃進行了90 min的拋光試驗，其表面粗糙度到達了1.023 nm。

圖22 液浮法拋光工作原理圖

鄧乾發(fā)等[101]提出了一種基于自激振蕩脈沖特性的磨粒流拋光方法， 利用自激振蕩腔使磨粒流產(chǎn)生振蕩脈沖，有效解決了細長管件和微孔內(nèi)壁難以加工的問題，其自激振蕩發(fā)生裝置如圖23所示， 并將不銹鋼管件內(nèi)壁的粗糙度Ra從480 nm降至50 nm；之后為了能提高其加工效率， 周輝等[102-103]又提出了雙腔室自激振蕩磨粒流拋光的方法，利用串聯(lián)的2個自激振蕩腔體，對脈沖特性進行二次放大，有效增強了拋光液的峰值的速度和湍流動能。胡建軍等[104]提出了一種自激振蕩型氣噴嘴，并通過試驗分析了噴嘴長徑比、腔徑比等參數(shù)對自激振蕩效果的影響，為把該噴嘴應(yīng)用于磨料水射流拋光加工中提供了理論基礎(chǔ)。

圖23 自激振蕩發(fā)生裝置原理圖

綜上所述，這些通過改進而衍生出的射流拋光技術(shù)在一定程度上大大提升了拋光性能，但在拋光原理、拋光效率、經(jīng)濟性、加工范圍等方面都大不相同，如今技術(shù)的創(chuàng)新已成為AWJP的研究熱點，確定一種合適的加工方式是精密加工過程中的重要步驟，表3對目前射流拋光的幾種技術(shù)做了定性的總結(jié)與比較。

表3 射流拋光技術(shù)比較

6 結(jié)論

(1) AWJP技術(shù)加工過程涉及非常復(fù)雜的流體力學(xué)特性，工藝參數(shù)之間相互影響的機理非常深奧，將機器自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)引入射流加工，建立系統(tǒng)化、模塊化、智能化的數(shù)據(jù)庫，針對不同材料的物理、化學(xué)特性，優(yōu)化匹配磨料液濃度和形狀、噴嘴形狀、噴射壓力和距離等工藝參數(shù)，搭配出最優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，有望進一步提高AWJP的加工精度， 為今后該技術(shù)的自動化與企業(yè)化發(fā)展提供技術(shù)支持；

(2) AWJP的磨料水射流能量束具有一定的不穩(wěn)定性，不利于確定性加工，為得到更加精確、穩(wěn)定的高斯型去除函數(shù)，需要深入研究固液兩相磨料流的內(nèi)、外流場特性，解決磨料液在射流過程中發(fā)散、濃度、流變性能的波動問題。現(xiàn)有的高斯型去除函數(shù)機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性弱，通過簡化機械結(jié)構(gòu)獲得穩(wěn)定高斯型去除函數(shù)依舊是研究的熱點；

(3) 提高產(chǎn)品零件的高形狀精度和高表面粗糙度，除了精準的材料去除函數(shù)外，還需要配合加工路徑的優(yōu)化。迫切的需要高精確的駐留時間算法和路徑規(guī)劃函數(shù)，實現(xiàn)點、線、面的可控去除。同時，需要高精度的控制與檢測技術(shù)，滿足加工檢測一體化的需要，實現(xiàn)能夠有效反應(yīng)加工過程中工件的表面形貌和材料去除量變化；

(4) AWJP技術(shù)將更趨向與多種技術(shù)集成的復(fù)合加工，集多種技術(shù)優(yōu)點于一體。如結(jié)合負壓空化技術(shù)可以提高射流速度，進而提高加工效率；結(jié)合超聲振動技術(shù)，可以提升加工精度；結(jié)合磁流變技術(shù)可以很大程度上改善射流發(fā)散性等。通過輔助技術(shù)與AWJP技術(shù)相結(jié)合，進一步提高加工性能有待進一步研究。同時簡化復(fù)合加工設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高加工穩(wěn)定性也是未來研究的重要方向之一。