低溫微磨料氣射流加工PDMS 傳熱仿真及實(shí)驗(yàn)研究

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(jī)傳動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016；2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024）

微流控芯片又被稱為“芯片實(shí)驗(yàn)室”和“微全分析系統(tǒng)”，是微機(jī)電技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的一個(gè)典型應(yīng)用。通過(guò)在微流控芯片表面上加工光程長(zhǎng)、密度高的微米級(jí)通道構(gòu)建微型的反應(yīng)和分析單元，利用可控的微量液體即可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)機(jī)離子、有機(jī)物質(zhì)、核酸、蛋白質(zhì)和其他生化組分快速而準(zhǔn)確地檢測(cè)［1?3］。為了更好地實(shí)現(xiàn)分析功能，微流控芯片對(duì)材料的選取具有很高的要求。有機(jī)高分子聚合物材料聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，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(wú)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、注塑法等，這些方法可以進(jìn)行大批量復(fù)制生產(chǎn)，加工效率高。然而，它們?cè)诩庸ぶ岸夹枰谱魑⒛＞?，面?duì)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(wèn)題便顯得尤為突出。除上述加工方法外，激光切蝕法也能夠?qū)DMS 進(jìn)行加工［7］，但是激光切蝕法具有加工效率低、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(diǎn)，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(duì)工件表面進(jìn)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(qiáng)以及加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于加工玻璃、硅、石英和陶瓷等硬脆材料［9］。李全來(lái)等［10］通過(guò)開(kāi)展全因素實(shí)驗(yàn)研究了各主要工藝參數(shù)對(duì)微磨料氣射流加工硅片時(shí)表面波紋度的影響。研究結(jié)果表明，對(duì)硅片表面波紋度影響最為顯著的工藝參數(shù)是進(jìn)給速度。Lari 和Papini［11?12］利用逆向求解的方法建立了微磨料氣射流加工脆性材料時(shí)的表面演化數(shù)學(xué)模型，該模型能夠?qū)哂腥S特征微結(jié)構(gòu)的橫截面輪廓形貌進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。

但在常溫下，PDMS 為高彈性材料，使用微磨料氣射流對(duì)其進(jìn)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(jī)械性能會(huì)發(fā)生改變，表現(xiàn)出類似于脆性材料的性質(zhì)，其硬度提高了約50%［14］。Getu 等［13，15］設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置并開(kāi)展了低溫微磨料氣射流加工PDMS的實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)研究表明，當(dāng)PDMS 冷卻至-120 ℃時(shí)會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，此時(shí)PDMS 具有明顯的脆性特征，加工效率顯著提高。但是，若PD?MS 冷卻不完全，即處于高彈態(tài)和玻璃態(tài)之間的過(guò)渡狀態(tài)時(shí)，利用微磨料氣射流加工PDMS 仍然會(huì)發(fā)生很嚴(yán)重的磨料嵌入現(xiàn)象，致使加工效果較差。為了達(dá)到預(yù)期的加工效果，就必須要保證當(dāng)射流噴嘴移動(dòng)到任意位置時(shí)其正下方在PDMS 中任一深度冷卻至-120 ℃的時(shí)間快于磨料顆粒加工至這一深度的時(shí)間。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)PDMS 進(jìn)行傳熱仿真分析來(lái)獲得PDMS 內(nèi)部溫度的變化情況，從而能夠計(jì)算得到在PDMS 深度方向上的冷卻速率，同時(shí)利用與仿真過(guò)程中完全相同的工藝參數(shù)在PD?MS 表面上加工微孔，根據(jù)最終得到的最大深度和相應(yīng)加工時(shí)間計(jì)算出在PDMS 深度方向上的最大平均沖蝕加工速率，得出兩速率之間的大小關(guān)系。在傳熱仿真的基礎(chǔ)上，開(kāi)展單因素實(shí)驗(yàn)探究低溫微磨料氣射流對(duì)PDMS 加工性能的影響規(guī)律，為后續(xù)進(jìn)行更深入的研究提供重要參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

本文所有實(shí)驗(yàn)均采用自行研制的低溫微磨料氣射流加工微通道專用裝置，如圖1 所示。

圖1 低溫微磨料氣射流加工微通道專用裝置Fig.1 Micro-channel special device for cryogenic microabrasive air jet machining

裝置的工作原理為：空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣流經(jīng)空氣干燥機(jī)和儲(chǔ)氣罐，在噴砂機(jī)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(guò)液氮電磁閥流入冷卻器，射流從另一個(gè)方向流入冷卻器，被液氮冷卻形成低溫射流。四自由度加工平臺(tái)和射流噴嘴安裝在封閉的加工腔室中，工件（PDMS）固定在四自由度加工平臺(tái)的工作臺(tái)上，射流噴嘴與冷卻器相連并保持固定，低溫射流對(duì)工件進(jìn)行加工，空氣干燥機(jī)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?？刂葡到y(tǒng)部分能夠控制四自由度加工平臺(tái)獲得工件所需要的運(yùn)動(dòng)軌跡。專用裝置的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 專用裝置的主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of special device

2 PDMS 加工過(guò)程的傳熱仿真分析

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

專用裝置對(duì)PDMS 的冷卻方式是將經(jīng)過(guò)液氮冷卻后的低溫微磨料氣射流沖擊在PDMS 表面上，通過(guò)熱量的傳遞從而使PDMS 內(nèi)部的溫度逐漸降低，直至降低到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，這個(gè)降溫冷卻的過(guò)程被稱為射流沖擊傳熱過(guò)程。若要對(duì)射流沖擊傳熱過(guò)程進(jìn)行定量分析，就需要得到低溫射流與PDMS 之間的對(duì)流換熱系數(shù)，然而，射流沖擊傳熱是一個(gè)十分復(fù)雜的傳熱過(guò)程，準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)并不容易。實(shí)際上，在低溫射流沖擊PDMS 的過(guò)程中，對(duì)流換熱系數(shù)并不是一個(gè)定值，而是會(huì)在一定的范圍內(nèi)發(fā)生變化，因此，為了提高仿真的準(zhǔn)確性，可以利用ANSYS Fluent 軟件強(qiáng)大的計(jì)算功能自動(dòng)確定任意時(shí)刻的對(duì)流換熱系數(shù)。為了達(dá)到仿真的目的，建立了如圖2 所示的二維仿真模型，其網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖2 二維仿真模型Fig.2 Two-dimensional simulation model

圖3 二維仿真模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of two-dimensional simulation model

在模型中，PDMS 固體區(qū)域全長(zhǎng)為50 mm，寬度（相當(dāng)于PDMS 的厚度）為3 mm，PDMS 固體直接加工區(qū)域的長(zhǎng)度為19 mm。在后續(xù)進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)中，為了達(dá)到最好的冷卻效果，擬將射流出口溫度選擇為專用裝置所能夠達(dá)到的最低值-181.03 ℃，同時(shí)射流噴嘴直徑也為固定值，取0.8 mm，那么將射流噴嘴區(qū)域的寬度設(shè)置為0.8 mm。由于直接受到射流的沖擊，PDMS 固體直接加工區(qū)域?yàn)樵撃Ｐ椭械闹攸c(diǎn)計(jì)算區(qū)域，將該區(qū)域的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.02 mm，而其余的位置即周邊PDMS 固體區(qū)域僅作為數(shù)據(jù)傳遞使用，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.06 mm。對(duì)于其余的計(jì)算區(qū)域，射流噴嘴區(qū)域與其相鄰計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格尺寸應(yīng)盡量相同，將近噴嘴運(yùn)動(dòng)空氣區(qū)域、射流噴嘴區(qū)域、近噴嘴非運(yùn)動(dòng)空氣區(qū)域以及運(yùn)動(dòng)空氣區(qū)域的網(wǎng)格尺寸均設(shè)置為0.04 mm，而最大的環(huán)境空氣區(qū)域同樣僅作為數(shù)據(jù)傳遞使用，為了降低計(jì)算難度將其網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.12 mm。

2.2 仿真參數(shù)及邊界條件設(shè)置

在前期探究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)給速度越大，低溫射流在PDMS 表面上相同位置處所冷卻的時(shí)間越短，致使冷卻效果變差；加工距離越大，低溫射流從射流噴嘴中射出之后與環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換的時(shí)間越長(zhǎng)，那么射流最終到達(dá)PDMS 表面時(shí)的溫度就越高，致使冷卻效果變差；加工壓強(qiáng)越小，低溫射流沖擊在PDMS 表面時(shí)的沖擊傳熱強(qiáng)度越弱，致使冷卻效果變差。在后續(xù)進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)中所采用的最大進(jìn)給速度為2 mm/s、最大加工距離為5.5 mm、最小加工壓強(qiáng)為0.2 MPa，若在該工藝參數(shù)組合下最終得到當(dāng)射流噴嘴移動(dòng)到任意位置時(shí)其正下方在PDMS 中任一深度冷卻至-120 ℃的時(shí)間都要快于磨料顆粒加工至這一深度的時(shí)間，那么在更小的進(jìn)給速度、更小的加工距離以及更大的加工壓強(qiáng)等工藝參數(shù)組合下進(jìn)行加工，也一定能夠滿足加工要求。

對(duì)于本文仿真，只需要考慮對(duì)流換熱即可。打開(kāi)能量方程和k?ε湍流模型（k為湍動(dòng)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）。PDMS 計(jì)算區(qū)域的材料可在材料庫(kù)中自行定義，其熱性能參數(shù)如表2 所示。將其余計(jì)算區(qū)域的材料均設(shè)置為空氣，由于在仿真過(guò)程中涉及溫度的變化，而空氣的密度受溫度影響很大，因此將空氣選用理想氣體類型。

表2 PDMS 熱性能參數(shù)Table 2 Thermal performance parameters of PDMS

模型的各個(gè)邊界示意如圖4 所示，其中紅色邊界為外圍壓力出口、藍(lán)色邊界為接觸面、綠色邊界為絕熱無(wú)滑移壁面、加粗黑色邊界為射流噴嘴入口。在各個(gè)邊界確定之后，將射流噴嘴入口設(shè)置為壓強(qiáng)入口，進(jìn)入的相為空氣，經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)后的射流壓強(qiáng)為0.2 MPa，射流溫度為-181.03 ℃。

圖4 模型的各個(gè)邊界示意圖Fig.4 Schematic diagram of each boundary of the model

最后進(jìn)行求解器設(shè)置。在配置文件中將射流噴嘴區(qū)域的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為2 mm/s，由于在后續(xù)進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)中所加工的微通道長(zhǎng)度均為15 mm，那么加工所用的時(shí)間即為7.5 s。對(duì)于射流噴嘴區(qū)域的運(yùn)動(dòng)過(guò)程而言，其每運(yùn)動(dòng)一個(gè)時(shí)間步的距離不允許超過(guò)近噴嘴運(yùn)動(dòng)空氣區(qū)域以及運(yùn)動(dòng)空氣區(qū)域中所劃分的網(wǎng)格尺寸（0.04 mm），否則就會(huì)出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤。但是，為了提高計(jì)算的速度，讓射流噴嘴區(qū)域在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離均等于0.04 mm 即可，則將每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)均設(shè)置為0.02 s，那么7.5 s 的總運(yùn)動(dòng)時(shí)間就需要設(shè)置375 個(gè)時(shí)間步。 將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(jìn)行求解。

2.3 仿真結(jié)果及分析

利用上述仿真參數(shù)以及邊界條件進(jìn)行求解之后，能夠得到7.5 s 加工時(shí)間以內(nèi)所有時(shí)刻PDMS內(nèi)部溫度的分布情況。其中當(dāng)加工時(shí)間為0.5、4以及7.5 s 時(shí)PDMS 內(nèi)部溫度分布的仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 3 個(gè)時(shí)刻的PDMS 內(nèi)部溫度分布的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of the internal temperature distribution of PDMS at three times

由圖5 可知，隨著加工過(guò)程的進(jìn)行，PDMS 內(nèi)部在深度方向上的溫度是逐漸降低的。為了獲得在PDMS 深度方向上的冷卻速率，當(dāng)射流噴嘴在PDMS 上方做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別在其正下方位于PDMS 內(nèi)部0.5、5、10、20、30、40、50、60、80 和100 μm 深度的位置處添加溫度提取點(diǎn)，這10 個(gè)溫度提取點(diǎn)均能夠隨著射流噴嘴的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，最終得到PDMS 內(nèi)部各個(gè)深度的溫度冷卻至-123 ℃所用的加工時(shí)間。若射流噴嘴移動(dòng)到任意位置時(shí)其正下方在PDMS 中任一深度冷卻至-123 ℃的時(shí)間都快于磨料顆粒加工至這一深度的時(shí)間，那么這些深度也一定能在加工之前被冷卻至PDMS 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度-120 ℃。

將所得到的時(shí)間點(diǎn)放入坐標(biāo)系中進(jìn)行線性擬合，能夠近似得到PDMS 內(nèi)部冷卻至-123 ℃的深度與加工時(shí)間之間的關(guān)系，如圖6 所示。在線性擬合中，若擬合優(yōu)度R2的值越接近1，說(shuō)明擬合程度越好，而這10 個(gè)溫度提取點(diǎn)在進(jìn)行線性擬合之后的擬合優(yōu)度R2=0.96，接近1，那么可以采用擬合直線來(lái)代表這些離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化趨勢(shì)，這種情況下計(jì)算得到該擬合直線的斜率為148.12，則可以認(rèn)為在PDMS 深度方向上的平均冷卻速率約為148.12 μm/s。

圖6 PDMS 內(nèi)部冷卻至-123 ℃的深度隨加工時(shí)間變化的擬合直線Fig.6 Fitting straight line of PDMS internal cooling to-123 ℃depth changing with processing time

為了得到在PDMS 深度方向上的沖蝕加工速率，利用與傳熱仿真分析過(guò)程中完全相同的工藝參數(shù)在PDMS 表面上加工微孔，通過(guò)VHX?6000 型數(shù)碼顯微鏡（日本基恩士公司）測(cè)量得到的最大微孔深度為152.23 μm，如圖7 所示。再根據(jù)相應(yīng)的7.5 s 加工時(shí)間計(jì)算出在PDMS 深度方向上的最大平均沖蝕加工速率，為20.3 μm/s。經(jīng)比較可以得到，在PDMS 深度方向上的平均冷卻速率遠(yuǎn)大于最大平均沖蝕加工速率，因此，利用低溫微磨料氣射流加工PDMS 是具有理論可行性的。

圖7 微孔的最大深度測(cè)量Fig.7 Maximum depth measurement of the micro hole

3 PDMS 加工性能的實(shí)驗(yàn)研究

一般來(lái)說(shuō)，影響低溫微磨料氣射流加工PD?MS 性能的因素有很多，結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)際情況，選擇了對(duì)加工性能影響可能較大且便于進(jìn)行定量控制的4 個(gè)工藝參數(shù)，分別為進(jìn)給速度v、加工距離D、沖蝕角度α以及加工壓強(qiáng)p，通過(guò)開(kāi)展單因素實(shí)驗(yàn)來(lái)探究這4 個(gè)工藝參數(shù)對(duì)加工性能的影響規(guī)律。

3.1 PDMS 的制備

PDMS 在進(jìn)行固化之前是一種預(yù)聚物，常溫下為無(wú)色、無(wú)味且不易揮發(fā)的黏稠液體，它在一定溫度下通過(guò)特定交聯(lián)劑的催化作用進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，最終發(fā)生固化。實(shí)驗(yàn)選用Sylgard 184 PDMS 預(yù)聚物和交聯(lián)劑（美國(guó)道康寧公司），并按照微流控芯片行業(yè)內(nèi)常用的10∶1 質(zhì)量比制備固體PDMS。將預(yù)聚物和交聯(lián)劑以10∶1 的質(zhì)量比倒入燒杯中，并用勻膠機(jī)充分?jǐn)嚢?0 min，攪拌后將混合物倒入尺寸為60 mm×25 mm×4 mm 的玻璃模具中靜置8 h，靜置完成后將模具放入80 ℃的恒溫干燥箱中在真空狀態(tài)下固化2 h，待固化完成后冷卻至室溫并脫模即可得到PDMS 試樣，如圖8 所示。

圖8 固化后的PDMS 試樣Fig.8 Cured PDMS sample

3.2 磨料的選擇

實(shí)驗(yàn)選用粒徑為25 μm 的Cobra 氧化鋁磨料（德國(guó)仁福公司），氧化鋁質(zhì)量含量在99.5%以上，磨料顆粒色澤潔白、強(qiáng)度高、切削性能好，其SEM照片如圖9 所示。

圖9 25 μm Cobra 氧化鋁磨料顆粒Fig.9 25 μm Cobra alumina abrasive particles

3.3 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)所選的4 個(gè)工藝參數(shù)，制定了如表3 所示的單因素實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)中其余的固定工藝參數(shù)如表4 所示，圖10 為4 個(gè)工藝參數(shù)在加工過(guò)程中的示意。

圖10 4 個(gè)工藝參數(shù)在加工過(guò)程中的示意圖Fig.10 Schematic representation of four process parameters during processing

表3 探究PDMS 加工性能的單因素實(shí)驗(yàn)方案Table 3 Single?factor experiment scheme for exploring processing performance of PDMS

表4 實(shí)驗(yàn)中其余的固定工藝參數(shù)Table 4 The rest of fixed process parameters in experi?ment

3.4 PDMS 加工性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)采用單次沖蝕加工之后的歸一化沖蝕率E來(lái)評(píng)價(jià)低溫微磨料氣射流的加工性能，其定義如下

式中：mp為材料去除質(zhì)量，ma為加工用磨料質(zhì)量。

每一小組實(shí)驗(yàn)中均在同一片PDMS 試樣上加工3 條15 mm 長(zhǎng)的微通道，在每條微通道上任取3段2 mm 長(zhǎng)的小段微通道，共計(jì)9 段。由于本實(shí)驗(yàn)中的磨料流量G和加工微通道長(zhǎng)度L是固定的，而且每一次加工所使用的進(jìn)給速度v也是已知的，因此很容易獲得每一次加工用磨料質(zhì)量ma。但是實(shí)驗(yàn)中所加工微通道的材料去除質(zhì)量mp是非常微小的，不便于用天平進(jìn)行直接測(cè)量，因此采用了DSX 510 型超景深顯微鏡（日本奧林巴斯公司）測(cè)量這9小段微通道的材料去除體積，而PDMS 的密度是已知的，通過(guò)求得這9 小段微通道的平均材料去除體積即可間接得到它們的平均材料去除質(zhì)量，進(jìn)而得到每一小組實(shí)驗(yàn)的平均歸一化沖蝕率。

3.5 加工工藝參數(shù)對(duì)PDMS 歸一化沖蝕率的影響

3.5.1 進(jìn)給速度對(duì)PDMS 歸一化沖蝕率的影響

當(dāng)僅改變進(jìn)給速度v時(shí)，其余不變的工藝參數(shù)為：加工距離D=3.5 mm、沖蝕角度α=90°、加工壓強(qiáng)p=0.4 MPa，最終得到進(jìn)給速度v對(duì)PDMS 歸一化沖蝕率E的影響規(guī)律，如圖11 所示。

圖11 進(jìn)給速度v 對(duì)PDMS 歸一化沖蝕率E 的影響規(guī)律Fig.11 Effect of feed speed v on normalized erosion rate Eof PDMS

由圖11 可知，隨著進(jìn)給速度的增加，歸一化沖蝕率會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)，即單位時(shí)間內(nèi)材料的去除質(zhì)量增加。實(shí)際上，進(jìn)給速度越快，單位時(shí)間內(nèi)射流在材料表面上的加工面積也就越大，而在本實(shí)驗(yàn)中磨料流量的值是固定不變的，那么單位面積上起到?jīng)_蝕作用磨料顆粒的數(shù)量就會(huì)減少，進(jìn)而降低了材料的去除質(zhì)量。但是，歸一化沖蝕率的大小不僅僅取決于材料去除質(zhì)量，還與加工用磨料質(zhì)量有關(guān)。雖然進(jìn)給速度增加會(huì)導(dǎo)致材料去除質(zhì)量的降低，但是加工相同長(zhǎng)度的微通道所用的時(shí)間更短，那么加工用的磨料總質(zhì)量也會(huì)更少，而且加工用磨料質(zhì)量的減少程度要高于材料去除質(zhì)量的減少程度，因此通過(guò)定義式計(jì)算后的歸一化沖蝕率會(huì)隨著進(jìn)給速度的增加而呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)。那么在這種情況下隨著進(jìn)給速度的增加，加工性能是否更好還需要進(jìn)行進(jìn)一步的討論。圖12 為在5 個(gè)不同的進(jìn)給速度下所加工微通道的底部顯微鏡圖，放大倍數(shù)均為5 倍。

圖12 5 個(gè)不同進(jìn)給速度下所加工微通道的底部顯微鏡圖Fig.12 Bottom micrographs of microchannels machined at five different feed speeds

由圖12 可知，當(dāng)進(jìn)給速度為0.25 mm/s 和0.5 mm/s 時(shí)，所加工微通道的底部較為平整；當(dāng)進(jìn)給速度從1 mm/s 增加至2 mm/s 時(shí)，由于射流的冷卻效果會(huì)逐漸變差且在相同的位置上加工時(shí)間會(huì)逐漸變短，所加工微通道的底部會(huì)逐漸產(chǎn)生明顯可見(jiàn)的波紋，這種波紋不僅會(huì)極大地影響加工質(zhì)量，還會(huì)對(duì)使用性能造成很大影響，在微流控芯片的微通道中是絕對(duì)不允許出現(xiàn)的，故認(rèn)為當(dāng)進(jìn)給速度為1、1.5 以及2 mm/s 時(shí)的加工性能較差。由以上分析可知，當(dāng)進(jìn)給速度為0.25 和0.5 mm/s 時(shí)，加工性能較好。

3.5.2 加工距離對(duì)PDMS 歸一化沖蝕率的影響

當(dāng)僅改變加工距離D時(shí)，其余不變的工藝參數(shù)為：進(jìn)給速度v=0.25 mm/s、沖蝕角度α=90°、加工壓強(qiáng)p=0.4 MPa，最終得到加工距離D對(duì)PD?MS 歸一化沖蝕率E的影響規(guī)律，如圖13 所示。

圖13 加工距離D 對(duì)PDMS 歸一化沖蝕率E 的影響規(guī)律Fig.13 Effect of processing distance D on normalized ero?sion rate E of PDMS

由圖13 可知，當(dāng)加工距離在1.5～3.5 mm 時(shí)，隨著加工距離的增加，歸一化沖蝕率會(huì)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；當(dāng)加工距離在3.5～5.5 mm 時(shí)，隨著加工距離的增加，歸一化沖蝕率會(huì)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。當(dāng)加工距離在1.5～3.5 mm 時(shí)，磨料顆粒的速度低于其載體空氣的速度，磨料顆粒做加速運(yùn)動(dòng)，即射流的沖蝕動(dòng)能逐漸增加，導(dǎo)致歸一化沖蝕率也相應(yīng)增加；當(dāng)加工距離為3.5 mm 時(shí)，射流的沖蝕動(dòng)能達(dá)到最大，歸一化沖蝕率也達(dá)到最大；當(dāng)加工距離在3.5～4.5 mm 時(shí)，由于射流的發(fā)散效應(yīng)，隨著加工距離的增加，處于加速過(guò)程的磨料顆粒數(shù)量在不斷減少，而處于加速區(qū)域之外的磨料顆粒數(shù)量越來(lái)越多，這些磨料顆粒開(kāi)始做減速運(yùn)動(dòng)，從而使射流的總沖蝕動(dòng)能降低，進(jìn)而導(dǎo)致歸一化沖蝕率降低；當(dāng)加工距離在4.5～5.5 mm 時(shí)，所有的磨料顆粒均做減速運(yùn)動(dòng)，這會(huì)使射流的沖蝕動(dòng)能進(jìn)一步降低，從而導(dǎo)致歸一化沖蝕率繼續(xù)降低。

由于進(jìn)給速度不變，那么上述過(guò)程是一種在加工用磨料質(zhì)量一定的條件下，歸一化沖蝕率發(fā)生變化的情況，則可以認(rèn)為當(dāng)加工距離在1.5～3.5 mm時(shí)，隨著加工距離的增加，加工性能會(huì)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；當(dāng)加工距離為3.5 mm 時(shí)，加工性能達(dá)到最大；當(dāng)加工距離在3.5～5.5 mm 時(shí)，隨著加工距離的增加，加工性能會(huì)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

3.5.3 沖蝕角度對(duì)PDMS 歸一化沖蝕率的影響

當(dāng)僅改變沖蝕角度α?xí)r，其余不變的工藝參數(shù)為：進(jìn)給速度v=0.25 mm/s、加工距離D=3.5 mm、加工壓強(qiáng)p=0.4 MPa，最終得到?jīng)_蝕角度α對(duì)PDMS 歸一化沖蝕率E的影響規(guī)律，如圖14所示。

圖14 沖蝕角度α 對(duì)PDMS 歸一化沖蝕率E 的影響規(guī)律Fig.14 Effect of erosion angle α on normalized erosion rate E of PDMS

由圖14 可知，當(dāng)沖蝕角度在30°～60°時(shí)，隨著沖蝕角度的增加，歸一化沖蝕率會(huì)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；當(dāng)沖蝕角度在60°～90°時(shí)，隨著沖蝕角度的增加，歸一化沖蝕率會(huì)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。當(dāng)?shù)蜏匚⒛チ蠚馍淞饕砸欢_蝕角度沖擊在工件表面時(shí)，射流的沖蝕動(dòng)能可以分解為平行于工件表面的切向沖蝕動(dòng)能和垂直于工件表面的法向沖蝕動(dòng)能。對(duì)于脆性材料而言，它們抵抗切向沖蝕動(dòng)能的能力較強(qiáng)，材料去除機(jī)理主要為彈塑性壓痕造成的裂紋擴(kuò)展，故材料去除主要取決于法向沖蝕動(dòng)能，歸一化沖蝕率會(huì)隨著沖蝕角度的增加而增加，當(dāng)沖蝕角度為90°時(shí)歸一化沖蝕率達(dá)到最大；對(duì)于塑性材料而言，它們抵抗法向沖蝕動(dòng)能的能力較強(qiáng)，材料去除機(jī)理主要為微切削、變形磨損和擠壓去除，故材料去除主要取決于切向沖蝕動(dòng)能，歸一化沖蝕率會(huì)隨著沖蝕角度的降低而增加，當(dāng)沖蝕角度在15°附近時(shí)歸一化沖蝕率達(dá)到最大［16］。對(duì)于低溫微磨料氣射流加工PDMS 而言，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)低溫下的PD?MS 并不完全是脆性材料，還具有塑性材料的特征，在低溫下加工PDMS 的材料去除機(jī)理實(shí)際上是一種脆性和塑性的混合去除機(jī)理［17］。當(dāng)沖蝕角度小于90°時(shí)，除了脆性去除，磨料顆粒沖擊在PD?MS 表面時(shí)還會(huì)產(chǎn)生橫向剪切應(yīng)力造成塑性去除；當(dāng)沖蝕角度為90°時(shí)，磨料顆粒沖擊在PDMS 表面時(shí)主要以脆性去除的方式去除材料。正是這種混合去除機(jī)理導(dǎo)致歸一化沖蝕率出現(xiàn)了隨著沖蝕角度增加而先增加后降低的趨勢(shì)，在沖蝕角度為60°附近時(shí)歸一化沖蝕率達(dá)到最大。

由于進(jìn)給速度不變，那么上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程是一種在加工用磨料質(zhì)量一定的條件下，歸一化沖蝕率發(fā)生變化的情況，則可以認(rèn)為當(dāng)沖蝕角度在30°～60°時(shí)，隨著沖蝕角度的增加，加工性能會(huì)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；當(dāng)沖蝕角度為60°時(shí)，加工性能達(dá)到最大；當(dāng)沖蝕角度在60°～90°時(shí)，隨著沖蝕角度的增加，加工性能會(huì)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

3.5.4 加工壓強(qiáng)對(duì)PDMS 歸一化沖蝕率的影響

當(dāng)僅改變加工壓強(qiáng)p時(shí)，其余不變的工藝參數(shù)為：進(jìn)給速度v=0.25 mm/s、加工距離D=3.5 mm、沖蝕角度α=90°，最終得到?jīng)_蝕角度α對(duì)PDMS 歸一化沖蝕率E的影響規(guī)律，如圖15所示。

圖15 加工壓強(qiáng)p 對(duì)PDMS 歸一化沖蝕率E 的影響規(guī)律Fig.15 Effect of processing pressure p on normalized ero?sion rate E of PDMS

由圖15 所示，隨著加工壓力的增加，歸一化沖蝕率會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)。加工壓力越大，射流從射流噴嘴中射出時(shí)磨料顆粒的速度越大，那么射流的沖蝕動(dòng)能也就越大，從而造成了歸一化沖蝕率的增加。

由于進(jìn)給速度不變，那么上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程是一種在加工用磨料質(zhì)量一定的條件下，歸一化沖蝕率發(fā)生變化的情況，則可以認(rèn)為隨著加工壓力的增加，加工性能會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

（1）對(duì)低溫微磨料氣射流加工過(guò)程中的PD?MS 進(jìn)行傳熱仿真分析，探究了在此過(guò)程中射流噴嘴移動(dòng)到任意位置時(shí)其正下方在PDMS 中深度方向上的沖蝕加工速率和冷卻速率之間的數(shù)量關(guān)系。傳熱仿真分析結(jié)果表明，在PDMS 深度方向上的平均冷卻速率遠(yuǎn)大于最大平均沖蝕加工速率，利用低溫微磨料氣射流對(duì)其進(jìn)行加工是完全可行的。

（2）通過(guò)開(kāi)展單因素實(shí)驗(yàn)探究了進(jìn)給速度、加工距離、沖蝕角度以及加工壓強(qiáng)4 個(gè)工藝參數(shù)對(duì)加工PDMS 性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①隨著進(jìn)給速度的增加，歸一化沖蝕率會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)，但這是一種加工用磨料質(zhì)量和材料去除質(zhì)量同時(shí)發(fā)生變化而導(dǎo)致歸一化沖蝕率增加的情況，經(jīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)給速度為0.25 和0.5 mm/s時(shí)，加工性能較好。②當(dāng)加工距離在1.5～3.5 mm時(shí)，隨著加工距離的增加，加工性能會(huì)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；當(dāng)加工距離為3.5 mm 時(shí)，加工性能達(dá)到最大；當(dāng)加工距離在3.5～5.5 mm 時(shí)，隨著加工距離的增加，加工性能會(huì)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。③當(dāng)沖蝕角度在30°～60°時(shí)，隨著沖蝕角度的增加，加工性能會(huì)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；當(dāng)沖蝕角度為60°時(shí)，加工性能達(dá)到最大；當(dāng)沖蝕角度在60°～90°時(shí)，隨著沖蝕角度的增加，加工性能會(huì)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。④隨著加工壓強(qiáng)的增加，加工性能會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)。