微磨料氣射流加工結(jié)構(gòu)化拓?fù)漪~鱗表面的實驗研究

摘要" 為了在脆性難加工材料上制備結(jié)構(gòu)化魚鱗表面，首先提取了魚鱗表面的拓?fù)涮卣?，建立了魚鱗單元的表面模型，并基于魚鱗模型進(jìn)行搭接，得到結(jié)構(gòu)化魚鱗表面；然后根據(jù)微磨料氣射流加工原理，分析了氣射流加工拓?fù)漪~鱗實驗的可行性與影響結(jié)構(gòu)化魚鱗表面形貌的重要工藝參數(shù)；最后采用單因素實驗法對重要加工參數(shù)進(jìn)行實驗分析，得到了較好的拓?fù)漪~鱗表面單元，并以此進(jìn)行排布得到結(jié)構(gòu)化表面。研究結(jié)果表明，微磨料氣射流加工結(jié)構(gòu)化拓?fù)漪~鱗表面較為合理的工藝參數(shù)組合是加工時間為10 s、氣射流加工壓力為0.5 MPa、靶距離為10 mm以及射流角度為30°，在此工藝條件下，魚鱗表面的形態(tài)和尺寸可能會受到一定的影響，但魚鱗表面的拓?fù)鋵傩员３植蛔儭?/p>

關(guān)鍵詞" 微磨料射流加工；魚鱗表面；拓?fù)涮卣鳎槐砻嫘蚊?/p>

在自然界中，許多生物的表面具有高效的減阻能力，特別是水生動物，其為了在水環(huán)境中運(yùn)動而進(jìn)化出表面形態(tài)多樣的魚鱗結(jié)構(gòu)[1-2]。這些表面結(jié)構(gòu)為人類仿生設(shè)計流體中機(jī)械結(jié)構(gòu)的減阻表面提供了靈感，國內(nèi)外許多研究人員提出各種制備魚鱗表面的方法，如WANG等[3]采用激光設(shè)備加工出了仿生魚鱗槽，白利娟等[4]采用振動輔助銑削加工方法制備出了類似鯊魚皮表面的肋條狀結(jié)構(gòu)，張德遠(yuǎn)等[5]使用軟刻技術(shù)制備了溝槽形貌的鯊魚皮結(jié)構(gòu)，韓鑫等[6]采用微壓印法復(fù)制了鯊魚鱗片的形貌，LIU等[7]采用3D打印法打印出了弧線形魚鱗結(jié)構(gòu)。

上述研究人員提出的魚鱗表面制備方法有其各自的優(yōu)缺點：激光加工速度快、加工質(zhì)量好，但加工深度有限，只適用于較薄的材料；振動輔助銑削加工表面質(zhì)量較好，但制備周期長、加工效率低，只適用于柔軟材料，對于硬脆材料易出現(xiàn)斷刀、磨損等問題；軟刻技術(shù)可以制備出高精度的魚鱗表面，但制備過程復(fù)雜、周期較長，對于硬脆材料存在加工深度有限的問題；微壓印法加工效率高，但只適用于柔軟材料，難以實現(xiàn)硬脆材料的加工；3D打印技術(shù)可以制備出高精度的魚鱗表面，但只適用于小尺寸的魚鱗結(jié)構(gòu)，對于大尺寸的魚鱗結(jié)構(gòu)制備過程緩慢、成本高[3-7]。通過比較這些方法，發(fā)現(xiàn)其各自存在局限性，且對于硬脆材料的魚鱗表面制備都有一定的不足之處。

本文通過提取結(jié)構(gòu)化魚鱗表面的拓?fù)涮卣鱗8]，基于微磨料氣射流加工具有的高效、靈活、環(huán)保、無熱影響區(qū)等優(yōu)良特性[9]，提出了一種在硬脆材料上制備結(jié)構(gòu)化拓?fù)漪~鱗表面的高效率、高精度和低成本的加工方法。為實現(xiàn)這一方法，對微磨料氣射流加工的工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，通過對比不同工藝參數(shù)下的表面形貌，探究出拓?fù)漪~鱗單元的合理加工方案。最后基于鱗片單元表面模型，設(shè)置微磨料氣射流加工噴嘴位移參數(shù)，加工出結(jié)構(gòu)化拓?fù)漪~鱗表面。

1" 魚鱗表面特征分析及其模型建立

1.1" 魚鱗表面特征

通過對魚鱗表面的研究，發(fā)現(xiàn)不同魚類生物存在各具特色的鱗片結(jié)構(gòu)，但其有著相似的特點：魚鱗單元大小一般為2～5 mm，厚度為10～50 μm，且鱗片形狀由幾段橢圓弧線構(gòu)成，圖1所示為4類魚鱗的表面結(jié)構(gòu)。

魚鱗表面較好的減阻效果與其深度方向存在的前深后淺的隨行波結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。隨著魚類游動時水流的流經(jīng)，魚鱗表面前緣的凸起部分會產(chǎn)生一股水流，這股水流會沿著魚鱗表面的深度方向形成一個低壓區(qū)，從而形成一種隨行波結(jié)構(gòu)[16]。這種特殊結(jié)構(gòu)能夠減少流體在魚體表面的阻力，提高魚類的游動速度，如圖2所示。

從幾何拓?fù)鋵W(xué)角度來看，魚鱗表面的上述特征是各種有鱗魚類魚鱗表面共同具備的拓?fù)鋵W(xué)特征[8]。

1.2" 拓?fù)漪~鱗表面的模型建立

對不同的魚鱗表面進(jìn)行拓?fù)涮卣鞣治?，通過提取魚鱗結(jié)構(gòu)單元的長度lm、寬度wm、深度dm以及魚鱗最低點偏心距離e等參數(shù)，建立一個描述魚鱗輪廓特征的拓?fù)涮卣鲄?shù)向量Tm：

Tm=[lm" wm" dm" e]T""" （1）

通過提取的拓?fù)涮卣鲄?shù)向量，對魚鱗表面模型進(jìn)行設(shè)計，雖然不同的魚鱗表面結(jié)構(gòu)單元在平面內(nèi)的輪廓尺寸和形狀均發(fā)生了顯著變化，但魚鱗表面結(jié)構(gòu)單元的深度仍維持在微米級別，并保持著隨行波結(jié)構(gòu)。這種變換是連續(xù)且不重復(fù)的，屬于“同胚”變換的一種，即使拉長了的魚鱗結(jié)構(gòu)單元，也可通過拓?fù)涮卣鞯奶崛?fù)雜魚鱗表面認(rèn)為是具有隨行波結(jié)構(gòu)的橢圓結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)與沒有變化之前的魚鱗結(jié)構(gòu)單元等價，具有相同的減阻屬性[8]。圖3a為拓?fù)漪~鱗單元輪廓示意圖；圖3b為魚鱗單元在OmYmZm面的截面示意圖，表示魚鱗的單元寬度；圖3c為魚鱗單元在OmXmZm面的截面示意圖，表示拓?fù)漪~鱗表面的單元長度和隨行波結(jié)構(gòu)的理想模型。

坐標(biāo)原點Om為魚鱗中心基準(zhǔn)點，因此在構(gòu)建魚鱗單元分布模型時，僅需考慮中心基準(zhǔn)點Om的布局。同時，通過合理設(shè)置排布參數(shù)，可錯位堆疊出較為標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化魚鱗表面。如圖4所示，單元排列示意圖表明魚鱗表面呈錯位排列。設(shè)i代表第i行，j代表每行的第j列，則中心基準(zhǔn)點Om的坐標(biāo)為：

式中：TX和TY分別為相鄰魚鱗單元中心點在Xm和Ym方向上的差值；δ為在Xm方向上的錯位魚鱗單元差值。

2" 微磨料氣射流加工技術(shù)的實驗原理

根據(jù)微磨料氣射流加工（micro-abrasive jet machining，MAJM）的原理[13-15]，沖蝕率可表示為去除物質(zhì)的質(zhì)量與撞擊顆粒的質(zhì)量之比，即無量綱量的形式為：

E3=Δm/ma""" （3）

式中：Δm為被蝕除物質(zhì)的質(zhì)量；ma為實現(xiàn)蝕除質(zhì)量的磨料粒子的質(zhì)量。

由玻璃等材料脆性斷裂相關(guān)理論可知，當(dāng)MAJM的射流沖擊角度為90°時，工件的沖蝕率可表示為[10]：

式中：C1為與工件的硬度、密度、斷裂韌性以及磨粒平均粒徑有關(guān)的常數(shù)；v為磨料射流中磨粒的速度；C2為常數(shù)，由實驗確定。

根據(jù)磨料氣射流的沖蝕率和實驗可知，當(dāng)射流沖擊角度為90°時，工件的表面形貌可預(yù)測為圓形凹坑，且最深點在噴口正下方，如圖5所示。

當(dāng)射流沖擊角度為θ（θ≠90°）時，沖蝕率可表示為[11]：

式中：n1和n2為常數(shù)，由實驗確定；Hv為工件材料的維氏硬度。

當(dāng)微磨料氣射流加工時，磨粒速度和氣壓P的關(guān)系可表示為[12]：

v=C3pq

式中：C3和q為常數(shù)，由實驗確定。

根據(jù)式（5）～式（7）可知，任意射流沖擊角度的沖蝕率為：

式中：C3和n3為常數(shù)，由其他常數(shù)整合。

當(dāng)射流沖擊角度θ≠90°時，工件的表面形貌可預(yù)測為橢圓形凹坑，且隨著角度的變化，最深點位置會發(fā)生變化，呈現(xiàn)出前深后淺的隨行波結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

3" 實驗裝置及步驟

依據(jù)上述條件，實驗采用自主研發(fā)的MAJM設(shè)備，如圖7所示，該設(shè)備具有多種工藝參數(shù)的調(diào)控功能。實驗中調(diào)整的工藝參數(shù)有氣射流壓力、射流角度、加工靶距離以及加工時間。

實驗中，選用的磨料為白剛玉磨料微粉，其尺寸范圍為10～20 μm，磨料流量為0.005 g/s。實驗材料為醫(yī)用實驗玻璃片。實驗采用單因素實驗法，對工件進(jìn)行多組加工實驗，如表1所示。采用Form Talysurfi-Series型輪廓儀觀測加工后形貌，得出較為合理的加工條件。

4" 實驗結(jié)果與分析

4.1nbsp; 魚鱗表面單元結(jié)果分析

圖8為保持加工時間（10 s）、氣射流加工壓力（0.5 MPa）和靶距離（10 mm）不變，通過給定不同的射流角度對工件表面進(jìn)行加工實驗，得出魚鱗表面隨行波結(jié)構(gòu)變化表面的不同加工形貌圖。如圖8所示，當(dāng)射流角度分別為30°、45°和60°時，隨著角度的增大，最低點偏心點逐漸向表面后端偏移。由圖8a可知，當(dāng)射流角度為30°時，拓?fù)漪~鱗單元的長度為5 mm，寬度為2.5 mm，魚鱗表面最大深度為54 μm，最大深度偏心距離為1.8 mm，呈現(xiàn)出隨行波結(jié)構(gòu)；由圖8b可知，當(dāng)射流角度為45°時，拓?fù)漪~鱗單元的長度為3.5 mm，寬度為2.7 mm，魚鱗表面最大深度為110 μm，最大深度偏心距離為2.0 mm，但魚鱗單元長度較短，隨行波結(jié)構(gòu)未能呈現(xiàn)；由圖8c可知，當(dāng)射流角度為60°時，魚鱗單元長度為3.6 mm，寬度為2.5 mm，魚鱗表面最大深度為280 μm，最大深度偏心距離為2.5 mm，與設(shè)計深度相比更深。綜上可知，隨著射流角度的增加，結(jié)構(gòu)化表面的最低點逐漸變深。依據(jù)魚鱗表面單元深度范圍為20～50 μm，且在OmZm方向上保持前淺后深的隨行波結(jié)構(gòu)特征，故射流角度為30°時，得到的形貌較為理想。

圖9為保持射流角度（30°）、氣射流加工壓力（0.5 MPa）和靶距離（10 mm）不變，通過給定不同的加工時間對工件表面進(jìn)行加工實驗，得出結(jié)構(gòu)化表面的不同輪廓曲線。由圖9a可知，當(dāng)加工時間為15 s時，拓?fù)漪~鱗單元的長度為5.4 mm，寬度為2.6 mm，魚鱗表面最大深度為110 μm，最大深度偏心距離為2.2 mm，最低點偏心距離向后略微偏移，隨行波結(jié)構(gòu)較為不明顯；由圖9b可知，當(dāng)加工時間為20 s時，拓?fù)漪~鱗單元的長度為5.6 mm，寬度為2.8 mm，魚鱗表面最大深度為156 μm，最大深度偏心距離為2.4 mm，最低點偏心距再次向后偏移，且最低點深度加大。由圖8a、圖9可知，當(dāng)加工時間分別為10 、15和20 s時，隨著加工時間的增加，工件的加工深度會逐漸增加，且最低點偏心距離會出現(xiàn)輕微向后偏移的情況，故加工時間為10 s時，得到的表面輪廓較為理想。

圖10為保持射流角度（30°）、加工時間（10 s）等加工參數(shù)相同，通過給定不同的靶距離（即工件與噴口的實際距離）5、10和15 mm對工件表面進(jìn)行加工實驗，得出結(jié)構(gòu)化表面的不同輪廓曲線。由圖10a可知，當(dāng)靶距離為5 mm時，拓?fù)漪~鱗單元的長度為5 mm，寬度為1.8 mm，魚鱗表面最大深度為210 μm，最大深度偏心距離為2 mm，其在深度方向蝕除過深，但隨行波結(jié)構(gòu)較為明顯；由圖10b可知，當(dāng)靶距離為15 mm時，拓?fù)漪~鱗單元的長度為4.5 mm，寬度為2.8 mm，魚鱗表面最大深度為15 μm，最大深度偏心距離為2 mm，隨著距離的增加，逸散的磨料粒子增多，參與侵蝕的磨料顆粒變少，使輪廓曲線較為粗糙，且加工深度和表面形狀也不滿足理想要求。當(dāng)靶距離為10 mm時（圖8a），雖輪廓曲線不如靶距離為5 mm時的光滑，但其表面粗糙度處于合理范圍之內(nèi)（Ralt;5 μm），能夠滿足隨行波對渦流的控制要求，且較為符合隨行波深度要求。

圖11為保持射流角度（30°）、加工時間（10 s）、靶距離（10 mm）等工藝參數(shù)不變，通過給定不同的氣射流壓力對工作表面進(jìn)行加工實驗，得出結(jié)構(gòu)化表面的不同輪廓曲線。由圖11a可知，當(dāng)氣射流壓力為0.4 MPa時，拓?fù)漪~鱗單元的長度為4.8 mm，寬度為2.4 mm，魚鱗表面最大深度為37 μm，最大深度偏心距離為2.1 mm，但輪廓曲線較為平緩，與隨行波結(jié)構(gòu)相差較大，并不滿足提取拓?fù)涮卣鞯囊?；由圖11b可知，當(dāng)氣射流壓力為0.6 MPa時，拓?fù)漪~鱗單元的長度為5.2 mm，寬度為2.6 mm，魚鱗表面最大深度為160 μm，最大深度偏心距離為2.2 mm，加工深度較深，且由于實驗設(shè)備限制，壓力過高時，氣體壓力難以長時間保持穩(wěn)定。

通過對圖8～圖11綜合分析可得，圖8a為較為理想的加工條件，即加工時間為10 s、氣射流加工壓力為0.5 MPa、靶距離為10 mm和射流角度為30°，滿足結(jié)構(gòu)化拓?fù)漪~鱗表面制備需求，制備的拓?fù)漪~鱗表面3D圖如圖12所示。

4.2" 魚鱗表面排布結(jié)果分析

依據(jù)實驗結(jié)果分析的拓?fù)漪~鱗表面單元，用式（2）進(jìn)行魚鱗表面的錯位排布，使魚鱗單元互相搭接出結(jié)構(gòu)化拓?fù)漪~鱗表面（圖4）。根據(jù)選定的魚鱗單元表面輪廓參數(shù)，確定MAJM中的橫移距離以及加工每個魚鱗單元的停留時間，即式（2）中TX=4.5 mm，TY=2 mm，δ=2.5 mm，得到如圖13所示的結(jié)構(gòu)化拓?fù)漪~鱗表面。

5" 結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)化魚鱗表面的隨行波結(jié)構(gòu)有較好的減阻效果，開展在硬脆材料上制備結(jié)構(gòu)化魚鱗表面的研究有重要的意義。微磨料氣射流加工方法具有無熱影響區(qū)、加工壓力小和精度高等特點，較為適用在硬脆難加工材料的表面制備結(jié)構(gòu)化魚鱗表面。

（2）采用微磨料氣射流加工方法制備結(jié)構(gòu)化魚鱗拓?fù)浔砻妫梢员ＷC制備的魚鱗表面具有特有的隨行波結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)加工時間為10 s、氣射流加工壓力為0.5 MPa、靶距離為10 mm和射流角度為30°時，制備的結(jié)構(gòu)化魚鱗拓?fù)浔砻娴碾S行波結(jié)構(gòu)較為明顯，且加工出的表面形貌與魚鱗表面的設(shè)計形貌較為接近。

（3）本文的研究存在一定的局限性，如加工結(jié)構(gòu)化表面過程中部分魚鱗形狀不規(guī)整，拓?fù)漪~鱗的表面粗糙度較大等，需進(jìn)一步優(yōu)化實驗方法和設(shè)備。

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