磁射流抛光

磁射流抛光的发生装置由磁场发生装置、回收装置、搅拌装置、泵、冷却装置和机床本体等组成。在磁场发生装置中, 需要磁流变液在搅拌装置中得到充分搅拌以后, 由吸入泵按照限定的流量升压以后, 再经过处于磁场中的喷嘴高速碰射到工件表面, 进行确定性加工, 然后用收集器把使用过的磁流变液收集并进行过滤冷却, 从而进行下一轮的抛光。装置里的磁场发生装置是由螺线圈和充当铁芯的喷嘴组成的, 喷嘴是用铁磁性材料制成的锥形喷嘴, 锥形喷嘴有利于射流束速度的提高和磁场强度的集中。另外, 在螺线圈周围添加一个用高磁导率材料做成的磁屏蔽体, 可以使喷嘴处的磁场强度提高两倍以上, 有利于磁场强度的集中, 同时也可以使加工对象不受磁场的干扰, 使加工材料从光学材料扩展到导磁性材料, 很大程度上提高了磁射流抛光技术的应用范围。

磁射流抛光技术(Magnetorheological Jet Polishing,MJP)是将射流技术和磁流变技术相结合, 利用低粘度

磁流变液在外磁场的作用下发生磁流变效应, 表观粘度增大来增加射流束表面的稳定性, 混合有磨粒的磁流变液在喷嘴处轴向磁场的作用下形成准直硬化的射流束喷射到一定距离处的工件表面, 借助于磨粒的高速碰撞剪切作用实现材料的去除, 以可控的方式实现抛光表面修整。

磁射流和磁流变液的综合运用来对导磁性材料加工的是美国QED公司的Kordonski等人首先发明并研究了磁射流抛光技术的第一个美国专利, 以及后来的国防科技大学的张学成等人的磁射流抛光技术研究从而实现了磁射流技术的加工应用, 在这些研究的基础上开始实现了磁射流抛光技术的应用。

由于磨料水射流抛光加工所使用的设备简单,在进行抛光加工时可根据工件的形状特点、加工部位的加工要求,选择合适的喷嘴;针对不同的加工材料,选择相应的磨料,因此使用十分方便,特别适合加工一些用其它加工方法不能加工的工件。

随着科技的发展,在磨料水射流抛光技术基础上,与传统的抛光技术相结合,产生了新的抛光技术,如与金属电解抛光技术结合产生的电解磨料喷射复合抛光新工艺,其原理是:当混合液从喷嘴喷出时,电解液在喷嘴与工件之间形成导电介质,喷嘴与工件间距离较近且接通电解电源,则发生电解作用并在工件表面形成钝化膜。钝化膜会阻碍电解的继续进行,而磨料的喷射作用可以去除钝化膜,且轮廓凸峰处的钝化膜容易最先被去除,使凸峰处金属的电解溶解速度比凹处快,从而表面粗糙度得到改善。大量研究表明,在磨料水射流抛光加工中,有超过25个加工参数对加工结果有直接的影响。而在磨料水射流抛光加工中,只研究磨料种类、磨料粒度、喷射压力、喷射距离、喷射角度等几个参数对加工结果的影响是远远不够的。此外,磨料流中磨料的分布规律及速度分布规律都有待于理论研究和实验验证;针对不同材料和加工条件的优化加工模型有待于完善。总之,磨料水射流抛光加工还处于发展和完善阶段,随着对加工机理认识和试验研究的深入,磨料水射流抛光在工业生产中,特别是在工件异形型面的光整加工中将会发挥更大的作用。

理想的磨料水射流抛光加工结果是材料去除量小,表面质量高。若想得到理想的抛光结果,需选用压力低、磨料尺寸小的磨料水射流,即微磨料水射流。但微磨料水射流的理论还不成熟,有以下主要问题有待解决:

(1)微细磨料水射流的形成。普通的磨料水射流形成是利用文杜里效应引射,使磨料进入水射流的,但Miller发现,当射流直径小于300μm时,这种使磨料进入水射流的方式已不能应用。对于微磨料水射流混合机理的研究还少见报道。

(2)磨料团聚。当磨料颗粒为纳米级时,磨料的表面能很大,在磨料水射流形成过程中,磨料颗粒有团聚趋势。在磨料水射流精抛光加工时,需要用到纳米级的磨料,而对于磨料水射流中纳米级磨料的分散问题还没有解决。

(3)微细磨料加工时发生喷嘴堵塞。由于微细磨料水射流喷嘴尺寸较小,在射流开关的过程中,极易堵塞。有的学者利用阀控制磨料进入喷嘴的时间,但同时,阀的快速磨损破坏又成为一个新的问题。

(4)因为对磨料水射流抛光技术的研究刚处于起步阶段,从实验到理论都还没有形成成熟的抛光工艺、理论。磨料水射流精抛光加工时,材料去除机理是微观去除机理,各种材料的微观去除机理至今还没有定论。

(5)磨料水射流抛光加工(尤其是精抛光加工时) ,选用的磨料尺寸很小,而由于经济和技术的原因,喷嘴尺寸很难做到很小。这时,由于喷嘴尺寸与磨料尺寸比很大而引起的尺寸效应对于加工的影响规律尚不清楚。

综上所述,可以看出对于磨料水射流抛光技术的研究还处于初级阶段,今后应从理论、实验两方面对磨料水射流抛光技术进行进一步深入研究。

磨料水射流抛光的基本原理如图所示。当压缩空气通过喷枪上 喷嘴小孔高速喷出时,在喷嘴处产生负压,使液槽里搅拌好的含有细小磨料粒子的抛光液通过进液管吸入喷枪,从而形成高速射流,喷射到工件表面,借助于磨料粒子与工件表面高速碰撞,使工件上局部应力场应力高速集中,并快速变化,因而产生冲蚀、剪切,达到材料去除的目的。在抛光过程中,高速磨料粒子如同一把柔性的车刀,对工件表面进行切削加工。通过控制喷射的压力、角度及时间等参数来定量修正被加工件表面的面形,以达到去除材料、抛光的加工目的。抛光液喷出后,可通过回收装置返回盛有抛光液的容器,循环使用。

磨料水射流以一定角度冲击抛光工件时,磨料对工件的冲击力可分解为水平分力和垂直分力。水平分力对工件上的凸峰产生削凸整平作用,垂直分力对工作表面产生挤压,使工件表面产生冷硬作用。抛光初期,工件表面的凹谷处会滞留一部分磨料水射流混合液,形成一层薄膜。露置在薄膜外的凸峰,会先受到磨料的冲击作用而被去除掉,使工作表面得到明显的平整。通常表面粗糙度为微米级,这一过程通常被称为一级抛光(即粗抛光) 。在此过程中,材料的去除量较大,需选用颗粒较大的磨料,其材料去除机理被认为与普通磨料水射流加工机理相似。在磨料水射流抛光过程中,磨料去除工件表面材料的机制主要有两种,一种是塑性变形机制引起的,磨料对工件表面的冲击使材料向两侧隆起,这种过程并不会直接引起材料的切削过程,但在随后磨粒的作用下材料产生脱落而形成二次切屑。同时,磨粒也对工件表面如刨削一样有切削过程,这个过程可直接去除材料,形成一次切屑。另一种是利用混有磨料粒子的抛光液对工件的碰撞冲击、剪切刻划作用来去除材料。粗抛光后,工件表面上只留下较小的凸峰,这时水平冲击分力减小了,垂直冲击分力增大,使得磨料对工作表面的挤压作用增强了,这一过程通常被称为二级抛光,即精抛光。在这一过程中,材料去除量很小,需选用细颗粒磨料。这一阶段材料的去除机理至今还处于研究阶段。有学者认为,当材料去除尺度为纳米级别时,由于去除深度小于其临界切削深度,这时塑性流动便成为材料去除的主要方式,纳米尺度的磨料对工件的作用主要是挤压磨削作用。