磨料射流加工（Abrasive Jet Machining，AJM）是利用由噴嘴小孔高速噴出的微小磨料粒子作用于工件表面，通過粒子的高速碰撞剪切作用達到磨削去除材料的加工工藝。這種工藝在過去二十年中發展得非常迅速，具有很高的柔性、很強的復雜型面適應性，因此應用范圍很廣，在多學科融合發展方面已呈現出百花齊放的態勢。

磨料射流除了在表面處理方面用于表面光整，包括涂層、焊接和電鍍的前處理或后處理外，在制造方面，小的加工點非常適合板材切割、空間表面拋光、銑削、車削、鉆孔和表面織構化，說明磨料射流可以充當砂輪、車刀、銑刀、鉆頭等傳統工具。

而從射流的本質或根源來看，磨料射流技術分為（磨料）水射流、漿體射流、磨料氣射流等。今天就首先來講講磨料水射流技術的發展狀況和優勢。

一、磨料水射流技術的起源

磨料水射流是在純水射流的基礎上發展起來的。純水射流（Water Jet，WJ）起源于20世紀30年代，一種說法是為了開采煤礦，另一種說法是為了切割某一種特殊材料，其工作原理如下圖a所示。在早期，水射流能夠達到的壓力在 10 MPa 以內，只能用于沖刷煤層、切割紙和布匹等軟材料，但隨著科學技術的發展，70年代末期國際水射流領域出現了多種令人振奮的新動向，其中具有代表性的是由MohamedHashish博士在1979年提出的磨料水射流技術（Abrasive Water Jet，AWJ），其工作原理如下圖b所示。

水射流和磨料水射流原理圖

二、磨料水射流用于拋光時的原理

磨料水射流技術的工作原理為：干燥的磨粒和空氣被水射流產生的負壓吸入混合腔內并加速，最后經噴砂管匯聚噴出。引入磨料后的水射流幾乎可以用來加工任何堅硬的物體，而無磨料的純水射流，即使在壓力高達120 MPa時也沒有明顯的材料去除。

將磨料水射流技術用于切割物體

而在拋光應用場合，該過程又被稱為磨料水射流拋光(Abrasive Water Jet Polishing，AWJP)。拋光液通過高壓泵的加壓作用從噴嘴高速射向工件表面后，其內部混合的磨料粒子會與工件表面通過撞擊和剪切作用實現材料去除，進行表面拋光加工。碰撞結束后，拋光液與磨料流回到回收裝置中，整個加工過程循環使用，對工件可進行持續加工。

精密磨料水射流拋光原理圖

此外，噴射系統是射流加工的關鍵，它將壓力能轉變為動能從而產生高能流束并完成水射流加工。而噴嘴結構對射流的動力學特性、去除函數及拋光元件的表面粗糙度都會產生很大的影響。研究發現，利用收縮角為13。、長徑比為4的錐柱型噴嘴進行射流拋光能獲得較好的射流特性，其射流出口斷面的紊動強度低、流速和磨料濃度分布均勻。

注：

現有的加工方式主要分為前混合式射流和后混合式射流：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點，但系統復雜且磨損嚴重；

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。其結構簡單，磨損小，使用壽命長，但難以將磨料和水混合均勻，導致噴射于工件表面的磨粒發散性高，加工精度低。

三、選用磨料對拋光質量的影響

磨料作為AWJP技術中材料去除的主體，其形狀、大小、種類等參數對加工的效率和加工工件的表面質量有著直接影響。目前常選用的磨料種類用：SiC、Al₂O₃、CeO₂、石榴石等，一般來說磨粒硬度越大就越能提高材料去除率和表面粗糙度。

一些常見的磨料形狀

除此之外，還有以下因素會對拋光質量產生影響：

①圓度：強爭榮叫研究了磨料粒子圓度對加工的影響，結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。

②均勻性：付文靜等研究了粒徑均勻性對射流去除特性的影響，結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。

③粒度：ZHAO等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形變為了U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。

資料來源：

林琳,何周偉,胡濤,等. 磨料水射流拋光技術進展綜述[J]. 液壓與氣動,2022,46(1):74-91. DOI:10.11832/j.issn.1000-4858.2022.01.010.

胡焰,陳加東,戴慶文,等. 磨料射流加工技術的發展與研究現狀[J]. 表面技術,2022,51(11):80-98. DOI:10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.008.

陳逢軍,苗想亮,唐宇,等. 磨料液體射流拋光技術研究進展[J]. 中國機械工程,2015,26(22):3116-3123. DOI:10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.021.

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