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(guò)粒子的高速碰撞剪切作用達(dá)到磨削去除材料的加工工藝。這種工藝在過(guò)去二十年中發(fā)展得非常迅速，具有很高的柔性、很強(qiáng)的復(fù)雜型面適應(yīng)性，因此應(yīng)用范圍很廣，在多學(xué)科融合發(fā)展方面已呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢(shì)。

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(diǎn)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(gòu)化，說(shuō)明磨料射流可以充當(dāng)砂輪、車刀、銑刀、鉆頭等傳統(tǒng)工具。

而從射流的本質(zhì)或根源來(lái)看，磨料射流技術(shù)分為（磨料）水射流、漿體射流、磨料氣射流等。今天就首先來(lái)講講磨料水射流技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和優(yōu)勢(shì)。

一、磨料水射流技術(shù)的起源

磨料水射流是在純水射流的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。純水射流（Water Jet，WJ）起源于20世紀(jì)30年代，一種說(shuō)法是為了開(kāi)采煤礦，另一種說(shuō)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(dá)到的壓力在 10 MPa 以內(nèi)，只能用于沖刷煤層、切割紙和布匹等軟材料，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，70年代末期國(guó)際水射流領(lǐng)域出現(xiàn)了多種令人振奮的新動(dòng)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(shù)（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(shí)的原理

磨料水射流技術(shù)的工作原理為：干燥的磨粒和空氣被水射流產(chǎn)生的負(fù)壓吸入混合腔內(nèi)并加速，最后經(jīng)噴砂管匯聚噴出。引入磨料后的水射流幾乎可以用來(lái)加工任何堅(jiān)硬的物體，而無(wú)磨料的純水射流，即使在壓力高達(dá)120 MPa時(shí)也沒(méi)有明顯的材料去除。

將磨料水射流技術(shù)用于切割物體

而在拋光應(yīng)用場(chǎng)合，該過(guò)程又被稱為磨料水射流拋光(Abrasive Water Jet Polishing，AWJP)。拋光液通過(guò)高壓泵的加壓作用從噴嘴高速射向工件表面后，其內(nèi)部混合的磨料粒子會(huì)與工件表面通過(guò)撞擊和剪切作用實(shí)現(xiàn)材料去除，進(jìn)行表面拋光加工。碰撞結(jié)束后，拋光液與磨料流回到回收裝置中，整個(gè)加工過(guò)程循環(huán)使用，對(duì)工件可進(jìn)行持續(xù)加工。

精密磨料水射流拋光原理圖

此外，噴射系統(tǒng)是射流加工的關(guān)鍵，它將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能從而產(chǎn)生高能流束并完成水射流加工。而噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)射流的動(dòng)力學(xué)特性、去除函數(shù)及拋光元件的表面粗糙度都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。研究發(fā)現(xiàn)，利用收縮角為13。、長(zhǎng)徑比為4的錐柱型噴嘴進(jìn)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(dòng)強(qiáng)度低、流速和磨料濃度分布均勻。

注：

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：前混合式射流是先將磨料與水混合均勻，再通過(guò)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(dòng)力特性好等優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)復(fù)雜且磨損嚴(yán)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(guò)聚焦管而形成射流。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，磨損小，使用壽命長(zhǎng)，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。

三、選用磨料對(duì)拋光質(zhì)量的影響

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(duì)加工的效率和加工工件的表面質(zhì)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(lái)說(shuō)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(jiàn)的磨料形狀

除此之外，還有以下因素會(huì)對(duì)拋光質(zhì)量產(chǎn)生影響：

①圓度：強(qiáng)爭(zhēng)榮叫研究了磨料粒子圓度對(duì)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(duì)噴嘴磨損越小。

②均勻性：付文靜等研究了粒徑均勻性對(duì)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。

③粒度：ZHAO等分析了磨料粒度對(duì)材料去除的影響，增大磨料尺寸時(shí)，去除材料的橫截面從W形變?yōu)榱薝形，并通過(guò)試驗(yàn)分析得出粒子間的碰撞是材料去除的主要原因，而納米級(jí)的粒子拋光表面以原子形式逐個(gè)去除。

資料來(lái)源：

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

胡焰,陳加?xùn)|,戴慶文,等. 磨料射流加工技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀[J]. 表面技術(shù),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(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2015,26(22):3116-3123. DOI:10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.021.

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