磨料水射流拋光技術進展綜述

林 琳， 何周偉， 胡 濤， 尤 暉

(1.廣西大學 機械工程學院， 廣西 南寧 530004; 2.廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室， 廣西 南寧 530004)

引言

磨料水射流拋光(Abrasive Water Jet Polishing，AWJP)是一種超精密加工技術，通過細小噴頭將混有磨料的水溶液噴射在工件表面上，利用磨粒與工件表面的相互沖擊與剪切作用來實現材料的去除，在拋光的同時兼具修形能力，能夠滿足非線性、復雜曲面零件需要的高形狀精度和高表面粗糙度的加工要求。AWJP可以通過計算機控制，獲得較高的加工質量和自由可調的去除函數[1]，因其無熱影響、無熱變形、加工范圍廣、加工精度高的特性，已應用于陶瓷、玻璃、石英、硬質合金及特殊材料的自由型面、復雜三維型面、光滑表面、 微小內腔的加工[2-5]。在機床的實際加工應用方面，代表為英國ZEEKO公司研制的七軸水射流拋光機床FJP720，結合干涉儀的使用實現了AWJP在線測量的技術，并能對自由曲面進行修形與拋光，其面型精度達到了60 nm，表面粗糙度RMS值低至1 nm[6]。加拿大Light Machinery公司的FJP1150F水射流拋光機床能實現復雜形面、微細槽等結構的自動拋光，其最大加工工件尺寸為50 mm×50 mm，面型精度達到了6 nm，RMS值可達1 nm。Optotech公司提出的主動流體射流拋光技術(A-FJP)實現了在同一臺設備內進行球面與非球面的修拋，并能達到λ/20的面形精度，之后MANUELA等[7]通過使用打孔的拋光針又改善了A-FJP的加工精度。

國內對于磨料水射流拋光機床的研制與應用起步較晚，大多都是通過對普通數控機床進行改裝來實現拋光加工，國防科技大學根據CCOS原理研制出一套磨料水射流拋光裝置[8]；東華大學將現有M1432B萬能外圓磨床改進形成磨料水射流拋光機床[9]；湖南大學自主研發超精密水射流拋光系統等[10-11]。

隨著航空航天、精密器械、信息電子、軍事等領域對產品零件的表面形貌、表面精度的要求進一步提高，高精度、高質量、高效率的精密加工技術已成為重要的研究方向。AWJP在精密加工領域具有良好的研究價值和應用前景，但是依然存在加工效率低、結構復雜、穩定性不足等缺點，因此，探究工藝參數、去除函數模型、加工路徑算法等是進一步提高其加工精度和加工效率的關鍵。本研究對當前具有代表性的AWJP技術進行綜述，主要闡述射流動能、噴嘴結構、磨料類型、加工路徑、去除函數模型以及與其他技術結合而衍生出的一系列新技術，以實現高效率、高精度、高穩定性為目標，對AWJP、材料去除函數模型和新技術的后續研究進行了展望。

1 磨料水射流加工原理

AWJP基本原理如圖1a所示，拋光液通過高壓泵的加壓作用從噴嘴高速射向工件表面，其內部混合的磨料粒子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[12]。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。現有的加工方式主要分為前混合式射流和后混合式射流，其加工系統原理如圖1b、圖1c所示。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。劉增文[13]研究稱前混合式射流可以克服后混合式加工精度和效率不高的缺點，并通過表面拋光實驗取得了較好的效果。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。潘崢正等[14]研究了后混合式中磨料顆粒的運動情況，得出磨料顆粒的速度始終小于高壓水速度，而且只有大約20%水射流動能傳遞給磨粒。目前，考慮到噴流液壓系統設備的內部結構和耐磨性能，后混合式使用較為廣泛。但隨著材料科學和精密加工技術的發展，前混合式因其高效率、高精度的優點將替代后混合成為研究的熱點。

圖1 磨料水射流拋光系統原理圖

2 AWJP加工過程中各工藝參數的影響

2.1 射流動能參數對加工性能的影響

射流動能主要體現于磨粒的動能，磨粒獲得的能量越大、速度越快，對材料表面的影響就越明顯。圖2所示為對硼酸玻璃進行AWJP加工試驗的結果，可以看出加工表面的粗糙度Ra隨磨粒動能E增大而增大[15]。

圖2 表面粗糙度與磨粒動能的關系

要想提高材料去除效率與加工精度，需要對影響磨粒動能的高敏感參數進行深入研究，如射流壓力、 角度、距離、磨料參數等。鄒云等[16]采用正交試驗法研究了部分工藝參數對304不銹鋼表面粗糙度的影響，得出工藝參數的影響主次為：進給量f>噴射壓力p>橫移速度u>噴射距離d，其各工藝參數對水射流拋光強化效果的曲線效應如圖3a所示，強化效果綜合分值為Sc。李兆澤等[8]分析了幾個重要的工藝參數對材料去除效率及表面粗糙度的影響，通過對K9平面玻璃進行單點駐留拋光試驗， 最終得出工藝參數對材料去除率C的影響主次為：噴射壓力p>磨料濃度c>噴射距離d>噴射角度α；對粗糙度的影響主次為：噴射壓力p>噴射角度α>噴射距離d>磨料濃度c， 如圖3b所示。李志榮等[17]通過對硅片進行水射流拋光試驗，得出幾個工藝參數對硅片表面質量的影響主次為：靶距>射流壓力>噴射角度>磨料濃度。

圖3 工藝參數影響主次關系

國內外研究員關于AWJP中各個工藝參數對工件表面質量的影響做了大量研究。MATSUMURA等[18]通過研究滯留區大小對磨粒沖擊角度的影響，提出了實現無裂紋現象的微槽加工與拋光方法。ANTHONY等[19]對碳化鎢進行了磨料水射流拋光試驗，發現低壓射流和大磨料粒度能夠減少表面的加工紋理，有效避免了磨料顆粒嵌入工件表面，提高了拋光效果。張玉等[20]通過對平面玻璃進行不同沖擊角度的定點沖擊試驗，得出沖擊角度越小會導致材料去除形狀越不對稱，且去除率逐漸降低，主要歸因于射流中磨料粒子的碰撞角度及碰撞次數的變化。羋紹桂等[21]研究了射流速度和沖擊角度對材料去除特性的影響， 試驗結果表明小角度的沖擊對于存在瑕疵的工件表面具有更好的去除效果， 且材料的去除量隨著射流速度增大而增大。彭家強等[22]對不同噴射距離的影響進行了仿真與實驗，發現當噴射距離是噴嘴直徑的10～13倍時能擁有較好的射流特性。WANG等[23]研究了噴射距離對鎳銅合金與BK7光學玻璃表面去除特性的影響， 試驗結果表明對于韌性材料的鎳銅合金最佳噴射距離為25～35 mm，脆性材料BK7光學玻璃為8 mm。喬澤民等[24]利用均勻試驗設計方法獲得了磨料水射流加工的最優工藝參數，結果表明此方法可節省70%的時間，大大提高了加工效率。GUO等[25]通過調整射流距離、壓力、角度以及磨料尺寸的參數，對Q235鋼表面進行拋光試驗后無法同時獲得高去除寬度、高去除均勻性和低粗糙度的理想表面，研究得出對任何2個參數的優化都會降低其他參數的去除效果。

綜上，射流壓力對加工的影響較大，且加工不同的材料需要的壓力范圍跨度大，其余工藝參數需要相互匹配，參數與參數之間相互影響。針對不同的被加工材料， 國內外學者對各工藝參數的組合做了大量的研究，并通過正交實驗獲得了最優的參數組合，詳見表1。

表1 材料加工工藝參數表

2.2 噴嘴結構對加工性能的影響

在AWJP中除射流動能參數外，噴嘴的形狀、數量、運動方式等都對加工性能有很大的影響。為得到更強的加工能力和更好的表面質量，需要對噴嘴性能進行定性的研究。梁欽等[37]通過對錐形和流線形噴嘴內流場進行仿真，得出錐形噴嘴入口收縮角越小其能量損失越小，且流線形噴嘴能量損失比錐形小。何茵楠等[38]對錐直型噴嘴的流動特性進行了仿真研究，得出當錐角為30°時，射流動壓最穩定。陳冰冰等[39]通過對錐直形和流線形結構的噴嘴進行仿真對比，得出流線形噴嘴內流場狀況更具有穩定性。除此之外，戴旭杰等[40]和宋孝宗等[41-42]都設計出了錐柱形和余弦形兩種結構的噴嘴，如圖4a、圖4b所示；通過仿真和試驗對比分析，得出余弦形噴嘴具有較好的聚束性能、抗卷吸能力和噴霧效果，利用余弦形噴嘴可以獲得更高的表面質量；但余弦形噴嘴的射流反推力要高于其余型腔結構的噴嘴，故在安裝噴嘴時需考慮噴嘴反推力對加工的影響[43]。徐國敏等[44]對余弦光-液耦合噴嘴結構參數進行了田口法優化分析，并對單晶硅材料進行拋光處理后獲得了1.09 nm的表面粗糙度。

WANG等[45]研發了一種管直線噴嘴，孔口形狀是長而窄的矩形，在雙側處具有半圓形，如圖4c所示，與普通射流拋光噴嘴相比，該結構噴嘴的材料去除率提高了1145%，且去除均勻性也得到了顯著提高。

羋紹桂等[46]設計出了一種矩形噴嘴結構，基于并行的去除方式來提高加工效率，其垂直沖擊射流分布示意圖如圖4d所示。通過建立去除理論模型并仿真，得出隨著矩形噴嘴長寬比的逐漸增大，材料的去除率先增大后減小。當矩形噴嘴的長寬比控制在10左右時，可以獲得良好的去除效果。張航航等[47]設計了一種菱柱矩形光液耦合噴嘴，結構如圖4e所示，并通過仿真與試驗得出矩形噴嘴的長寬比系數θ在0.075～0.3時射流性能最佳。通過以上研究可知，在AWJP加工中，噴嘴結構參數的優化以及形狀的改進對加工精度的提高有著重要的影響，目前噴嘴內部型腔多采用流線型結構。

圖4 噴嘴結構示意圖

除了對噴嘴內部型腔結構的研究，研究人員又對噴嘴數量的影響開展了一系列的探索。羅銀川等[48]提出了多噴嘴結構的加工方法，并建立了單噴嘴、三噴嘴和七噴嘴的材料去除理論模型，如圖5所示。通過試驗研究和對去除量的分布進行計算與比較，得出當噴射距離為10d(d為噴嘴直徑)，各噴嘴間距為5d時，三噴嘴和七噴嘴的材料去除率分別是單噴嘴的2.16和4.25倍，大大提高了加工效率。通過多噴嘴設計理念的提出，WANG等[49]提出了采用陣列噴嘴結構， 并通過實驗發現極大地提高了射流拋光的去除效率，可以滿足大型工件的超精密拋光加工。

圖5 去除函數理論模型

2.3 磨料參數與添加劑對加工性能的影響

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，圖6a為目前已有的幾種常見磨料粒子形狀。強爭榮等[50]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。PENG等[51]研究了磨料粒子尺寸對拋光質量的影響如圖6b所示，通過仿真模擬不同尺寸粒子在加工過程中的運動軌跡，發現大粒徑的粒子會嚴重偏離射流中心；最后通過拋光試驗得出磨料粒子粒徑越大，去除率越高，但獲得的表面粗糙度較差；粒徑越小，去除率越低，加工表面較為光滑。付文靜等[52]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。ZHAO等[53]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。

為進一步提升加工性能，國內外采用不同種類的磨料粒子開展了一系列試驗研究。PENG等[54]將納米粒子作為射流拋光的去除磨料， 提出了納米粒子噴射拋光技術，其去除機理如圖6c所示。通過納米顆粒表面羥基與吸附在工件表面的羥基發生鍵合作用，帶走了工件表面的原子，實現原子級材料去除，并通過拋光試驗將K9玻璃表面粗糙度從0.72 nm降低至0.41 nm。王星等[55-56]通過采用SiO2膠體顆粒取代硬質磨料，將K9玻璃拋光處理后粗糙度從5.233 nm降至1.649 nm；后又通過將納米膠體射流拋光與空化技術相結合，使加工效率比普通納米膠體射流提高了20%左右，并對單晶硅加工后獲得了粗糙度Ra為0.904 nm(RMS 1.225 nm)的超光滑表面。

圖6 磨料粒子的參數特性

冰粒射流拋光是一種新型拋光技術[57]，KARPUSC-HEWSKI B等[58]研制出的冰粒射流裝置(如圖7所示)能夠制備出直徑100～700 μm的冰粒，并可實現對42CrMo4等硬脆材料的拋光處理。RAMBABU S等[59]對冰粒制備的條件進行了研究，得出在-4 ℃的溫度下制備的冰粒具有較高的硬度、摩擦系數以及較低的磨損率。

圖7 冰粒射流裝置

國內對冰粒射流拋光的研究起步較晚，初期僅用來做光整、除銹等[60]加工，郭宗環等[61]采用混合引射法來產生冰粒射流，并對45鋼拋光處理獲得了最低粗糙度為4.9 μm的表面。冰粒射流拋光雖然有成本低、磨損小、環保等優點，但是目前對于微小冰粒的制備、運輸和儲備還是一大難題，對其機理和裝置的完善還需更深層次的研究。

拋光液中加入添加劑能增大磨粒的混合濃度，并使磨粒混合更均勻，提高對材料的去除效率。袁卓林等[62]通過采用SiC固體磨粒、純水和水蠟混合而成的拋光液對熱作模具鋼4Cr5MoSiV1進行了表面拋光試驗，得出高濃度添加劑的磨料液對高硬度的工件表面有良好的去除效果。孫鵬飛等[63]發現增大拋光液的黏度會減小去除函數的深度，且去除形狀及范圍不變，故通過使用添加劑來改變拋光液黏度有利于工件表面質量的提高。

3 AWJP加工過程中的去除函數模型

在AWJP加工中，噴嘴入射角90°時得到去除函數形貌為W形，如圖8所示，其中h為去除函數模型截面高度。根據垂直噴射的軸對稱特性，W形去除函數的理論數學模型可表示為[64]：

圖8 去除函數模型及截面圖

V(x)=N(c,u,x)·E[up(x),α(x),dp,km]

(1)

式中,V表示沖擊位置x的材料去除量；N為磨料顆粒的空間分布，描述磨料濃度c、射流速度u和沖擊位置x的影響關系；E為單顆磨粒去除的體積，描述沖擊速度up(x)、沖擊角度α(x)、磨料粒度dp和材料特性km的影響關系。

而75°，60°，30°等斜射入時得到去除函數形貌為半月牙形，這兩種形貌的去除函數在面形精度的收斂性會隨著迭代次數的增加而減小，甚至發散。要獲得高精度的表面質量和面形精度，就需要獲得規則且連續的高斯型去除函數，其典型形狀[65-67]的單個高斯型去除函數理論數學模型可表示為：

(2)

式中,A—— 函數曲線峰值的高度

B—— 曲線的寬度

xc—— 曲線峰值的位置

隨著研究人員對加工方法的改進，已研究出多種獲得近高斯型去除函數的方法， 且面形精度隨著迭代次數的增加可以不斷收斂。HORIUCHI等[68]提出了一種噴嘴做偏心圓周運動的加工方式，如圖9a所示，在加工路徑上確定多個間距相同的待加工點，噴嘴則繞每一個待加工點以半徑r做圓周運動進行加工， 以此得到V形去除函數，如圖9b所示，并通過試驗得出該去除函數提高了AWJP拋光與修形的能力。

圖9 偏心圓周運動射流加工

方慧等[69]提出了噴嘴相對靜止而工件自轉的加工方式來獲得中心去除量最大的去除函數，但最后發現該方法不符合機械運動學，缺少了進一步的相關研究。另外她又提出了一種多位置合成沖擊加工方法，如圖10a所示，6個白圈圓心處為6個待加工點，而黑圈部分為實際要去除的區域；通過噴嘴垂直噴射于各待加工點，且加工相同的駐留時間，得出材料的合成去除斑點如圖10b所示，可以看出合成的加工對斑點中心材料去除最大，成功得到了中心去除量最大的去除函數。

圖10 多位置合成射流加工

WANG等[70]在磁射流拋光實驗中提出了一種噴嘴偏心回轉的射流裝置，且通過實驗得出當偏心距離為0.8L(L為W形去除函數峰值與相鄰谷之間的水平距離)時，去除函數的分布非常接近理想的高斯型分布。

彭文強等[71]提出了一種繞中心自轉的狹縫射流去除模型，并通過仿真和試驗獲得了良好的準高斯型去除函數。李兆澤等[8]提出了噴嘴旋轉傾斜射流的方法，并通過試驗獲得了理想的高斯型去除函數，如圖11所示，最后通過穩定性試驗驗證了該去除函數的波動范圍可以控制在5%左右，能實現精密拋光與修形。

李建等[72]提出了斜入式旋轉的掃掠方法，其原理如圖12a、圖12b所示為材料去除示意圖。通過利用該方法對多點進行試驗后獲得了高斯型去除函數， 并對高斯型去除函數進行了對稱性分析和動態去除試驗，證明了利用該方法獲得的去除函數具有較高穩定性。郭宗福等[73]發現，增加一定的射流壓力會將去除函數的形貌由W形轉為雙W形，且去除函數深度呈指數增加；為了能獲得穩定的中間低的去除函數，采用了一種偏心回轉射流裝置，如圖13a所示，來進行拋光試驗，并對比了在不同偏心半徑下仿真與試驗的去除函數輪廓，如圖13b所示，結果表明該方法能夠有效的獲得中間低的去除函數，能夠實現確定性的精密拋光加工。

圖12 斜入式旋轉掃掠射流加工

圖13 偏心回轉射流加工

綜上所述，為解決傳統水射流W形去除函數易產生中高頻誤差的問題[74]，學者們已提出了多種優化方法，但每種方法的獲得形式、去除函數形貌、特點等各不相同，表2對目前已有的幾種去除函數優化方法做了對比與總結。

表2 去除函數的優化方法

4 AWJP中加工路徑的研究

AWJP在對工件表面進行加工過程中，對材料的去除難免會產生不均勻的情況，從而引起過加工和欠加工現象的發生，極易損害工件原有的面型精度。研究人員意識到了加工路徑將嚴重影響工件表面的加工質量，并對其做了深入的研究。

KHAKPOUR等[75]提出了一種用于自由曲面磨料水射流自動拋光的掃描路徑生成方法。通過設計一條參考曲線，利用特定方向上的測地線路徑找到相鄰的偏移曲線，最后主軌跡被劃分為一組連續的子軌跡，如圖14所示。該方法可以在不重新配置三角網格模型的情況下，生成孔洞曲面和復雜邊界上曲線之間具有恒定偏移距離的軌跡，并通過幾個實例表明，該方法能有效地生成符合要求的掃描路徑。

郭宗福等[10]為了解決拋光軌跡引起的表面中高頻面形誤差，提出了一種隨機路徑的生成方法。該方法主要是將路徑的規劃轉換為矩陣中元素排列的問題，首先將離散處理后的工件表面各節點映射到矩陣中，再將路徑節點所對應的矩陣元素按某一順序排列，即可得到一個軌跡向量，最后通過計算機處理形成了一條滿足要求的隨機路徑，如圖15所示。在通過加工試驗時，發現隨機路徑中拐點處的材料去除深度是不均勻的，這樣不利于工件表面的修形處理，所以在采用隨機路徑進行加工時，需要控制其拐點處的加工速度，達到均勻去除的效果。

圖15 隨機路徑

陳雪松等[76]對拋光異型零件時進行了路徑規劃的研究， 通過采用空間圓弧和空間樣條曲線的插補算法來實現對復雜運動軌跡的逼近，并建立了拋光運動的數學模型，通過數值模擬證明了該算法獲得的運動軌跡完全符合射流拋光的要求，為解決AWJP技術的拋光軌跡優化問題提供了新的理論基礎。

韓艷君等[77]針對拋光在材料均勻去除和面形校正兩方面的應用開展了一系列相關研究，其中包括實現AWJP對材料均勻去除的物理均勻覆蓋路徑規劃理論、面形校正中基于路徑適應性的殘余誤差優化等。通過對兩種類型的材料去除分布，如圖16所示，進行仿真與試驗，其中一組使用固定間隔掃描路徑，另一組采用自適應路徑，以實際檢驗直接進給速度規劃方法用于確定性材料去除的可行性，同時又確定了固定間隔路徑和區域自適應路徑的直接進給率規劃方法的可行性，得出區域自適應路徑可以在不影響加工精度的情況下有效減小對機床施加的動態應力。

圖16 材料去除分布圖

綜上可知，目前關于AWJP路徑規劃的研究比較少，與傳統機械拋光不同的是，AWJP在設計加工路徑的同時，需要考慮去除函數、駐留時間、路徑間距等因素之間的關系，既要減少中頻誤差的產生，又要提高加工效率，因此AWJP路徑的規劃研究也是一個不可忽略的方向之一。

5 AWJP的改進與結合技術

為了進一步提高AWJP加工的精度，研究人員們對射流成形的方式進行了一系列的改進。PENG等[78]研究了負壓空化射流的性能，并與普通射流做了射流速度的仿真對比，結果如圖17所示。空化射流束速度核心區的長度為11 mm左右，而普通射流束僅為5 mm，所以經過負壓空化處理后提高了射流速度的性能。唐宇等[79]通過模擬研究了不同環境負壓和進口射流壓力空化量的變化，得出在負壓空化磨料水射流系統中，磨料水射流起到主要的拋光作用，而負壓空化僅為輔助增強作用。最后對K9玻璃進行150 min拋光處理后獲得了2.5 nm的表面粗糙度。CHEN等[80]也提出了負壓空化磨料水射流復合拋光方法，其加工原理如圖18a所示，通過在加工系統中提供一個真空負壓的環境，使磨料混合液能高速從噴嘴噴出，去除強度遠高于普通的射流拋光。王輝等[81]搭建了負壓吸流拋光試驗平臺，如圖18b所示，并對Cuh62進行了拋光試驗，其表面粗糙度達到了68.7 nm。可以看出負壓空化射流技術有著非常好的拋光效果， 但相比普通射流拋光來說其成本較高，而且結構相對復雜，所以對負壓空化射流技術還需更深層次的研究。曹澤平等[82]研制出了一種新型的環流式空化噴嘴，通過試驗得出環流式空化射流對表面會產生吸附效果，使噴嘴外部依然存在空化效應，增強了噴嘴的加工性能。

圖17 空化射流與普通射流速度對比圖

圖18 負壓空化拋光

微磨料空氣射流技術是近年來對硬脆材料進行微細加工的新型技術，有著成本低、易控制、環保等優點。WANG等[83]對空氣磨料射流拋光技術建立了去除材料的預測模型，通過對石英玻璃進行一系列的試驗驗證了模型的準確性和必要性，最后試驗和理論結果均得出小尺寸的磨料和低噴射氣流壓力更能有效地獲得光滑表面。李全來[84-85]采用微磨料氣射流拋光方法對玻璃和硅片進行了加工試驗，其加工系統如圖19a所示，研究了各工藝參數對表面粗糙度的影響，并構建了一種能有效預測表面粗糙度的回歸模型。葛江勤等[86]在磨料氣射流和水射流的基礎上，提出了氣-液-固三相磨粒流加工方法，該方法主要基于氣泡的增強效應，其加工原理及局部加工過程如圖19b、圖19c所示，最后通過對單晶硅片進行拋光實驗，使平均粗糙度達到了2.84 nm。

圖19 空氣磨料射流拋光

將AWJP與其他技術相結合，獲得了許多新的加工方法[87-89]，如磁射流拋光、超聲振動輔助射流拋光、液浮法拋光、 自激振蕩磨粒流拋光等各種新的組合拋光方法，這些新型的拋光方法將是AWJP研究的一個熱門方向。美國QED公司[90]首先提出了磁射流拋光技術，通過噴嘴附近軸向的磁場對射流束的約束作用，使射流束能保持穩定而細長的狀態，如圖20a、圖20b所示為磁射流拋光原理圖及對比圖，并對熔石英玻璃進行磁射流拋光試驗，PV值從408 nm降低到了42.5 nm，RMS值從50.3 nm降低到6.1 nm。LEE等[91]對銅和鎳材料進行了磁射流拋光試驗，得到了Ra值分別為1.84 nm和2.31 nm的超光滑表面。楊歡[92]設計了一種新型的磁場發生裝置，如圖20c所示，該裝置能夠保證穩定的磁場外形特征和提供不同的磁場強度，并通過對氧化鋁陶瓷材料進行了拋光試驗，獲得了較好的表面質量。海闊[93]設計了一種擁有高效循環和攪拌模式的磁射流拋光裝置， 如圖20d所示， 并將導磁金屬5CrNiMu的表面粗糙度拋光到了80 nm以下。

圖20 磁射流拋光

WANG等[36]將超聲扭轉振動技術與AWJP結合，通過對氮化鋁陶瓷進行拋光試驗， 得出該結合技術能提高單個磨粒的臨界磨削深度，從而提高加工精度。ANTHONY B等[94-95]利用縱向振動超聲換能器和聲透鏡聚焦產生超聲振動，使磨料流產生超聲空化效應，推動磨料沖蝕表面實現拋光加工，其原理如圖21a所示，并通過試驗得出該方法的加工效率是普通拋光的380%。陳藝文等[96]提出了一種新型的聚焦超聲振動磨料拋光技術，原理如圖21b所示，即采用凹球殼聚焦超聲振動的方式在拋光液中產生聚焦磨料流對工件進行拋光，經試驗將碳化硅工件的表面粗糙度從6.948 μm 降低到了0.488 μm。萬宏強等[97]對超聲復合磨料振動拋光進行了研究，得出磨料質量分數為30%、拋光時間為4 h時，拋光效果最佳。

圖21 超聲輔助拋光

彌謙等[98]提出了液浮法拋光技術，其工作原理如圖22所示，利用具有剪切增稠效應的非牛頓流體作為拋光液，將磨頭的拋光面與工件之間隔開并形成一層液膜，高壓射流帶動固態磨粒在液膜中對工件粗糙表面的凸峰進行剪切作用，從而實現材料的去除；秦琳等[99-100]對該技術進行了加工工藝的優化，并對K9玻璃進行了90 min的拋光試驗，其表面粗糙度到達了1.023 nm。

圖22 液浮法拋光工作原理圖

鄧乾發等[101]提出了一種基于自激振蕩脈沖特性的磨粒流拋光方法， 利用自激振蕩腔使磨粒流產生振蕩脈沖，有效解決了細長管件和微孔內壁難以加工的問題，其自激振蕩發生裝置如圖23所示， 并將不銹鋼管件內壁的粗糙度Ra從480 nm降至50 nm；之后為了能提高其加工效率， 周輝等[102-103]又提出了雙腔室自激振蕩磨粒流拋光的方法，利用串聯的2個自激振蕩腔體，對脈沖特性進行二次放大，有效增強了拋光液的峰值的速度和湍流動能。胡建軍等[104]提出了一種自激振蕩型氣噴嘴，并通過試驗分析了噴嘴長徑比、腔徑比等參數對自激振蕩效果的影響，為把該噴嘴應用于磨料水射流拋光加工中提供了理論基礎。

圖23 自激振蕩發生裝置原理圖

綜上所述，這些通過改進而衍生出的射流拋光技術在一定程度上大大提升了拋光性能，但在拋光原理、拋光效率、經濟性、加工范圍等方面都大不相同，如今技術的創新已成為AWJP的研究熱點，確定一種合適的加工方式是精密加工過程中的重要步驟，表3對目前射流拋光的幾種技術做了定性的總結與比較。

表3 射流拋光技術比較

6 結論

(1) AWJP技術加工過程涉及非常復雜的流體力學特性，工藝參數之間相互影響的機理非常深奧，將機器自適應學習技術引入射流加工，建立系統化、模塊化、智能化的數據庫，針對不同材料的物理、化學特性，優化匹配磨料液濃度和形狀、噴嘴形狀、噴射壓力和距離等工藝參數，搭配出最優化的工藝參數組合，有望進一步提高AWJP的加工精度， 為今后該技術的自動化與企業化發展提供技術支持；

(2) AWJP的磨料水射流能量束具有一定的不穩定性，不利于確定性加工，為得到更加精確、穩定的高斯型去除函數，需要深入研究固液兩相磨料流的內、外流場特性，解決磨料液在射流過程中發散、濃度、流變性能的波動問題。現有的高斯型去除函數機械結構復雜，穩定性弱，通過簡化機械結構獲得穩定高斯型去除函數依舊是研究的熱點；

(3) 提高產品零件的高形狀精度和高表面粗糙度，除了精準的材料去除函數外，還需要配合加工路徑的優化。迫切的需要高精確的駐留時間算法和路徑規劃函數，實現點、線、面的可控去除。同時，需要高精度的控制與檢測技術，滿足加工檢測一體化的需要，實現能夠有效反應加工過程中工件的表面形貌和材料去除量變化；

(4) AWJP技術將更趨向與多種技術集成的復合加工，集多種技術優點于一體。如結合負壓空化技術可以提高射流速度，進而提高加工效率；結合超聲振動技術，可以提升加工精度；結合磁流變技術可以很大程度上改善射流發散性等。通過輔助技術與AWJP技術相結合，進一步提高加工性能有待進一步研究。同時簡化復合加工設備結構，提高加工穩定性也是未來研究的重要方向之一。