微磨料氣射流加工結構化拓撲魚鱗表面的實驗研究

摘要" 為了在脆性難加工材料上制備結構化魚鱗表面，首先提取了魚鱗表面的拓撲特征，建立了魚鱗單元的表面模型，并基于魚鱗模型進行搭接，得到結構化魚鱗表面；然后根據微磨料氣射流加工原理，分析了氣射流加工拓撲魚鱗實驗的可行性與影響結構化魚鱗表面形貌的重要工藝參數；最后采用單因素實驗法對重要加工參數進行實驗分析，得到了較好的拓撲魚鱗表面單元，并以此進行排布得到結構化表面。研究結果表明，微磨料氣射流加工結構化拓撲魚鱗表面較為合理的工藝參數組合是加工時間為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，魚鱗表面的形態和尺寸可能會受到一定的影響，但魚鱗表面的拓撲屬性保持不變。

關鍵詞" 微磨料射流加工；魚鱗表面；拓撲特征；表面形貌

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，其為了在水環境中運動而進化出表面形態多樣的魚鱗結構[1-2]。這些表面結構為人類仿生設計流體中機械結構的減阻表面提供了靈感，國內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構，張德遠等[5]使用軟刻技術制備了溝槽形貌的鯊魚皮結構，韓鑫等[6]采用微壓印法復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構。

上述研究人員提出的魚鱗表面制備方法有其各自的優缺點：激光加工速度快、加工質量好，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斷刀、磨損等問題；軟刻技術可以制備出高精度的魚鱗表面，但制備過程復雜、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，難以實現硬脆材料的加工；3D打印技術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構，對于大尺寸的魚鱗結構制備過程緩慢、成本高[3-7]。通過比較這些方法，發現其各自存在局限性，且對于硬脆材料的魚鱗表面制備都有一定的不足之處。

本文通過提取結構化魚鱗表面的拓撲特征[8]，基于微磨料氣射流加工具有的高效、靈活、環保、無熱影響區等優良特性[9]，提出了一種在硬脆材料上制備結構化拓撲魚鱗表面的高效率、高精度和低成本的加工方法。為實現這一方法，對微磨料氣射流加工的工藝參數進行設計，通過對比不同工藝參數下的表面形貌，探究出拓撲魚鱗單元的合理加工方案。最后基于鱗片單元表面模型，設置微磨料氣射流加工噴嘴位移參數，加工出結構化拓撲魚鱗表面。

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，發現不同魚類生物存在各具特色的鱗片結構，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成，圖1所示為4類魚鱗的表面結構。

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構密切相關。隨著魚類游動時水流的流經，魚鱗表面前緣的凸起部分會產生一股水流，這股水流會沿著魚鱗表面的深度方向形成一個低壓區，從而形成一種隨行波結構[16]。這種特殊結構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。

從幾何拓撲學角度來看，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撲學特征[8]。

1.2" 拓撲魚鱗表面的模型建立

對不同的魚鱗表面進行拓撲特征分析，通過提取魚鱗結構單元的長度lm、寬度wm、深度dm以及魚鱗最低點偏心距離e等參數，建立一個描述魚鱗輪廓特征的拓撲特征參數向量Tm：

Tm=[lm" wm" dm" e]T""" （1）

通過提取的拓撲特征參數向量，對魚鱗表面模型進行設計，雖然不同的魚鱗表面結構單元在平面內的輪廓尺寸和形狀均發生了顯著變化，但魚鱗表面結構單元的深度仍維持在微米級別，并保持著隨行波結構。這種變換是連續且不重復的，屬于“同胚”變換的一種，即使拉長了的魚鱗結構單元，也可通過拓撲特征的提取將復雜魚鱗表面認為是具有隨行波結構的橢圓結構，這種結構與沒有變化之前的魚鱗結構單元等價，具有相同的減阻屬性[8]。圖3a為拓撲魚鱗單元輪廓示意圖；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，表示拓撲魚鱗表面的單元長度和隨行波結構的理想模型。

坐標原點Om為魚鱗中心基準點，因此在構建魚鱗單元分布模型時，僅需考慮中心基準點Om的布局。同時，通過合理設置排布參數，可錯位堆疊出較為標準的結構化魚鱗表面。如圖4所示，單元排列示意圖表明魚鱗表面呈錯位排列。設i代表第i行，j代表每行的第j列，則中心基準點Om的坐標為：

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的實驗原理

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

E3=Δm/ma""" （3）

式中：Δm為被蝕除物質的質量；ma為實現蝕除質量的磨料粒子的質量。

由玻璃等材料脆性斷裂相關理論可知，當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的常數；v為磨料射流中磨粒的速度；C2為常數，由實驗確定。

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

當射流沖擊角度為θ（θ≠90°）時，沖蝕率可表示為[11]：

式中：n1和n2為常數，由實驗確定；Hv為工件材料的維氏硬度。

當微磨料氣射流加工時，磨粒速度和氣壓P的關系可表示為[12]：

v=C3pq

式中：C3和q為常數，由實驗確定。

根據式（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，由其他常數整合。

當射流沖擊角度θ≠90°時，工件的表面形貌可預測為橢圓形凹坑，且隨著角度的變化，最深點位置會發生變化，呈現出前深后淺的隨行波結構，如圖6所示。

3" 實驗裝置及步驟

依據上述條件，實驗采用自主研發的MAJM設備，如圖7所示，該設備具有多種工藝參數的調控功能。實驗中調整的工藝參數有氣射流壓力、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。實驗材料為醫用實驗玻璃片。實驗采用單因素實驗法，對工件進行多組加工實驗，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" 實驗結果與分析

4.1nbsp; 魚鱗表面單元結果分析

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行加工實驗，得出魚鱗表面隨行波結構變化表面的不同加工形貌圖。如圖8所示，當射流角度分別為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，當射流角度為30°時，拓撲魚鱗單元的長度為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，呈現出隨行波結構；由圖8b可知，當射流角度為45°時，拓撲魚鱗單元的長度為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，隨行波結構未能呈現；由圖8c可知，當射流角度為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，與設計深度相比更深。綜上可知，隨著射流角度的增加，結構化表面的最低點逐漸變深。依據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構特征，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行加工實驗，得出結構化表面的不同輪廓曲線。由圖9a可知，當加工時間為15 s時，拓撲魚鱗單元的長度為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，隨行波結構較為不明顯；由圖9b可知，當加工時間為20 s時，拓撲魚鱗單元的長度為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對工件表面進行加工實驗，得出結構化表面的不同輪廓曲線。由圖10a可知，當靶距離為5 mm時，拓撲魚鱗單元的長度為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，但隨行波結構較為明顯；由圖10b可知，當靶距離為15 mm時，拓撲魚鱗單元的長度為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（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）等工藝參數不變，通過給定不同的氣射流壓力對工作表面進行加工實驗，得出結構化表面的不同輪廓曲線。由圖11a可知，當氣射流壓力為0.4 MPa時，拓撲魚鱗單元的長度為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，與隨行波結構相差較大，并不滿足提取拓撲特征的要求；由圖11b可知，當氣射流壓力為0.6 MPa時，拓撲魚鱗單元的長度為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，且由于實驗設備限制，壓力過高時，氣體壓力難以長時間保持穩定。

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°，滿足結構化拓撲魚鱗表面制備需求，制備的拓撲魚鱗表面3D圖如圖12所示。

4.2" 魚鱗表面排布結果分析

依據實驗結果分析的拓撲魚鱗表面單元，用式（2）進行魚鱗表面的錯位排布，使魚鱗單元互相搭接出結構化拓撲魚鱗表面（圖4）。根據選定的魚鱗單元表面輪廓參數，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所示的結構化拓撲魚鱗表面。

5" 結論

（1）結構化魚鱗表面的隨行波結構有較好的減阻效果，開展在硬脆材料上制備結構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、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構化魚鱗表面。

（2）采用微磨料氣射流加工方法制備結構化魚鱗拓撲表面，可以保證制備的魚鱗表面具有特有的隨行波結構特征。當加工時間為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，制備的結構化魚鱗拓撲表面的隨行波結構較為明顯，且加工出的表面形貌與魚鱗表面的設計形貌較為接近。

（3）本文的研究存在一定的局限性，如加工結構化表面過程中部分魚鱗形狀不規整，拓撲魚鱗的表面粗糙度較大等，需進一步優化實驗方法和設備。

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