超聲輔助微細磨料水射流沖蝕K9 玻璃的實驗研究

張旭，秦世康，齊歡，Viboon Tangwarodomnukun

（1.浙江工業大學 a.機械工程學院 b.特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，杭州310023；2.Department of Production Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangkok 10140, Thailand）

K9 光學玻璃材料具有強度高、耐磨性強、光學透明度高、化學物理性能穩定等優點，在航空航天、微電子、信息技術等領域得到了廣泛應用[1-4]。然而，K9 玻璃是一種典型的硬脆材料，具有較低的斷裂韌性，在加工過程中容易產生裂紋和亞表面損傷[5]。因此，采用傳統的機械加工方法難以實現K9 玻璃表面微結構的高效率、高質量加工，而微孔、微通道等微結構又是實現一些特定功能的基礎。

微細磨料水射流加工技術是一種新型非接觸式加工技術。與其他微細加工技術相比，具有無熱損傷、切削效率高、柔韌性高等優勢，幾乎可以切割任何材料，特別是在硬脆材料等難加工材料領域，具有獨特的優勢[6-8]，可用于在各種材料上加工微結構[9-12]。

然而，相較于傳統磨料水射流，微細磨料水射流技術采用了更小的噴嘴，使用的磨料粒徑很小，且含量低，同時使用的射流壓力也更小[13]，加工能力有所下降，導致了加工形貌較差。Wang 等[14]用微細磨料水射流技術進行了玻璃表面的微孔加工實驗研究，由于使用了小粒徑磨料和較低的射流壓力，工件表面的黏性流動引起的塑性沖蝕成為了材料去除的主導方式，因此微孔截面呈現出“W”形，微孔中心處的材料較難去除。Pang 等[10,15]也進行了類似的實驗研究，他們在玻璃表面進行微通道加工，得到的微通道底部表面呈現波紋狀形貌。

為提升微細磨料水射流技術的加工性能，Lv 等[16]在工件處引入了超聲振動，進行了氮化鋁陶瓷拋光實驗，結果表明，超聲振動可以顯著提升微細磨料水射流的加工效率。Qi 等[17]采用數值模擬手段對超聲輔助微細磨料水射流沖蝕玻璃的過程進行了仿真，結果也表明，超聲振動可以增加材料去除率。Hou 等[18]和陳雪松等[19]的實驗研究也表明，以超聲振動作為輔助手段，可以有效提升微細磨料水射流的沖蝕能力。但超聲振動對沖蝕形貌的改善效果還有待研究。

本文設計了相關實驗，在自主搭建的超聲輔助微細磨料水射流加工裝置上進行了K9 玻璃表面微孔加工實驗，進一步研究了超聲振動在微細磨料水射流沖蝕加工K9 玻璃等硬脆材料過程中的作用，重點探討了超聲振動對微孔形貌、深度、頂部孔徑和底面平坦程度的影響，為提高微細磨料水射流的加工能力和質量提供技術支持。

1 加工系統工作原理

目前，微細磨料水射流加工系統常采用前混合式系統，其工作原理為：預先將水和磨料加入磨料桶中混合，并時刻保持攪拌器攪動，使磨料在水中均勻分布，為提升磨料的分散懸浮能力，可以加入一些添加劑。隨后，磨料與水的混合物經過增壓泵的增壓，獲得較高的壓力，最后流經內徑極小的噴嘴，形成高速微細磨料水射流束，沖向待加工工件表面。噴嘴或工件可以夾持在運動平臺上，實現各個方向的運動，從而加工出各種形狀的微細結構。

超聲輔助加工是將超聲加工與機械加工結合形成的新型復合加工技術，通過在加工工具或工件上施加超聲振動，使加工工具或工件作小振幅超聲頻振動，從而可以獲得更好的加工性能[20-22]。在微細磨料水射流加工領域，超聲振動可以施加在噴嘴上[23]，也可以施加在工件上[24]，振動方向通常與工件加工表面垂直或平行，采用不同的方式可以達到不同的效果。

超聲振動平臺（如圖1 所示）帶動工件在垂直于工件加工表面方向以頻率f、振幅Af振動，工件振動的位移函數可以表達為：

圖1 超聲輔助微細磨料水射流加工示意Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic-assisted micro-abrasive water jet system

式中：vw為工件的運動速度，m/s；y為工件的位移，m；t為工件運動時間，s；f為超聲振動頻率，Hz；Af為超聲振動振幅，m。

對工件施加超聲振動后，一方面會增大射流與工件之間的相對運動速度；另一方面，超聲振動也使工件表面的流場發生周期性振蕩，改變工件表面尤其是射流滯止區內靜壓的分布，從而影響磨粒的運動速度和軌跡，最終影響微細磨料水射流的加工性能。

2 K9 玻璃沖蝕鉆孔實驗

2.1 實驗材料

工件材料選用了 K9 玻璃，尺寸為 45 mm×22 mm×2 mm，如圖2 所示。其硬度高，斷裂韌性低，是一種脆性難加工材料，在精密加工過程中容易產生微裂紋。K9 玻璃的具體材料參數見表1。磨料選擇氧化鋁顆粒，密度為 3900 kg/m3，維氏硬度為14.7 GPa，它的硬度高，價格便宜，適用于玻璃材料的加工實驗。實驗中選用了平均粒徑dp為5 μm（主要粒徑范圍為2.7～7 μm，約占83%）的氧化鋁磨料。

圖2 實驗用K9 玻璃Fig.2 K9 glass in the experiment

表1 實驗中K9 玻璃的材料參數Tab.1 Material parameters of K9 glass in the experiment

2.2 實驗裝置

圖3 是自主設計搭建的超聲輔助微細磨料水射流加工裝置，包含微細磨料水射流加工系統和超聲輔助系統兩個基本的系統。裝置中最重要的部件是增壓泵，其性能的優劣關乎微細磨料水射流的穩定性。實驗中采用了最大輸出壓力可達20 MPa 的隔膜式計量泵，此泵允許磨料和水的混合物直接流經其管路。增壓泵出口處連接了囊式蓄能器，可以起到儲存能量、穩定壓力、減少功率消耗、補償滲漏、吸收壓力脈動和緩和沖擊力等多種作用。蓄能器使用前需要充裝氮氣，充氣壓力約為系統工作壓力的60%（用于穩定隔膜式計量泵的輸出壓力）。噴嘴的材料為氧化鋯陶瓷，內徑為0.125 mm，長度為10.5 mm，具有較好的耐磨性，形成的水射流有較好的集束性。噴嘴固定于三維運動平臺上，可以在X、Y、Z方向上以精度0.001 mm運動。超聲振動輔助系統主要包含超聲發生器、換能器、變幅桿和夾具等，為整個加工過程提供第二動力源，其峰值功率為1000 W，振動頻率為20 kHz，輸出端最大振幅為20 μm（可在0～20 μm 間調節）。

圖3 超聲輔助微細磨料水射流加工裝置[24]Fig.3 Ultrasonic-assisted micro-abrasive water jet processing equipment

2.3 實驗方案

微細磨料水射流沖蝕能力強弱的影響因素有很多，選取影響較大的射流壓力P和加工時間t作為工藝參數變量，進行單因素實驗。射流壓力和加工時間均選取了3 個水平，進行全因子實驗，可得到9 種組合，每種組合在工件超聲振動和無超聲振動的條件下進行對比實驗，一共得到18 組實驗。具體的加工工藝參數選取見表2。

表2 實驗工藝參數及取值Tab.2 Experimental variables and processing parameters

所有實驗均在自主搭建的超聲輔助微細磨料水射流加工裝置上進行。噴嘴被夾具夾持在三維運動平臺上，始終與工件保持垂直，靶距為2 mm。工件固定在超聲振動平臺上，在與噴嘴垂直方向上以20 kHz的超聲振動頻率和10 μm 的振幅作周期性振動。實驗中對K9 玻璃進行定點沖蝕，從水射流從噴嘴出口出射開始計時，達到設定時間后結束沖蝕。每組實驗均重復進行3 次，以排除偶然誤差。

3 結果與討論

3.1 微孔形貌

實驗結束后，使用基恩士超景深三維顯微鏡對各條件下加工所得的微孔進行了觀測，其中加工時間為60 s 時引入超聲振動前后K9 玻璃表面的微孔形貌如圖4 所示，各微孔相應的截面輪廓如圖5 所示[24]。從圖4 中可以發現，無論有無超聲振動，采用粒徑為5 μm 的氧化鋁磨料在K9 玻璃表面加工出的微孔底面中心處均有明顯的凸起，截面形貌呈現“W”形。一般認為，“W”形截面微孔的形成是由于工件材料的去除方式以塑性沖蝕為主，這說明超聲振動的引入并未改變小顆粒磨粒對工件材料的去除機理。引入超聲振動后，微孔的尺寸發生了明顯的變化。從截面輪廓圖中可以看出，微孔孔徑略微有所減小，但深度明顯增加，總體材料去除率得到提升。同時，底面凸起的范圍在引入超聲振動后有所減小。

圖4 微孔形貌Fig.4 Micro-hole morphology: a) without ultrasonic vibration, P=4 MPa; b) with ultrasonic vibration, P=4 MPa; c) without ultrasonic vibration, P=6 MPa; d) with ultrasonic vibration, P=6 MPa; e) without ultrasonic vibration, P=8 MPa; f) with ultrasonic vibration, P=8 MPa

圖5 微孔截面輪廓Fig.5 Micro-hole section profile

為進一步分析超聲振動對微細磨料水射流在K9玻璃表面加工微孔效果的影響，對微孔的主要尺寸進行了測量，如圖6 所示。具體包含微孔頂部直徑、微孔深度和駝峰值（Hump depth，定義為微孔底面最低處到中間凸起頂部的高度差）。每個微孔均取不同方向的4 條截面輪廓線進行尺寸測量，由于每組實驗均重復了3 次，最終的結果是12 條截面輪廓線上測量結果的平均值。

圖6 微孔主要測量尺寸Fig.6 Main measurement dimensions of the micro-hole

3.2 微孔深度

各實驗條件下的微孔深度如圖7 所示。在相同射流壓力條件下，無論是否引入了超聲振動，微孔深度均隨著加工時間的增加而增大。這是由于隨著加工時間的增加，更多的磨粒沖擊工件表面，從而造成材料的進一步去除，使得微孔深度增加。隨著加工時間的進一步增加，微孔深度存在一個臨界值，即隨著加工時間增加，微孔深度保持不變。這是因為隨著微孔深度的增加，在保持射流噴嘴與工件表面噴射距離一定的情況下，射流沖擊能量逐漸減少，從而導致其中磨粒沖擊工件材料的動能減少。如果磨粒沖擊工件材料的動能已經不足以造成工件材料的失效進而從工件表面去除，那么微孔的深度將不會再增加。因此，在這個值以下，微孔的深度與加工時間呈正相關。

對比圖7a—c 可發現，微孔的深度與射流壓力也呈正相關。由流體力學中管道流動的伯努利方程（1/2ρv2=P）可知，在流體密度ρ一定的情況下，射流壓力P越大，射流流速v也就越大，從而流場中的磨粒可以獲得更大的沖擊動能，沖蝕能力更強，造成更多的材料去除。

圖7 微孔深度對比Fig.7 Comparison of the hole depth

對比在同等條件下有無超聲振動加工的微孔深度，可以發現，超聲振動增大了微孔的深度。在射流壓力較小時，增幅不大，而在射流壓力較大時，深度顯著增加。對比各組實驗的結果發現，射流壓力為8 MPa，加工時間為60 s 時，微孔深度的增幅最大，由67.14 μm 增至103.81 μm，增幅達到了54.6%。

3.3 微孔頂部直徑

圖8 反映了各實驗條件下微孔頂部直徑的大小，微孔的頂部直徑在很大程度上反映了微孔孔徑的大小。從圖8 中可以發現，微孔頂部直徑的大小與射流壓力呈正相關。這是由于射流沿工件表面的黏性流動強弱對微孔孔徑的大小有很大的影響，射流壓力越大，黏性流動的速度越快，因此導致磨粒在工件表面微切削、微犁耕時的能量也越大，從而拓寬了孔徑。微孔頂部直徑的大小與加工時間也呈正相關。這是因為隨著時間的推進，黏性流動流體攜帶的磨料顆粒以較小的角度沖擊工件所產生的塑性沖蝕作用不斷累積，使得微孔的孔徑得以增加。

對比圖8 中同等實驗條件下有無超聲振動時微孔頂部直徑的大小，可以發現，超聲振動的引入導致了微孔頂部直徑有所減小。在各組實驗中，當射流壓力為6 MPa，加工時間為60 s 時，頂部直徑減小幅度最大，由415.69 μm 減小至381.48 μm，降幅為8.2%。這也說明超聲振動使得微細磨料水射流對工件材料的沖蝕作用更加集中，工件表面流場的振蕩誘發了磨粒的二次或多次碰撞，導致對材料的去除更多地發生于水射流的直接沖擊方向，而沿微孔內壁面運動拓寬孔徑的行為有所減少。

圖8 微孔頂部直徑對比Fig.8 Comparison of the top hole diameters

3.4 微孔底面的平坦程度

在微細磨料水射流沖蝕過程中，由于受射流滯止區的影響，小顆粒的磨粒在接近工件表面時會發生較大角度的偏轉，從而導致微孔中心處的材料較難得到去除。同時，在本實驗中，材料去除的方式均以塑性沖蝕為主，故而微孔底面中心存在明顯的凸起，截面形貌呈現典型的“W”形。“W”形中間凸起的占比越小，整個微孔看上去也就越平坦。因此，微孔底面的平坦程度在一定程度上可以用駝峰值與微孔深度的比值來衡量，比值越小，意味著底面越平坦。

圖9 是各實驗條件下加工所得的各個微孔截面駝峰值與深度的比值。這一比值隨著射流壓力的增大而有所減小，這可以用筆者課題組前期的仿真結果進行解釋[25]。射流壓力越大，磨粒的碰撞速度和角度也越大，從而磨粒對工件的沖蝕更靠近中心點，造成中心處更多的材料去除。對比圖9 中同等條件下有無超聲振動時的駝峰值與微孔深度的比值，可以發現，超聲振動的引入顯著降低了這一比值。當射流壓力為8 MPa，加工時間為60 s 時，比值從0.422 降至0.188，降幅達55.5%，這意味著超聲振動的引入使得微孔的底面更加平坦。

圖9 微孔底面平坦程度對比Fig.9 Comparison of the flatness of the micro-hole bottom surface

超聲振動對微孔底面平坦程度的改善效果，主要在于工件的超聲振動使得其表面的靜壓呈現周期性變化[25]，總體上相較無超聲振動時略有減小，引起了小顆粒磨粒對工件表面的動態沖擊過程，在增大射流中心處磨粒最大碰撞速度和角度的同時，增加了磨粒的二次或多次碰撞，從而使微孔中心處的材料得到了更多的去除。

4 結論

本文采用超聲輔助微細磨料水射流對K9 玻璃進行了沖蝕鉆孔實驗研究，著重分析了超聲振動對微孔形貌、尺寸的影響，主要結論如下：

1）通過有無超聲振動時微細磨料水射流在K9玻璃表面加工微孔的深度尺寸對比，可以得出，工件的超聲振動增大了微孔的深度，這一效果在射流壓力較大時尤為明顯。

2）通過有無超聲振動時微孔頂部直徑尺寸的對比，可以得出，超聲振動使得微細磨料水射流的沖蝕更加集中，從而導致微孔頂部直徑減小。

3）通過分析微孔的截面形貌可以發現，超聲振動對微孔深度方向的影響要大于對孔徑方向的影響，雖然孔徑有所減小，但整個微孔的體積是增大的，且小顆粒磨粒對材料的去除機理未發生變化。因此，超聲振動能在不改變材料去除機理的前提下，提升微細磨料水射流的沖蝕能力。

4）超聲振動的引入提升了微孔底面的平坦程度，“W”形截面形貌得到改善，微孔中心的凸起部分材料因工件的振動得到了更好的去除。

綜上所述，超聲振動可以改善微細磨料水射流的沖蝕過程，在提升加工能力的同時改善加工面的形貌，可以實現K9 玻璃等材料的高質量高效率加工。這對推動微細磨料水射流在硬脆材料的微細加工領域的應用具有積極意義。