微細(xì)磨料噴射加工技術(shù)綜述［摘要］本文闡述了微細(xì)磨料噴射加工技術(shù)的產(chǎn)生及原理，介紹了國內(nèi)外微細(xì)磨料噴射加工技術(shù)研究現(xiàn)狀并對這一技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。［關(guān)鍵詞］微細(xì)磨料噴射加工工藝參數(shù)近年來，玻璃、陶瓷、單晶硅等具有高硬度、高脆性和高熔點(diǎn)的材料越來越多的應(yīng)用于電子元器件、光學(xué)儀器、微機(jī)電系統(tǒng)和半導(dǎo)體等領(lǐng)域。由于傳統(tǒng)的加工方法如激光加工、化學(xué)蝕刻等本身的缺陷將對加工對象或加工設(shè)備產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，使得加工范圍受到限制，很難用于加工硬脆材料或制造尺寸微小的器件。微細(xì)磨料噴射加工技術(shù)（Micro-AbrasiveJetMachining,MAJM）則可以很好地解決硬脆材料的加工問題，微細(xì)磨料噴射加工是用高速氣流將微細(xì)磨料加速，用高速的微細(xì)磨料粒子沖擊硬脆材料的工件，被加工工件表面被沖擊后表層材料就被去除的一種加工方法。首先，由于這種加工方法不是用刀具來切割，所以工件整體所受的力非常小，這樣就不會(huì)使工件破碎，并且加工過程不產(chǎn)生熱，對工件的性質(zhì)沒有影響；其次，利用這種方法所加工出的形狀完全由噴嘴移動(dòng)的軌跡決定，所以可以用于加工出任意形狀的孔和槽；最后，這種加工方法所使用的設(shè)備簡單、造價(jià)低廉，可以大大地節(jié)約加工成本。另外這種加工方法也可以用于掩膜加工和刻蝕加工，為加工微小孔和刻線加工提供了新的有效的方法。微細(xì)磨料噴射加工技術(shù)的產(chǎn)生及原理微細(xì)磨料噴射加工技術(shù)的基本加工原理和傳統(tǒng)的噴砂加工原理相同，即由氣體攜帶磨料微粒形成高速氣流沖擊工件表面而去除工件材料。當(dāng)磨料沖擊工件表面時(shí)，微小的磨粒就像細(xì)小的刀刃一樣擊碎工件表面而產(chǎn)生小的碎屑，每一個(gè)沖擊顆粒只能去除很少的材料，氣流將磨料微粒和破碎的材料顆粒一起帶走。但微細(xì)磨料噴射加工在磨料的粒度、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、加工精度等方面的要求不同于傳統(tǒng)的噴砂加工，在加工工藝上也有顯著區(qū)別。噴砂工藝的主要用途是清理工件表面，微細(xì)磨料噴射加工技術(shù)是利用磨料對被加工材料表面進(jìn)行沖擊加工；噴砂工藝所使用的磨料粒度比微細(xì)磨料噴射加工技術(shù)中的磨料粒度大很多，并且噴砂對磨料的均勻性沒有嚴(yán)格要求，微細(xì)磨料噴射加工要求直徑較小的均勻磨料；微細(xì)磨料噴射加工的磨料能完成精確地切削加工，噴嘴的直徑比較小，一般小于1毫米，而噴砂所使用的噴嘴直徑較大一般大于3毫米。微細(xì)磨料噴射加工是一個(gè)干加工過程，對環(huán)境無污染，對工件表面不會(huì)產(chǎn)生熱影響，加工變質(zhì)層發(fā)生少，對工件的損傷小，可加工深寬比（定義為孔或切口的深度與孔的直徑或切口的寬度之比）高達(dá)2.5以上的深微結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀和各種材料的加工，易碎和脆性材料更好加工，初始成本低，生產(chǎn)效率高。微細(xì)磨料噴射加工技術(shù)是以氣體為載體，將微細(xì)磨料粒子加速，利用微細(xì)磨料對材料的沖擊進(jìn)行去除加工。微細(xì)磨料噴射加工所用的氣體的壓力比較小（一般在1MPa以下），噴嘴的直徑也比較?。ㄒ话阈∮?毫米）。所以微細(xì)磨料噴射加工技術(shù)主要應(yīng)用于硬脆材料的微細(xì)加工，例如光學(xué)玻璃和硅晶片的打孔和刻蝕等。微細(xì)磨料噴射加工技術(shù)的材料去除機(jī)理如圖1和圖2所示，當(dāng)磨料粒子撞擊到工件表面時(shí)在接觸區(qū)附近的小區(qū)域內(nèi)形成塑性變形區(qū)，而在材料較深處則形成徑向裂紋和橫向裂紋，橫向裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)大就導(dǎo)致了材料的去除。圖1微細(xì)磨料噴射加工材料去除機(jī)理圖2間歇式磨料噴射加工原理國內(nèi)外研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)的噴射加工設(shè)備一般是連續(xù)地噴射磨料，當(dāng)采用小噴嘴或磨料不均勻時(shí)，容易堵塞噴嘴、磨料的噴射量也不容易精確控制。而且磨料容易沉積在加工孔的底部，從而使后續(xù)磨料不能和加工表面直接接觸，隨著加工的繼續(xù)進(jìn)行，加工效率顯著降低。日本東北大學(xué)的教授廚川常元等提出了一種新的微細(xì)磨料噴射加工方法，并且設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)新型實(shí)驗(yàn)裝置。它的原理是間歇式噴射加工，在噴射過程的一個(gè)周期內(nèi)首先噴射磨料和氣體的混合氣，過一段時(shí)間后停止供給磨料，即只噴出載流氣體，用以清除殘留在加工孔中的磨料，使加工表面始終裸露，提高加工效率（如圖1-2所示）。根據(jù)這種間歇式噴射加工原理廚川常元等學(xué)者開發(fā)出了一套新的磨料噴射加工裝置，這個(gè)裝置的原理如圖3所示，該裝置中有兩路氣體，一路作為供給磨料用，另一路為加速氣體，磨料通過負(fù)壓被高速的供給氣體帶進(jìn)混合腔和加速氣體一起從噴嘴噴出。用高速電磁閥來控制磨料供給氣路通斷，當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)只有加速氣體噴出，這時(shí)可以用這路氣體來清除堆積在加工孔底部的磨料。通過控制高速電磁閥的通斷時(shí)間長短及比例可以調(diào)整出最優(yōu)的加工參數(shù)。圖3間歇式噴射加工裝置原理圖印度學(xué)者R.M.Rani和S.Seshan采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，提出：（1）在特定的實(shí)驗(yàn)條件下，有可能精確預(yù)測磨料噴射加工材料去除速率。（2）影響磨料噴射加工的三個(gè)主要因素，噴嘴離工件的距離、氣壓和磨料流量之間存在著依存關(guān)系。（3）在三個(gè)因素中，以磨料流量對材料去除速率的影響最大。印度工學(xué)院機(jī)械系的R.Balasubramniam教授對磨料噴射加工應(yīng)用于表面去毛刺時(shí)產(chǎn)生的邊緣圓角半徑大小進(jìn)行了理論研究，他提出：（1）在磨料噴射加工表面存在著形如鐘口的邊緣半徑。（2）通過建立數(shù)學(xué)模型分析表明，噴嘴到工件之間的距離是影響邊緣半徑大小的最重要因素。日本學(xué)者M(jìn).Wakuda在對陶瓷材料的微細(xì)磨料噴射加工實(shí)驗(yàn)中總結(jié)并提出：（1）在微細(xì)磨料噴射加工中使被加工材料破碎的磨料硬度和剛度是影響材料去除速率的關(guān)鍵因素，但是由于磨料的不同被加工材料去除速率會(huì)有很大的變化，因此在建立材料去除模型時(shí)沒有固定的材料去除速率。（2）磨料噴射加工的陶瓷表面并沒有力的降低，這是因?yàn)榉派錉盍鸭y并沒有沿著粒子撞擊的方向擴(kuò)散。因此，微細(xì)磨料噴射加工陶瓷是一種很有潛力的加工方法。圖4為磨料噴射加工陶瓷表面粒子破碎模型。圖4陶瓷表面粒子破碎模型國際上只有少數(shù)企業(yè)研制開發(fā)了微型噴射加工設(shè)備。日本名古屋SintobratorPtyLtd公司的MoriyasuIzawa開發(fā)研制的MB1型和MB2型微磨料噴砂機(jī)是目前世界最高水平；美國COMCOINC公司生產(chǎn)的小型手提式微磨料噴砂機(jī)，可用于牙齒清潔和普通微細(xì)加工；日本的Nikon公司已經(jīng)商業(yè)化了幾種不同類型的MAJM系統(tǒng)，主要用于在不同材料上蝕刻、印刷，印刷時(shí)的分辨率可達(dá)到80dpi。目前微細(xì)磨料噴射加工在我國還處于開發(fā)研究階段，國內(nèi)關(guān)于這一方面的文獻(xiàn)大部分都是介紹性文章，從理論角度闡述微細(xì)磨料噴射加工的原理、工藝規(guī)律、方法、應(yīng)用范圍和影響加工的因素。吉林大學(xué)對微細(xì)磨料噴射加工進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)了一套間歇式微細(xì)磨料噴射加工裝置，并在玻璃材料上進(jìn)行了微小孔加工實(shí)驗(yàn)，深入分析了各種參數(shù)對加工質(zhì)量的影響。吉林大學(xué)還開展了微細(xì)磨料噴射加工在牙齒修復(fù)方面進(jìn)行了研究，通過改變噴射的壓力噴射時(shí)間噴射距離等，將羥基磷酸鈣（HA）涂鍍到牙齒表面，形成一層堅(jiān)固的膜，以達(dá)到修復(fù)齲齒的目的。微細(xì)磨料噴射加工技術(shù)的應(yīng)用作為一種精密加工技術(shù)，微細(xì)磨料噴射加工在傳統(tǒng)的噴砂加工中引入了精細(xì)加工的概念，應(yīng)用了微細(xì)磨料，磨料的連續(xù)送料裝置和掩膜加工技術(shù)，特別適于加工不宜使用熱加工技術(shù)切割的硬脆材料，如用于制作半導(dǎo)體、電子設(shè)備和液晶顯示元器件、玻璃、陶瓷、聚合