磨料水射流抛光技术进展综述

林 琳， 何周伟， 胡 涛， 尤 晖

(1.广西大学 机械工程学院， 广西 南宁 530004; 2.广西制造系统与先进制造技术重点实验室， 广西 南宁 530004)

引言

磨料水射流抛光(Abrasive Water Jet Polishing，AWJP)是一种超精密加工技术，通过细小喷头将混有磨料的水溶液喷射在工件表面上，利用磨粒与工件表面的相互冲击与剪切作用来实现材料的去除，在抛光的同时兼具修形能力，能够满足非线性、复杂曲面零件需要的高形状精度和高表面粗糙度的加工要求。AWJP可以通过计算机控制，获得较高的加工质量和自由可调的去除函数[1]，因其无热影响、无热变形、加工范围广、加工精度高的特性，已应用于陶瓷、玻璃、石英、硬质合金及特殊材料的自由型面、复杂三维型面、光滑表面、 微小内腔的加工[2-5]。在机床的实际加工应用方面，代表为英国ZEEKO公司研制的七轴水射流抛光机床FJP720，结合干涉仪的使用实现了AWJP在线测量的技术，并能对自由曲面进行修形与抛光，其面型精度达到了60 nm，表面粗糙度RMS值低至1 nm[6]。加拿大Light Machinery公司的FJP1150F水射流抛光机床能实现复杂形面、微细槽等结构的自动抛光，其最大加工工件尺寸为50 mm×50 mm，面型精度达到了6 nm，RMS值可达1 nm。Optotech公司提出的主动流体射流抛光技术(A-FJP)实现了在同一台设备内进行球面与非球面的修抛，并能达到λ/20的面形精度，之后MANUELA等[7]通过使用打孔的抛光针又改善了A-FJP的加工精度。

国内对于磨料水射流抛光机床的研制与应用起步较晚，大多都是通过对普通数控机床进行改装来实现抛光加工，国防科技大学根据CCOS原理研制出一套磨料水射流抛光装置[8]；东华大学将现有M1432B万能外圆磨床改进形成磨料水射流抛光机床[9]；湖南大学自主研发超精密水射流抛光系统等[10-11]。

随着航空航天、精密器械、信息电子、军事等领域对产品零件的表面形貌、表面精度的要求进一步提高，高精度、高质量、高效率的精密加工技术已成为重要的研究方向。AWJP在精密加工领域具有良好的研究价值和应用前景，但是依然存在加工效率低、结构复杂、稳定性不足等缺点，因此，探究工艺参数、去除函数模型、加工路径算法等是进一步提高其加工精度和加工效率的关键。本研究对当前具有代表性的AWJP技术进行综述，主要阐述射流动能、喷嘴结构、磨料类型、加工路径、去除函数模型以及与其他技术结合而衍生出的一系列新技术，以实现高效率、高精度、高稳定性为目标，对AWJP、材料去除函数模型和新技术的后续研究进行了展望。

1 磨料水射流加工原理

AWJP基本原理如图1a所示，抛光液通过高压泵的加压作用从喷嘴高速射向工件表面，其内部混合的磨料粒子与工件表面通过撞击和剪切作用实现材料去除，进行表面抛光加工[12]。碰撞结束后，抛光液与磨料流回到回收装置中，整个加工过程循环使用，对工件可进行持续加工。现有的加工方式主要分为前混合式射流和后混合式射流，其加工系统原理如图1b、图1c所示。前混合式射流是先将磨料与水混合均匀，再通过增压输送到喷嘴喷射形成磨料水射流。前混合式有着抛光液混合均匀度高、所需压力低、能量利用率高、射流动力特性好等优点，但系统复杂且磨损严重。刘增文[13]研究称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点，并通过表面抛光实验取得了较好的效果。后混合式射流是磨料在喷嘴处的混合腔中与水混合形成抛光液，通过聚焦管而形成射流。其结构简单，磨损小，使用寿命长，但难以将磨料和水混合均匀，导致喷射于工件表面的磨粒发散性高，加工精度低。潘峥正等[14]研究了后混合式中磨料颗粒的运动情况，得出磨料颗粒的速度始终小于高压水速度，而且只有大约20%水射流动能传递给磨粒。目前，考虑到喷流液压系统设备的内部结构和耐磨性能，后混合式使用较为广泛。但随着材料科学和精密加工技术的发展，前混合式因其高效率、高精度的优点将替代后混合成为研究的热点。

图1 磨料水射流抛光系统原理图

2 AWJP加工过程中各工艺参数的影响

2.1 射流动能参数对加工性能的影响

射流动能主要体现于磨粒的动能，磨粒获得的能量越大、速度越快，对材料表面的影响就越明显。图2所示为对硼酸玻璃进行AWJP加工试验的结果，可以看出加工表面的粗糙度Ra随磨粒动能E增大而增大[15]。

图2 表面粗糙度与磨粒动能的关系

要想提高材料去除效率与加工精度，需要对影响磨粒动能的高敏感参数进行深入研究，如射流压力、 角度、距离、磨料参数等。邹云等[16]采用正交试验法研究了部分工艺参数对304不锈钢表面粗糙度的影响，得出工艺参数的影响主次为：进给量f>喷射压力p>横移速度u>喷射距离d，其各工艺参数对水射流抛光强化效果的曲线效应如图3a所示，强化效果综合分值为Sc。李兆泽等[8]分析了几个重要的工艺参数对材料去除效率及表面粗糙度的影响，通过对K9平面玻璃进行单点驻留抛光试验， 最终得出工艺参数对材料去除率C的影响主次为：喷射压力p>磨料浓度c>喷射距离d>喷射角度α；对粗糙度的影响主次为：喷射压力p>喷射角度α>喷射距离d>磨料浓度c， 如图3b所示。李志荣等[17]通过对硅片进行水射流抛光试验，得出几个工艺参数对硅片表面质量的影响主次为：靶距>射流压力>喷射角度>磨料浓度。

图3 工艺参数影响主次关系

国内外研究员关于AWJP中各个工艺参数对工件表面质量的影响做了大量研究。MATSUMURA等[18]通过研究滞留区大小对磨粒冲击角度的影响，提出了实现无裂纹现象的微槽加工与抛光方法。ANTHONY等[19]对碳化钨进行了磨料水射流抛光试验，发现低压射流和大磨料粒度能够减少表面的加工纹理，有效避免了磨料颗粒嵌入工件表面，提高了抛光效果。张玉等[20]通过对平面玻璃进行不同冲击角度的定点冲击试验，得出冲击角度越小会导致材料去除形状越不对称，且去除率逐渐降低，主要归因于射流中磨料粒子的碰撞角度及碰撞次数的变化。芈绍桂等[21]研究了射流速度和冲击角度对材料去除特性的影响， 试验结果表明小角度的冲击对于存在瑕疵的工件表面具有更好的去除效果， 且材料的去除量随着射流速度增大而增大。彭家强等[22]对不同喷射距离的影响进行了仿真与实验，发现当喷射距离是喷嘴直径的10～13倍时能拥有较好的射流特性。WANG等[23]研究了喷射距离对镍铜合金与BK7光学玻璃表面去除特性的影响， 试验结果表明对于韧性材料的镍铜合金最佳喷射距离为25～35 mm，脆性材料BK7光学玻璃为8 mm。乔泽民等[24]利用均匀试验设计方法获得了磨料水射流加工的最优工艺参数，结果表明此方法可节省70%的时间，大大提高了加工效率。GUO等[25]通过调整射流距离、压力、角度以及磨料尺寸的参数，对Q235钢表面进行抛光试验后无法同时获得高去除宽度、高去除均匀性和低粗糙度的理想表面，研究得出对任何2个参数的优化都会降低其他参数的去除效果。

综上，射流压力对加工的影响较大，且加工不同的材料需要的压力范围跨度大，其余工艺参数需要相互匹配，参数与参数之间相互影响。针对不同的被加工材料， 国内外学者对各工艺参数的组合做了大量的研究，并通过正交实验获得了最优的参数组合，详见表1。

表1 材料加工工艺参数表

2.2 喷嘴结构对加工性能的影响

在AWJP中除射流动能参数外，喷嘴的形状、数量、运动方式等都对加工性能有很大的影响。为得到更强的加工能力和更好的表面质量，需要对喷嘴性能进行定性的研究。梁钦等[37]通过对锥形和流线形喷嘴内流场进行仿真，得出锥形喷嘴入口收缩角越小其能量损失越小，且流线形喷嘴能量损失比锥形小。何茵楠等[38]对锥直型喷嘴的流动特性进行了仿真研究，得出当锥角为30°时，射流动压最稳定。陈冰冰等[39]通过对锥直形和流线形结构的喷嘴进行仿真对比，得出流线形喷嘴内流场状况更具有稳定性。除此之外，戴旭杰等[40]和宋孝宗等[41-42]都设计出了锥柱形和余弦形两种结构的喷嘴，如图4a、图4b所示；通过仿真和试验对比分析，得出余弦形喷嘴具有较好的聚束性能、抗卷吸能力和喷雾效果，利用余弦形喷嘴可以获得更高的表面质量；但余弦形喷嘴的射流反推力要高于其余型腔结构的喷嘴，故在安装喷嘴时需考虑喷嘴反推力对加工的影响[43]。徐国敏等[44]对余弦光-液耦合喷嘴结构参数进行了田口法优化分析，并对单晶硅材料进行抛光处理后获得了1.09 nm的表面粗糙度。

WANG等[45]研发了一种管直线喷嘴，孔口形状是长而窄的矩形，在双侧处具有半圆形，如图4c所示，与普通射流抛光喷嘴相比，该结构喷嘴的材料去除率提高了1145%，且去除均匀性也得到了显著提高。

芈绍桂等[46]设计出了一种矩形喷嘴结构，基于并行的去除方式来提高加工效率，其垂直冲击射流分布示意图如图4d所示。通过建立去除理论模型并仿真，得出随着矩形喷嘴长宽比的逐渐增大，材料的去除率先增大后减小。当矩形喷嘴的长宽比控制在10左右时，可以获得良好的去除效果。张航航等[47]设计了一种菱柱矩形光液耦合喷嘴，结构如图4e所示，并通过仿真与试验得出矩形喷嘴的长宽比系数θ在0.075～0.3时射流性能最佳。通过以上研究可知，在AWJP加工中，喷嘴结构参数的优化以及形状的改进对加工精度的提高有着重要的影响，目前喷嘴内部型腔多采用流线型结构。

图4 喷嘴结构示意图

除了对喷嘴内部型腔结构的研究，研究人员又对喷嘴数量的影响开展了一系列的探索。罗银川等[48]提出了多喷嘴结构的加工方法，并建立了单喷嘴、三喷嘴和七喷嘴的材料去除理论模型，如图5所示。通过试验研究和对去除量的分布进行计算与比较，得出当喷射距离为10d(d为喷嘴直径)，各喷嘴间距为5d时，三喷嘴和七喷嘴的材料去除率分别是单喷嘴的2.16和4.25倍，大大提高了加工效率。通过多喷嘴设计理念的提出，WANG等[49]提出了采用阵列喷嘴结构， 并通过实验发现极大地提高了射流抛光的去除效率，可以满足大型工件的超精密抛光加工。

图5 去除函数理论模型

2.3 磨料参数与添加剂对加工性能的影响

磨料作为AWJP技术中材料去除的主体，其形状、大小、种类等参数对加工的效率和加工工件的表面质量有着直接影响，图6a为目前已有的几种常见磨料粒子形状。强争荣等[50]研究了磨料粒子圆度对加工的影响，结果表明磨料圆度越大，出口速度就越大，材料去除率越高，对喷嘴磨损越小。PENG等[51]研究了磨料粒子尺寸对抛光质量的影响如图6b所示，通过仿真模拟不同尺寸粒子在加工过程中的运动轨迹，发现大粒径的粒子会严重偏离射流中心；最后通过抛光试验得出磨料粒子粒径越大，去除率越高，但获得的表面粗糙度较差；粒径越小，去除率越低，加工表面较为光滑。付文静等[52]研究了粒径均匀性对射流去除特性的影响，结果表明不同粒径粒子的冲击去除率分布相似，但冲击去除率随粒径的增大而减小。ZHAO等[53]分析了磨料粒度对材料去除的影响，增大磨料尺寸时，去除材料的横截面从W形变为了U形，并通过试验分析得出粒子间的碰撞是材料去除的主要原因，而纳米级的粒子抛光表面以原子形式逐个去除。

为进一步提升加工性能，国内外采用不同种类的磨料粒子开展了一系列试验研究。PENG等[54]将纳米粒子作为射流抛光的去除磨料， 提出了纳米粒子喷射抛光技术，其去除机理如图6c所示。通过纳米颗粒表面羟基与吸附在工件表面的羟基发生键合作用，带走了工件表面的原子，实现原子级材料去除，并通过抛光试验将K9玻璃表面粗糙度从0.72 nm降低至0.41 nm。王星等[55-56]通过采用SiO2胶体颗粒取代硬质磨料，将K9玻璃抛光处理后粗糙度从5.233 nm降至1.649 nm；后又通过将纳米胶体射流抛光与空化技术相结合，使加工效率比普通纳米胶体射流提高了20%左右，并对单晶硅加工后获得了粗糙度Ra为0.904 nm(RMS 1.225 nm)的超光滑表面。

图6 磨料粒子的参数特性

冰粒射流抛光是一种新型抛光技术[57]，KARPUSC-HEWSKI B等[58]研制出的冰粒射流装置(如图7所示)能够制备出直径100～700 μm的冰粒，并可实现对42CrMo4等硬脆材料的抛光处理。RAMBABU S等[59]对冰粒制备的条件进行了研究，得出在-4 ℃的温度下制备的冰粒具有较高的硬度、摩擦系数以及较低的磨损率。

图7 冰粒射流装置

国内对冰粒射流抛光的研究起步较晚，初期仅用来做光整、除锈等[60]加工，郭宗环等[61]采用混合引射法来产生冰粒射流，并对45钢抛光处理获得了最低粗糙度为4.9 μm的表面。冰粒射流抛光虽然有成本低、磨损小、环保等优点，但是目前对于微小冰粒的制备、运输和储备还是一大难题，对其机理和装置的完善还需更深层次的研究。

抛光液中加入添加剂能增大磨粒的混合浓度，并使磨粒混合更均匀，提高对材料的去除效率。袁卓林等[62]通过采用SiC固体磨粒、纯水和水蜡混合而成的抛光液对热作模具钢4Cr5MoSiV1进行了表面抛光试验，得出高浓度添加剂的磨料液对高硬度的工件表面有良好的去除效果。孙鹏飞等[63]发现增大抛光液的黏度会减小去除函数的深度，且去除形状及范围不变，故通过使用添加剂来改变抛光液黏度有利于工件表面质量的提高。

3 AWJP加工过程中的去除函数模型

在AWJP加工中，喷嘴入射角90°时得到去除函数形貌为W形，如图8所示，其中h为去除函数模型截面高度。根据垂直喷射的轴对称特性，W形去除函数的理论数学模型可表示为[64]：

图8 去除函数模型及截面图

V(x)=N(c,u,x)·E[up(x),α(x),dp,km]

(1)

式中,V表示冲击位置x的材料去除量；N为磨料颗粒的空间分布，描述磨料浓度c、射流速度u和冲击位置x的影响关系；E为单颗磨粒去除的体积，描述冲击速度up(x)、冲击角度α(x)、磨料粒度dp和材料特性km的影响关系。

而75°，60°，30°等斜射入时得到去除函数形貌为半月牙形，这两种形貌的去除函数在面形精度的收敛性会随着迭代次数的增加而减小，甚至发散。要获得高精度的表面质量和面形精度，就需要获得规则且连续的高斯型去除函数，其典型形状[65-67]的单个高斯型去除函数理论数学模型可表示为：

(2)

式中,A—— 函数曲线峰值的高度

B—— 曲线的宽度

xc—— 曲线峰值的位置

随着研究人员对加工方法的改进，已研究出多种获得近高斯型去除函数的方法， 且面形精度随着迭代次数的增加可以不断收敛。HORIUCHI等[68]提出了一种喷嘴做偏心圆周运动的加工方式，如图9a所示，在加工路径上确定多个间距相同的待加工点，喷嘴则绕每一个待加工点以半径r做圆周运动进行加工， 以此得到V形去除函数，如图9b所示，并通过试验得出该去除函数提高了AWJP抛光与修形的能力。

图9 偏心圆周运动射流加工

方慧等[69]提出了喷嘴相对静止而工件自转的加工方式来获得中心去除量最大的去除函数，但最后发现该方法不符合机械运动学，缺少了进一步的相关研究。另外她又提出了一种多位置合成冲击加工方法，如图10a所示，6个白圈圆心处为6个待加工点，而黑圈部分为实际要去除的区域；通过喷嘴垂直喷射于各待加工点，且加工相同的驻留时间，得出材料的合成去除斑点如图10b所示，可以看出合成的加工对斑点中心材料去除最大，成功得到了中心去除量最大的去除函数。

图10 多位置合成射流加工

WANG等[70]在磁射流抛光实验中提出了一种喷嘴偏心回转的射流装置，且通过实验得出当偏心距离为0.8L(L为W形去除函数峰值与相邻谷之间的水平距离)时，去除函数的分布非常接近理想的高斯型分布。

彭文强等[71]提出了一种绕中心自转的狭缝射流去除模型，并通过仿真和试验获得了良好的准高斯型去除函数。李兆泽等[8]提出了喷嘴旋转倾斜射流的方法，并通过试验获得了理想的高斯型去除函数，如图11所示，最后通过稳定性试验验证了该去除函数的波动范围可以控制在5%左右，能实现精密抛光与修形。

李建等[72]提出了斜入式旋转的扫掠方法，其原理如图12a、图12b所示为材料去除示意图。通过利用该方法对多点进行试验后获得了高斯型去除函数， 并对高斯型去除函数进行了对称性分析和动态去除试验，证明了利用该方法获得的去除函数具有较高稳定性。郭宗福等[73]发现，增加一定的射流压力会将去除函数的形貌由W形转为双W形，且去除函数深度呈指数增加；为了能获得稳定的中间低的去除函数，采用了一种偏心回转射流装置，如图13a所示，来进行抛光试验，并对比了在不同偏心半径下仿真与试验的去除函数轮廓，如图13b所示，结果表明该方法能够有效的获得中间低的去除函数，能够实现确定性的精密抛光加工。

图12 斜入式旋转扫掠射流加工

图13 偏心回转射流加工

综上所述，为解决传统水射流W形去除函数易产生中高频误差的问题[74]，学者们已提出了多种优化方法，但每种方法的获得形式、去除函数形貌、特点等各不相同，表2对目前已有的几种去除函数优化方法做了对比与总结。

表2 去除函数的优化方法

4 AWJP中加工路径的研究

AWJP在对工件表面进行加工过程中，对材料的去除难免会产生不均匀的情况，从而引起过加工和欠加工现象的发生，极易损害工件原有的面型精度。研究人员意识到了加工路径将严重影响工件表面的加工质量，并对其做了深入的研究。

KHAKPOUR等[75]提出了一种用于自由曲面磨料水射流自动抛光的扫描路径生成方法。通过设计一条参考曲线，利用特定方向上的测地线路径找到相邻的偏移曲线，最后主轨迹被划分为一组连续的子轨迹，如图14所示。该方法可以在不重新配置三角网格模型的情况下，生成孔洞曲面和复杂边界上曲线之间具有恒定偏移距离的轨迹，并通过几个实例表明，该方法能有效地生成符合要求的扫描路径。

郭宗福等[10]为了解决抛光轨迹引起的表面中高频面形误差，提出了一种随机路径的生成方法。该方法主要是将路径的规划转换为矩阵中元素排列的问题，首先将离散处理后的工件表面各节点映射到矩阵中，再将路径节点所对应的矩阵元素按某一顺序排列，即可得到一个轨迹向量，最后通过计算机处理形成了一条满足要求的随机路径，如图15所示。在通过加工试验时，发现随机路径中拐点处的材料去除深度是不均匀的，这样不利于工件表面的修形处理，所以在采用随机路径进行加工时，需要控制其拐点处的加工速度，达到均匀去除的效果。

图15 随机路径

陈雪松等[76]对抛光异型零件时进行了路径规划的研究， 通过采用空间圆弧和空间样条曲线的插补算法来实现对复杂运动轨迹的逼近，并建立了抛光运动的数学模型，通过数值模拟证明了该算法获得的运动轨迹完全符合射流抛光的要求，为解决AWJP技术的抛光轨迹优化问题提供了新的理论基础。

韩艳君等[77]针对抛光在材料均匀去除和面形校正两方面的应用开展了一系列相关研究，其中包括实现AWJP对材料均匀去除的物理均匀覆盖路径规划理论、面形校正中基于路径适应性的残余误差优化等。通过对两种类型的材料去除分布，如图16所示，进行仿真与试验，其中一组使用固定间隔扫描路径，另一组采用自适应路径，以实际检验直接进给速度规划方法用于确定性材料去除的可行性，同时又确定了固定间隔路径和区域自适应路径的直接进给率规划方法的可行性，得出区域自适应路径可以在不影响加工精度的情况下有效减小对机床施加的动态应力。

图16 材料去除分布图

综上可知，目前关于AWJP路径规划的研究比较少，与传统机械抛光不同的是，AWJP在设计加工路径的同时，需要考虑去除函数、驻留时间、路径间距等因素之间的关系，既要减少中频误差的产生，又要提高加工效率，因此AWJP路径的规划研究也是一个不可忽略的方向之一。

5 AWJP的改进与结合技术

为了进一步提高AWJP加工的精度，研究人员们对射流成形的方式进行了一系列的改进。PENG等[78]研究了负压空化射流的性能，并与普通射流做了射流速度的仿真对比，结果如图17所示。空化射流束速度核心区的长度为11 mm左右，而普通射流束仅为5 mm，所以经过负压空化处理后提高了射流速度的性能。唐宇等[79]通过模拟研究了不同环境负压和进口射流压力空化量的变化，得出在负压空化磨料水射流系统中，磨料水射流起到主要的抛光作用，而负压空化仅为辅助增强作用。最后对K9玻璃进行150 min抛光处理后获得了2.5 nm的表面粗糙度。CHEN等[80]也提出了负压空化磨料水射流复合抛光方法，其加工原理如图18a所示，通过在加工系统中提供一个真空负压的环境，使磨料混合液能高速从喷嘴喷出，去除强度远高于普通的射流抛光。王辉等[81]搭建了负压吸流抛光试验平台，如图18b所示，并对Cuh62进行了抛光试验，其表面粗糙度达到了68.7 nm。可以看出负压空化射流技术有着非常好的抛光效果， 但相比普通射流抛光来说其成本较高，而且结构相对复杂，所以对负压空化射流技术还需更深层次的研究。曹泽平等[82]研制出了一种新型的环流式空化喷嘴，通过试验得出环流式空化射流对表面会产生吸附效果，使喷嘴外部依然存在空化效应，增强了喷嘴的加工性能。

图17 空化射流与普通射流速度对比图

图18 负压空化抛光

微磨料空气射流技术是近年来对硬脆材料进行微细加工的新型技术，有着成本低、易控制、环保等优点。WANG等[83]对空气磨料射流抛光技术建立了去除材料的预测模型，通过对石英玻璃进行一系列的试验验证了模型的准确性和必要性，最后试验和理论结果均得出小尺寸的磨料和低喷射气流压力更能有效地获得光滑表面。李全来[84-85]采用微磨料气射流抛光方法对玻璃和硅片进行了加工试验，其加工系统如图19a所示，研究了各工艺参数对表面粗糙度的影响，并构建了一种能有效预测表面粗糙度的回归模型。葛江勤等[86]在磨料气射流和水射流的基础上，提出了气-液-固三相磨粒流加工方法，该方法主要基于气泡的增强效应，其加工原理及局部加工过程如图19b、图19c所示，最后通过对单晶硅片进行抛光实验，使平均粗糙度达到了2.84 nm。

图19 空气磨料射流抛光

将AWJP与其他技术相结合，获得了许多新的加工方法[87-89]，如磁射流抛光、超声振动辅助射流抛光、液浮法抛光、 自激振荡磨粒流抛光等各种新的组合抛光方法，这些新型的抛光方法将是AWJP研究的一个热门方向。美国QED公司[90]首先提出了磁射流抛光技术，通过喷嘴附近轴向的磁场对射流束的约束作用，使射流束能保持稳定而细长的状态，如图20a、图20b所示为磁射流抛光原理图及对比图，并对熔石英玻璃进行磁射流抛光试验，PV值从408 nm降低到了42.5 nm，RMS值从50.3 nm降低到6.1 nm。LEE等[91]对铜和镍材料进行了磁射流抛光试验，得到了Ra值分别为1.84 nm和2.31 nm的超光滑表面。杨欢[92]设计了一种新型的磁场发生装置，如图20c所示，该装置能够保证稳定的磁场外形特征和提供不同的磁场强度，并通过对氧化铝陶瓷材料进行了抛光试验，获得了较好的表面质量。海阔[93]设计了一种拥有高效循环和搅拌模式的磁射流抛光装置， 如图20d所示， 并将导磁金属5CrNiMu的表面粗糙度抛光到了80 nm以下。

图20 磁射流抛光

WANG等[36]将超声扭转振动技术与AWJP结合，通过对氮化铝陶瓷进行抛光试验， 得出该结合技术能提高单个磨粒的临界磨削深度，从而提高加工精度。ANTHONY B等[94-95]利用纵向振动超声换能器和声透镜聚焦产生超声振动，使磨料流产生超声空化效应，推动磨料冲蚀表面实现抛光加工，其原理如图21a所示，并通过试验得出该方法的加工效率是普通抛光的380%。陈艺文等[96]提出了一种新型的聚焦超声振动磨料抛光技术，原理如图21b所示，即采用凹球壳聚焦超声振动的方式在抛光液中产生聚焦磨料流对工件进行抛光，经试验将碳化硅工件的表面粗糙度从6.948 μm 降低到了0.488 μm。万宏强等[97]对超声复合磨料振动抛光进行了研究，得出磨料质量分数为30%、抛光时间为4 h时，抛光效果最佳。

图21 超声辅助抛光

弥谦等[98]提出了液浮法抛光技术，其工作原理如图22所示，利用具有剪切增稠效应的非牛顿流体作为抛光液，将磨头的抛光面与工件之间隔开并形成一层液膜，高压射流带动固态磨粒在液膜中对工件粗糙表面的凸峰进行剪切作用，从而实现材料的去除；秦琳等[99-100]对该技术进行了加工工艺的优化，并对K9玻璃进行了90 min的抛光试验，其表面粗糙度到达了1.023 nm。

图22 液浮法抛光工作原理图

邓乾发等[101]提出了一种基于自激振荡脉冲特性的磨粒流抛光方法， 利用自激振荡腔使磨粒流产生振荡脉冲，有效解决了细长管件和微孔内壁难以加工的问题，其自激振荡发生装置如图23所示， 并将不锈钢管件内壁的粗糙度Ra从480 nm降至50 nm；之后为了能提高其加工效率， 周辉等[102-103]又提出了双腔室自激振荡磨粒流抛光的方法，利用串联的2个自激振荡腔体，对脉冲特性进行二次放大，有效增强了抛光液的峰值的速度和湍流动能。胡建军等[104]提出了一种自激振荡型气喷嘴，并通过试验分析了喷嘴长径比、腔径比等参数对自激振荡效果的影响，为把该喷嘴应用于磨料水射流抛光加工中提供了理论基础。

图23 自激振荡发生装置原理图

综上所述，这些通过改进而衍生出的射流抛光技术在一定程度上大大提升了抛光性能，但在抛光原理、抛光效率、经济性、加工范围等方面都大不相同，如今技术的创新已成为AWJP的研究热点，确定一种合适的加工方式是精密加工过程中的重要步骤，表3对目前射流抛光的几种技术做了定性的总结与比较。

表3 射流抛光技术比较

6 结论

(1) AWJP技术加工过程涉及非常复杂的流体力学特性，工艺参数之间相互影响的机理非常深奥，将机器自适应学习技术引入射流加工，建立系统化、模块化、智能化的数据库，针对不同材料的物理、化学特性，优化匹配磨料液浓度和形状、喷嘴形状、喷射压力和距离等工艺参数，搭配出最优化的工艺参数组合，有望进一步提高AWJP的加工精度， 为今后该技术的自动化与企业化发展提供技术支持；

(2) AWJP的磨料水射流能量束具有一定的不稳定性，不利于确定性加工，为得到更加精确、稳定的高斯型去除函数，需要深入研究固液两相磨料流的内、外流场特性，解决磨料液在射流过程中发散、浓度、流变性能的波动问题。现有的高斯型去除函数机械结构复杂，稳定性弱，通过简化机械结构获得稳定高斯型去除函数依旧是研究的热点；

(3) 提高产品零件的高形状精度和高表面粗糙度，除了精准的材料去除函数外，还需要配合加工路径的优化。迫切的需要高精确的驻留时间算法和路径规划函数，实现点、线、面的可控去除。同时，需要高精度的控制与检测技术，满足加工检测一体化的需要，实现能够有效反应加工过程中工件的表面形貌和材料去除量变化；

(4) AWJP技术将更趋向与多种技术集成的复合加工，集多种技术优点于一体。如结合负压空化技术可以提高射流速度，进而提高加工效率；结合超声振动技术，可以提升加工精度；结合磁流变技术可以很大程度上改善射流发散性等。通过辅助技术与AWJP技术相结合，进一步提高加工性能有待进一步研究。同时简化复合加工设备结构，提高加工稳定性也是未来研究的重要方向之一。