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引用论文
Fuzhu Li, Haiyang Fan, Yuqin Guo, et al. Water-Jet Cavitation Shock Bulging as Novel Microforming Technique. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2021, 34: 4.
研究背景及目的
随着电子、医疗器械、航空航天等领域微型机电系统（MEMS）应用的不断扩大，微器件成形科学与技术取得了显著成效。但由于微尺度效应影响，传统的微成形工艺，存在着一系列难以克服的难题。现有的深反应离子蚀刻、光刻、LIGA、电化学、微细电火花以及机激光冲击等微细加工技术，也存在着效率低、易污染、工艺流程复杂、投资大、不易操作等问题。因此，迫切需要探索新型微成形工艺以解决目前微成形存在的问题。 淹没式的高压水射流通过喷嘴后，可形成携带大量空泡云的空化水射流，空泡在围压及其强烈剪切等复杂条件下，在固壁面附近溃灭会产生GPa的高能微射流，已被广泛的应用到除垢清洗、污水处理、岩土开采、医疗卫生等领域。近年来，将空化水射流应用到材料表面改性也成为了热点研究问题，不仅取得了众多科学成果，而且Boeing、Sikorsky等航空公司已完成了高精密齿轮强化加工，并协同主要轴承制造商Timken和SKF公司对航空轴承进行了强化加工。另外，利用空化水射流在抛光、珩磨、塑性成形等领域的应用也逐渐崭露头角，积累了大量理论和实验成果，进一步验证了空化水射流微成形加工的可行性，其呈现出高效、低耗能、无污染等优良特性更引起了更多行业的关注。本文就是基于前人空化水射流的相关理论及其优势，以空化水射流空泡溃灭高能冲击波为加载力，在针对厚度为100μm的TA2钛箔开展微胀形实验基础上，建立空化水射流工艺参数对微塑性成形的影响规律，探索新型微成形新工艺，为微机电系统微型器件加工提供一种低成本、高柔性的新方法，并为下一步空化水射流微成形理论奠定基础。
试验方法
本文在搭建的空化水射流冲击金属箔材微成形实验台上，采用自行设计的两种微成形模具，利用意大利COMET公司的TW-5570高压柱塞泵提供压力，将喷嘴固定放置于水面60 cm左右处，并垂直向下。同时，在喷嘴和试样水平位置的两侧分别设置高速摄像机、反光镜和LED照明。然后，通过调节入射压力、靶距、冲击时间对TA2钛箔进行微胀形实验。根据空化理论，高压水射流通过空化喷嘴会产生的大量空化核，在围压及强剪切力等复杂环境中，空化核经历了集中、初生和长大，并随高速射流形成携带大量空泡云的空化射流。课题组借鉴前期空化喷丸研究效果及经验，使空泡群在箔材表面集中溃灭，溃灭产生的高压冲击波直接作用在箔材上并向其内部传递，测试空化冲击强度及验证材料Hugoniot弹性极限，确保箔材获取最佳塑性形变条件。最后，通过基恩士VHX-1000C超景深三维显微镜测量成形件的二维截面轮廓、三维成形形貌、截面厚度减薄率等，通过形状测量激光显微镜系统（VK-X250K）观察材料微观形貌和测量微观尺寸，通过S-3400N 型扫描电子显微镜观察试样表面形貌及其断面等表征方法，分析成形件与空化射流参数之间的关系。https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_1786455123527794694
结果
研究结果表明：当入射压力为8 MPa，12 MPa，16 MPa和20 MPa时，相应的成形深度分别为79.5 μm，137.0 μm，163.9 μm和218.1 μm；当入射压力低于12 MPa时，可以清楚地看到材料表面的轧制痕迹，但随入射压力的增加，表面轧制痕迹逐渐变得模糊；在入射压力为20MPa时，工件表面的轧制痕迹几乎完全消失，表面出现了类似橘皮状的粗化现象。
其中，由于从金属箔的圆角到过渡区域，箔材的应力值不受模具的限制而减小，因而厚度减薄率出现下降，且塑性成形不均匀导致样件的过渡区域到底部区域出现了不规则的厚度分布。即：当入射压力从8MPa增至20MPa时，成形件的平均线粗糙度Ra值随入射压力的增加而增大；在不同的入射压力下，从圆角区域到过渡区域样品的厚度减薄率几乎呈下降趋势；当入射压力为20MPa时，空化泡集中溃灭效果达到最佳，且产生更大的冲击载荷，因而样品的厚度从过渡区域到底部区域逐渐增加；在这种入射压力下，空化气泡会发展为更大的尺寸并发生破裂，从而产生更大的冲击载荷，底部区域明显变薄；实验结果表明，随入射压力从8 MPa增至20 MPa时，成形件的最大厚度减薄率由10.28％增加到16.76％。
结论
提出了一种新型的水射流空化冲击微胀形工艺，研究了入射压力对零件成形深度和成形轮廓的影响，以及零件表面形貌和厚度分布。主要结论如下：（1）采用水射流空化冲击微胀工艺成功地实现了TA2钛箔的塑性成形；（2）入射压力是水射流空化冲击微胀过程中的一个重要参数，且TA2钛箔材料的塑性变形随入射压力呈非线性增大；（3）水射流空化冲击钛箔微胀形获得的球形塑性形变，且在入射压力为20 MPa时，形变最大高度超过240μm；（4）随着入射压力的增大，水射流空化获得的箔材微胀形件中心区域表面粗糙度也逐渐增大；（5）除鱼鳞片层相貌区的减薄率较小外，TA2箔材塑性形变的大部分凸起部位的减薄率一般在10%以下，因而，该工艺箔材微胀形件的成形区域厚度分布基本均匀。
前景与应用
从目前检索的文献来看，关于空化水射流冲击微成形的研究还鲜有报道，但利用空化水射流对金属箔材进行微成形是可行的，而且该成形工艺综合了塑性加工高效省材的特点以及空化水射流冲击强化的优势，属于多学科交叉领域，具有极强的研究价值，并且将其应用在微成形领域极强的优势：避免了微凸模制造、对中、间隙以及行程等难以控制的问题，空化水射流作为柔性冲头，其可控性好，属于无模微成形；继承了空化水射流冲击强化的技术优势，具有绿色环保、成本低等显著优势，将板料成形和表面强化融为一体的微成形技术；适应类型广泛，不仅可用于箔材微胀形，可以进行微弯曲、微拉深、微冲裁等方面，拓宽了微成形工艺的加工种类。尽管目前关于空化水射流冲击微成形的研究还处于探索阶段，但通过本文的空化水射流冲击金属箔材微胀形工艺研究，为该项微成形工艺在复杂微型器件成形领域进行了有益的科学尝试和探索，并进一步深入地研究了空化水射流机理、补充了供理论。随着水射流空化微成形微观结构的进一步深入探究和分析，必将形成具有鲜明特色的新型微成形加工方法和理论。
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[2] F Z Li, Z R Tan, LY Chen, et al. Study on dynamic evolution of cavitation clouds and optimizationof standoff distance in water cavitation peening. Journal of MechanicalEngineering, 2019, 55(9):120-126.
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团队带头人介绍
课题组团队带头人：王匀，教授，博士，博士生导师，江苏无锡人。江苏大学吴中先进制造研究院院长，模具所副所长，机制系主任，江苏省锻压学会秘书长，江苏大学吴中先进制造研究院院长，省333第二/三层次培养对象，省“青蓝工程”中青年学术带头人，省优势学科方向负责人，省双创团队成员，省科协首席工程师，省科技服务业百优人才，校“青年拔尖造就”培养对象，镇江市十佳教师，市与在镇高校合作引进培育高层次人才，校优秀硕导。主要研究方向为宏/微材料加工、激光加工、重大装备智能制造。主持完成国家自然基金3项、省部项目10项，参与国家省部项目20余项。获国家科技进步一等奖、中国专利金奖等12项。发表论文100余篇（SCI和EI收录60余篇）、主编教材/专著5本；授权30件发明专利，申请PCT6件。带领学生获省大创项目、省挑战杯、“学创杯”、“创青春”、“星光杯”等奖励。
作者、团队研究方向介绍
本论文的作者：李富柱，博士，副教授，硕士生导师，陕西韩城人，美国韦恩州立大学访问学者，现就职于江苏大学机械工程学院。主要从事机电液一体化、空化水射流及特种加工技术方面的教学与科研工作，近年来，主持参与完成了国家自然基金3项、科技部中小企业创新项目、军工项目、省市级自然科学基金等项目。在“机械工程学报”、“Journal ofMaterials Processing Technology”等国内外重要学术期刊发表学术论文30余篇，获机械工程协会、中国汽车工程协会等奖项，拥有授权发明专利18项。
近两年团队发表文章
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编辑：恽海艳 校对：向映姣
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