**基于荫罩掩模的磨料浆液射流聚焦技术用于螺旋微通道的微加工**

《Journal of Manufacturing Processes》：Abrasive slurry jet focusing using a shadow mask for the micromachining of helical channels

　　

在微流体领域，具有小特征尺寸的微通道可产生具有可预测速度分布的层流，从而能够精确操控流体流动，应用于微换热器、微混合器和相分离装置。其中，利用螺旋微通道的惯性微流体装置用于微粒子分选尤其引人关注。在此类装置中，更窄的通道可提高分离效率，并使分选更小粒子成为可能。近年来，磨料射流技术加工微通道的潜力日益显现，其中磨料浆液射流（Abrasive Slurry Jet, ASJM）因其高度聚焦的射流且无气泡而最具前景，可实现更窄且重复性更高的微加工。为限制加工特征的尺寸，可使用耐侵蚀掩模界定其边缘。然而，现有文献中关于使用掩模辅助ASJM或磨料水射流（AWJM）预测表面演化的计算流体动力学（CFD）辅助模型研究仍然有限，且针对荫罩掩模（shadow mask）用于微加工的研究更为匮乏，针对弯曲靶材（如圆棒）的模型则更少。本论文中，研究人员引入了一种新型ASJM荫罩掩模系统，该系统能够在非掩模情况下加工出更窄、更深且螺距更小的螺旋通道。研究人员扩展了既有的基于CFD的分析框架，通过引入一个新的上游子域来模拟流体流经荫罩掩模的复杂流动和粒子-壁面相互作用，并确定掩模出口处聚焦粒子通量和速度分布；一个下游子域则用于预测加工通道轮廓。这种新的两步法使得新建立的掩模诱导粒子聚焦及壁面相互作用能够高效地整合到现有CFD框架中。实验使用304不锈钢圆棒（直径5 mm）进行，结果表明，在相同条件下，荫罩掩模系统加工的通道比非掩模ASJM加工的通道窄67%、中心线深度大93%，深宽比提高220%。此外，荫罩掩模使得加工通道的几何形状实际上不依赖于螺旋角，从而能够在2°的低螺旋角和0.5 mm螺距下加工出通道，远优于非掩模情况（7.25°和2 mm）。在掩模未完全磨穿的情况下，磨料通量和速度以及加工出的通道几何形状与掩模磨损程度无关，从而显著延长了掩模的使用寿命。在非掩模情况下，圆棒在加工至约300 μm深度时会因弯曲应力而断裂，而掩模配置中降低的浆液冲击压力消除了这一问题。

##### 论文解读：基于荫罩掩模的磨料浆液射流聚焦技术用于螺旋微通道微加工

**一、研究背景与问题**

在微流体领域，具有小特征尺寸的微通道可实现层流状态下的精确流体操控，广泛应用于微换热器、微混合器及相分离装置。其中，基于螺旋微通道的惯性微流体装置在微粒子分选方面展现出独特优势：更窄的通道能提高分离效率并实现对更小粒子的分选。然而，螺旋微通道的传统加工方法极为困难。近年来，磨料浆液射流（Abrasive Slurry Jet, ASJM）因其高度聚焦的射流特性和无气泡卷入的优势，已成为微通道加工领域最具前景的技术之一。为精确控制加工特征的尺寸，通常采用耐侵蚀掩模来界定加工边缘。在此方面，已有研究多集中于使用接触掩模或荫罩掩模（shadow mask，一种不与工件表面直接接触、通过遮挡部分射流来限定加工区域的掩模）配合气驱动磨料空气射流（AJM）在平面基底上加工特征。然而，对于使用掩模辅助的ASJM或磨料水射流（AWJM）的表面演化预测模型研究十分有限，且现有少数研究仅关注接触掩模而非荫罩掩模，针对弯曲靶材（如圆棒）的模型则几乎没有。此外，既有掩模方法在螺旋通道加工中面临掩模安装繁琐、通道宽度受限等问题，限制了对更硬材料的加工能力和更小螺距通道的制备。因此，亟需开发一种能够突破上述局限的新型加工策略。

**二、研究内容与意义**

针对上述挑战，研究人员首次提出并评估了一种用于ASJM的新型荫罩掩模系统，旨在实现更窄、更深、螺距更小的螺旋微通道加工。该系统将两个平行碳化钨板作为掩模，安装于喷嘴末端，使射流穿过两板之间的狭缝，从而实现射流聚焦。研究人员还扩展了既有的基于计算流体动力学（CFD）的分析框架，开发了一个两步建模方法：第一步，利用上游子域模拟流经荫罩掩模的复杂流场及粒子-壁面相互作用，获取掩模出口处的粒子通量与速度分布；第二步，将上述结果引入下游子域，预测加工通道的表面演化轮廓。实验采用直径5 mm的304不锈钢圆棒进行多道次加工验证。结果表明，在相同工艺条件下，荫罩掩模系统加工的通道较非掩模ASJM通道的宽度减小67%、中心线深度增加93%、深宽比提高220%，且圆棒在加工至约300 μm深度时未发生非掩模条件下出现的弯曲断裂失效。该研究为高效加工高性能螺旋微通道器件提供了一种全新的技术路径，对推动惯性微流体粒子分选装置的发展具有重要意义。

**三、关键技术方法**

本研究采用经改装可实现ASJM的OMAX 2626射流加工中心，磨料选用320 W石榴石颗粒（粒径43 ± 10 μm），水压233 MPa。核心装置为自行设计制造的荫罩掩模组件，由两片3.5 mm厚碳化钨掩模板构成可调狭缝（优化开口宽度150 μm），通过精密定位螺钉和弧形槽实现掩模开口方向与螺旋加工路径的对准。实验采用直径5 mm的304不锈钢圆棒，由小型车床夹持并旋转。数值模拟方面，采用COMSOL Multiphysics v6.2平台，建立了两步CFD模型：上游域采用k-ω湍流模型和两相相场法模拟射流穿过掩模的流场，下游域则模拟从掩模出口至圆棒表面的流动与侵蚀过程；粒子追踪采用拉格朗日框架，结合Oka侵蚀模型和表面演化算法预测通道轮廓的渐进变化。

**四、主要研究结果**

（1）掩模磨损行为与流场分析：实验表明，掩模在加工过程中渐进磨损，在未完全磨穿掩模厚度之前，加工通道的中心线深度最大变化仅10.5%、宽度变化仅6.4%，通道轮廓基本不受影响；一旦掩模完全磨穿，通道宽度增加40%、深度下降约50%。CFD模拟揭示，部分磨损状态下掩模出口开口尺寸保持不变，因此中心线速度和粒子质量通量分布几乎不受上游几何形状变化的影响；掩模完全磨穿后，射流在出口处展宽，粒子聚焦效应丧失，中心线通量降低，导致通道变宽变浅。

（2）多道次加工与非掩模对比：荫罩掩模系统可实现高重复性的均匀多道次通道加工。经4道次加工后，掩模通道中心线深度达280 μm、宽度430 μm，而非掩模通道深度仅145 μm、宽度720 μm；掩模通道的深度、宽度缩减和深宽比分别提升了93%、67%和220%。CFD模型对中心线深度和通道开口宽度的预测误差分别不超过3.2%和7.4%。分析表明，掩模聚焦效应提高了中心线处的磨料质量通量，同时降低了靶面滞止区压力，既增强了中心线侵蚀，又抑制了粒子横向偏转导致的通道展宽。掩模通道在第2道次后即因浆液被局限于通道内部而趋于宽度稳定，比非掩模条件提前了一半的道次数。

（3）螺旋角的影响：在2°至41°的螺旋角范围内，荫罩掩模加工的单道次通道的中心线深度和开口宽度最大差异仅分别为6.4%和7.8%，处于实验误差范围内，表明通道几何形状对螺旋角不敏感。原因是掩模开口始终与螺旋加工路径保持平行，且窄小的射流足迹（约410 μm）限制了圆棒曲率引起的粒子冲击角度变化。CFD模拟进一步证实，不同螺旋角下粒子质量通量与速度的组合效应及冲击角函数g(α)的平均值几乎不变。初步数值模拟还表明，圆棒直径从8 mm减小至1 mm时，粒子冲击角分布向更浅角度偏移，g(α)增大，但本研究中射流足迹相对棒径较小，该效应有限。

（4）低螺旋角下的优异表现：在2°螺旋角条件下，荫罩掩模可加工出相邻螺旋线圈无重叠的清晰通道，而非掩模通道则出现相邻线圈重叠且深度较浅。CFD粒子轨迹模拟显示，掩模配置中浆液从相邻通道线圈上方通过而不冲击已加工区域，从而保全了已有通道的开口几何形状和中心线深度。

（5）偏置效应：在7.25°螺旋角条件下，将荫罩掩模喷嘴从圆棒最高点（TDC）向侧面偏移1 mm，可使通道中心线深度增加40%，而宽度保持不变。CFD分析表明，偏移导致滞止区减弱并侧移，使粒子更集中于射流中心线附近，从而增强了该区域的综合质量通量与速度效应。

**五、总结与结论**

本研究成功开发并验证了一种用于ASJM的新型荫罩掩模系统，实现了窄螺旋微通道的高效微加工。CFD模型对掩模通道轮廓的预测误差在中心线深度不超过3.2%、在通道开口宽度不超过7.4%，为揭示掩模内复杂流动与侵蚀机制提供了有力工具。主要结论如下：（1）在相同条件下，荫罩掩模系统加工的通道宽度减小67%、中心线深度增加93%、深宽比提高220%，且通道宽度在加工道次仅为非掩模一半时即达到稳定；（2）掩模聚焦效应提高了通道中心线处的局部粒子质量通量，是性能提升的核心机制；（3）得益于高度聚焦的射流足迹，加工通道几何形状不依赖螺旋角，且可在远小于非掩模条件的螺旋角（2°）和螺距（0.5 mm）下进行加工，有助于在相同棒长上制备更长的通道，从而提升惯性微流体粒子分选的分离效率；（4）在掩模未完全磨穿之前，磨料通量和速度不随磨损程度变化，加工通道几何形状保持一致，显著延长了掩模有效使用寿命；（5）掩模配置中降低的浆液冲击压力消除了非掩模圆棒在加工至约300 μm深度时因弯曲应力导致的断裂问题。