錢炳坤，孫玉利，張桂冠，劉 旭，高 航，左敦穩(wěn)

（1.南京航空航天大學(xué)直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016；2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116024）

微流控芯片又被稱為“芯片實(shí)驗(yàn)室”，是微機(jī)電技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的一個(gè)典型應(yīng)用。通過在微流控芯片表面加工微米級(jí)的流道，利用可控的微量液體貫穿整個(gè)微流道系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的各種分析功能[1?3]。為了更好地實(shí)現(xiàn)分析功能，微流控芯片對(duì)材料選取具有很高的要求。有機(jī)高分子聚合物材料聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsilox?ane，PDMS）具有較好的化學(xué)惰性、生物相容性、透光性以及鍵合性，并且無毒，是一種制作微流控芯片 的 理 想 材 料[4?6]。

目前，加工PDMS 的主要方法有模塑法和注塑法等，這些方法可以進(jìn)行大批量復(fù)制生產(chǎn)，加工效率高。然而，它們?cè)诩庸ぶ岸夹枰谱魑⒛＞?，面?duì)日益發(fā)展的微流控芯片多元化應(yīng)用需求，工藝靈活性差的問題便顯得尤為突出。除上述加工方法外，飛秒激光也能夠?qū)DMS 進(jìn)行加工[7]，但是飛秒激光加工具有加工效率低、加工質(zhì)量差、激光器成本高且需要專業(yè)的操作環(huán)境等缺點(diǎn)，極大地限制了其在微流控芯片加工領(lǐng)域中的應(yīng)用。

微磨料氣射流加工技術(shù)是一種利用高速壓縮的空氣加速磨料顆粒對(duì)工件表面進(jìn)行沖蝕加工的微細(xì)加工技術(shù)[8]。該技術(shù)具有熱影響區(qū)小、工藝靈活性強(qiáng)以及加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于加工玻璃、硅、石英和陶瓷等硬脆材料[9?10]。羅國(guó)勝[11]利用微磨料氣射流加工石英玻璃，研究了不同的工藝參數(shù)對(duì)硬脆材料加工效率的影響，發(fā)現(xiàn)加工距離對(duì)加工效率的影響最大。Ghazavi和Papini[12]建立了微磨料氣射流加工玻璃和聚甲基丙烯酸甲酯（Polymeth?yl methacrylate, PMMA）時(shí)的表面演化數(shù)學(xué)模型，該模型能夠?qū)Ω呱顚挶任⑼ǖ赖臋M截面輪廓形狀進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，以便于選擇合適的工藝參數(shù)。

但在常溫下，PDMS 為高彈性材料，使用微磨料氣射流對(duì)其進(jìn)行加工，加工效率很低，甚至為零[13]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在低溫下PDMS 的機(jī)械性能會(huì)發(fā)生改變，表現(xiàn)出類似于脆性材料的性質(zhì)，其硬度 提 高 約50%[14]。Getu 等[15?16]設(shè) 計(jì) 了 一 種 低 溫 微磨料氣射流加工用簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置并開展了低溫微磨料氣射流加工PDMS 的實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)研究表明，當(dāng)PDMS 冷卻至-120 ℃時(shí)，PDMS 會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，具有明顯的脆性特征，加工效率顯著提高。但這種裝置是一種開放式的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置，極易發(fā)生結(jié)冰堵塞噴嘴的現(xiàn)象，在液氮消耗嚴(yán)重的同時(shí)僅能夠驗(yàn)證在低溫下微磨料氣射流加工PDMS等聚合物材料的可行性，加工性能較差，而且飛濺的磨料會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染，在實(shí)際加工中具有很大的局限性，并不能加工出符合技術(shù)指標(biāo)要求的微流控芯片。

本文針對(duì)目前低溫微磨料氣射流加工用簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置存在的問題，提出設(shè)計(jì)一臺(tái)移動(dòng)控制精度能夠達(dá)到±10 μm、旋轉(zhuǎn)控制精度能夠達(dá)到±0.015°的低溫微磨料氣射流加工微流道專用機(jī)床，它利用液氮對(duì)射流進(jìn)行冷卻，并且能夠改變射流的溫度、壓力和流量；通過數(shù)控系統(tǒng)及其人機(jī)交互界面可以改變射流相對(duì)于工件的沖蝕角度、加工距離、進(jìn)給速度以及加工部位。本機(jī)床可在不使用微模具的情況下根據(jù)不同的需求直接在PDMS表面上加工不同形狀的微流道，工藝靈活性強(qiáng)。

1 機(jī)床整體設(shè)計(jì)及工作原理

本機(jī)床分為5 個(gè)部分：微磨料氣射流發(fā)生部分、冷卻部分、加工部分、磨料回收部分和控制系統(tǒng)部分。微磨料氣射流發(fā)生部分主要包括空氣壓縮機(jī)、空氣干燥機(jī)、儲(chǔ)氣罐和噴砂機(jī)；冷卻部分主要包括自增壓液氮罐、液氮電磁閥、液氮液位監(jiān)測(cè)儀、PLC 控制器和冷卻器；加工部分主要包括四維移動(dòng)平臺(tái)、加工腔室和射流噴嘴；磨料回收部分主要包括吸塵器和漏斗；控制系統(tǒng)部分主要包括人機(jī)交互界面、CNC 裝置和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。綜合考慮機(jī)床加工區(qū)域的封閉性、加工過程的可視性以及除塵的實(shí)時(shí)性，合理地設(shè)計(jì)了機(jī)床的布局，保證各運(yùn)動(dòng)部件不會(huì)產(chǎn)生干涉，同時(shí)將液氮液位監(jiān)測(cè)儀安裝到機(jī)床外殼上，以便在加工時(shí)觀察冷卻器的工作狀態(tài)。機(jī)床的整體布局如圖1 所示。機(jī)床主體是厚鈑金與方鋼架的焊接結(jié)構(gòu)，以保證機(jī)床在加工時(shí)具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖1 低溫微磨料氣射流加工微流道專用機(jī)床整體布局Fig.1 Overall layout of micro-channel special machine tool for cryogenic micro-abrasive air jet machining

本機(jī)床的工作原理為：空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣流經(jīng)空氣干燥機(jī)和儲(chǔ)氣罐，在噴砂機(jī)中與磨料混合，產(chǎn)生壓力穩(wěn)定且干燥的微磨料氣射流。自增壓液氮罐中的液氮通過液氮電磁閥流入冷卻器，射流從另一個(gè)方向流入冷卻器，被液氮冷卻形成低溫射流。四維移動(dòng)平臺(tái)和射流噴嘴安裝在封閉的加工腔室中，工件固定在四維移動(dòng)平臺(tái)的工作臺(tái)上，射流噴嘴與冷卻器相連并保持固定，低溫射流對(duì)工件進(jìn)行加工，空氣干燥機(jī)向加工腔室內(nèi)持續(xù)提供干燥空氣防止結(jié)冰。加工腔室中產(chǎn)生的磨料落入漏斗中，由吸塵器抽走，在實(shí)現(xiàn)磨料循環(huán)利用的同時(shí)防止對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染?？刂葡到y(tǒng)部分能夠控制四維移動(dòng)平臺(tái)獲得工件所需要的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 冷卻部分

本機(jī)床冷卻PDMS 的方式是將冷卻后的低溫微磨料氣射流沖擊在PDMS 表面上，通過低溫氣流與表面之間的對(duì)流傳熱來降低PDMS 加工區(qū)域的溫度，直至降低到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下。作為核心部分，它直接決定了機(jī)床的加工性能，因此合理地設(shè)計(jì)冷卻部分十分必要。

2.1 冷卻器設(shè)計(jì)

2.1.1 冷卻器總體設(shè)計(jì)

為了達(dá)到低溫加工的目的，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有真空隔熱層的可控溫冷卻器。作為核心部件，它決定了射流的溫度大小和溫度均勻性，是進(jìn)行高效加工的關(guān)鍵。冷卻器的工作原理為：液氮通過液氮電磁閥流入冷卻器，進(jìn)而使其內(nèi)筒的蛇形彎管浸沒在液氮中，蛇形彎管周圍的溫度即為-196 ℃，射流在通過蛇形彎管的過程中被液氮冷卻至低溫。冷卻器實(shí)物如圖2 所示。

圖2 冷卻器Fig.2 Cooler

2.1.2 蛇形彎管長(zhǎng)度計(jì)算

蛇形彎管作為冷卻器中的核心零件，其長(zhǎng)度決定了射流的溫度，因此為了獲得讓PDMS 發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變的射流溫度并達(dá)到預(yù)期的加工效果，應(yīng)進(jìn)行合理的熱力學(xué)計(jì)算。蛇形彎管的長(zhǎng)度是指在400 mm 長(zhǎng)的冷卻器內(nèi)筒中軸線的實(shí)際長(zhǎng)度，同時(shí)也是其浸沒在液氮中的長(zhǎng)度。由于PDMS 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-120 ℃，為了便于后續(xù)研究射流溫度對(duì)PDMS 加工的影響，擬通過冷卻器得到-120、-150 和-180 ℃的射流出口溫度。

以射流出口溫度為-120 ℃為例，將問題簡(jiǎn)化為：在400 mm 長(zhǎng)的直線距離上，高速壓縮空氣流過內(nèi)徑d ＝6 mm 的銅管，由于銅管浸沒在液氮中，且銅材質(zhì)導(dǎo)熱極快，則銅管壁面溫度Tw＝-196 ℃；利用皮托管測(cè)得空氣進(jìn)入管道的速度v ＝175.5 m/s，空氣干燥機(jī)干燥后空氣入口溫度Tin＝7 ℃，當(dāng)空氣出口溫度Tout＝-120 ℃時(shí)，計(jì)算所需要管道的實(shí)際長(zhǎng)度l。

根據(jù)熱學(xué)關(guān)系，計(jì)算以上問題需要用到以下6個(gè)公式[17]。

式中：vf為空氣運(yùn)動(dòng)黏度；μ 為空氣動(dòng)力黏度；ρ 為空氣 密 度；Re 為 雷 諾 數(shù)；f 為 摩 擦 因 數(shù)；Nu 為 努 塞 爾數(shù)；Pr 為普朗克數(shù)；h 為對(duì)流換熱系數(shù)；λf為導(dǎo)熱系數(shù)；cp為定壓比熱容；A 為銅管橫截面積；Tf為定性溫度，它是空氣入口溫度和出口溫度的平均溫度，便于描述空氣溫度漸變時(shí)的物理狀態(tài)，其值為-56.5 ℃。

根據(jù)定性溫度Tf查閱空氣物性表，能夠得到：空 氣 動(dòng) 力 黏 度μ ＝14.73×10-6Pa·s，空 氣 密 度ρ ＝4.691 2 kg/m3，普朗克數(shù)Pr ＝0.719 4，導(dǎo)熱系 數(shù)λf＝0.020 6 W/(m·K)，定 壓 比 熱 容cp＝1.006 kJ/(kg·K)。將以上變量代入式(1～6)中，可計(jì)算出所需要管道的實(shí)際長(zhǎng)度l ＝743.4 mm，即蛇形彎管浸沒在液氮中的長(zhǎng)度為743.4 mm。

同理，能夠計(jì)算求得當(dāng)射流出口溫度為-150 ℃時(shí)，所需蛇形彎管的長(zhǎng)度l ＝1 011.8 mm；當(dāng)射流出口溫度為-180 ℃時(shí)，所需蛇形彎管的長(zhǎng)度l ＝1 355.1 mm?？紤]到熱學(xué)公式本身存在的誤差同時(shí)便于蛇形彎管的制造，實(shí)際設(shè)計(jì)的蛇形彎管長(zhǎng)度分別為：800、1 100 和1 400 mm，其實(shí)物如圖3 所示。

圖3 3 種長(zhǎng)度的蛇形彎管Fig.3 Three lengths of serpentine tubes

2.2 冷卻器冷卻性能仿真分析

為了初步驗(yàn)證冷卻器總體設(shè)計(jì)的合理性以及蛇形彎管長(zhǎng)度計(jì)算的準(zhǔn)確性，利用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行冷卻器冷卻性能的仿真分析。首先對(duì)冷卻器內(nèi)筒進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，將蛇形彎管的材質(zhì)設(shè)置為銅，液氮流場(chǎng)的初始相為空氣，同時(shí)將液氮流場(chǎng)與蛇形彎管之間的面設(shè)置為接觸面，蛇形彎管與空氣流場(chǎng)之間的面同樣設(shè)置為接觸面，其中液氮流場(chǎng)的長(zhǎng)度為400 mm。簡(jiǎn)化后的模型如圖4 所示。

圖4 冷卻器內(nèi)筒簡(jiǎn)化模型Fig.4 Simplified model of inner cylinder of cooler

對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，液氮流場(chǎng)采用體網(wǎng)格劃分，單元尺寸為4 mm；空氣流場(chǎng)采用體網(wǎng)格劃分，單元尺寸為0.5 mm；蛇形彎管的兩個(gè)端面采用面網(wǎng)格劃分，單元層數(shù)為4 層，其余部分仍采用體網(wǎng)格劃分，單元尺寸為0.5 mm。模型網(wǎng)格劃分如圖5 所示。

圖5 模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Model meshing

完成網(wǎng)格劃分后，在Fluent 界面進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置。這是一種復(fù)雜流體流動(dòng)和傳熱的耦合情況，因此要打開能量方程和k?ε 湍流模型（k 為湍動(dòng)能，ε 為耗散率）并在豎直方向上激活重力（重力加速度設(shè)置為-9.8 m/s2）。由于空氣在蛇形彎管中流動(dòng)時(shí)溫度是漸變的，其密度會(huì)發(fā)生變化，則空氣選用理想氣體類型。冷卻器的外筒和內(nèi)筒均具有高真空隔熱層，則可以近似認(rèn)為無熱量傳遞，故將液氮流場(chǎng)外壁面設(shè)置為絕熱壁面；液氮流場(chǎng)與蛇形彎管之間的接觸面以及蛇形彎管與空氣流場(chǎng)之間的接觸面均設(shè)置為耦合面。將液氮入口設(shè)置為壓力入口，進(jìn)入的相為液氮，所采用的自增壓液氮罐工作壓力為0.35 MPa，液氮溫度為-196 ℃；液氮出口設(shè)置為壓力出口，壓力大小為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；射流入口設(shè)置為速度入口，進(jìn)入的相為空氣，流速為175.5 m/s，射流初始溫度為7 ℃；射流出口設(shè)置為壓力出口，壓力大小為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。模型整體初始溫度設(shè)置為室溫20 ℃，忽略射流中磨料顆粒的傳熱效應(yīng)，采用Coupled 算法進(jìn)行求解。

利用上述邊界條件求解后，3 種情況的冷卻器內(nèi)筒蛇形彎管軸線剖面上溫度分布如圖6 所示?？梢杂^察到蛇形彎管最終完全被液氮所包圍，彎管中射流的溫度從入口開始逐漸降低，在出口處溫度達(dá)到最低。

圖6 3 種情況的冷卻器內(nèi)筒蛇形彎管軸線剖面上溫度分布Fig.6 Temperature distribution on the axial section of the serpentine tubes of the inner cylinder of the cooler in three cases

3 種情況的射流出口溫度分布如圖7 所示。以射流出口處的圓心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，得到3 種情況的射流出口溫度沿直徑方向（x 方向）的溫度分布曲線，如圖8 所示。仿真結(jié)果表明射流出口溫度分布均勻，在中心位置附近最高，沿直徑方向逐漸降低，在射流最外側(cè)達(dá)到最低。蛇形彎管長(zhǎng)度為800 mm 時(shí)，射流出口最高溫度為-116.45 ℃，最低溫度為-120.75 ℃，平均溫度為-118.57 ℃；蛇形彎管長(zhǎng)度為1 100 mm 時(shí)，射流出口最高溫度為-145.15 ℃，最低溫度為-148.35 ℃，平均溫度為-146.76 ℃；蛇形彎管長(zhǎng)度為1 400 mm 時(shí)，射流出口最高溫度為-176.73 ℃，最低溫度為-178.29 ℃，平均溫度為-177.51 ℃。通過比較發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果相仿，因此用于蛇形彎管長(zhǎng)度計(jì)算的數(shù)學(xué)模型具有可行性，同時(shí)初步驗(yàn)證了冷卻器總體設(shè)計(jì)的合理性。

圖7 3 種情況的射流出口溫度分布Fig.7 Temperature distribution of jet outlet in three cases

圖8 3 種情況的射流出口溫度沿直徑方向（x 方向）的溫度分布曲線Fig.8 Temperature distribution curves of the jet outlet tem?perature along the diameter direction (x direction) in three cases

2.3 射流出口溫度實(shí)際測(cè)量

為了進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，保證加工順利進(jìn)行，對(duì)射流出口溫度進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。測(cè)溫實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度為20 ℃的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，采用八通道溫度記錄儀（Madge Tech 公司）將與之相連的溫度傳感器固定在蛇形彎管的出口處進(jìn)行溫度測(cè)量。

在測(cè)溫過程中，每隔2 s 記錄一次數(shù)據(jù)，從開始測(cè)溫到打開液氮持續(xù)20 s 的時(shí)間。經(jīng)過一段時(shí)間后，溫度下降到一定程度便不會(huì)再下降，而是保持波動(dòng)狀態(tài)。測(cè)量得到的3 種情況下射流出口溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖9 所示。

圖9 3 種情況的射流出口溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Curves of jet outlet temperature with time in three cases

為保證測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從溫度達(dá)到波動(dòng)狀態(tài)開始，每隔2 s 記錄一次數(shù)據(jù)，持續(xù)測(cè)量120 s 的時(shí)間，觀察溫度是否能夠達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，3種情況的射流出口溫度最終波動(dòng)狀態(tài)如圖10 所示。當(dāng)蛇形彎管長(zhǎng)度為800 mm 時(shí)，射流出口溫度圍繞-120 ℃波動(dòng)，平均溫度為-121.33 ℃；當(dāng)蛇形彎管長(zhǎng)度為1 100 mm 時(shí)，射流出口溫度圍繞-150 ℃波動(dòng)，平均溫度為-150.85 ℃；當(dāng)蛇形彎管長(zhǎng)度為1 400 mm 時(shí)，射流出口溫度圍繞-180 ℃波動(dòng)，平均溫度為-181.03 ℃。由射流出口溫度實(shí)際測(cè)量結(jié)果可知，該冷卻器能夠達(dá)到預(yù)期的冷卻性能。

圖10 3 種情況的射流出口溫度最終波動(dòng)狀態(tài)Fig.10 Final fluctuation state of jet outlet temperature in three cases

2.4 冷卻器自動(dòng)控溫的實(shí)現(xiàn)

冷卻器工作時(shí)，不僅要保證蛇形彎管完全浸沒在液氮中，還要盡可能地節(jié)約液氮的用量，因此需要對(duì)冷卻器內(nèi)筒中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并適時(shí)補(bǔ)充液氮。冷卻器自動(dòng)控溫系統(tǒng)如圖11 所示。在蛇形彎管上方安裝一個(gè)Pt100 鉑熱電阻，它與ZTC?100A 型液氮液位監(jiān)測(cè)儀相連，該監(jiān)測(cè)儀會(huì)實(shí)時(shí)顯示所測(cè)得的溫度，當(dāng)顯示的溫度不高于-196 ℃時(shí)，表明蛇形彎管完全浸沒在液氮中。在排氣口處安裝有另一個(gè)Pt100 鉑熱電阻，它與ZTC?100B 型液氮液位監(jiān)測(cè)儀相連，PLC 控制器同時(shí)連接該監(jiān)測(cè)儀和液氮電磁閥。當(dāng)ZTC?100B 型液氮液位監(jiān)測(cè)儀顯示的溫度為-196 ℃時(shí)，表明排氣口有液氮溢出，此時(shí)PLC 控制器根據(jù)溫度信號(hào)控制液氮電磁閥關(guān)閉，自增壓液氮罐不能補(bǔ)充液氮；當(dāng)監(jiān)測(cè)儀顯示的溫度高于某一溫度值（該溫度值可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)）時(shí)，PLC 控制器根據(jù)溫度信號(hào)控制液氮電磁閥打開，自增壓液氮罐進(jìn)行液氮補(bǔ)充，保證ZTC?100A 型液氮液位監(jiān)測(cè)儀顯示的溫度不高于-196 ℃。

圖11 冷卻器自動(dòng)控溫系統(tǒng)Fig.11 Automatic temperature control system of cooler

3 加工部分及控制系統(tǒng)

3.1 四維移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

PDMS 固定在四維移動(dòng)平臺(tái)的工作臺(tái)上，工作臺(tái)可以沿X 軸、Y 軸和Z 軸方向平動(dòng)，沿X 軸方向平動(dòng)可以改變加工距離，沿Y 軸、Z 軸方向平動(dòng)可以改變加工部位；同時(shí)工作臺(tái)還可以繞A 軸（A軸平行于Z 軸）轉(zhuǎn)動(dòng)從而改變沖蝕角度。四維移動(dòng)平臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

3.2 射流噴嘴選型

考慮到加工過程中磨料會(huì)對(duì)射流噴嘴產(chǎn)生沖擊，為了減小噴嘴的磨損程度，選用硬質(zhì)合金碳化鎢制作的圓形噴嘴，直徑分別為：0.46、0.8 和1.2 mm。

表1 四維移動(dòng)平臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of four?dimensional mobile platform

3.3 機(jī)床控制系統(tǒng)

機(jī)床控制系統(tǒng)如圖12 所示。CNC 裝置為機(jī)床控制系統(tǒng)中的核心，它通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所使用的步進(jìn)電機(jī)在尾部安裝有同軸編碼器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制。通過在人機(jī)交互界面上編寫程序即可實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程的控制。

圖12 機(jī)床控制系統(tǒng)Fig.12 Machine tool control system

4 機(jī)床加工微流道驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本機(jī)床的加工性能，在長(zhǎng)度、寬度、厚度分別為60、25 和5 mm 的矩形PDMS 基片表面上加工“二”字形微流道，所采用的工藝參數(shù)如表2所示。

PDMS 基片加工后的實(shí)際效果如圖13 所示。在微流道上任取A 和B 兩個(gè)位置，利用DSX510 型超景深顯微鏡（奧林巴斯公司）測(cè)量得到這兩個(gè)位置的微流道橫截面輪廓，如圖14 所示。作為對(duì)比，利用上述工藝參數(shù)在常溫20 ℃對(duì)PDMS 基片進(jìn)行加工，加工后在完全相同的兩個(gè)位置（重新分別記為A1位置和B1位置）測(cè)量微流道橫截面輪廓，如圖15 所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，在低溫下加工的微流道的對(duì)稱程度、加工質(zhì)量以及深寬比均高于常溫下加工的微流道，表明了本機(jī)床具有很好的低溫加工性能。除此之外，所加工的微流道在A 和B 兩個(gè)位置上得到的橫截面形狀相似，且具有相近的寬度和深度，表明了本機(jī)床具有很好的加工一致性。若要在PDMS 表面上加工其他形狀的微流道，僅需改變數(shù)控程序讓四維移動(dòng)平臺(tái)改變運(yùn)動(dòng)軌跡即可。

表2 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)驗(yàn)證Table 2 Verification of experiment process parameters

圖13 “二”字形微流道Fig.13 “二”shaped micro-channel

圖14 A、B 位置的微流道橫截面輪廓Fig.14 Cross-sectional profiles of micro-channels at posi?tions A and B

圖15 A1、B1位置的微流道橫截面輪廓Fig.15 Cross-sectional profiles of micro-channels at posi?tions A1 and B1

5 結(jié) 論

（1）為了更好地將低溫微磨料氣射流加工技術(shù)應(yīng)用在PDMS 的實(shí)際加工中，研制了低溫微磨料氣射流加工微流道專用機(jī)床。本機(jī)床能夠產(chǎn)生壓力穩(wěn)定且可調(diào)、溫度均勻且可控的低溫微磨料氣射流，同時(shí)有效地解決了目前簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置存在的低溫環(huán)境下易結(jié)冰阻礙加工、污染嚴(yán)重、磨料無法進(jìn)行回收再利用以及加工性能差等問題。

（2）針對(duì)機(jī)床的核心部件冷卻器進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)與傳熱計(jì)算并通過相應(yīng)的仿真分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)開展測(cè)溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了冷卻器能夠達(dá)到預(yù)期的冷卻效果。冷卻器的自動(dòng)控溫系統(tǒng)能夠達(dá)到對(duì)內(nèi)筒中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并適時(shí)補(bǔ)充液氮的目的。

（3）利用所研制的機(jī)床開展了加工微流道的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)床能夠順利地在PDMS 表面上加工微流道，同時(shí)在低溫下加工的微流道的對(duì)稱程度、加工質(zhì)量以及深寬比均高于常溫下加工的微流道。除此之外，本機(jī)床還具有很好的加工一致性。