　　　根据微凹坑超声复合加工的特点，选择工作液、工具电极振动频率及振幅、进给压力等加工参数，制定微凹坑超声复合加工试验方案。使用不同形状工具电极，对硬质合金YT15和YG8、不锈钢、单晶硅、压电陶瓷、玻璃钢等材料进行了微凹坑单一超声加工试验及分析；对硬质合金YT15和YG8、不锈钢等材料进行微凹坑单一超声加工与超声复合加工的对比试验；重点研究了超声电解复合加工中电解电压参数对微凹坑加工效率、精度、表面质量及微凸起工具电极损耗的影响规律。试验验证了在金属材料表面进行微凹坑超声复合加工的必要性及可行性。

关键词：微凹坑，超声复合加工，微凸起工具电极

Abstract

　　　The array micro-pits with regular profiles can modify surface tribology character, improve lubrication and wear-resisting. As the manufacturing methods are few, the research and current application situation of micro-pits on working surface between friction pairs are introduced in this paper. Ultrasonic combined micro-machining is proposed as a new technology, and then content and research significance of this paper are confirmed.

　　　Besides,the principle, working characteristic, realization condition and technologic property of USM, EDM and ECM are analyzed. The processing of impulsive discharge and micro-electrochemical can be improved by ultrasonic vibration. Then the mechanism and technical superiority of ultrasonic combined electrical discharge micro-machining are studied, as well as ultrasonic combined electrochemical micro-machining.At last, systems ofultrasonic combined electrical discharge micro-machining and ultrasonic combined electrochemical micro-machining are completed.

　　　Working parameters like working fluid, oscillation frequency of tool electrodes, contact pressure are chosen according to analysing of processing systems, experiment scheme are presented. Single process experiments of ultrasonic machining of micro-pits are carried on cemented carbide(YT15, YG8), stainless steel, monocrystal line silicon, PZT, glass steel with different tool electrodes; contrast tests between single ultrasonic machining and ultrasonic combined machining are carried on kentaniums and stainless steel. Machining efficiency and precision of micro-pits on working surface between friction pairs as well as waster of tool electrodes influenced by electrolysis voltage amplitude and impulse frequency are mainly discussed. The feasibility of the ultrasonic combined micro-machining of micro-pits used in machining kentaniums and stainless steel is confirmed.

Key words: micro-pit, ultrasonic combined machining, micro-protrude

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1 微凹坑结构的研究及应用背景1

1.2 本文研究主要内容1

1.3 本章小结2

第二章微细超声复合加工3

2.1 微细超声加工3

2.1.1 微细超声加工原理3

2.1.2 加工特点5

2.2 微细电解加工6

2.2.1 微细电解加工原理6

2.2.2 加工特点7

2.3 本章小结8

第三章微凹坑加工工具——微凸起电极的设计制作9

3.1 微凹坑设计9

3.1.1 微凹坑设计原则9

3.2 微凸起工具电极设计9

3.3 微凸起工具电极材料选择12

3.4 微凸起工具电极制作12

3.5 变幅杆设计与制作13

3.6 本章小结15

第四章微凹坑超声复合加工试验17

4.1 试验参数选择17

4.1.1 试验件材料17

4.1.2 工作液18

4.1.3 工具电极超声振动频率及振幅19

4．2 微细超声加工试验20

4.2.1 阵列圆形微凹坑单一超声加工试验21

4.2.2 阵列正方形微凹坑单一超声加工试验21

4.2.3 阵列菱形微凹坑单一超声加工试验22

4.2.4 试验结果分析23

4.3 微细超声电解复合加工24

4.3.1 阵列圆形微凹坑超声电解复合加工试验25

4.4 本章小结26

第五章总结与展望27

5.1 总结27

5.2 研究展望27

参考文献28

致谢29

　　　根据摩擦学润滑理论，摩擦副表面阵列微凹坑中储存的润滑油可以被引到两个相对运动的表面间产生流体润滑膜，使其充分利用挤压和流体动力的联合作用改善润滑状况，在这种结构中规则微凹坑的表面形貌对流体润滑有着非常重要的影响。

理论分析表明，在钢材表面加工出按一定规律分布的、具有一定深度、光滑过渡的球形、椭球形凹坑或圆锥形凹坑，有利于钢板在冲压过程形成良好的动压润滑，将有利于形成流体动压润滑效应，从而改善模具与钢板之间的摩擦状况。因此，现代汽车工业中，人们开始尝试在汽缸壁、滑动轴承表面形成人造的斑块或凹坑，用以提高润滑（或密封）效果。阵列微坑结构已经批量应用于汽车工业中，具有微坑结构的气缸套具有节能、节油、减少环境污染、高耐磨性、可避免干摩擦和拉缸现象发生等优点，对发动机节能、长寿命和轻型化发展具有重大意义和广泛的应用价值。研究人员还根据国内外的最新研究进展和研究成果，将储油结构分为网状裂纹型、网状交叉型、独立微坑型等结构。

1.2 本文研究主要内容

　　　对微凹坑结构超声复合加工工艺进行研究，其中包括微细超声复合加工系统的改造和完善，微凹坑的设计，微凸起工具电极的设计和制作，微细超声复合加工微凹坑对比试验，加工工艺规律分析。

（1）针对试验中采用的微细超声加工以及微细超声电解复合加工两种加工方法，设计合适的加工系统，并对微细超声复合加工的加工装置进行构建与完善；

（2）由流体润滑理论，设计了圆形截面微凹坑，在此基础上将截面形状拓展为正方形、菱形，成阵列分布时，微凹坑尺寸与间距应成一定比例；

（3）根据微凹坑形状，对微凹坑加工的微细工具——微凸起进行外形设计，选择单体截面为圆形、正方形、三角形的微细轴并将其推广为阵列圆形、正方形、菱形微凸起作为微细工具电极的典型代表，利用现有的精密慢走丝线切割机床、精密电火花成型机进行工艺组合加工各种微凸起工具电极；

（4）确定试验方案，在多种材料表面选用不同加工参数进行微凹坑单一超声与超声复合加工对比实验，利用数字存储示波器及 PC 机进行加工过程中各类参数的检测和加工状态的评估，调整优化参数；

（5）总结各种加工参数下微凹坑单一超声与超声复合加工试验中精度、效率、表面质量的改善程度及原因，针对加工试验中存在的问题，进行工艺的完善；第二章微细超声复合加工

　　　特种加工方法是借用各种电能、热能、声能、光能、电化学能及特殊机械能等多种能量，直接去除或增加材料以达到加工的目的，一般没有宏观的切削力作用，且多数属于非接触式加工，因此在微小尺度零件的加工中有着不可替代的优越性。特种加工的具体方法有电火花加工、超声加工、电解加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等。

　　　目前，微细加工技术的研究大多集中在半导体制造工艺、光刻技术、蚀刻技术和LIGA 技术上，并且取得了相当大的实用进展。但是，这些技术只能用来加工结构简单的二维或准三维微机械，尚不适于致动器的制作。如将这类微机械作为致动器，只能靠静电力驱动，驱动力太小。另外，这些加工方式的设备普遍昂贵，一次性投入较大，只适合大规模批量生产，对于复杂的三维微机械结构，采用以上技术就难以实现或根本无法实现，小规模的微机械生产也不宜采用以上方法，限制了其应用范围。

　　　特种加工技术在微小型三维立体结构、致动器的制作上有独到之处，批量制作也可通过模具加工、电铸、注塑等方法实现。国外采取了微细加工与特种加工并重的策略，以充分发挥各种加工方法的优点。作为微细超声复合加工的技术基础，将超声加工、电火花加工、电解加工分别与微细加工有机地融合在一起，综合利用不同的优点，从而获得单一方法所达不到的技术优势。

2.1 微细超声加工

超声加工（Ultrasonic Machining 简称 USM）有时也称超声波加工。电火花加工和电化学加工都只能加工金属导电材料，不易加工不导电的非金属材料，然而超声加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等硬脆金属材料，而且更适合加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属硬脆材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤等。

2.1.1 微细超声加工原理

　　　超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种特种加工方法，超声加工的基本原理如图1-2所示。超声加工时，在工具1和工件2之间加入水（或油等）和磨料混合的悬浮液3，并使工具以适当的压力F轻轻压在工件上。超声换能器6产生高达16000Hz以上的超声频率作纵向振动，由于弹性杆（弹性杆使振幅产生一定的放大变化，通常称其为变幅杆）的作用，振幅被放大到0.05~0.1mm左右，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮磨料的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工工件表面，把被加工工件表面的材料粉碎成很细的微小颗粒，从工件上被打击下来。虽然每一次打击下来的材料很少，但每秒打击的次数高达16000次（与超声频率有关）以上，所以仍有一定的加工速度。与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和“空化”作用，迫使工作液进入被加工材料的微细缝隙处，从而更加剧了机械破坏作用。所谓“空化”作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成较大的负压和局部真空，使得工作液内瞬间形成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡又重新闭合，又引起较强的液压冲击波，上述作用迅速、反复地施加在工具与工件之间微小间隙内的工作液里，可以大大强化加工过程。此外，正负交变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，带动磨料运动，使部分变钝了的磨粒及时得到更新。磨料悬浮液通过不断更新，带走被粉碎下来的材料微粒。随着加工工具逐渐伸入到被加工材料中，加工工具的形状便复现在工件上了。

由此可见，超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，其中，磨粒的机械撞击作用是占主导地位的。

　　　由于超声加工基于局部撞击作用，所以当受到撞击作用时，越是硬脆的材料，其受破坏的程度越大，越容易进行超声加工。相反，脆性和硬度不大的韧性材料，由于它对撞击能量的吸收、缓冲作用而难以实施超声加工，或者说加工效果很不理想。所以，这一性质常利用在工具材料选择上，要求它既能撞击磨粒，又不至于使自身受到很大的破坏，一般选择塑性较好的材料，通常采用45钢或弹簧钢等材料作为工具材料较合适。

2.1.2 加工特点

　　　超声加工的主要特点有：不受材料是否导电的限制；工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件；被加工材料的脆性越大越容易加工，材料越硬或强度、韧性越大则越难加工；由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；可以与其他多种加工方法结合应用，如超声振动切削、超声电火花加工和超声电解加工等。

　　　超声加工主要用于各种硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔(包括圆孔、异形孔和弯曲孔等)、切割、开槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。

　　所谓 “金无足赤”，超声加工也有着他难以克服的局限性(1)超声加工面积较大时，超声加工效率有明显的降低；其次超声加工很难加工韧性较大金属材料（工具钢、硬质合金等）；(2)超声加工圆柱形孔深度一般以工具直径的5倍为限，对于深径比较大的深小孔加工很困难；(3)超声加工工具在磨料的抛磨下有损耗，同时，磨粒使工具与工件之间存在间隙，因此，精加工时要考虑工具损耗及磨粒直径大小对加工精度的影响，工具设计中应给予合理补偿。

2.2 微细电解加工

　　　电解加工（Electrochemical Machining，ECM）是基于电解过程中的阳极溶解原理，并借助于阴极将工件按一定形状和尺寸加工成形的工艺方法。目前在国内外已成功的应用于航空发动机、汽车等机械制造业中，已成为一种不可缺少的工艺方法。

微细电解加工（Micro-ECM）是指在微细加工范围（1μm~1mm）内，应用电解加工以得到高精度、微小尺寸零件的加工方法。要实现微细加工，首先要解决其加工单位的微细化问题，即单位加工量尽可能地小。电化学中的电解过程从理论上讲，是以离子为单位进行阳极溶解的，满足微细加工的加工要求。　　　电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法。如图2.2所示，加工时，工件接直流电源（一般为10-24V）的正极，工具接负极，两极之间保持较小的间隙（一般在0.1-1mm范围内）。电解液从极间间隙中流过（6-30m/s），使两极之间形成导电通路，并在电源电压下产生电流，从而形成电化学阳极溶解。随着工具相对工件不断进给，工件金属不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，最终两极间各处的间隙趋于一致，工件表面形成与工具工作面基本相似的形状。2.2.2 加工特点

　　　微细电解加工是从电化学基础上发展而来的，与其它加工方法比较，具有以下优点：

　　（1）加工范围广，不受所加工金属材料本身硬度和强度的限制，可以加工普通切削加工方法难以加工的金属材料，例如，硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度及韧性金属材料，并可加工叶片、锻模等多种外形和内腔比较复杂的零件。

　　（2）电解加工的生产效率较高，约为电火花成形加工的 5~10 倍，在某种情况下，甚至比切削加工的效率还要高，而且加工生产率并不直接受加工精度和表面粗糙度的限制；

　　（3）可以获得较好的表面粗糙度（Ra1.25μm~0.2μm）和±0.1mm 左右的平均加工精度。

　　（4）由于加工过程中不存在宏观机械切削力，所以不会产生机械切削加工所导致的残余应力和变形，不会产生飞边和毛刺。

　　（5）由于电解加工阴极在理论上不会损耗，可以长期使用。

　　　但微细电解加工也有其局限性：

　　（1）电解产物需要进行妥善处理，否则将污染环境。

　　（2）微细电极工具的设计和修正比较麻烦，难以适用于单件生产。

　　（3）加工稳定性不易控制。由于影响电解加工间隙电场和流场稳定性的参数很多，控制比较困难，加工时杂散腐蚀也比较严重。

在生产中，微细电解加工易与机械加工及其他特种加工方法相结合形成复合加工以提高加工效率，如电解磨削、电解抛光、超声电解加工等。

2.3 本章小结

　　　本章主要介绍了微细超声加工和微细电解加工的基本原理、加工特点。探讨超声电解加工可行性与技术优势，为试验系统构建建立了基础。第三章微凹坑加工工具——微凸起电极的设计制作

　　　微凸起结构和微凹坑结构是两种相对应的几何形状，因此，只要制备出凸形的工具电极，就可以采用微细超声复合加工技术制作对应的凹形工件。表面微凹坑试验中材料去除量微小，加工精度和表面质量都要求很高，微凸起工具电极的设计、制作与安装精度对加工效率、加工精度及表面质量的影响很大。因此微凸起工具电极的设计制作是实现微凹坑加工的关键，微凸起工具电极制作工艺对摩擦副表面微凹坑加工工艺的完善具有重要意义。本章首先根据流体润滑理论进行表面微凹坑的理论分析探讨，再重点讨论微凸起工具电极的设计、制作方法。

3.1 微凹坑设计

3.1.1 微凹坑设计原则

　　　根据上述流体润滑理论分析及其在微细加工领域的基础研究和实际应用状况，理想阵列微凹坑结构形状为圆形截面。

　　　圆形微凹坑加工工具——圆形阵列微凸起结构制作工艺难度大（需要多次单孔放电加工阵列孔母电极，再电火花反拷复合平动加工微凸起工具）；另一方面，考虑到微凹坑加工工具制作过程（即微细放电加工过程）及微细超声复合加工过程中均存在圆角效应，将微凹坑截面设计形状拓展为正方形、菱形，可近似代替圆形微凹坑的作用效果，这样可大大减小工具电极的制作难度，因此本文设计加工圆形、正方形、菱形三种截面微凹坑。

　　　设计微凹坑结构参数：微凹坑边长（或直径）在 400µm～800µm 之间，深度 100µm左右；表面粗糙度要求 Ra1.6µm 左右；成阵列分布时，微凹坑尺寸与间距成一定比例。

3.2 微凸起工具电极设计

　　　通常，超声加工工具电极总体长度不超过声速波长的十分之一，径向尺寸不超过换能器小端的几何尺寸。本次设计的电极尺寸微小，与换能器底部直径相差很大，因此设计工具电极总体形状为锥形，即将工具电极的作用长度设计成锥形，端部保留一定长度为小阶梯轴。在锥面上用线切割放电加工出两个对称平面作为夹持部，以方便工具电极的安装锁紧，后尾部螺纹与机床联接。

　　　根据微凹坑截面形状，确定工具电极单体为圆形、正方形、菱形等微凸起形状，并呈阵列排布；为了便于制作，电极凸起高度设计为 3.0mm，远大于微凹坑深度，并留有较大加工损耗余量，可进行多次加工试验。

　　　本文首先设计制作简单轴类形状工具电极，为后面的复杂阵列电极加工奠定基础，同时这类简单轴类形状工具电极也是微细三维结构加工的基础，是衡量三维结构微细加工能力的一种标志。

参考文献

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超声换能器原理图.gif

超声加工原理图.gif

工具头.gif

工具头菱形电极.gif

工具头圆形电极.gif

工具头正方形电极.gif

指数型变幅杆.gif

装配图.gif

锥形变幅杆.gif

内容简介：: 扬州大学机械工程学院本科生毕业设计（论文）选题、审题表学院广陵学院选题教师姓名朱永伟专业机械设计制造及自动化专业技术职务教授申报课题名称微凹坑超声加工设计及试验课题性质ABCDE课题来源ABCD课题简介本毕业设计课题设计制作微微凹坑加工工具电极，进行微凹坑超声加工工艺试验，进行加工参数优化，为其实际应用建立工艺基础。设计（论文）要求（包括应具备的条件）有较好的特种加工、机械制造技术课程专业知识；有原始数据、激光切割机及各种测试条件；各种参考文献及实习、上机条件。课题预计工作量大小大适中小课题预计难易程度难一般易所在专业审定意见：负责人（签名）：年月日院主管领导意见：签名：年月日扬州大学机械工程学院毕业设计（论文）任务书教科部：机械制造教科部专业：机械设计制造及其自动化学生姓名王意学号： 100043118 毕业（论文）题目：微凹坑超声加工设计及试验起迄日期：设计（论文）地点：指导老师：朱永伟专业负责人：发任务书日期： 2014年3月2日设计（论文）任务书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的：课题目的及意义：摩擦副工作表面一定规则形貌的阵列微结构（微凹坑、微凸起）可以储存润滑油，在相对运动表面间产生流体润滑膜，充分利用挤压和流体动力的联合作用改善摩擦表面润滑状况与摩擦学特性，降低表面摩擦因数，减少磨损，提高使用寿命。本毕业设计课题设计制作微微凹坑加工工具电极，进行微凹坑加工工艺试验，进行加工参数优化，为其实际应用建立工艺基础。2.本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：主要内容：设计确定几种截形凹坑；设计制作微凹坑的超声复合加工工具电极；用复合电加工技术制作工具电极；进行微凹坑加工工艺试验，进行加工参数优化。要求：、了解摩擦副工作表面阵列微凹坑的作用；、掌握微电极设计制作工艺；、进行超声复合加工试验，能对实验数据进行分析、数据处理，形成可指导实际应用的工艺文件。3对本毕业设计（论文）课题成果的要求（包括毕业设计论文、图表、实物样品等）：1. 完成外文专业资料的翻译；2. 任务书及开题报告；3. 设计微凹坑形状及超声加工电极； 4. 微细电极的复合电加工制作； 5. 超声复合电加工摩擦副微凹坑试验及工艺特性分析； 6. 毕业实习报告；7. 毕业论文；4主要参考文献：1 刘晋春、赵家齐. 特种加工. 北京：机械工业出版社，19952 袁哲俊、王先逵. 精密和超精密加工技术. 北京：机械工业出版社，1999.7 .3 胡传炘主编、夏志东副主编. 特种加工手册. 北京工业出版社， 20014 余承业特种加工新技术. 国防工业出版社.19955 孔庆华特种加工.同济大学出版社.1997.56 刘振辉杨嘉揩.特种加工.重庆大学出版社.1991.57 胡传稀特种加工手册.北京工业大学出版社.20018 周旭光等主编特种加工技术.西安电子科技大学出版社，20049 关振中. 激光加工工艺手册M . 北京: 中国计量出版社. 199810 吴秀丽. 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(1990) Time to Market: Reducing Product leadtime, Society of Manufacturing Engineers, Dearborn,MI.毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书5、本毕业设计（论文）课题工作进度计划起止日期工作内容1-2周3-4周4-10周11-13周14-16周查阅资料，熟悉课题要求，熟悉微坑的作用与超声加工的基本原理；完成外文资料的翻译；熟悉任务书内容在广泛查阅资料基础上，完成开题报告并设计微坑加工工具电极；进行加工电极制作及设备操作的准备工作；进行摩擦副表面微结构超声加工试验，并对试验结果整理，分析讨论；撰写论文，指导老师审阅；毕业论文答辩；所在专业审核意见：负责人：年月日学院意见：院长：年月日扬州大学机械工程学院毕业设计（论文）外文资料翻译教科部：机械制造教科部专业：机械设计制造及其自动化姓名：王意学号：100043118 外文出处：Material removal mechanisms in precision machining of new materials 指导老师评语英文翻译文章与毕业设计内容相关，翻译工作量较大，译文专业用语规范，文理通顺、正确，达到翻译过程的锻炼效果。签名： 2014年 4 月 8 日扬州大学机械工程学院毕业设计（论文）中期检查表学生姓名王意学号100043118指导教师朱永伟选题情况课题名称微凹坑超声加工设计及试验难易程度偏难适中偏易工作量较大合理较小符合规范化的要求任务书有无开题报告有无外文翻译质量优良中差学习态度出勤情况好一般差工作进度快按计划进行慢中期工作汇报及解答问题情况良中差中期成绩评定：所在专业意见：负责人年月日- 6 -实习报告实习，顾名思义，在实践中学习。在经过一段时间的学习之后，或者说当学习告一段落的时候，我们需要了解自己的所学需要或应当如何应用在实践中。因为任何知识源于实践，归于实践。所以要付诸实践来检验所学。现在即将面临毕业，实习对我们越发重要起来。刚结束的这段实习时间可以说是我大学四年来最辛苦也是最充实的一段时间。辛苦是因为刚踏上工作岗位，有很多方面不能很快适应;而充实则是在这段时间里，我学到在校园无法学到的知识和技能，更提高了自己各方面的素质。同时实习也给了我一定的工作经验。为将来谋求一份好职业打下了基础。现将这些日子在工作中取得的成绩和不足做个小结。一来总结一下经验，二来也对自己的工作情况有个系统的认识。我实习的工厂是中达电机股份有限公司，它位于江苏省无锡市国家级高新技术开发区，占地面积近5万平方米，目前生产能力为250万千瓦，现有员工550人，其中大专以上学历138人，技术开发人员66人，其中高级职称11人，博士2人。中达电机成立于1993年，近20年的专业电机制造经验积累了出色的专业生产能力和雄厚的人力资源。近年通过引进一批在电机行业业务精通、专业过硬、具有影响力的高级管理、技术精英，为中达电机的高速发展奠定了基础。中达电机股份有限公司主要产品分二块：常规电机、防爆电机。常规电机主要有：低压（80-560）Y2系列电机及派生系列电机（如:ZYS压缩机专用电机、YZS注塑专用电机，Y2VP变频电机，IP23系列水利电机，IP23系列生物药化机械搅拌专用电机、Y2D及Y2DT系列多速水泵风机电机等）。高压（355-710）有YE2HV/YKKE高压高效系列电机，YE2/YE2-ODP高效系列电机、低压大功率电机等。防爆电机主要有：低压YB2/YB3/YBK2/YBF2（80-355）防爆系列电机、YB2（355-560）低压大功率系列电机，防爆高压电机（355-630）产品在开发取证中，已形成专业化生产规模，产品被广泛应用于电厂、钢厂、煤矿机械、石化行业、水泥机械、压缩机、水泵、风机、造纸等领域。在这段时间里，我学到了许多书本上学不到的东西，虽然一开始有些单调,有些无聊，但毕竟也让我学到了许多。刚开始几天的维修工作让我对机械产品有了初步的了解,正式开始后，有一位师傅带着我教我怎样维修。我的师傅是一个很开朗的人，跟着他随时会被他的开心所感染，他说要开心地工作，工作得开心，只有这样才能做到更好。我也觉得做任何事情都一样，只有开心地去做才能把事情做好。机械工程学院毕业设计（论文）前期工作材料学生姓名：王意学号： 100043118 系部：机械电子工程系专业：机械设计制造及其自动化设计（论文）题目：微凹坑超声加工设计及试验指导老师：朱永伟材料目录序号名称数量备注1毕业设计（论文）选题、审题表12毕业设计（论文）任务书13毕业设计（论文）实习调研报告14毕业设计（论文）开题报告（含文献综述）15毕业设计（论文）外文资料翻译（含原文）16毕业设计（论文）中期检查表1 2014 年 04 月 08 日扬州大学机械工程学院毕业设计（论文）开题报告学生姓名：学号：专业：机械设计制造及其自动化设计（论文）题目：微凹坑超声加工设计及试验指导老师： 2014年4 月 8 日毕业设计（论文）开题报告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文献综述一引言根据摩擦学润滑理论，摩擦副表面阵列微凹坑中储存的润滑油可以被引到两个相对运动的表面间产生流体润滑膜，使其充分利用挤压和流体动力的联合作用改善润滑状况，在这种结构中规则微凹坑的表面形貌对流体润滑有着非常重要的影响。理论分析表明，在钢材表面加工出按一定规律分布的、具有一定深度、光滑过渡的球形、椭球形凹坑或圆锥形凹坑，有利于钢板在冲压过程形成良好的动压润滑，将有利于形成流体动压润滑效应，从而改善模具与钢板之间的摩擦状况。因此，现代汽车工业中，人们开始尝试在汽缸壁、滑动轴承表面形成人造的斑块或凹坑，用以提高润滑（或密封）效果。阵列微坑结构已经批量应用于汽车工业中，具有微坑结构的气缸套具有节能、节油、减少环境污染、高耐磨性、可避免干摩擦和拉缸现象发生等优点，对发动机节能、长寿命和轻型化发展具有重大意义和广泛的应用价值。研究人员还根据国内外的最新研究进展和研究成果，将储油结构分为网状裂纹型、网状交叉型、独立微坑型等结构。二微凹坑的加工方法近年来 ,国内外已经发展了自激振动、低频强迫振动、激光成形、特种松孔镀铬、微研磨等多种加工表面微坑的方法。自激振动加工方法虽可以在摩擦副工作表面形成微坑 ,但其微坑分布及微坑的结构难以控制 ,且由于稳态颤振的条件难以控制 ,故其加工方法的掌握有一定的难度 ,因此难以在生产中有效推广。国外应用激光珩磨技术在气缸工作表面产生既定的微观结构 ,并获得了较好的效果 ,但激光对缸套材料有微观汽化和烧蚀作用 ,可造成局部材料性能发生变化 ,并且激光珩磨设备价格昂贵 ,微坑加工成本高 ,操作复杂 ,维修困难。但是利用超声加工和超声复合加工可在摩擦副工作表面形成分布规律和结构参数可控的表面微坑。（1）微细超声加工表面微坑超声加工的工作原理见图 1。微坑超声加工装置装在车床的中拖板上 ,被加工摩擦副零件(例如缸套)装在机床主轴上以一定的转速旋转微坑超声加工装置可沿轴向和横向方向进给通过横向进给控制微坑的深度通过超声换能器推动变幅杆给工具头施加超声振动依靠振动冲击在缸套工作表面形成具有一定分布规律和一定尺寸参数的微坑。为提高加工效率 ,工具头一般可做单排多头或矩阵型多头（2）微细超声电解复合加工如图2所示为微细超声电解复合加工示意图。电解部分采用高频脉冲（或低压直流）电源，电解液采用低浓度（1%5%）钝化性硝酸钠水溶液，这可减小电解过程中的杂散腐蚀作用，提高加工定域性。微电流电解作用产生钝化膜，由于加工区的微细阴极随变幅杆作超声频振动，电解液及微细磨料的超声频振动冲击及“负压雾化”效应可去除电解钝化膜及加工产物，保持加工过程持续进行，同时电解液可由“静液”方式供给。图2微细超声电解复合加工系统（3）微细超声电火花复合加工将精密超声机床进行改造，得到如图3所示微细超声电火花复合加工系统示意图。在工具和工件之间接入低压直流（或脉冲）电源，工具头的超声频振动使间隙大小产生超声频变化，在间隙合适时，依靠直流电源提供的电压击穿介质放电；间隙太大时，放电停止。每一次振动周期应只有一次放电，加工介质为磨料液，超声加工的作用明显，也称超声磨料混粉电火花复合加工。同时，在线路中串入电涡流传感器，将加工中的电流参数通过数字存储示波器及PC机进行记录和分析，对加工参数进行在线调节，可保证加工过程的稳定进行。图3 微细超声电火花复合加工系统三微凹坑的加工工具微凸起电极（1）微凸起电极的材料目前，电火花加工中应用最广泛的材料是石墨和紫铜。石墨电极加工容易，密度小，质量轻，但力学强度稍差，在采用宽脉冲、大电流加工时容易起弧烧伤。同时，不同质量的石墨材料电火花加工性能也还有很大差异。紫铜的组织致密、韧性强，常用来加工形状复杂、要求轮廓清晰、精度高和表面粗糙度小的型腔，但紫铜的切削加工性能较差，密度较大，不适宜制作大中型电极。紫铜的这些特点，可能更符合微细放电加工试验条件，所以选择紫铜作为电极材料。（2）微凸起电极的形状 (a) 正方形微凸起 (b) 菱形微凸起 (c)圆形微凸起（3）微凸起电极的加工微凸起结构和微坑结构是两种相对应的几何形状，因此，只要制备出凸（或凹）形的工具电极，就可以采用电火花成形加工技术制作对应的凹（或凸）形工件。对于工件微坑结构成形，微凸起形电极的形状尺寸设计和制备成为这一工艺流程的重点和难点之一。微细电火花线切割加工技术一个重要应用就是制备电火花成形加工用的微细工具电极。根据微细电火花线切割加工工艺的特点和AGIECUTCHALLENGE ECUT 2F 精密数控电火花线切割机的硬件条件，在一次装夹的情况下可顺序切割几个成形电极，对阵列微凸起成形电极制备而言，显然，微细电火花加工是一种合适的工艺选择。四发展与展望获得具有一定规则凹坑形貌的表面，可以有效的改善润滑与耐磨效果。有效可行的微凹坑加工方法，进一步改善微凸起的形状及制作工艺，优化电加工参数，可以加工出形状更多，尺寸更小，精度要求更高的表面微凹坑。五参考文献 1 王振龙，等，微细加工技术，北京，国防工业出版社，20052 李立斌，朗素萍，谢丽丽，微机电系统与微机械学，机械设计，2003 3 段润保，赵砚江，毛言理，微机械（MEMS）与微细加工技术，河北理工学院学报，20044 张凯锋，雷鹍，面向微细制造的微技术成形，中国机械工程，20045 周兆英，叶雄英，胡敏，等，微型机电系统的进展，仪器仪表学报，19966 苑伟政，李晓莹，微机械及微细加工技术，机械科学与技术，19977 丁衡高，微机电系统的科学研究与技术开放，清华大学学报（自然科学版），19978 高世桥，曲大成，微机电系统（MEMS）技术的研究与应用，科技导报，2004，49 蒋亨顺，马明峻，特种加工技术在精密制造中的应用，新技术新工艺，2006，510 梅涛，伍小平，微机电系统，北京，化学工业出版社，200311 周焱，微细加工技术研究进展，机械工程师，2006，1112 林子光，高作斌，在机械零件表面进行激光微精处理的实验研究，应用激光联刊，1989，4毕业设计（论文）开题报告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一需解决的问题（1）在可能应用于微坑结构及微凸起结构成形的多种微细特种加工技术中，除了激光加工外，无论采用微细超声加工还是其它微细加工方法，关键是工具的设计与制备。根据加工特点，探索试验合适的工具制备方式.。（2）对超声微细加工技术及超声复合微细加工在阵列微细结构的应用进行尝试，研究制备阵列超声加工工具头的工艺途径，完成超声加工阵列微结构的试验。（3）分析试验结果，对试验中存在的问题提出有效的解决办法，形成阵列微细结构的有效加工工艺方案。二、研究手段、掌握超声加工及超声复合加工的基本原理、特性超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中产生磨料液压冲击、抛磨及由此产生的气蚀作用来去除材料的加工方法。特性：超声加工无宏观切削力、无热效应，可以较为高效的加工硬脆材料超声复合加工是以复制工具形状来成形的方法，将两者加工方法复合在一起，可发挥各自的优势，提高加工效率和质量。特性：复合工艺能解决超声加工效率偏低的缺点，同时又能克服电解加工精度及稳定性难以控制的缺点，对于硬脆金属材料，获得到加工精度、表面粗糙度都很理想、加工试件及超声加工参数选择，进行各种厚度、材料、加工参数及加工形状的工艺试验；超声加工前，需参考相关资料进行加工参数的初步选择，包括工具的振动频率和振幅的选择、进给压力的选择、磨料的种类和粒度等。，然后进行一系列参数的超声加工试验，记录加工过程各种参数条件以及加工后各种工件的质量。、对实验数据进行分析、数据处理，形成可指导实际应用的工艺文件；对加工件进行检测，对结果进行分析比较，优选参数，进行对比工艺试验，得到最佳试验结果。分析各种加工条件参数对微凸起和微凹坑精度、表面粗糙度及效率的影响规律，对加工特性进行总结、分析。4撰写毕业论文在前期工作基础上，对加工过程现象与结果进行理论分析，进一步改善微凸起的形状及制作工艺，优化电加工参数，加工出形状更多，尺寸更小，精度要求更高的表面微凹坑。撰写毕业论文。毕业设计（论文）开题报告指导教师意见：1 对“文献综述”的评语：2 对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：指导老师： 2014年月日所在专业审查意见：负责人：年月日微凹坑超声加工设计及实验摘要具有一定规则截面形状的阵列微凹坑结构，可以有效改善润滑和抗磨效果，目前成熟的微凹坑加工方法极少。本文介绍了摩擦副表面微凹坑结构的研究及其应用现状，提出了采用微细超声复合加工新技术加工微凹坑的构想，进而提出本文研究工作内容。分析微细超声加工、微细电解加工原理、特点以及工艺特性，探讨超声振动对脉冲放电及微细电解过程的改善作用机理，分析在加工微凹坑时微细电解复合超声振动的必要性和技术优势，构建、完善超声电解复合加工试验系统。根据微凹坑超声复合加工的特点，选择工作液、工具电极振动频率及振幅、进给压力等加工参数，制定微凹坑超声复合加工试验方案。使用不同形状工具电极，对硬质合金YT15和YG8、不锈钢、单晶硅、压电陶瓷、玻璃钢等材料进行了微凹坑单一超声加工试验及分析；对硬质合金YT15和YG8、不锈钢等材料进行微凹坑单一超声加工与超声复合加工的对比试验；重点研究了超声电解复合加工中电解电压参数对微凹坑加工效率、精度、表面质量及微凸起工具电极损耗的影响规律。试验验证了在金属材料表面进行微凹坑超声复合加工的必要性及可行性。关键词：微凹坑，超声复合加工，微凸起工具电极AbstractThe array micro-pits with regular profiles can modify surface tribology character, improve lubrication and wear-resisting. As the manufacturing methods are few, the research and current application situation of micro-pits on working surface between friction pairs are introduced in this paper. Ultrasonic combined micro-machining is proposed as a new technology, and then content and research significance of this paper are confirmed. Besides,the principle, working characteristic, realization condition and technologic property of USM, EDM and ECM are analyzed. The processing of impulsive discharge and micro-electrochemical can be improved by ultrasonic vibration. Then the mechanism and technical superiority of ultrasonic combined electrical discharge micro-machining are studied, as well as ultrasonic combined electrochemical micro-machining.At last, systems ofultrasonic combined electrical discharge micro-machining and ultrasonic combined electrochemical micro-machining are completed. Working parameters like working fluid, oscillation frequency of tool electrodes, contact pressure are chosen according to analysing of processing systems, experiment scheme are presented. Single process experiments of ultrasonic machining of micro-pits are carried on cemented carbide(YT15, YG8), stainless steel, monocrystal line silicon, PZT, glass steel with different tool electrodes; contrast tests between single ultrasonic machining and ultrasonic combined machining are carried on kentaniums and stainless steel. Machining efficiency and precision of micro-pits on working surface between friction pairs as well as waster of tool electrodes influenced by electrolysis voltage amplitude and impulse frequency are mainly discussed. The feasibility of the ultrasonic combined micro-machining of micro-pits used in machining kentaniums and stainless steel is confirmed. Key words: micro-pit, ultrasonic combined machining, micro-protrude目录摘要IAbstractII第一章绪论11.1 微凹坑结构的研究及应用背景11.2 本文研究主要内容11.3 本章小结2第二章微细超声复合加工32.1 微细超声加工32.1.1 微细超声加工原理32.1.2 加工特点52.2 微细电解加工62.2.1 微细电解加工原理62.2.2 加工特点72.3 本章小结8第三章微凹坑加工工具微凸起电极的设计制作93.1 微凹坑设计93.1.1 微凹坑设计原则93.2 微凸起工具电极设计93.3 微凸起工具电极材料选择123.4 微凸起工具电极制作123.5 变幅杆设计与制作133.6 本章小结15第四章微凹坑超声复合加工试验174.1 试验参数选择174.1.1 试验件材料174.1.2 工作液184.1.3 工具电极超声振动频率及振幅1942 微细超声加工试验204.2.1 阵列圆形微凹坑单一超声加工试验214.2.2 阵列正方形微凹坑单一超声加工试验214.2.3 阵列菱形微凹坑单一超声加工试验224.2.4 试验结果分析234.3 微细超声电解复合加工244.3.1 阵列圆形微凹坑超声电解复合加工试验254.4 本章小结26第五章总结与展望275.1 总结275.2 研究展望27参考文献28致谢29第一章绪论1.1 微凹坑结构的研究及应用背景根据摩擦学润滑理论，摩擦副表面阵列微凹坑中储存的润滑油可以被引到两个相对运动的表面间产生流体润滑膜，使其充分利用挤压和流体动力的联合作用改善润滑状况，在这种结构中规则微凹坑的表面形貌对流体润滑有着非常重要的影响。理论分析表明，在钢材表面加工出按一定规律分布的、具有一定深度、光滑过渡的球形、椭球形凹坑或圆锥形凹坑，有利于钢板在冲压过程形成良好的动压润滑，将有利于形成流体动压润滑效应，从而改善模具与钢板之间的摩擦状况。因此，现代汽车工业中，人们开始尝试在汽缸壁、滑动轴承表面形成人造的斑块或凹坑，用以提高润滑（或密封）效果。阵列微坑结构已经批量应用于汽车工业中，具有微坑结构的气缸套具有节能、节油、减少环境污染、高耐磨性、可避免干摩擦和拉缸现象发生等优点，对发动机节能、长寿命和轻型化发展具有重大意义和广泛的应用价值。研究人员还根据国内外的最新研究进展和研究成果，将储油结构分为网状裂纹型、网状交叉型、独立微坑型等结构。1.2 本文研究主要内容对微凹坑结构超声复合加工工艺进行研究，其中包括微细超声复合加工系统的改造和完善，微凹坑的设计，微凸起工具电极的设计和制作，微细超声复合加工微凹坑对比试验，加工工艺规律分析。（1）针对试验中采用的微细超声加工以及微细超声电解复合加工两种加工方法，设计合适的加工系统，并对微细超声复合加工的加工装置进行构建与完善；（2）由流体润滑理论，设计了圆形截面微凹坑，在此基础上将截面形状拓展为正方形、菱形，成阵列分布时，微凹坑尺寸与间距应成一定比例；（3）根据微凹坑形状，对微凹坑加工的微细工具微凸起进行外形设计，选择单体截面为圆形、正方形、三角形的微细轴并将其推广为阵列圆形、正方形、菱形微凸起作为微细工具电极的典型代表，利用现有的精密慢走丝线切割机床、精密电火花成型机进行工艺组合加工各种微凸起工具电极；（4）确定试验方案，在多种材料表面选用不同加工参数进行微凹坑单一超声与超声复合加工对比实验，利用数字存储示波器及 PC 机进行加工过程中各类参数的检测和加工状态的评估，调整优化参数；（5）总结各种加工参数下微凹坑单一超声与超声复合加工试验中精度、效率、表面质量的改善程度及原因，针对加工试验中存在的问题，进行工艺的完善； 1.3 本章小结本章阐述了微凹坑结构的研究及应用背景，进而提出本论文研究工作内容。第二章微细超声复合加工特种加工方法是借用各种电能、热能、声能、光能、电化学能及特殊机械能等多种能量，直接去除或增加材料以达到加工的目的，一般没有宏观的切削力作用，且多数属于非接触式加工，因此在微小尺度零件的加工中有着不可替代的优越性。特种加工的具体方法有电火花加工、超声加工、电解加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等。目前，微细加工技术的研究大多集中在半导体制造工艺、光刻技术、蚀刻技术和LIGA 技术上，并且取得了相当大的实用进展。但是，这些技术只能用来加工结构简单的二维或准三维微机械，尚不适于致动器的制作。如将这类微机械作为致动器，只能靠静电力驱动，驱动力太小。另外，这些加工方式的设备普遍昂贵，一次性投入较大，只适合大规模批量生产，对于复杂的三维微机械结构，采用以上技术就难以实现或根本无法实现，小规模的微机械生产也不宜采用以上方法，限制了其应用范围。特种加工技术在微小型三维立体结构、致动器的制作上有独到之处，批量制作也可通过模具加工、电铸、注塑等方法实现。国外采取了微细加工与特种加工并重的策略，以充分发挥各种加工方法的优点。作为微细超声复合加工的技术基础，将超声加工、电火花加工、电解加工分别与微细加工有机地融合在一起，综合利用不同的优点，从而获得单一方法所达不到的技术优势。2.1 微细超声加工超声加工（Ultrasonic Machining 简称 USM）有时也称超声波加工。电火花加工和电化学加工都只能加工金属导电材料，不易加工不导电的非金属材料，然而超声加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等硬脆金属材料，而且更适合加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属硬脆材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤等。2.1.1 微细超声加工原理超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种特种加工方法，超声加工的基本原理如图1-2所示。超声加工时，在工具1和工件2之间加入水（或油等）和磨料混合的悬浮液3，并使工具以适当的压力F轻轻压在工件上。超声换能器6产生高达16000Hz以上的超声频率作纵向振动，由于弹性杆（弹性杆使振幅产生一定的放大变化，通常称其为变幅杆）的作用，振幅被放大到0.050.1mm左右，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮磨料的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工工件表面，把被加工工件表面的材料粉碎成很细的微小颗粒，从工件上被打击下来。虽然每一次打击下来的材料很少，但每秒打击的次数高达16000次（与超声频率有关）以上，所以仍有一定的加工速度。图2.1 超声加工原理图 1- 工具 2-工件 3-磨料悬浮液 4，5-变幅杆6-换能器 7-超声波发生器与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和“空化”作用，迫使工作液进入被加工材料的微细缝隙处，从而更加剧了机械破坏作用。所谓“空化”作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成较大的负压和局部真空，使得工作液内瞬间形成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡又重新闭合，又引起较强的液压冲击波，上述作用迅速、反复地施加在工具与工件之间微小间隙内的工作液里，可以大大强化加工过程。此外，正负交变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，带动磨料运动，使部分变钝了的磨粒及时得到更新。磨料悬浮液通过不断更新，带走被粉碎下来的材料微粒。随着加工工具逐渐伸入到被加工材料中，加工工具的形状便复现在工件上了。由此可见，超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，其中，磨粒的机械撞击作用是占主导地位的。由于超声加工基于局部撞击作用，所以当受到撞击作用时，越是硬脆的材料，其受破坏的程度越大，越容易进行超声加工。相反，脆性和硬度不大的韧性材料，由于它对撞击能量的吸收、缓冲作用而难以实施超声加工，或者说加工效果很不理想。所以，这一性质常利用在工具材料选择上，要求它既能撞击磨粒，又不至于使自身受到很大的破坏，一般选择塑性较好的材料，通常采用45钢或弹簧钢等材料作为工具材料较合适。2.1.2 加工特点超声加工的主要特点有：不受材料是否导电的限制；工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件；被加工材料的脆性越大越容易加工，材料越硬或强度、韧性越大则越难加工；由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；可以与其他多种加工方法结合应用，如超声振动切削、超声电火花加工和超声电解加工等。超声加工主要用于各种硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔(包括圆孔、异形孔和弯曲孔等)、切割、开槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。所谓 “金无足赤”，超声加工也有着他难以克服的局限性(1)超声加工面积较大时，超声加工效率有明显的降低；其次超声加工很难加工韧性较大金属材料（工具钢、硬质合金等）；(2)超声加工圆柱形孔深度一般以工具直径的5倍为限，对于深径比较大的深小孔加工很困难；(3)超声加工工具在磨料的抛磨下有损耗，同时，磨粒使工具与工件之间存在间隙，因此，精加工时要考虑工具损耗及磨粒直径大小对加工精度的影响，工具设计中应给予合理补偿。2.2 微细电解加工电解加工（Electrochemical Machining，ECM）是基于电解过程中的阳极溶解原理，并借助于阴极将工件按一定形状和尺寸加工成形的工艺方法。目前在国内外已成功的应用于航空发动机、汽车等机械制造业中，已成为一种不可缺少的工艺方法。微细电解加工（Micro-ECM）是指在微细加工范围（1m1mm）内，应用电解加工以得到高精度、微小尺寸零件的加工方法。要实现微细加工，首先要解决其加工单位的微细化问题，即单位加工量尽可能地小。电化学中的电解过程从理论上讲，是以离子为单位进行阳极溶解的，满足微细加工的加工要求。 2.2.1 微细电解加工原理图2.2 电解原理图电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法。如图2.2所示，加工时，工件接直流电源（一般为10-24V）的正极，工具接负极，两极之间保持较小的间隙（一般在0.1-1mm范围内）。电解液从极间间隙中流过（6-30m/s），使两极之间形成导电通路，并在电源电压下产生电流，从而形成电化学阳极溶解。随着工具相对工件不断进给，工件金属不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，最终两极间各处的间隙趋于一致，工件表面形成与工具工作面基本相似的形状。图2.3 加工示意图2.2.2 加工特点微细电解加工是从电化学基础上发展而来的，与其它加工方法比较，具有以下优点：（1）加工范围广，不受所加工金属材料本身硬度和强度的限制，可以加工普通切削加工方法难以加工的金属材料，例如，硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度及韧性金属材料，并可加工叶片、锻模等多种外形和内腔比较复杂的零件。（2）电解加工的生产效率较高，约为电火花成形加工的 510 倍，在某种情况下，甚至比切削加工的效率还要高，而且加工生产率并不直接受加工精度和表面粗糙度的限制；（3）可以获得较好的表面粗糙度（Ra1.25m0.2m）和0.1mm 左右的平均加工精度。（4）由于加工过程中不存在宏观机械切削力，所以不会产生机械切削加工所导致的残余应力和变形，不会产生飞边和毛刺。（5）由于电解加工阴极在理论上不会损耗，可以长期使用。但微细电解加工也有其局限性：（1）电解产物需要进行妥善处理，否则将污染环境。（2）微细电极工具的设计和修正比较麻烦，难以适用于单件生产。（3）加工稳定性不易控制。由于影响电解加工间隙电场和流场稳定性的参数很多，控制比较困难，加工时杂散腐蚀也比较严重。在生产中，微细电解加工易与机械加工及其他特种加工方法相结合形成复合加工以提高加工效率，如电解磨削、电解抛光、超声电解加工等。2.3 本章小结本章主要介绍了微细超声加工和微细电解加工的基本原理、加工特点。探讨超声电解加工可行性与技术优势，为试验系统构建建立了基础。第三章微凹坑加工工具微凸起电极的设计制作微凸起结构和微凹坑结构是两种相对应的几何形状，因此，只要制备出凸形的工具电极，就可以采用微细超声复合加工技术制作对应的凹形工件。表面微凹坑试验中材料去除量微小，加工精度和表面质量都要求很高，微凸起工具电极的设计、制作与安装精度对加工效率、加工精度及表面质量的影响很大。因此微凸起工具电极的设计制作是实现微凹坑加工的关键，微凸起工具电极制作工艺对摩擦副表面微凹坑加工工艺的完善具有重要意义。本章首先根据流体润滑理论进行表面微凹坑的理论分析探讨，再重点讨论微凸起工具电极的设计、制作方法。3.1 微凹坑设计 3.1.1 微凹坑设计原则根据上述流体润滑理论分析及其在微细加工领域的基础研究和实际应用状况，理想阵列微凹坑结构形状为圆形截面。圆形微凹坑加工工具圆形阵列微凸起结构制作工艺难度大（需要多次单孔放电加工阵列孔母电极，再电火花反拷复合平动加工微凸起工具）；另一方面，考虑到微凹坑加工工具制作过程（即微细放电加工过程）及微细超声复合加工过程中均存在圆角效应，将微凹坑截面设计形状拓展为正方形、菱形，可近似代替圆形微凹坑的作用效果，这样可大大减小工具电极的制作难度，因此本文设计加工圆形、正方形、菱形三种截面微凹坑。设计微凹坑结构参数：微凹坑边长（或直径）在 400m800m 之间，深度 100m左右；表面粗糙度要求 Ra1.6m 左右；成阵列分布时，微凹坑尺寸与间距成一定比例。3.2 微凸起工具电极设计通常，超声加工工具电极总体长度不超过声速波长的十分之一，径向尺寸不超过换能器小端的几何尺寸。本次设计的电极尺寸微小，与换能器底部直径相差很大，因此设计工具电极总体形状为锥形，即将工具电极的作用长度设计成锥形，端部保留一定长度为小阶梯轴。在锥面上用线切割放电加工出两个对称平面作为夹持部，以方便工具电极的安装锁紧，后尾部螺纹与机床联接。根据微凹坑截面形状，确定工具电极单体为圆形、正方形、菱形等微凸起形状，并呈阵列排布；为了便于制作，电极凸起高度设计为 3.0mm，远大于微凹坑深度，并留有较大加工损耗余量，可进行多次加工试验。本文首先设计制作简单轴类形状工具电极，为后面的复杂阵列电极加工奠定基础，同时这类简单轴类形状工具电极也是微细三维结构加工的基础，是衡量三维结构微细加工能力的一种标志。图 3.1 微细轴类工具电极设计在此基础上，设计单体为圆形、正方形、菱形截面形状的阵列微凸起工具电极。图3.2、图 3.3、图 3.4 分别为阵列圆形、正方形、菱形微凸起工具电极设计图。图 3.2 阵列圆形微凸起工具电极设计图3.3 阵列正方形微凸起工具电极设计图 3.4 阵列菱形微凸起工具电极设计3.3 微凸起工具电极材料选择微凹坑超声复合加工试验中存在超声振动，由于超声磨粒撞击作用，工具在纵向和横向都会产生磨损，端面（纵向）的磨损是主要的，侧面（横向）的磨损仅占全部磨损的1/10。工具的磨损不仅直接影响加工速度和工件成形加工精度，而且会破坏振动系统的共振条件，降低加工效率。工具磨损量的大小，主要取决于工具材料、结构和工件材料。当加工脆性材料时，工具头材料可选择相对损耗比较低的硬质合金及淬火钢，但其加工制备困难，多用调质 45 钢或碳素工具钢作为替代材料，因为这些材料具有抗疲劳强度高、比较耐磨损、加工容易的特点。如果要求加工精度较高时，采用硬质合金或淬火钢较好，必要时可采用金刚石镀覆工具。本试验中微凸起工具电极单体细长，需要有足够的强度、良好的刚度及耐磨性，微细电加工时还须具备良好的导电性。综合材料特性及工具工作要求，选用调质 45 钢及GCr15 轴承钢作为工具电极材料。3.4 微凸起工具电极制作随着以微机械为代表的工业制品的日益小型化及微细化，微细工具的制作已成为世界各国制造业的一个重要研究课题。目前成功应用于微细工具加工的手段有 LIGA 技术、电火花成形技术、电火花线切割技术、掩模曝光、金属粉末快速成形烧结等方式，如：采用专用电火花反拷模具，在精密电火花成形机上用平动法火花放电可制作多种规格微细结构的电极；采用微细钼丝，在精密电火花线切割机上制作非旋转体类的立体微结构；采用掩模曝光、快速成形工艺制作端面形状更复杂的立体结构微细电极。但这些单一加工方法都受自身工艺的限制，对很多结构无能为力。随着现代特种加工技术的微细化、高精度发展，组合微细电加工方法已成为微细工具制作的常用方法，如多轴联动放电加工、微细电火花线切割、套料、反拷及电极内外表面转换等加工方法，它们都属于非接触式加工，宏观作用力微小，加工表面质量高，能够满足微小工具头的制作要求，具有很大的技术优势。3.5 变幅杆设计与制作变幅杆的作用是把机械震动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中到叫嚣的面积上，即聚能作用。变幅杆可制成锥形的、指数形的、阶梯形的。本试验系统采用的是阶梯形的变幅杆。本试验采用指数型变幅杆。设计频率为f=20kHz，变幅杆所用材料为调质45号钢，纵波在杆中的传播速度C5170m/s，宽端直径D145mm，窄端直径为D213mm；阴极设计的工作长度l226mm，大端直径d=12mm小端直径d1=10mm。计算指数型变幅杆的主要参数：(1)面积系数4，1.50(2)半波谐振长度143.5mm(3)检查是否满足限制条件f 。，因此，可知工作频率满足限制条件(4)质点位移节点x0位移节点x0为从宽端算起的距离，此点变幅杆振幅为零。(5)对于指数形变幅杆(6)轴向直径变化查表可得变幅杆长l1l-l2=143.526121.3.5mm轴向的直径变化按计算，。根据上面所求出的参量，计算出变幅杆外形的加工尺寸，确定指数型变幅杆轴向直径的变化情况，如图3.5所示。(mm)(mm)045.002032.753028.074024.325021.246018.547015.978013.579011.7610010.9111010.91表 3.1 变幅杆直径变化图 3.5 指数型变幅杆横截面直径尺寸变化示意图图 3.6 锥形变幅杆图3.7 指数型变幅杆3.6 本章小结本章介绍了微凹坑加工工具微凸起电极的设计制作，包括各种微凸起工具电极形状尺寸的设计，工具电极材料的选择。试验制作的工具电极在精度与表面质量方面均满足要求。进一步优化尺寸设计，改善加工制作工艺，优化电加工参数，可以加工出形状更多，尺寸更小，精度要求更高的微凸起工具电极。讨论了变幅杆的设计方法及制作要求。第四章微凹坑超声复合加工试验微凸起工具电极制作完成后，利用设计构造的微细超声复合加工试验系统，优化试验参数，在多种材料表面进行微凹坑结构超声复合加工对比试验，对加工所得的具有微凹坑结构表面进行初步试验，为后续研究建立基础条件。 4.1 试验参数选择影响微细超声复合加工速度和加工质量的主要因素有：试验件材料、超声磨料的种类和粒度、悬浮液的浓度、工作液供给及循环方式、工具电极超声振动幅值、超声共振点的保持情况、工具和工件之间的静压力等。4.1.1 试验件材料本文试验材料有：硬质合金（YT15，YG8）、不锈钢、单晶硅片、压电陶瓷、玻璃钢等，均是近年来在微机械领域常使用的材料，在微机械关键部件中起着非常重要的作用。在多种材料表面进行微凹坑试验，对加工这种特殊结构乃至拓宽微细加工技术应用都具有重要意义。以下介绍试验中的几种主要材料。（1）硬质合金硬质合金是由硬度很高的难熔金属碳化物（WC、TiC、TaC 和 NbC等）和金属粘结剂（Co、Ni、Mo）用粉末冶金方法制成的。硬质合金中的碳化物具有硬度高、熔点高、化学稳定性和热稳定性好等特点。硬质合金的强度与粘结剂的含量有关，粘结剂含量越高，合金强度就越高。硬质合金的硬度可达 HRA8994，耐热温度达8001000，是用以切削硬质材料的首选刀具材料，具有很高的硬度和韧性，很难利用普通机械切削方式加工。硬质合金的种类很多，课题试验选用 YT15 硬质合金和 YG8 硬质合金作为本文微细超声复合加工的主要试验对象。YT15 属于 WC-Ti-Co 类硬质合金，具有硬、韧的特性；YG8 属于 WC-Co 类硬质合金，具有较高硬度，同时脆性也较大。（2）不锈钢不锈钢具有耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀和酸、碱、盐等化学浸蚀的特性，又称不锈耐酸钢。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当钢中含铬量达到 12左右时，铬与腐蚀介质中的氧作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜（自钝化膜），可阻止钢的基体进一步腐蚀。除铬外，常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。本次试验所用不锈钢为材料 0Cr18Ni9，即通用型号 304，呈片状。（3）单晶硅硅有无定形(非晶硅)和结晶形两种同素异形体。结晶形硅在固体时呈现灰色，并具有金属光泽，质坚且脆，其貌似金属。结晶硅可分为单晶硅和多晶硅两种。单晶硅是典型的共价键结合的材料，硬度高、脆性很大，很难加工。（4）压电陶瓷压电陶瓷是电子陶瓷的一类，具有高耦合、高机械品质因数、高介电常数和高稳定性能等特征，是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，具有压电效应。压电陶瓷属于非金属脆性材料，普通的机械加工方法由于加工时切削力过大，易出现脆断及裂纹很难对其进行精确的加工。本次试验使用的压电陶瓷是在微机电系统中经常用的锆钛酸铅（PZT）。4.1.2 工作液超声加工中使用含微细磨料的水溶液，超声电解复合加工中使用含微细磨料的钝化电解液。其中磨料的种类、硬度、粒度对超声加工速度有明显影响，磨料粒度越大，加工速度越快，但加工精度和表面质量变差。加工硬度不太高的硬脆材料时，可采用碳化硅磨料；加工玻璃钢、石英、半导体材料时用氧化铝作为磨料；当加工硬质合金、淬火钢等高硬脆性材料时，宜采用硬度较高的碳化硼磨料或碳化硅磨料，考虑到本试验的工件材料、成本、加工件的微细程度等要求，选用 W10 碳化硼（B4C）磨料（尺寸平均值范围15m10m）。磨料悬浮液的浓度对于加工效率有一定的影响。磨料浓度越低，加工间隙内磨粒总数偏少，加工速度下降，随着磨料浓度的加大，加工速度会有所增加。但浓度太高，磨粒在加工区域的循环运动和对工件的撞击运动相互影响，又会导致加工速度降低。试验选用磨料在工作液中的浓度为 15%或 20%。本试验中，根据微细电解加工的要求，为提高加工精度和加工的定域性，最大程度减小电解产生的杂散腐蚀作用，应选择钝化性电解液。超声电解复合加工试验选择钝化性 NaNO3电解液，由于微细加工材料绝对去除量很少，复合加工中的电解作用必须在低电流密度下得到控制，所以选用的 NaNO3电解液浓度应在 5%左右。由于超声振动加工区很小，试验中工作液采用人工间歇补充、定时搅拌的静态供液方式，便能够满足微细加工需要。如果采用适合微细加工的专用磨料工作液供液循环系统，使加工区一直浸没在工作液中，将会减轻人工供液的麻烦，提高加工速度。4.1.3 工具电极超声振动频率及振幅工具电极的振动频率和振幅对于工件的加工效率有很大影响，较高的工具电极振动频率和振幅能提高加工效率，但过高的振动频率和振幅有可能会使工具承受过大的应力，超过疲劳强度而降低使用寿命，而且在它们的连接处能量损耗也会增大。根据要求，实际加工中将频率调至机床的共振频率，以获得最大的工具振幅。如图4.1 所示，通过数字存储示波器可得到超声发生器输出至换能器的超声频电压信号波形，图示共振频率为 20.492KHz。由于系统共振频率易受外界因素（如工具损耗、工作压力变化、加工深度改变、螺纹联接松动等）的影响，共振频率点会发生漂移，为保证加工过程的稳定，需及时调节超声发生器的输出信号频率，使系统始终保持在共振状态下。图 4.1 系统共振时采集的超声发生器输出的超声频交变电压波形42 微细超声加工试验试验采用精密超声加工机，使用双通道数字存储示波器检测超声发生器输出超声频交变电信号，如图 4.2 所示为超声输出功率为 30W 时超声发生器输出的电压波形。图 4.2 超声加工系统共振时采集的超声发生器输出超声频交变电压波形4.2.1 阵列圆形微凹坑单一超声加工试验选用阵列圆形（0.5mm）微凸起工具电极，加工参数：工件与工具间静压力 2.0N；加工时间 2min；磨料 W10 碳化硼；磨料悬浮液浓度 15%；试件材料选用硬质合金 YT15和 YG8、不锈钢、单晶硅、压电陶瓷、玻璃钢，取加工后材料表面微凹坑局部（33）放大图 4.3（a）（f）。图 4.3 阵列圆形微凸起单一超声加工微凹坑将加工件置于体视测量显微镜下进行观察、测量，得到各种材料表面阵列圆形微凸起单一超声加工微凹坑圆孔直径与加工深度对比如图 4.4 所示。图 4.4 阵列圆形微凸起单一超声加工微凹坑圆孔直径与加工深度对比图由图 4.4 可知阵列圆形凹坑加工效果与单一微细孔加工效果相似，但加工深度较小，原因是阵列圆形微凹坑加工接触应力较小，另外工作液及磨料供给受到阵列圆形微凸起工具电极的限制。4.2.2 阵列正方形微凹坑单一超声加工试验选用阵列正方形（0.5mm0.5mm）微凸起工具电极，加工参数：工件与工具间静压力 2.0N；加工时间 2min；磨料 W10 碳化硼；磨料悬浮液浓度 15%；试件材料选用硬质合金 YT15 和 YG8、不锈钢、单晶硅、压电陶瓷、玻璃钢，取加工后材料表面微凹坑局部（33）放大图 4.5（a）（f）。图 4.5 阵列正方形微凸起单一超声加工微凹坑将加工件置于体视测量显微镜下进行观察、测量，得到各种材料表面阵列正方形微凸起单一超声加工微凹坑正方形边长与加工深度对比如图 4.6 所示。图 4.6 阵列正方形微凸起单一超声加工微凹坑正方形边长与加工深度对比图由图 4.6 可知阵列正方形凹坑加工效果与单一微细孔加工效果相似。加工中，由于阵列正方形微凸起与工件接触面积略大于阵列圆形微凸起，正方形微凹坑深度稍小于圆形。4.2.3 阵列菱形微凹坑单一超声加工试验选用阵列菱形（边长 0.7mm0.7mm）微凸起工具电极，加工参数：工件与工具间静压力 2.0N；加工时间 2min；磨料 W10 碳化硼；磨料悬浮液浓度 15%；试件材料选用硬质合金 YT15 和 YG8、不锈钢、单晶硅、压电陶瓷、玻璃钢，取加工后材料表面微凹坑局部（33）放大图 4.7（a）（f）。图 4.7 阵列菱形微凸起单一超声加工微凹坑将加工件置于体视测量显微镜下进行观察测量，得到各种材料表面阵列菱形微凸起单一超声加工微凹坑菱形边长与加工深度对比如图 4.8 所示。图 4.8 阵列菱形微凸起单一超声加工微凹坑菱形边长与加工深度对比图由图 4.8 可知阵列菱形凹坑加工深度最小，是由于阵列菱形微凸起与工件的接触面积远大于阵列圆形与正方形微凸起。此外，如图 4.7（e）、（f）所示菱形微凹坑超声加工 “圆角效应”明显，这是由于尖角处易于被超声磨粒撞击磨损。4.2.4 试验结果分析比较各组加工图和测量数据可知，工件尺寸比工具尺寸有所扩大，扩大量理论上约为磨粒直径的两倍。磨粒越细，加工成形精度越高。压电陶瓷的加工效率最高，尺寸精度可达到 0.01mm，表面粗糙度 Ra1.6m，微凹坑结构尺寸一致性精度可达0.002mm。单晶硅片的加工效果也很明显，和压电陶瓷一样微形状的边缘也出现了轻微塌边，可能因为材料脆性很高，是工具头在振动时对入口边缘瞬间的应力太大所致。通过试验现象及结果发现硬质合金、不锈钢的加工精度和表面质量比加工压电陶瓷、单晶硅片等硬脆材料要好，原因是硬质合金、不锈钢硬度高的同时还具有一定的韧性。从而说明材料的加工精度、表面质量及加工效率都和材料的力学性能有很大关系，在同样的加工条件下，材料的强度和断裂韧性越高，在超声波高频振动撞击及空化作用下，表层去除脆裂较小，加工精度和表面质量越高，加工速度和加工效率越低；相反被加工材料越脆，则承受冲击载荷的能力越低，也就越容易被去除。但是，硬质合金、不锈钢的加工效率很低，在 2min 内只在工件表面加工出结构痕迹，深度仅几十 m。在微孔加工中，由于工具头端部能量集中且形状简单，加工效率稍高，而外形复杂阵列工具头端面（如阵列圆形、正方形、菱形微凸起）不利于磨料悬浮工作液的流动，影响加工效率。硬质合金及不锈钢的单超声加工中参数选择、加工结果、现象分析等对微细超声复合加工参数的选择及分析具有重要的参考价值。4.3 微细超声电解复合加工采用 MC-6 型脉冲电源，使

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