（机械制造及其自动化专业论文）微细掺粉电解抛光设备设计及其工艺试验研究.pdf

搞要 摘要 电解抛光是以被抛光工件为阳极，不溶性金属为阴极，两电极同时浸入电化学抛光槽中， 通以直流或脉冲电而产生有选择性的阳极溶解而使阳极表面粗糙度减小、光亮度增大的一 种加工方法。 电解抛光对零件进行表面处理的方法，具有工具无损耗、抛光表面质量好、与零件材 料硬度无关、抛光后工件无应力等优点。而且加工过程中材料是以“离子”溶解的方式去 除，这种微去除方式在理论上是原子或离子级的抛光，使得电解抛光的精度上有很大的发 展空间，在微细零件表面抛光领域有着很大的发展前景。 本文针对微细电解抛光的要求，成功开发了一台三维微细零件电解掺粉抛光装备。该 装置采用了立柱式加悬臂式的固定式结构，以大厚度的花岗岩为底座，稳定性好，可隔震， 从而保证装备的运动精度；装备具有在x 、y 、z 三个方向的进给机构，工作行程范围为 5 0 5 0 x1 0 0 m m ，其中采用高精密的进口滚珠丝杠驱动的微动电移台，用步进电机驱动。 同时在z 轴上装有高速电主轴，其速度高达6 0 0 0 0 转分；在x 、y 工作台上还带有具有高 精度的旋转悬臂梁，从而可对得更复杂的工件进行电解或电解抛光。采用电源纳秒级脉冲 电源，其最小稳定输出脉宽5 0 n s ，额定电流1 a ，占空比和频率均独立可调，为实现高精 度的微细电解加工提供了保证。 开发了装备专用的控制系统。采用v b 6 0 作为控制系统的开发工具，主要以个人计算 机( p c ) 主体，采用运动控制卡控制步进电机的运动；数据采集卡采集加工实时电压信号，并 根据实时电压判断加工状态，针对三维微细零件掺粉电解抛光装备而开发的控制系统。并 由控制系统的内部编程的判断而进行自动加工控制，从而实现加工的在线验测，短路自动 定量回退，再自动恢复进给，直到电解加工完成。而在电解抛光方面，该系统可实现对刀， 再回退一定的抛光间隙，进行定时定轨迹抛光。 用本装备还进行了大量的电解抛光试验：包括研制适应电极高速旋转的新型电解抛光 工作液，进行微细电解加工试验，加工出直径小达2 0 3 0pm ，长为1 0 0 0um 的微细轴，用 a n s y s 仿真分析了电场场强对电解抛光影响规律，并用分析结果地结合实际指导电解抛光 加工实验；研究了电极高速旋转下，对各种主要参数电解抛光效果的影响及其规律，如高 频窄脉冲电源抛光电压、脉宽、占空比，进行掺粉电解抛光试验的掺粉粒度、掺粉浓度对 电解抛光影响规律，把电解加工的表面粗糙度r a 为1 0i lm 微细轴，抛光加工到r a 只有 广东工业大学硕士学位论文 0 0 2um 镜面效果；最后对进行复杂三维结构的掺粉电解抛光进行试验。 关键字：电解抛光装备开发运动控制脉冲电源 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r o l y s i sp o l i s h i n gi sp o l i s h e dt h ew o r kp i e c ew h i c h a sa na n o d e ，a n dt h ei n s o l u b l em e t a l a sac a t h o d e ，t w oe l e c t r o d e ss i m u l t a n e o u s l yp l u n g ei nt h ee l e c t r o c h e m i s t r yp o l i s h i n gt r o u g h t h ed i r e c tc u r r e n to rt h ep u l s eh a se l e c t r i f yi nt w oe l e c t r o d e s t h ea n o d et ob ed i s s o l v es ot h e a n o d es u r f a c er o u g h n e s st ob er e d u c e ，a n dt h er a d i a n c ei n c r e a s e s e l e c t r o l y s i sp o l i s h i n gt h ec o m p o n e n t sp r o c e s s i n gf o r m a t i o n , h a st h et o o ln o tt oh a v ew e l l t h el o s s ，t h eg l a z e ds u r f a c eq u a l i t y , h a sn o t h i n gt od ow i t h , p o l i s h i n ga f t e rt h ec o m p o n e n t s m a t e r i a ld e g r e eo fh a r d n e s sm e r i t sa n ds oo nw o r kp i e c eu n s t r e s s i n g m o r e o v e ri nt h ep r o c e s s i n g p r o c e s st h em a t e r i a li sb y t h ei o n t h ed i s s o l v e dw a ye l i m i n a t i o n , t h i sm i c r oe l i m i n a t i o nw a y e n a b l e se l e c t r o l y s i sp o l i s h i n gt oh a v et h ev e r yb i gp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n ti nt h et i n y c o m p o n e n t ss u r f a c ep o l i s hd o m a i n t h i sa r t i c l ei nv i e wo ft h et i n ye l e c t r o l y s i sp o l i s h i n gr e q u e s t ，t h es u c c e s sd e v e l o p e dat h r e e d i m e n s i o n a l t i n yc o m p o n e n t se l e c t r o l y s i s t om i xt h ep o w d e rp o l i s h i n g e q u i p m e n t t h i s e q u i p m e n tu s e dt h ec o l u m nt y p et oa d dt h ec a n t i l e v e rt h es t a t i o n a r ys t r u c t u r e ，t a k et h eg r e a t t h i c k n e s s sg r a n i t ea st h ef o u n d a t i o n , t h es t a b i l i t yi sg o o d , m i g h ts h o c ki n s u l a t i o n , t h u sg u a r a n t e e e q u i p m e n tm o v e m e n tp r e c i s i o n ；t h ee q u i p m e n th a si nx ，yt h ez t h r e ed i r e c t i o na d v a n c e dg e a r s ， t h ep o w e rs t r o k es c o p ef o r5 0 x 5 0 x 1 0 0 r n m , u s e sf i n em o t i o ne l e c t r o m i g r a t i o nt a i w a nw h i c ht h e h i g hp r e c i s ei m p o r tb a l lh e a r i n gg u i d es c r e wa c t u a t e s ，w i t hs t e p b y - s t e p st h em o t o r - d r i v e n m e a n w h i l ei sl o a d e dw i t ht h eh i g hs p e e de l e c t r i c i t ym a i na x l eo nt h ez a x i s ，i t ss p e e dr e a c h e sa s h i g h 够f o r6 0 0 0 0r e v o l u t i o no f m i n u t e s ；o nx ，yw o r kt a b l ea l s oh a st h eh i g ha c c u r a c y r e v o l v i n gc a n t i l e v e rb e a m , t h u sm a yc a r r yo nt h ee l e c t r o l y s i so re l e c t r o l y s i sp o l i s h i n gt oam o r e c o m p l e xw o r kp i e c e u s e st h ep o w e rs o u r c en a n o s e c o n dl e v e lp u l s ep o w e rs o u r c e ，i t ss m a l l e s t s t a b l eo u t p u tp u l s ew i d t h5 0 n s ，n o m i n a lc u r r e n t1 a , d u t y f a c t o ra n d 丘e q u e n c yi n d e p e n d e n t a d j u s t a b l e ，t or e a l i z et h eh i g ha c c u r a c yt i n ye l e c t r o l y s i sp r o c e s s i n gt op r o v i d et h eg u a r a n t e e h a sd e v e l o p e dt h ee q u i p m e n ts p e c i a l - p u r p o s ec o n t r o ls y s t e m u s e sv b 6 0t ot a k ec o n t r o l s y s t e m sd e v e l o p m e n tk i t ，m a i n l yb yt h ep e r s o n a lc o m p u t e r ( p c ) t h em a i nb o d y , u s e st h e m o v e m e n tc o n t r o lc a r dc o n t r o lt os t e p - b y - s t e pe l e c t r i c a lm a c h i n e r y sm o v e m e n t ；t h ed a t a a c q u i s i t i o nc a r dg a t h e r i n gp r o c e s s i n gr e a l - t i m ev o l t a g es i g n a l , a n da c c o r d i n gt ot h er e a l - t i m e v o l t a g ej u d g m e n tp r o c e s s i n gc o n d i t i o n , m i x e st h ec o n t r o ls y s t e mw h i c hi nv i e wo ft h et h r e e d i m e n s i o n a lt i n yc o m p o n e n t st h ep o w d e re l e c t r o l y s i sp o l i s h i n ge q u i p m e n td e v e l o p s a n dc a r r i e s o nt h ea u t o m a t i cp r o c e s s i n gc o n t r o lb yc o n t r o ls y s t e m si n t e r n a lp r o g r a m m i n g sj u d g m e n t ，t h u s 1 1 1 广东1 = 业大学硕士学位论文 r e a l i z e st h e p r o c e s s i n g o n l i n et oe x a m i n em e a s u r e d ，s h o r t - c i r c u i t st h e a u t o m a t i cq u o t a r e t r o v e r s i o n , t h es e l f - r e c o v e r yt of e e d ，c o m p l e t e sa g a i nu n t i lt h ee l e c t r o l y s i sp r o c e s s i n g b u ti n t h ee l e c t r o l y s i sp o l i s h i n ga s p e c t ，t h i ss y s t e mm a yr e a l i z et ot h ek n i f e ，t h er e t r o v e r s i o nc e r t a i n p o l i s h i n gg a p ，c a r r i e so na g a i nf i x e dt i m ed e c i d e sp a t hp o l i s h i n g h a sa l s oc a r d e do nt h em a s s i v ee l e c t r o l y s i sp ol i s h i n ge x p e r i m e n tw i t ht h i se q u i p m e n t ： i n c l u d i n gt h ed e v e l o p m e n ta d a p t a t i o ne l e c t r o d eh i g hs p e e dr e v o l v i n gn e we l e c t r o l y s i sp o l i s h i n g d r i v i n gf l u i d , c a r r i e so nt h et i n ye l e c t r o l y s i sp r o c e s s i n ge x p e r i m e n t ，p r o c e s s e st h ed i a m e t e r s l i g h t l yt or e a c h2 0 3 0 恤n 1 ，l o n gf o rl0 0 0 p m t h et i n ya x i s ，h a sa n a l y z e dt h ee l e c t r i cf i e l df i e l d i n t e n s i t yw i t ht h ea n s y ss i m u l a t i o nt ot h ee l e c t r o l y s i sp o l i s h i n gi n f l u e n c er u l e ，a n du n i f i e st h e a c t u a li n s t r u c t i o ne l e c t r o l y s i sp o l i s h i n gp r o c e s s i n ge x p e r i m e n tw i t ht h ea n a l y s i sr e s u l t ；h a s s t u d i e du n d e re l e c t r o d eh i g hs p e e dr e v o l v i n g ，t oe a c hk i n do fm a i np a r a m e t e re l e c t r o l y s i s p o l i s h i n ge f f e c t si n f l u e n c ea n dt h er u l e ，l i k et h eh i g hf r e q u e n c yn a r r o wp u l s ep o w e rs o u r c e p o l i s h i n gv o l t a g e ，t h ep u l s ew i d t h , t h ed u t y f a c t o r , c a r r i e so nm i x e st h ep o w d e re l e c t r o l y s i s p o l i s h i n ge x p e r i m e n tt om i x t h ep o w d e rg r a n u l a r i t y , t om i xt h ep o w d e rd e n s i t yt ot h ee l e c t r o l y s i s p o l i s h i n gi n f l u e n c er u l e ，e l e c t r o l y s i sp r o c e s s i n g ss u r f a c er o u g h n e s sr ai s1 0 i - t mt h et i n ya x i s ， p o l i s h i n gp r o c e s s e st or ao n l yt h e n0 0 2 i t mt h em i r r o rs u r f a c ee f f e c t ；f i n a l l yt oc a r r i e so nt h e c o m p l e xt h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r et om i xp o w d e re l e c t r o l y s i sp o l i s h i n gt oc a r r y o nt h e e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：e l e c t r o l y s i sp o l i s h i n ge q u i p m e n td e v e l o p m e n tm o t i o nc o n t r o lp u l s ep o w e rs o u r c e i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用 过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果 归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 6 7 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电解抛光( e l e c t r o l y t i cp o l i s h i n g ) ，又叫电化学抛光，是利用金属工件在电解抛 光液中发生电化学阳极溶解作用，使阳极凸起部分发生选择性溶解以形成平滑表面及光 亮化的方法。该抛光方法为非接触抛光，不受材料、硬度、韧性影响，且无塑性变形层 及热再铸层，不会产生残余应力，表面质量好，加工效率高等优点。 从电解抛光的机理上分析，抛光中工件材料的去除是以离子形式进行的，因此，只 要控制好加工条件，选择适当的加工参数，电解抛光技术可望实现以离子数量级对材料 进行加工，从而实现微细电解抛光加工。近年来，随着高频、窄脉冲电源的发展和应用， 使电解加工的精度大大提高，也有望实现微小零件的电解抛光加工。各种微驱动技术的 发展，也为电解抛光向微细化发展提供了必要的支持。计算机数控技术的发展，使通过 控件制简单形状的工具电极与工件之间作一定轨迹的相对运动，从而实现展成电解抛光 加工。另外，高速电主轴的转速的不断提高，从而为制成高速旋转电极提供了驱动基础。 从以上分析可知，电解抛光加工技术有望实现微细精密抛光加工，使其成为一种高精度、 高效率、应用范围广、低成本的抛光方法。 近十几年来，随着微机电系统( m e m s ) 技术研究的日益成熟，现代产品越来越向着 微细方向发展。开发研制m e m s 产品需要高效率的微器件加工技术，已经受到人们的高 度重视，成为新兴起的一项热点技术，并被列为2 1 世纪的关键技术之一。微细加工技 术在航天航空、精密仪器、生物医学、汽车工程、环境监控、海洋开发、军事等领域都 有着十分广阔的应用前景。 1 2 本课题的研究背景 2 0 世纪以来，微机械以其体积小、重量轻、功耗低，能极大地节省空间、原材料和 能源的特点而被认为是继微电子技术之后，有望获得重大科学技术突破的又一领域，将 引发新一轮的工业革命，受到了各国政府的高度重视，并大力支持开展研究。 应微机械而产生的微加工工艺是微机电系统的基础，是得到高性能微器件的头等关 广东工业大学硕士学位论文 键技术。目前的微制造工艺有以欧美为代表的硅微加工工艺和以日本为代表的金属三维 微加工工艺。前者能借鉴利用微电子技术中的成熟制造工艺，且易于与微电子技术集成， 但基本上仅限于二维和准三维零件的加工；而后者能得到真正的三维微零件，有可能获 得更多、实现更灵活的应用，发展潜力巨大。 近年来，相继开发了微钻n ，、微铣n ，及微电火花”、微电解r s t 甜、微超声加工n ，等三维 微加工工艺，但三维微细零件光整方面的研究却相当缺乏，使得三维微细零件的实际 应用大受影响。这是因为微机构中的能源很小，最大限度地降低摩擦、磨损是保证微机 械功能和寿命的关键。特别是由于尺寸效应，摩擦力与尺寸的二次方成正比，因此相对 于宏观机构，微机构中摩擦力的作用明显增强，对微零件表面质量的要求更高，但现有 的微制造工艺却难以满足要求。 例如：微电火花工艺虽然可以加工出三维微零件，但表面粗糙度仅能达到r a o 1i i m ，而微电解所加工的零件表面粗糙度值甚至更高阳，。从摩擦磨损的观点来看，无法满 足微机械的实际应用要求。电解抛光除了粗糙度难以满足要求外，还会破坏工件原有的 形状精度n “1 1 , 1 2 0 同时由于微机械刚性低，精度高的特点，又进一步限制了其它现有抛光 工艺的应用。机械抛光在宏观机械中获得了最广泛的应用，却无法用于微零件加工：一 是工具制造困难，二是压力不易控制；化学抛光虽能加工形状、结构比较复杂的零件， 但光亮度还不易高n ”。超声抛光本质上仍属于机械加工，工具制造和压力控制仍是无法 解决的难题“t “”，；电流变磨料抛光只能用于非金属材料；磁粒和磁流变磨料抛光属纯机 械作用，抛光效率不高且进一步微细化很困难n ”。由此可见，微机械相对于宏观机械 不仅是尺寸上的比例缩小，其加工过程中会出现许多新情况，遇到许多新困难，宏观机 械中的抛光工艺并不能简单地按照比例缩小方式应用于微零件抛光中。因此为获得更好 的微零件使用性能，研究开发适宜微零件抛光的加工方法显得非常迫切，必须在抛光工 艺上有重大突破或对现有工艺进行全新的改造。 由微零件的特点可知，微零件抛光工艺必须保证极低的加工表面粗糙度，微小的抛 光作用力，优异的形状精度保持能力，良好的加工稳定性和必要的加工效率。显然，现 有工艺均难以直接应用于微零件抛光中，但通过对已有抛光工艺逐一进行深入分析发 现，应用最新发展的高频脉冲电解加工研究成果n ，结合超高速主轴等技术，并采取 针对性措施后，其中的机械电解复合加工方法完全有可能发展为一种全新的微零件抛光 工艺。机械电解复合加工本身加工效率高，表面质量好，在宏观机械中取得了极佳的应 2 第一章绪论 用效果。但它也存在磨削作用力大和电解杂散腐蚀严重而影响精度的问题，如能解决这 两个问题，那么机械电解复合抛光将是一种理想的微零件抛光工艺。因此，根据存在的 问题和目前最新相关研究成果，现提出了基于超高频率、极窄脉冲电流源的“掺粉电解 抛光新工艺 ，其加工机理仍属于机械电解复合抛光，可以获得极高的加工效率和镜面 加工效果，但针对微零件的抛光，其具体实施方法和内容已发生了根本的变化，主要体 现在以下二个方面： 第一、磨料的机械磨削方式发生了变化。现有的机械电解复合n i 中，磨料在工具 压力作用下对工件表面钝化膜m ，进行微去除，属“硬加工”。而在我们的新工艺中，用掺 粉电解液代替单纯的水基工作液，磨料是由工作液带( 搅) 动进行微磨削，相当于液体 软工具带动磨料去除工件表面钝化膜，工作液的运动的动力来自于工具的超高速旋转运 动时的带动，或者混气搅动，属“软加工，因此抛光作用力极小。 第二用超高频率、极窄脉冲电流源代替现有电解加工中的直流或低频、宽脉冲电 流源。最新的研究成果已经证明：随着电源频率的提高，脉宽的缩短，电解加工的散蚀 程度急剧下降，集中蚀除能力迅速上升，加工精度大幅提高”篮臼，在微零件抛光中应用 超高频率、极窄脉冲电流源，不仅可以有效地避免对工件原有形状精度的破坏，而且有 利于避免电火花短路，实现更稳定的加工过程，甚至获得更高的加工效率。该工艺 脱胎于现有的机械电解复合加工，继承了其加工效率高，受工件硬度影响小，能实现镜 面加工的特点：同时通过对其进行全新的改造，满足了微零件抛光作用力小( 或无) ， 精度保持性好的要求。 因此这是一种高精、高效、低表面粗糙度、低抛光力的新型抛光工艺，有望解决目 前一直困扰金属微零件抛光的难题，它的研究成功对于促进我国微制造技术的发展具有 重要意义。 1 3 国内、外研究情况 1 3 1 微细电解抛光加工技术 目前国内、外在金属微零件抛光方面的研究极少，而电解抛光是近几十年发展起来 的表面处理技术，目的是为了改善金属表面的微观几何形状，降低金属表面的粗糙程度。 该技术的发展要追溯至1 j 1 9 1 1 年1 月1 9 日莫斯科大学什彼达尔斯基获得的“使金属和金属 电镀层表面具有抛光光泽的方法专利，此后，法国人p a j a c q u e t 在铜和镍方面 3 广东工业大学硕士学位论文 进行了系统的研究并推广应用到工业产生中m ”，电解抛光技术已在金属精加工、金相样 品制备脚，及那些需要控制表面质量与光洁度的领域获得了极其广泛的应用，并应用于化 工、轻工、机械制造、强激光系统、食品加工设备、装饰行业m ，、生物医学m ，等领域。 尤其在航空、航天领域，它是保证产品质量的一个重要环节。涉及电解抛光的材料有铁 锰合金、纯金属、碳钢、合金钢、有色金属及其合金、贵金属等几乎所有的金属材料啪，。 而在实验室内研究某些材料的金属性能脚，如光学性能、电化学性能、摩擦性能、腐蚀 性能、磁性能、电极的衍射性能时，也常运用电解抛光。因为机械抛光过程中，金属表 面组织或大或小地在某种程度上被歪曲，在这种情况下进行研究往往不能准确地提供关 于金属试片的真正组织和性质，而电解抛光却能满足此要求旧，。 2 0 0 7 年，胡云龙等用圆柱体黄铜件为工具，4 5 钢短圆柱体为工件，初始表面粗糙度 为r a l 6um ，采用中性盐水溶液作为电解液，利用两道2 - - - , 3 层2 0 0 目的尼龙丝网对电解 液进行过滤，环境温度为2 8 度，采用脉宽2 0 ps 、占空比1 ：2 、加工电压i o v 、加工间隙 0 1 5 m m 、加工时间3 m i n 。得到加工后的工件表面粗糙度稳定在r a o 2 1um 左右b ”。 2 0 0 7 年，西安交通大学程刚、董光能等人m ，对高速工具钢进行电化学抛光，在电解 液配方为磷酸6 5 、硫酸1 5 、酪酐5 、水1 5 ，初始粗糙度为r a l 0i im 的条件下，对其 它各工艺参数分别进行了单因素实验和正交实验。得出最优的主要工艺参数如下：电流 密度为0 6 a m m ，抛光温度为7 0 度，抛光时间为1 2 0 分钟，获得了粗糙度为r a o 1 5um 的 表面质量。可见，用单一的电花学抛光是较难获得较好的抛光效果。 1 3 2 脉冲电解抛光 脉冲电解抛光是直流电解抛光工艺的改进，是将直流电源改为脉冲电源进行电解抛 光的工艺过程。其特点是在脉冲电压( 或电流) 的脉冲张驰作用下，加速阳极( 被抛光制件) 表面钝化膜的溶解。而且在脉冲电流作用下，金属制件表面上的凹、凸部位，由阳极极 化形成钝化膜的稳定性差异会更大。另外，在脉冲电流断的瞬间，凸峰部位表面金属离 子更容易扩散到抛光溶液中。因此，脉冲电解抛光比直流电解抛光具有更强的抛光作用。 1 9 8 1 年，r u m y a n t s e vem m 3 通过对抛光机理进行研究，指出脉冲电化学抛光与连续 抛光的直流电化学抛光相比较，可以改善电解间隙内流场特性的机理，除了生产率一项 指标以外( 由于占空比的存在影响抛光效率) ，其余特性均优于直流电化学抛光，获得 较高的抛光精度和表面质量。 4 第一章绪论 2 0 0 3 年，安军等人口司在分析研究脉冲电化学抛光原理的基础之上，结合实际采用非 线性电解液和脉冲电流进行抛光，取得了较好的抛光效果，验证了脉冲电化学抛光的优 越性和可行性。 2 0 0 5 年，赵雪松等人n 朝针对具有复杂曲面的工件，设计了几种结构、形状的阴极工 具，并利用这些工具，采用脉冲电化学机械抛光的技术，对其中一种工件进行了抛光实 验。结果表明，脉冲电化学抛光是一种有效的镜面抛光技术。 2 0 0 5 年，沈健口6 1 对脉冲电流脉宽大小对抛光的影响进行了研究，发现当脉冲电流的 占空比一定时，脉冲电流的脉宽越小，电化学抛光后的表面质量就越好。 2 0 0 6 年，管迎春等人口 综述了脉冲电化学在金属材料表面抛光领域中的研究情况。 2 0 0 8 年，翟小兵、周锦进等啪 ，用中性电解液进行脉冲电化学光整加工，工件外 为不锈钢焊合钢管表面，管外径为6 2 0 m m ，壁厚o 4n y n ，管长不小于4 0 0f i l m 。经过十几 秒光整加工后，表面粗糙度值从原始r a o 4 7 2um 减小到r a o 0 5 1um ，提高了3 4 级：冷拉薄壁不锈钢钢管内孔从表面粗糙度值从原始r1 2 5 0i im 减小到r0 0 8 4um ； 对齿轮表面也进行抛光研究，采用模数为3f i l m 、齿数为3 3 、齿宽1 5f i l m 、材料为4 0 c r 、 齿面硬度5 0 5 5h r c 的直齿。齿轮经过3 0m i n 脉冲电化学复合光整加工后，大部分由 加工前的7 级精度提高到6 级，个别因热处理变形过大的齿轮由8 级精度提高到7 级。 齿面的粗糙度值由光整加工前的r1 6um 减小到r0 1um 左右，齿面的表面反射率p ( a ) 由光整加工前的3 0 提高到8 0 9 0 。 目前，在工件特种抛光方面对脉冲电化学的研究正方兴未艾，随着对模具镜面效果 的大量需求和微细电化学理论的完善，脉冲电化学抛光技术在材料表面微、纳米级加工 领域的抛光能力会大大提高，并且将发挥越来越重要的作用。 1 3 3 复合电解抛光加工 广东达志化工有限公司方景礼u 町在金属材料抛光技术中第六章中提到电解擦拭抛光 的方法，该方法可实现将原始表面精糙度r a 6 3um 、r a 3 2um 很快降低到r a o 0 1 2um 、 r a o 0 0 8pm ，达到真正的镜面光亮，其效率高、流程短，是电解抛光、机械抛光无法比 拟的，且抛光后质量好，但其由于尺寸效应，机械磨擦力过大而不合适于抛光形状复杂 的微小型零件。 2 0 0 8 年，侯文惠等对不同粒度的磨料分别在电解机械复合、纯机械和抛光条件下的 广东工业大学硕士学位论文 去除量q 以及表面粗糙度值r a ，加工时间t 等进行了研究，对初始粗糙度值为r a o 2 5u m ，用w 1 型白刚玉微粉磨料进行电解机械抛光，抛光出r a o 0 5um 的表面“ 日本k e n i c h it a k a h a t a 等人，在微型电火花机床上采用磨料辅助电解方法进行微零 件抛光，其特征是利用了磨料粒子的带电特性，在电极上加上8 0 v 电压，将磨料粒子吸 附在电极工具前端，通过工具和工件的旋转及工件的往复运动达到抛光目的。缺点是只 能对工件底面抛光，侧壁抛光难以实现。另外采用了极高电阻率的工作液( 1 0 kqc m ) 和电火花电源( 频率数十k h z ，脉宽微秒级，电压8 0 v ) ，这将造成电解效率的下降。另 外相对于电解加工2 4 v 以下的加工电压，s o v 2 口工电压易造成介质击穿而短路放电，要实 现稳定加工存在一定困难。 日本y k i m o t o ，h k a m a d a 等人m ，提出采用宏观机械中常用的游离磨料机械电解复合 抛光方法，但同机械抛光一样存在工具制造困难和压力不易控制的问题。南韩w b k i m 等人h n 用电流变流体辅助抛光微零件，但针对的是非金属零件。 2 0 0 9 年，庞桂兵、周锦进等4 2 ，用手持式工具电化学机械光整加工方法针对模具型 腔表面，研究了磨料粒度、工具摩擦速度、工具压力等工艺参数对表面粗糙度的影响； 探讨常规工艺条件下零件的精度特征。把直径为1 2 0 m d n 的工件平面，表面粗糙度值从 r a o 8um 降至r a o 0 2um 时，但由于手持式工具电化学机械加工，会对对平面度造度不 好的影响。 1 4 本课题研究的概况 1 4 1 研究的目的和意义 为了避开机械磨擦力而又能实现几乎相等的效果，本课题提出用高速主轴带动磨粒 的方法，实现对工件的“软加工 大大减少宏观力，又有望实现以电解擦拭相类似的加 工效果。同时，本课题采用超高频率、极窄脉冲电流源，提出“掺粉电解机械抛光新工 艺。微粉的机械抛磨作用主要通过超高速旋转的工具带动，实现工件的侧壁抛光，这对 诸如微模具型腔、微注塑机中微螺杆的抛光有实际应用价值。通过采用超高频率、极窄 脉冲电流源，不仅可以获得更高的加工稳定性j 而且可以实现微间隙和大电流密度加工， 得到更高的抛光效率，同时保证工件原有精度。 本课题将使用已研制的超高频率( 达5 m h z ) 、极窄脉宽电源m ，并利用最新发展的超 高速主轴等技术，进行金属微零件的抛光研究，是一项有创新的微制造工艺，该项目的 6 第一章绪论 研究成功对促进我国微制造技术的发展具有重要意义。 1 4 2 课题来源 本论文的课题来源于李风副教授主持的在研项目： 1 、“三维微细零件掺粉电解抛光机理与工艺研究 的国家自然科学基金 ( 5 0 6 7 5 0 3 6 ) 2 、广东省科技计划项目( 2 0 0 5 8 1 0 2 0 1 0 0 7 ) 另外，本研究具有一定的连续性，广东工业大学机电学院陈柱春硕士己在本课题上 开发了电解抛光专用的超高频、窄脉冲电源，并用此电源对微细电解加工进行了初步的 研究m ，。 1 4 3 课题的研究内容及研究目标 本课题的研究内容主要包括设计、制作出微细电解抛光加工装备，开发出控制系统， 并进行相关的工艺实验研究，具体有以下几点： 1 、开发出微细掺粉电解抛光实验装备，该装备具有x 、y 、z 、u 四轴的进给机构及 其驱动控制系统，并带有高速的旋转主轴及旋转主轴高速旋转下电极的进电装置的设 计。该装备运作稳定、运动精度高、能够很好的满足微细电解抛光加工的要求。 2 、开发出装备的控制系统，可通过该系统设定抛光轨迹，对各进给机构进行自动 控制。并可根据n i 情况采集时实加工电压信号，判断加工状态，实现对抛光加工过程 的自适应控制。 3 、结合高频、窄脉冲电源及高速主轴技术，对微粉磨料的抛磨作用机理进行研究： 包括超高速主轴旋转作用下，磨料抛磨零件的作用机理的研究；磨料粒度、浓度对抛磨 作用的影响；磨料抛磨作用对不同类型工件，如低刚度细长轴，微模具型腔等的适应性； 工具损耗规律、对加工影响及应对措施。从而得出影响加工的最佳工艺条件。 本课题研究的主要目标是全面掌握三维微细零件掺粉电解抛光工艺规律，得出最佳 工艺参数，实现对三维微细金属零件的高效、精密抛光，微零件表面粗糙度小于 r a o 0 5um 。 7 广东工业大学硕十学位论文 第二章微细电解抛光的理论基础 2 1 电解抛光加工原理 电解抛光是在一定电解液中以金属工件作阳极，同时进行两个相互矛盾的过程( 即 金属表面氧化膜的生成和溶解“5 ，) ，使其表面粗糙度下降、光亮度提高，并产生一定金 属光泽的技术，理论上遵循法拉第定律m ，。电解槽通电后，在被抛光金属的表面上可能 发生下列一种或几种反应n 7 】 ( 1 ) 金属离子溶入到电解液中： m e - - m e “+ + 鹏： ( 2 ) 阳极表面生成钝化膜： 2 m e + 2 n o l f m e 2 0 + n 2 0 + 2n e ( 3 ) 气态氧的析出： 4 0 盯一0 2 + 2 h 2 0 + 4 e ； ( 4 ) 电解液中各组分在阳极表面上的氧化。 电化学抛光后的阳极表面状态主要取决于上述4 种反应的强弱程度。然而，由于电 化学抛光过程的复杂性，至今提出的各种电化学抛光原理均存在一定的局限性，主要有 粘性膜理论、钝化膜理论、电流分布调整说、阳极钝化说、结晶溶解说、多孔膜说、扩 散速度控制说、局部皮膜破坏说等，下面主要介绍粘性膜理论和钝化膜理论两种假设。 粘性膜理论由j a c g u e tpa 提出的粘性膜理论m 1 认为：当电流通过电解液时，在阳极 表面生成一层由阳极溶解产物组成的粘性液膜，它有较高的黏度和较大的电阻，而其厚 度在粗糙表面的各个部分是不相等的，在凹陷部位的厚度大于凸起部位的厚度。由于阳 极表面的“绝缘程度不同，因而阳极表面上的电流分布不均匀，凸起部位的电流较凹 陷部位的电流大。所以，凸起部位的溶解相对较快，结果便导致粗糙表面被宏观抛光。 该理论的局限性在于不能回答电化学抛光过程中是否发生阳极金属的钝化氧化问题，也 不能解释电化学抛光过程中所特有的阳极极化问题。 钝化膜理论，认为，在电化学抛光过程中，阳极极化其表面生成钝化膜，只有致密 的钝化膜才能抑制表面的结晶学腐蚀。由于阳极表面上凸起和凹陷部位的钝化程度不 同，其中凸起部位的化学活性较大，且开始形成的钝化膜往往不完整呈多孔性，而凹陷 8 第二章微细电解抛光的理论基础 部位处于更为稳定的钝化状态。因此，凸起部位钝化膜的溶解破坏程度比凹处的大，其 结果是凸起部位被腐蚀。如此反复，直至获得稳定致密的钝化膜层，这使电化学抛光效 果可达到极值。该理论虽在微观抛光上获得了较完善的解释，但又不能较好地说明电化 学抛光的全过程。 2 2 电解抛光阳极电位与电流密度的关系 在电解抛光中，阳极电位( 或槽电压) 决定着能否实现抛光，在电解抛光时阳极电 流密度随着阳极电位( 或槽电压) 的变化而变化，其变化曲线如图2 1 所示： i n 电 流 电压 a ) 全区活化溶解 i n 电 流 电 流 e m 电压 e m电压 e m b ) 存在钝化区c ) 存在不完全钝化区( 抛光区) 图2 - 1 三种典型的阳极极化曲线 f i g - lt h r e et y p i c a la n o d i cp o l a r i z a t i o nc u r e 图a 所示的类型是全部处于活化溶解状态，电流密度和阳极金属溶解作用均随阳极 电位的提高而增大，阳极金属表面一直处于电化学阳极溶解状态，即活化状态。如铁在盐 酸中的电化学阳极极化曲线就属于这一类型。 图b 所示的类型是一种活化一钝化一超钝化的变化过程。图中a b 段近似为一直线，表明 阳极电流密度随阳极电位的升高而呈线性升高，它满足欧姆定律，是阳极正常溶解( 或腐 蚀反应) 的特征。当电位达到b 点后，阳极电流密度随阳极电位上升而迅速下降，表明阳极 开始钝化，即阳极近傍溶液的电阻发了变化，从而产生极化作用。b 点对应的电位称为致 钝电位。它表示阳极溶出的金属离子在阳极近傍积聚，形成了电阻较大的黏液膜或不溶 性固体膜。当阳极电位进一步升高时，阳极电流达到了恒定值( 曲线c d 段) ，表示阳极已完 全钝化，c d 区称为钝化区。而过了d 点后，进入了超钝化区( d e 段) ，这时，随着阳极电 位的提高，阳极电流又继续增大，同时阳极溶解速度也继续增大，阳极电流的上升并非 是金属的溶解造成的，而是阳极上羟基离子放电形成氧气，在阳极上可观察到氧气的逸 出。 9 广东工业大学硕士学位论文 图c 所示的类型正是本课题研究所要形成的极化曲线：其包括了活化一不完全钝化 ( 抛光) 一超钝化的变化状态。图中a b 段近似为一直线，即阳极电流密度随阳极电位的升 高而呈线性升高，它满足欧姆定律，是阳极正常溶解( 或腐蚀反应) 的特征。当电位达n b 点后，阳极电流密度随阳极电位上升而有所下降或保特一变，出现b c d ( b c d ) 不完全钝 化区( 即抛光区) 。在不完全钝化区里，电流密度和阳极溶解速度变化很小，但阳极的 溶解还在进行，观察阳极金属表面存在阳极膜，溶解后的表面平滑且具有光泽。如钢在 磷酸中的极化曲线就是如此。过d 点后，入进d e 段，即超纯化区。 电化学抛光的条件是选择合适的各种影响参数，以形成图c 所示的阳极极化曲线， 并控制在图c 中的b c d ( c d ) 段所对应的电流和电压值。此时阳极表面上形成了电阻较 大的黏液膜( v i s c o u sl i q u i dl a y e r ) ，使阳极发生了钝化反应，电流不再随阳极电位上升 而变化。在腐蚀区( a b 段) 下电解，并无抛光效果，过钝化区( d e f 段) 虽有抛光效果，但同时 伴随便着氧气的析出( 曲线e 点为开如析入o ：