（机械制造及其自动化专业论文）摩擦副表面微凹坑超声复合加工工艺研究.pdf

赵呖摩擦副表面微凹坑超声复合加工工艺研究 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、微细电火花加工、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火花 及微细电解复合超声振动的必要性和技术优势，构建、完善超声电火花复合加工及超声电 解复合加工试验系统。 微凸起工具电极的制作是实现摩擦副表面微凹坑加工的关键问题，本文根据流体润滑 理论提出微凹坑设计的一般原则，在圆形截面设计基础上，将截面形状拓展为正方形、菱 形；由微凹坑形状设计了与之相对应的圆形、正方形、菱形微凸起工具电极，利用微细电 火花线切割、电火花“反拷+ 平动”等多种微细组合电加工工艺制作微凸起工具电极，并阐 述了制作各种微细工具电极的一般方法。 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 y t l 5 和y g 8 、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y t l 5 和y g 8 、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。对微凹坑进行初步摩擦学试验分析，结果表明摩擦副表面微凹 坑结构有利于储存润滑油并形成油膜，降低了摩擦因数，可减少表面磨损量。 最后对摩擦副表面微凹坑超声复合加工工艺特性进行分析、总结，提出现有工艺方案 存在的问题及完善的措施，并对后续研究工作提出了设想和展望。 关键词：微凹坑，超声复合加工，微凸起工具电极，微细组合电加工，摩擦学试验 赵吻摩擦副表面微凹坑超声复合加工工艺研究 a b s t r a c t t h ea 盯a ym i c r o p i t s 谢t hr e g u l a rp r o f i l e sc a l lm o d i 矽s u r f 如et r i b o l o g ) rc l 瑚t e r ，i r i l p r o v e l u b r i c a t i o n 锄dw e a r - r e s i s t i n g a st t l em a n u f a c t u r i n gm e t l l o d sa r ef e w ，m er e s e a r c ha n dc u r r e n t a p p l i c a t i o ns i 似i o no fl i l i c r o p i t so n 、0 r k j n g 汕f a c ek 帆e e n 衔c t i o np a i r sa r e 砷d u c e di i ln l i s p 印e r u h r a s o l l i cc o m b i i l e d1 1 1 i c r o _ m a c 蛐_ l i i l gi sp r o p o s e da sa n e 、vt e c l l n o l o g y ，锄dt 1 1 e nc o n t e n t a 1 1 dr e s e a r c hs i g l l i f i c a i l c eo ft 1 1 i sp 印e ra r ec o 川i r m e d b e s i d e s ，t l l ep 血c i p l e ，w o r k i i l gc h a r a c 研s t i c ，r e m i z a t i o nc o n d i t i o n 砒l dt e c l l n o l o g i cp r o p e r t y o fu s m ，e d ma n de c ma r ea 1 1 a l y z e d 1 1 1 ep r o c e s s i n go fi i i l l ) u l s i v ed i s c h a 玛ea 1 1 d1 1 1 i c r 0 - e l e c 仃o c h e r i l i c a lc a nb ei i i r o v e db yu l 们s o n i cv i b m t i o n 1 1 1 e nt 1 1 en l e c 枷s ma n d 慨h i l i c a l s u p e r i o r i 够o fu l 臼粥0 1 1 i cc o m b i n e de l e c t r i c a ld i s c h a 玛e1 1 1 i c m m a c l l i m n ga r es t l j d i e d ，a sw e ua s u l 仃a 晤o m cc o m b m e de l e c t r o c h e r n j c a lr n i c r 0 - m a c h i l l h l g a tl a s t ，s y s t e m so f 山饿t s o i l i cc o m b m e d e l e 嘶c md i s c l m f g em i c r o - l a c l l i l l i n ga n du l 仃a l s o m cc o n l b 访e de l e c 臼o c h e m i c a lm i c r 0 - m a c i l i i l i n g a r ec o m p l e t e d i i la d d i t i o 玛n l em a l l 洲r 培p r o c e s so f 面c m p r 0 仃u 正i e si sak e yf o r l e1 1 1 i c r o p i t s m a c 岫血go n 、v o r k i l l gs u r f k eb 咖e e n 伍c t i o np a j r s a tf i r s t ，g e n e r a lp 血c i p l eo f 血c r o - p i t sd e s i 口 i sr a i s e dd u et om e 砸b o l o g y 也e o 巧；s q 眦e 趾dr h o m b u si n i c r o - p i t sa r ee x p e n d e d ，b 部e do n 吐l e s l a p eo fc y l i n d e r t h e n 锄鼍ym i c r 0 p r o t r l l d e so fc y l i l l d e r ，s q u a r ea n dr h o n l b u sa r ed e s i g n e d m i c r o - p r o m j d e sa r em a c l l i n e db ys e v e r a lc o m b 硫de l e c t r i c a lm a c l l i r l i n ga s 、吧d m ，e d m c o p y a n ds h a l ( e ”，e t c w i t l lt l l e s em e a n s ，d i 丘i e r e mm i c r 0 - p m 仇l d e sa r em a d ea n dt 1 1 eg e n 硎m e a n sa r e s l l m m 撕z e d w b r k i n gp a “u n e t e r sl “( e 、 ，o f k i i 唱n u i d ，o s c i l l a t i o ni 沁q u e n c yo ft o o le l e c 缸o d e s ，c o n t a c t p r e s s u r ea r ec h o s e na c c o r d i i l gt o 砌y s i l l go fp r o c e s s i n gs y s t e m s ，e x p e 幽e n ts c h e m ea r ep r e s e m e d s i l l 舀ep r o c e s se x p e m e n t so fm 仃a s o i l i ci n a c l l i l l i n go fm i c r o p 瓶a r ec 枷e do nc e m e m e d c a r b i d e ( y t l5 ，y g 8 ) ，疏1 1 l e s s 咖e l ，m o n o c 巧g t a ll i l l es i l i c o 也p z t ，g l a s ss t e e l 诵t l ld i 疵r e i l tt i i e l e c 仃o d e s ；c o n 仃硒tt e s t sb e 觚e e ns i i l g l eu l 仃a s o l l i cm a c l l i i l i n ga n du l 廿嬲0 1 1 i cc o m b i i l e dm a c l l i l l i i 培 a r ec a m e do nk e n t a i l i u m sa i l d 鼢i l l e s ss t e e l m a c l l i m n ge 伍c i e r l c y 锄dp r e c i s i o no f 面c r o p i t so n w i m ( h l gs u r f 如eb e t v v e c n 伍c t i o np a i r s 嬲w e n 嬲咖o ft o o le l e c 仃c d e s 砌u e n c e db y e l e c 仃o l y s i sv o l t a g e 锄p l i t u d ea n d 妇叫s e 毹q u e n c y 躺m 咖l yd i s c u s s e d n ef e a s i b i l 时o fm e u h r a s o l l i cc o m b i n e dr n j c r o - m a c l l i m i 玛o fn l i c r o - p i t su s e di l lm a c i l i i l i n gk e n t a i l i 啪sa r l ds t a i n l e s s s t e e li sc o h m e d a t l a s t ，t r i b o l o g yt e s to f 血c r o - p i t sm d i c a t et l l a tt h e 鼬r l l c t u r eo fr n i c r o _ p i t sc 锄 s t o r em o r eo i l 锄df o 胁o i lf i l 驰a l s oi tc a nr e d u c e 衔c t i o nf 狐o ra 1 1 dw e a 血l gc 印a c 时c o m p a r e dt 0 m a c l l i n ep l a n e i i t 扬州大学硕士论文 i nt l l ee n d ，1 ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fu l 们s o i l i cc o m b i n e dm i c r o - m a c l l i i l i n gm i c r o - p i t so n w o r k j n gs u 缸k eb e t 、代e n 衔c t i o np 函r si s 锄a l y z e da r l ds u m m 撕z e d f u n h e m l o r e ，p r o b l e m s ， s h o r t a g ea n d i t si m p r o v e m e n tm e a n sa r ea l s 0s u g g e s t e d t h e n 眦rs t u d yw o r ki sp mf 0 删 k e yw o r d s ：m i c r o - p i t ，u l 觚血cc o m b i i l e dm a c l l i l l i n g ，r 1 1 i c r o - p r o t n j d e ，c o m b i i l e de l e c t r i c 甜 i i l i c r o - m a c l l i n i n g ，仃i b o l o g yt e s t 扬州大学硕论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成 果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成 果。对本文的研究徽燃贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标骧。本声赞的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：匙摹锣 签字目期：溯年参月 i7 尽 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬 州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位 论文收录到 6 0 用中空工具加工最大通孔直径m m 1 52 0 3 04 0 5 06 0 8 08 0 9 0 9 0 ( 2 ) 加工孔的尺寸精度 当工具尺寸一定时，加工出的孔的尺寸将比工具尺寸有所扩大，加工出孔最小直径 d m ；。约等于工具直径口加所用磨料磨粒平均直径以的两倍，即 = 口+ 2 表2 2 是几种磨料磨粒及其基本磨粒尺寸范围。 表2 2 磨料粒度及其基本磨粒尺寸范闱 磨料粒度 1 2 侧1 2 0 萍1 2 0 撑1 2 0 拌 1 2 0 岸 基本磨粒尺寸范围岬 1 2 5 l o o1 0 0 踟8 0 6 36 3 5 0 5 0 4 0 磨料粒度 、 ，4 0、v 2 8w 2 0w 1 4 w l ow 7 基本磨粒尺寸范围仙n 4 0 2 82 8 2 02 0 1 41 4 1 01 0 7 7 5 微细超声加工孔的精度，在采用2 4 0 拌2 8 皑磨粒时，一般可达o 0 5 m m ，采用 w 2 8 w 7 磨粒时，可达o 0 2 m m 或更高。 三、表面质量及其影响因素 微细超声加工工具有较好的表面质量，不会产生表面烧伤和表面变质层。 微细超声加工的表面粗糙度也较好，一般可在r a l o 1 岬之间，取决于每粒磨粒每 次撞击工件表面后留下的凹痕大小，它与磨料颗粒的直径，被加工材料的性质，超声振动 的振幅以及磨料悬浮工作液的成分等等有关。 当磨粒尺寸较小、工件材料硬度较大、超声振幅较小时，加工表面粗糙度将得到改 善，但生产率也随之降低。 2 1 3 微细超声加工的特点 微细超声加工的特点【2 9 】： ( 1 ) 适合加工各种硬脆材料，不受材料是否导电的限制。既可加工玻璃、陶瓷、宝 石、硅等不导电非金属材料，又可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢等硬质或耐热导电的金 属材料。 ( 2 ) 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削 力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低。 ( 3 ) 工具可用较软的材料做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复杂的相 7 扬州大学硕士论文 对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。 ( 4 ) 可以与其他多种加工方法相结合应用，如微细超声电火花复合加工和微细超声 电解复合加工。 但微细超声加工也有其局限性，微细超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较严 重，故其生产率较低。 2 2 微细电火花加工 电火花加工( e l e c n ds p a r ke r o s i o n ) 又称为放电加工( e l e c 缸dd i s c h 鹕em a c l l i m n g ) 和电蚀加工( e l e 咖e r o s i o nm a c l l i n i n g ) ，在日本称为放电加工，在前苏联称为电蚀加工 【2 4 1 。它是利用两极间脉冲放电产生的电腐蚀现象，对材料进行加工的方法。在学术上它 属于电物理加工范畴。电火花加工技术是特种加工技术中重要的一部分，它能够适应生产 发展的需要，并在应用中显出很多优异的性能，因此得到了迅速发展和日益广泛的应用。 2 2 1 电火花加工的基本原理 电火花加工是一种利用电、热能量进行加工的方法，在加工过程中，工具与工件之间 不断产生脉冲性火花放电，通过放电产生的局部、瞬时高温来蚀除金属材料。 电火花加工原理如图2 4 所示，在进行电火花加工时，工具电极接脉冲电源的一极， 工件接另一极，两极间充满液体介质，放电间隙自动控制工具电极向工件移动。当两极间 达到一定距离时，极间的绝缘液体介质被击穿，发生脉冲放电，使工件被蚀除出一个小坑 穴，工具电极也会因放而出现损耗。放电后的电蚀产物由液体介质排至放电间隙之外，同 时经过短暂的间隔时间，使极间恢复绝缘，即消电离。然后在进行下一次脉冲放电，又使 工件蚀除一个小坑穴。如此不断地进行放电蚀除，工具电极不断地向工件移动，维持适宜 的放电间隙，就能在工件上加工出与工具电极形状相似的型孔或型腔。如果使电极或工件 进行各种形式的相对运动，则可实现电火花切割加工、共轭回转加工、磨削加工等。 3 2l 图2 4电火花加工原理示意图 1 一工具电极；2 一工件：3 脉冲电源：4 伺服进给系统：s l ，s 广加工间隙 赵肠摩擦副表面微凹坑超声复合加工工艺研究 2 2 2 微细电火花加工的实现条件 虽然加工机理上微细电火花加工与传统的电火花加工没有本质区别，从理论上分析， 只须使用能产生极微能量并且可控性良好的脉冲电源再配以高分辨率的伺服进给系统和高 精度的机床本体即可以实现微细电火花加工。但由于加工对象及所使用工具尺度的微型 化，以及加工中微能放电等问题，要达到微细加工的尺寸精度和表面质量要求，微细电火 花加工在性能要求与技术实现上都要具有一定的特殊性。主要表现在以下几个方面【3 耶2 】。 ( 1 ) 加工表面质量 微细电火花加工的工件结构要素尺寸一般在数十微米到数百微米之间，在这种尺度上 要达到所要求的尺寸精度和表面质量，就要求微细电火花加工过程中的放电凹坑及其所形 成的表面粗糙度值低。由于电火花加工是基于放电时的热过程，因而放电之后在电极表面 所形成的放电凹坑的形状与放电时的等温面基本相似，其断面几何形状如图2 5 所示。 图2 5电火花加工放电凹坑断面几何形状 凹坑的两个关键几何尺寸是放电凹坑直径d ( 岬) 和放电凹坑深度h ，基于热源模 型假设，并经过大量的实验，得出放电凹坑直径的经验公式 d = o 1 5 1 嚣4 理4( 2 1 ) 式中：l 脉冲电流幅值； 乙放电持续时间。 微细电火花加工的表面粗糙度与放电凹坑的深度h 相关。如果考虑到在重复放电过 程中，由于每个脉冲放电的凹坑相互重叠，则其放电凹坑的实际深度一般都小于h ，但大 于h 的1 3 。实际表面粗糙度k 还会因为熔融金属的飞溅和粘结镀覆在电极表面，比以 此计算出的值要大些。考虑到表面粗糙度、放电凹坑深度与放电凹坑直径的数值关系，为 了达到微细电火花加工的要求，应适当选择单向放电脉冲能量的限制条件。 ( 2 ) 脉冲电源 微细电火花加工对脉冲电源的要求是单脉冲放电的能量小而且可控。这是因为电火花 加工是靠工具与工件电极间周期性的脉冲放电来进行加工的，其加工所需的能量全部是由 脉冲电源提供。因此，脉冲电源的电参数对电火花加工的各项工艺指标起着决定性的作 用。所以，要实现微细电火花加工，得到微细加工所要求的表面质量与表面粗糙度，设计 可控性良好的微能脉冲电源是其要解决的关键技术问题之一。因此，采用新的电力电子技 9 扬州大学硕士论文 术与设计理念，设计可控性良好的微能脉冲电源应是未来微细电火花加工脉冲电源的一大 发展方向。在此方面的研究中，目前的主要工作集中在如何有效地减小极间杂散电容上， 如采用非金属材料床身结构、使用尽可能短的屏蔽电缆等。 ( 3 ) 微细工具电极的制造和安装 要实现微细轴、孔及微三维结构的电火花加工，必须使用极为微细的工具电极。线电 极电火花磨削( w e d g ) 技术的出现，较好地解决了微细工具电极的制作与安装问题， 代表了当前这一领域的世界前沿。但也应看到，由于加工过程中的点接触式微能放电，使 得w e d g 的加工效率较低。因此，为提高微细工具电极的制作精度和效率，可在机床的 不同部位上同时安装反拷块及w e d g 装置，用反拷块进行粗加工，用w e d g 装置进行 精加工，这样可以充分发挥各自特点，同时兼顾加工效率与精度。 ( 4 ) 伺服控制系统 要提高微细电火花加工的加工效率，最为有效的途径是提高脉冲的有效利用率。由于 微细电火花加工要求单个脉冲的放电能量很小，放电蚀除凹坑深度在l 岬左右，因此， 要使电火花放电正常进行，伺服进给系统的进给量就必须保持在微米级的范围内，这就要 求伺服控制机构具有很高的伺服进给精度和进给分辨率。此外，良好的间隙控制系统也是 保证微细电火花加工能否持续稳定进行的必备条件。 2 2 3 微细电火花加工的特点 目前，微细电火花加工技术已广泛用于宇航、航空、电子、原子能、计算机技术、仪 器仪表、电机电器、机密机械、汽车拖拉机、轻工业等行业，以及科学研究部门。它具有 以下优点以及局限性。 一、微细电火花加工的优点【2 1 ，3 0 】： ( 1 ) “以柔克刚 。加工时，工具电极与工件材料不接触，两者之间基本没有宏观 机械作用力，因此能用“软 的工具电极加工“硬”的工件。如用石墨，紫铜电极可加工 淬火钢、硬质合金，甚至金刚石。 ( 2 ) “精密微细。由于脉冲放电的能量密度可精确控制，两极间又无宏观机械作 用力，因此可实现精密微细的加工。如模具和零件窄缝、窄槽、微细小孔等加工，加工精 度可达微米级，甚至亚微米级。 ( 3 ) “仿形逼真 。直接利用电能加工，便于实现加工过程的自动化、智能化、现 代计算机技术的应用使加工工件仿形更加逼真。 ( 4 ) 直接利用电能加工，便于实现加工过程的自动化，并可减少机械加工工序，加 工周期短，劳动强度低，使用维护方便。 二、微细电火花加工的局限性： ( 1 ) 主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可以加工半导体和非导体材 赵呖摩擦副表面微凹坑超声复合加工工艺研究 料。 ( 2 ) 加工速度较慢。通常安排工艺时多采用切削加工来去除大部分余量，然后再进 行电火花加工以求提高生产率。 ( 3 ) “存在电极损耗。由于电极损耗多集中在尖角或底面，影响成形精度。 因此，在实际生产应用中，可将微细电火花与其他方法相结合，进一步提高生产率。 例如微细超声电火花复合加工技术，即采用超声振动来改善电火花放电过程中的排屑条 件，可以取得明显的效果。 2 3 微细电解加工 电解加工( e l e 咖c h e m i c a jm a c 蛐血g ，e c m ) 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【2 。 微细电解加工( m i c r o e c m ) 是指在微细加工范围( 1 邮p l m m ) 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 3 1 电解加工的基本原理 电解加工是通过对金属阳极产生电化学溶解来达到微量去除材料的目的。图2 6 为电 化学( 电解) 加工原理图。当电源电压为零时，没有外电流流过工件电解液阴 极，金属工件的尺寸、形状不发生变化。当电源电压逐渐升高时，工件、阴极和电解液间 有电流流过，此时将产生电化学作用，金属工件表面上的每个金属原子m 交出n 个电子 成为金属离子m ”溶入电解液中，以原子为单位一个一个地被逐层地电解下来，电化学 方程式为：m m 仙+ n e 称为电化学阳极溶解，金属工件尺寸、形状发生变化，而阴极表 面析出氢气并不损耗腐蚀。从而实现对金属工件的加工，从原理上来说是离子去除，理论 上可以达到微细电解加工的目的。 3 莉瓣u 二二j 一一u 2 图2 6电解阳极溶解原理图 1 一阳极( 工件) 2 一电解液卜阴极( 工具) 扬州大学硕士论文 加工去除量，根据法拉第定理可以计算，阳极金属溶解的质量( m ) 和溶解的体积 ( 矿) 分别为： m = k q = 砬lq y ：鱼乃：彩厅 ( 2 3 ) p 式中，m 阳极金属溶解的质量； 矿阳极金属溶解的体积； 七质量电化学当量； q 通过两界面的电量； ，电流； r 电流通过的时间； p 金属的密度； 缈电化学当量。 后= ( 1 9 6 5 0 0 ) ( m 刀) 为被溶解金属的质量电化学当量( g 彳| i z ) ，例如，二价铁的 七= 1 0 4 2 ，即1 a 电流1 小时可电解掉1 0 4 2 9 铁。 缈= 七p 为被溶解金属的体积电化当量( 历聊3 彳向) ，二价铁的缈= 1 3 3 。 由( 2 - 2 ) ，( 2 3 ) 式可知，只要控制电流的大小和电流通过的时间，就可以控制工件的 去除量和去除速度，即只要能够控制微电量的大小，就具备了实现微细电解去除的基本条 件口3 州。 2 3 2 微细电解加工的条件 要真正实现微细电解加工，必须满足特定的设备工艺条件，归纳起来有如下几点： ( 1 ) 微细电解加工的细小阴极用普通机械加工方法难以实现，需要用特种加工方法 例如线电极电火花磨削的方法( 、砸d g ) 来在线制作，否则因安装误差难以保证加工精 度。 ( 2 ) 要实现微细电解加工的材料微小去除量，一般采用较小的加工电压和电流，可 用控制微电量的方法来控制材料的微小去除量； ( 3 ) 微细电解加工间隙的微小变化，在工件表面上产生微观的凸、凹不平，都可能 超出工件微细加工的精度范围，因此，必须保证加工间隙微观上的一致性，即间隙必须具 有“自我愈合 使间隙在微观上具有一致性的能力，间隙必须具有对工件上的微观凸、凹 不平，具有自我整平的能力，获得较好的表面粗糙度； ( 4 ) 为了获得较好的加工精度，可采用低浓度钝化性电解液及高频窄脉冲小电流。 使用钝化性电解液，电解首先在表面产生非导电钝化膜，阻止进一步电解，能控制局部有 选择地电解蚀除，提高电解加工的定域性；当电解液浓度低时，极化曲线将会右移，切断 赵呖摩擦副表面微凹坑超声复合加工工艺研究 间隙将很小，即只有在很小间隙时，钝化膜才能被破坏，这时的电场、流场变化对加工精 度的不良影响将变得很小，杂散腐蚀现象可以完全避免，从而获得所需的形状和尺寸。又 由于高频窄脉冲小电流，引发的极间间隙理、化特性的变化，导致阳极溶解集中蚀除能力 的强化和散蚀能力的减弱，导致加工精度提耐3 5 j 。 图2 7 是不同类型电解液中阳极极化曲线示意图。由图2 7 可知，不同类型电解液， 其阳极极化曲线不同。对于钝化型电解液的阳极极化曲线，a l b l 段为溶解区，b l c l 段为 不完全氧化钝化区，c l d l 段为完全钝化区，d l 以后为超钝化区。对于不完全氧化钝化区 和完全钝化区，在工件表面将被氧化而形成钝化膜，使工件性能发生变化。对于非钝化型 电解液，在b 点以后，将在工件表面产生析氧或其他离子放电，不利于精度控制，微细 电解加工也应控制a b 段内。由此可知，要进行微细电解加工，其电流密度要低，槽压降 要低：另外为了提高加工精度，电解杂散腐蚀要小，电解液的电导率要低，即电解液的流 速和压力要低；工件材料的金相组织要细微均匀，工件才能微量均匀溶解，为此可选择低 浓度钝化性电解液删。 l 图2 7 不同类型电解液中阳极极化曲线 2 3 3 微细电解加工的特点 化眩缝 极化曲缝 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 1 0 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( r a l 2 5 岬 0 2 岬) 和士0 1 n 1 i i l 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 3 扬州大学硕士论文 ( 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 4 本章小结 本章主要介绍了微细超声加工、微细电火花加工和微细电解加工的基本原理、加工 特点以及工艺特性。重点阐述了微细超声加工中加工速度、加工精度、表面质量及其影响 因素；介绍了微细电火花加工的实现条件包括加工表面质量、脉冲电源、微细工具电极的 制造和安装、伺服控制系统等；最后介绍了微细电解加工中的电解液选择。 1 4 赵呖摩擦副表面微凹坑超声复合加工工艺研究 第三章微细超声复合加工试验系统设计与构建 微细超声复合加工将超声振动、微细火花放电或同步脉冲电解等技术的优点结合于一 体，利用电火花非接触加工应力小、成形精度高的特点，在保持电解加工效率高、表面质 量好、阴极无损耗的优势的同时，又有加工定域性好、精度高并可适用于各种材料的优 势，从机理上适合于摩擦副表面微凹坑加工，是微凹坑加工的一种高效、高精度、低成本 的新方法，这种复合加工新工艺的研究成果将对微凹坑结构加工乃至微细加工技术的完善 有重大的推动作用。 本章针对试验中采用的微细超声电火花复合加工以及微细超声电解复合加工方法，设 计并构建合适的加工系统。 3 1 微细超声复合加工试验设备简介 加工试验主要设备有：精密超声加工机，m c 6 型脉冲电源，y b 5 4 l o o 型1 0 0 m i z 双 通道数字存储示波器，p c 机等。 精密超声加工机床采用数字电路控制超声波输出大小，通过发光柱亮度的长短指示超 声波输出功率的大小。超声功率无级可调，并有记忆功能。设计手动加工和定时加工两种 加工模式，含有暂停功能，自动化程度较高。它的特点是：提供超声信号的高保真音响放 大器芯片，内部电路功能强大，含有自动增益控制电路，温度过热保护电路，负载短路保 护电路，具有总谐波失真小，低噪声的优点。用它来进行精密微细加工精度高，表面光洁 度高。精密加工机床主要技术参数： 超声波频率：2 0 m z ； 超声功率：o 1 5 0 w ，分十个档； 加工表面粗糙度： 0 0 2 5 p m ； 定时时间：1 s 5 9 m i i l 5 9 s ，可预置； 电源电压：a c 2 2 0 v 5 0 h z ； 总耗电功率： 1 0 0 m m ； 工作台压力：0 0 5 k g 卜0 5 l 哂( 无级可调) ； 外形尺寸：2 5 0 m m 4 1o i 】m 4 l0 1 1 m ( 电源部分) ， 4 1 0 i i u i l x 4 5 5 n u l l 6 l o 咖( 机械部分) ； 净重：2 0 k g ( 电源部分) ，5 8 千克( 机械部分) 。 扬州大学硕士论文 试验采用m c 6 型脉冲电源，输出方波直流波形，输出功率：5 h z 5 0 0 0 h z ，输出 电压o 1 2 v ，输出电流0 3 0 a ，占空比0 1 0 0 。 3 2 微细超声电火花复合加工试验系统 在微细电火花加工过程中，由于各种原因，经常产生短路、断路或电弧脉冲，使有效 火花放电减少，从而降低了电火花加工效率。此外表面张力、内聚力和固液材料之间的粘 结力等作用，使放电过程中已经被熔化的材料不能完全抛出。因此，电火花加工的实际加 工效率远低于理论加工效率。利用超声振动来改善加工过程中的排屑条件，可以取得明显 的效果，因而产生了微细超声电火花复合加工技术，又称超声频间隙脉冲放电加工。 3 2 1 微细超声电火花复合加工机理 在微细超声电火花复合加工( 超声频间隙脉冲放电加工) 过程中始终有一个恒定的电 压作用在工具电极和工件之间，因此，间隙脉冲需要有足够的脉冲距离和频率，使火花放 电后有足够的消电离时间，避免在同一点因产生连续的放电而形成稳定的电弧。超声电火 花复合加工是在高频脉冲电源作用下，通过工具电极与工件之间的周期性相对运动产生规 则的、参数可控的脉冲放电，实现对工件的热蚀加工。这与传统的电火花加工必须使用专 用电源实现脉冲放电不同，但超声电火花复合加工的物理过程和传统的电火花加工十分相 似，都是通过极间脉冲火花放电加热工具材料，使其熔化或汽化蚀除。因此，其单个脉冲 放电的物理过程可分为电离击穿、放电热蚀、抛出一消电离三个阶段。 ( 1 ) 电离击穿阶段 当高频脉冲电源将电压作用在两电极之间时，两电极之间立即形成一个电场( 见图 3 1 ( a ) ) 。开始时，因为工作液介质的绝缘作用，极间无电流通过，随着工具电极的振动， 极间间隙减小，极间电场强度增大。液体介质中的导电杂质以及偶极子将迅速汇集到电场 强度最大的区域，形成一个由导电微粒组成的小桥( 见图3 1 ( b ) ) 。当极间的间隙减小到 一定程度时，形成了全电离的等离子放电通道，即极间的工作液介质被击穿，极间有电流 流过，极间电压下降( 见图3 1 ( c ) ) 。 ( 2 ) 放电热蚀阶段 极间工作液介质击穿后，大量电子从阴极射出，通过放电通道到达阳极。同时，通道 中的正离子奔向阴极，使电流剧增( 见图3 1 ( d ) ) ，放电通道中心形成很高的温度，同 时，放电通道周围的液体介质也受热汽化，形成气泡向外扩张( 见图3 1 ( e ) ) 。当极间的 距离又开始增大，此时气泡壁继续扩张，压力开始下降，有熔融的材料抛出加工区( 见图 3 1 ( f ) ) 。 ( 3 ) 抛出一消电离阶段 1 6 赵肠摩擦副表面微凹坑超声复合加工工艺研究 极间距离进一步增大到一定值后，因为空化和涡流等作用，放电通道坍塌，消电离过 程开始。过热的熔融材料在低压下急剧蒸发，连同熔融材料一起抛离电极表面，使电极表 面上放电点处形成一个小凹坑( 见图3 1 ( g ) ) 。当气泡内压力过低时，气泡开始收缩，材 料微粒充满气泡内，甚至穿过气泡壁进入工作液介质，被迅速冷却形成加工屑( 见图 3 1 ( 1 1 ) ) 。如此周而复始地重复上述三个过程【3 刀。 ( c )( d )( e )( f ) 图3 1 微细超声电火花复合加工机理示意图 3 2 2 超声振动对脉冲放电过程的改善作用 工具端面超声振动在复合加工过程所起的加工改善作用主要表现为超声波振动可以避 免放电短路，超声波产生空化、泵吸和涡流作用对脉冲放电状态具有明显改善作用f 3 8 1 。 一、超声波对放电间隙的影响 吃，k 分别为极间最小、最大放电间隙。放电加工中，工作液介质被击穿形成放电 通道的间隙很小，一般只有几微米。只有工具电极和工件电极间的距离满足吃 k 时，极间没有电流通过，不能形成放电通道，工具电极必须向下进给。由于进给驱动装置 惯性的存在，小距离移动时，很容易发生超调，形成电弧放电或开路状态，导致加工过程 中的放电利用率很低，材料去除率难以提高。 图3 2 超声波振动避免短路原理图 当工件附加上超声波振动后，工具端面的瞬时位移方程式为： 流1 1 7 圈一 扬州大学硕士论文 y o ) = 彳s i n 2 万( 3 1 ) 其中彳工具端面超声波振动的振幅； 厂超声波振动的频率。 得到工具电极工作面与工件表面之间任意时刻的距离表达式为； 办( f ) = + 彳s i n ( 2 万) ( 3 - 2 ) 式中嘛极间平均距离。 当忍 时，工作液很难被击 穿，不能进行脉冲放电加工。由图3 2 看出，只有工具电极与工件之间的距离办与最大放 电间隙之间满足关系式：k “。 势了改善润滑效果，我们应尽可能增大联，减小鹧，避免鹃的搿现。 、两光滑平面间摩擦分析 要改善薅光滑平面闻摩擦：主要靠改善表面粗糙度郄遥过减小摩擦系数来改善表面闻 的摩擦润滑效果。但随着粗糙度的变小，两光滑表面的储油能力越来越差，平面与平面摩 擦副可能经紫出现边界润滑甚至处于干摩擦状态，使流体摩擦系数显著地减小，对润滑不 利。这是以牺牲表面储油能力来换取小的千摩擦系数，并不能真正改善润滑效果。 二、光滑平面与含微凹坑结构平面闻摩擦分析 如图4 1 所示，对含有微凹坑结构平面l 与光滑平面2 进行摩擦分析，由于平面l 中 各个微凹坑之间相互独立，当平面有相互运动时，平面l 与平面2 间形成了相互独立的微 型压力室，使得平面l 与平面2 闻总有储存的润滑油可以被弓| 到这两个相对运动的表面间 产生流体动力油膜，显著改善润滑状况。 赵肠摩擦副表面微凹坑超声复合加工工艺研究 平面2 、? j ?i ， j | | |i j ? ?，?，1 - 一2 二：二：二：2 ：二二，二二j 二：叶= 1 = 二一二；- = 二1 - 二叶二二i 、一r 、。j ：、j 了。二 0 ，且a 2 p 缸2 - 0 ，故驻点为压力极大值点。 扬州大学硕士论文 此时将驻点坐标值代入得到最大动压力处的油膜厚度为： 而：昙d + ( 4 - 7 ) 3 ” 则动压力最大值为：双：一型坠笆 ( 4 8 ) ( 3 + 2 疋尺，) ( 詈d + ) 2 由驻点坐标表达式可知，r 。的值越小，x 点坐标越小，即此时最大动压力作用点越 靠近微凹坑的内部。由厅的表达式可知，微凹坑内最大动压力处的油膜厚度只与平面间隙 d 和微凹坑深度有关，又由于d ，增大微凹坑的深度能有效增加办。分析。 知，要使动压力尽量小，则需要椭圆半径r 和尺，都小，且足r ，的值也小。由于假设微 凹坑的内表面为双曲抛物面，要使足r 。最小，即此时b = r 。，成为圆抛物面。 综上所述，随着微凹坑深度的增加，微凹坑最大动压力处的油膜厚度办也增加，最 大动压力的大小随着微凹坑深度的增加而减小，坑口形状为圆形优于椭圆形及其它形状。 4 1 2 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4 0 0 “m 8 0 0 “m 之间，深度1 0 0 p m 左右；表面粗糙度要求r a l 6 “m 左右；成阵列分布时，微凹坑尺寸与间距成一定比例。 4 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 0 i m ，远大于微凹坑深度，并留有较大 赵砀摩擦副表面微凹坑超声复合加工工艺研究 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。如图4 3 所示为简单轴类形状工具电极设计图，图( a ) 为直径d 的圆， 图( b ) 为边长a a 的正方形，图( c ) 为边长b 的等边三角形。 i 3 ：l 夹持部 a 向 6 ：l 增 ( a ) a 向 6 ：l 6 0a 八 醋 ( c ) 图4 3 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 4 4 、图4 5 、图4 6 分别为阵列圆形、正方形、菱形微凸起工具电极设计图。 b 向 夹持部 阵列圆形( 伽5 m m ) ，间距o 5 m m ，深度3 0 嗍 图4 4 阵列圆形微凸起工具电极设计 b 向 夹持部