（机械制造及其自动化专业论文）活动模板电解加工微小凹坑阵列研究.pdf

l n a n ji n gu n i v e r s i t yo fa e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h 0 0 1 c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nm a c h i n i n g m i c r o - p i t sa r r a y b ye c m w i t ha c t i v em a s k s ad i s s e r t a t i o ni n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y s o n gm a n a d v i s e d b y p r o f q un i n g s o n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 ，j 作者签名：垒量 日期： 2q ! 旦：i ：! 业 容 本 明 允 数 南京航空航天大学硕十学位论文 摘要 汽车发动机活塞、活塞环存在表面织构形貌可存储润滑油，改善摩擦副表面的润滑特性， 减少磨损，提高能源的利用率。利用电解加工( e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ，e c m ) 方法在摩 擦副表面制作出半球形微小凹坑形貌成为各国研究的热点。 电解加工是利用阳极在电解液中可以发生阳极溶解的原理，将零件加工成形的一种制造 技术。由于电解加工中，阴极和工件是非接触进行加工的，无应力变形，另外材料的减少过 程以离子的形式进行，因此这种微溶解去除方式使得电解加工技术在微细制造领域有着很大 的发展潜力。研究阵列微坑结构的微细电解加工技术，具有重要的现实意义。 本文研究了半球形微小凹坑的加工方法，主要的工作如下： ( 1 ) 介绍了曲面摩擦副表面阴极掩模电解加工微小凹坑试验方法，对试验过程进行了 a n s y s 电场分析，结果表明，利用此方法可以实现。 ( 2 ) 对以上方法进行了工艺研究，设计了电解加工活塞片段表面微坑的夹具，分析了阴 极掩模板厚度以及加工电压对微坑形貌的影响。 ( 3 ) 设计了在活塞侧圆周的表面一次电解加工出一定范围的微坑阵列的夹具并进行了试 验研究。 ( 4 ) 介绍了电解转印加工微坑阵列试验研究方法，对加工中阴阳极之间封闭区域建立数 学模型，进行了a n s y s 电场分析。 ( 5 ) 建立了电解转印加工微小凹坑阵列试验系统，分析了不同加工参数：阴极胶厚，加 工间隙和电流密度对微坑形貌的影响。 关键词：微小凹坑，电解加工，掩模，电场分析，活塞，摩擦 活动模板电解加工微小凹坑阵列研究 a b s t r a c t t h es u r f a c et e x t u r ei nt h ee n g i n ep i s t o n ，p i s t o nr i n go fac a l c a r ls t o r eo i l ，i m p r o v et h e l u b r i c a t i o np r o p e r t i e so ft h ef r i c t i o np a i rs u r f a c e ，r e d u c ew e a r , a n di m p r o v ee n e r g y su t i l i z a t i o n e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ( e c m ) t op r o d u c ead i m p l eo fp i t sa r r a yi nt h es u r f a c eo fs o m ef r i c t i o n p a i rh a sb e e n ah o ts p o ti nn a t i o n a lr e s e a r c h e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ( e c m ) i sac o u r s eo ft h ea n o d i ce l e c t r o c h e m i c a ld i s s o l u t i o no f m e t a l l i cm a t e r i a l si na ne l e c t r o l y t i cm e d i u mu t i l i z i n gt h ee l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n d u et ot h et i n y s i z eo fm e t a li o n ，e c ms h o w sat r e m e n d o u sp o t e n t i a li nt h em i c r o m a n u f a c t u r i n gf i e l d ，a n dm u c h a t t e n t i o nh a sb e e np a i do ni t t h i sp a p e rf o c u so nm i c r oe c mp r o c e s so fm i c r o - h o l ei nm e t a lt h i ns h e e t s ，t h ef o l l o w i n g w o r kh a sb e e nd o n e ： ( 1 ) t h em e t h o do ft h ec a t h o d em a s ko fe l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n gi sd e s c r i b e dt op r o d u c e m i c r o - p i t sa r r a yi nt h ef r i c t i o np a i rs u r f a c e ，t h ea n a l y s i so ft h ee l e c t r i cf i e l di nt h ee x p e r i m e n t p r o c e s sh a sb e e nd o n eb yu s i n gt h es o f t w a r eo f a n s y s ( 2 ) t h ej i gh a sb e e nd e s i g n e df o rg e n e r a t i n gm i c r o - p i t si nt h es u r f a c eo fp i s t o ns e g m e n t sb y e l e c t r o c h e m i c a lm i c r o m a c h i n i n g ( e m m ) ，a n dt h ee f f e c t so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha s t h i c k n e s so fc a t h o d em a s ka n da p p l i e dv o l t a g e ，o nt h em o r p h o l o g yo fm i c r o - p i t sw a si n v e s t i g a t e d ( 3 ) t h ej i gh a sb e e nd e s i g n e df o rg e n e r a t i n gr e g u l a rp i t sa r r a yi nac e r t a i nr a n g eo ft h ep i s t o n c y l i n d e rs u r f a c eb ye m m ，a n dt h ep i l o ts t u d yw a sc o n d u c t e d ( 4 ) a ne l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n gm e t h o dw i t ham a s ko n t ot h ec a t h o d ei se m p l o y e dt o p r o d u c et h em i c r o - p i t sa r r a y t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee n c l o s e da r e ab e t w e e nt h ec a t h o d e a n da n o d ew a se s t a b l i s h e dt oa n a l y s i st h ee l e c t r i cf i e l db yu s i n gt h ea n s y s ( 5 ) t h ee f f e c t so ft h i c k n e s so ft h ec a t h o d ef i l m ，t h ep r o c e s s i n gv o l t a g e ，a n dt h ec a t h o d e - a n o d eg a po nt h ep r o f i l eo fm i c r o - p i t sw e r ei n v e s t i g a t e di nt h ee x p e r i m e n t i i k e y w o r d s ：m i c r o - p i t sa r r a y ；e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ；m a s k ；a n a l y s i so fe l e c t r i cf i e l d ；p i s t o n ； f r i c t i o n 1 3 4 辅助阳极电解加工1 0 1 3 5 掩模电解加工1 1 1 4 课题研究意义及主要内容1 3 1 4 1 课题研究意义1 3 1 4 2 本课题研究的主要内容1 5 第二章微细电解加工理论1 6 2 1 电解加工基本原理和特点1 6 2 1 1 电解加工基本原理1 6 2 1 2 电解加工的特点1 7 2 1 3 法拉第定律1 7 2 2 电解加工基本理论l8 2 2 1 电解加工间隙的电场特性1 8 2 2 2 电极溶液界面双电层1 9 2 2 3 电极电位和电极反应的顺序2 0 2 2 4 阳极极化2 0 i i i 活动模板电解加工微小凹坑阵列研究 第三章曲面摩擦副活塞表面掩模微细电解加工2 2 3 1 曲面摩擦副微细掩模电解加工技术的基本原理2 2 3 2 曲面摩擦副微细掩模电解加工的a n s y s 电场分析2 2 3 3 曲面摩擦副表面掩模电解加工实验系统的建立2 4 3 3 1 电解加工机床2 4 3 3 ，2 电解液2 4 3 3 3 电解液循环系统2 5 3 3 4 电解加工电源2 6 3 1 3 5 测量设备2 7 3 4 曲面摩擦副表面掩模电解加工夹具设计2 7 3 5 曲面摩擦副表面掩模电解加工的阴极制备及阳极工件的选择2 8 3 5 1 曲面摩擦副表面掩模电解加工的阴极制备2 8 3 5 2 曲面摩擦副表面掩模电解加工阳极工件的选择2 9 3 6 曲面摩擦副表面阴极掩模电解加工试验结果分析3 0 3 6 1 试验结果分析3 0 3 6 2 绝缘层厚度对微坑形貌的影响3 1 3 6 3 电流密度对微坑形貌的影响3 2 3 7 阴极掩模电解试验结果3 3 3 8 摩擦实验3 5 3 9 阴极掩模电解加工微小坑的应用3 6 3 9 1 阴极掩模加工活塞表面微小凹坑阵列的夹具设计3 6 3 9 2 阴极掩模加工活塞表面微小凹坑阵列的试验结果3 7 3 1 0 本章小结3 8 第四章微小凹坑阵列的电解转印法的试验研究3 9 4 1l i g a 和l i g a l i k e 技术3 9 4 2 电解转印法的基本原理4 0 4 2 1 电解转印法4 0 4 2 2 电解转印法的基本原理4 0 4 3 电解转印法加工微小凹坑阵列的a n s y s 电场分析4 1 4 4 掩模阴极的制备4 3 4 4 1s u 8 光刻胶4 3 4 4 2 掩膜阴极基片的制备4 4 i v 5 ：； ：；：； 5 3 5 4 5 4 5 5 5 7 ! ； ； ! ；9 6 ( ) 6 ( ) 6 ( ) 6 ：! 6 5 6 6 v 活动模板电解加工微小凹坑阵列研究 v i 图表索引 图1 1 表面织构形貌一2 图1 2 日本本田汽车用喷丸方法处理活塞裙部3 图1 3 表面织构在日常生活中的应用3 图1 4 振动冲击加工示意图4 图1 5 珩磨后的缸套图4 图1 6 压刻技术加工的微细结构5 图1 7 超声波加工原理图6 图1 8 电火花加工原理图6 图1 9 电火花方法加工的凹坑阵列结构7 图1 1 0 电子束加工原理图8 图1 1 1 管电极电解加工原理图9 图1 1 2 电射流群孔加工9 图1 1 3 电化学腐蚀方法制备的微细钨电极1 0 图1 1 4 辅助阳极电解加工示意图l l 图1 1 5 照相电解加工工艺路线1 l 图1 1 6 阴极掩膜电解加工原理图1 2 图1 1 7 电解转印法加工凹坑阵列原理图1 3 图1 - 1 8 发动机三维图1 3 图1 1 9 活塞的三个组成部分及裙部所受侧压力图1 4 图2 1 基本原理图。1 6 图2 2s t e r n 双电层模型1 9 图2 3 三种典型的阳极极化曲线。2 l 图3 1 曲面摩擦副表面掩模电解加工原理图2 2 图3 2 曲面摩擦副微细掩模电解加工电场模型2 3 图3 3 阴极掩模微细电解加工微坑电场分布图。2 4 图3 4 曲面摩擦副表面掩模电解加工机床2 5 图3 5 电解液循环系统2 5 图3 6 电解液槽和离心泵2 6 图3 7 电解加工直流电源2 7 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 8 测量设备2 7 图3 9 阴极掩模电解加工夹具一2 8 图3 1 0 阴极掩模覆铜板2 9 图3 1 l 活塞裙部试样的分割方案及其表面三维形貌3 0 图3 1 2 绝缘层厚度对微坑形貌的影响3 l 图3 1 3 电流密度对微坑形貌的影响3 2 图3 1 4 不同电流密度下微坑三维形貌3 3 图3 1 5 掩模电解加工活塞片段表面阵列微坑3 4 图3 1 6 磨损试验定位卡片示意图。3 5 图3 1 7 活塞裙部试样磨损前后三维形貌对比3 5 图3 1 8 阴极掩模加工圆柱曲面夹具三维图3 6 图3 1 9 活塞表面掩模电解加工微小凹坑阵列夹具图3 7 图3 2 0 阴极掩模电解加工的活塞图3 8 图4 1l i g a 工艺流程及应用3 9 图4 2 电解转印加工原理图4 0 图4 3 电解转印加工微坑电场模型4 1 图4 4 电解转印法加工微小凹坑阳极表面电场分布a n s y s 分析4 3 图4 5s u - 8 胶理想结构4 4 图4 6 掩膜阴极制备工艺流程图4 5 图4 7s u 8 胶匀胶过程转速变化4 5 图4 8s u 8 胶厚度不均匀和边现象4 6 图4 9 微量铣削装置示意图4 6 图4 1 0 生产商提供的s u 82 0 0 0 系列胶厚速度曲线图4 7 图4 1 l 实验所得s u 82 0 5 0 胶厚速度曲线图4 7 图4 1 2 改装后的恒温对流烘箱4 8 图4 1 3 试验中采用的不同曝光剂量级4 8 图4 1 4s u 一8 胶曝光时衍射、反射现象及镀覆衬底反射吸收层示意图4 9 图4 15j k g - 2 a 曝光机5 0 图4 1 6 显影缺陷示意图5 0 图4 1 7 曝光量不同时的胶膜状态5 1 图4 1 8 后烘条件较温和，不同曝光的胶膜状态5 l 图4 1 9 掩膜阴极基片5 3 v i i 活动模板电解加工微小凹坑阵列研究 v i u 图4 2 0 电解转印实验系统图5 3 图4 2 1 电解转印加工微坑阵列夹具图5 4 图4 2 2 不同阴极胶膜厚度加工的三维微坑形貌5 5 图4 2 3 不同加工间隙电解转印法加工的凹坑阵列三维形貌图5 6 图4 2 4 不同电流密度电解转印加工的微坑形貌5 8 图4 2 5 电解转印法加工微坑阵列5 9 表2 1 常用电极的标准电极电位2 0 表3 1 铝合金活塞化学成分2 9 表4 1s u 8 和s u 。82 0 0 0 系列光刻胶4 4 ，、 凹坑表面粗糙度 电解加工电压 电解液压力 电导率 加工时间 凹坑边缘距凹坑中心距离 脉冲电源频率 极问欧姆压降 阴极胶膜厚度 凹坑深度 阴极小孔直径 电场分析中的阴极胶膜厚度 加工间隙 曝光直径 单位 g g a s c 彳 c m o l i x 脯毗胛肼y腑灿j lli胁矿肛肛膨肛胛胛 鼢 u p 盯 ， j 厂啪 日 仃 ： 乃 形 t l 南京航窄航天大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百1 ：匕 1 1 课题背景 机器部件之间的相对运动和接触作用是通过运动副实现的，那么在运动以及接触过程中 摩擦、磨损和工件失效的情况就会发生。这些物理现象会带来能量的损耗、能源利用率低等 问题，所以尽可能的降低能量损耗，减少磨损是机械设计的关键课题之一。 交通与人们的生活息息相关，吃住行是人们在社会中生活的特征，在“行”中汽车以方便 快捷成为人们出行最普遍的代步工具，加入世界贸易组织后，中国汽车产销进入快速增长期， 汽车保有量迅速增加。许多家庭提前圆了轿车梦，但汽车增长带来的能源和环保问题则日益 突出。2 0 0 9 年1 1 1 月，我国汽车产销分别为1 2 2 6 5 8 万辆和1 2 2 3 0 4 万辆，同比增长4 1 5 9 和4 2 3 9 。从这些数字看得出汽车行业在中国国内巨大的市场前景。2 0 0 6 年，中国自己生 产了1 8 亿吨原油，进口了1 4 5 亿吨原油和3 6 3 8 万吨成品油，减去出口，中国实际消费的 原油超过3 5 亿吨，成为仅次于美国的世界第二大石油消费国。一项调查表明，汽车在中国 能源消耗和在大气污染排放中的分担率上都占有很大比例，目前汽车每年消耗掉国产8 5 左右的汽油和2 3 左右的柴油。一方面，汽车为人们出行带来了方便，另一方面，伴随着 汽车行业的蓬勃发展而随之出现的诸如环境污染，能源危机等问题接踵而来，长此以往势必 会影响国家发展，那么除了国家发散思维寻找可持续发展途径不盲从西方发展模式以外，寻 找一些途径降低能源损耗、增加能源的利用率是十分必要的，越来越多的学者将目光聚集到 如何减少汽车在使用时的能量损耗问题。 1 9 9 9 年美国能源部披露：如果美国车辆发动机及传动系统适当减少摩擦、磨损，那么， 每年可节约1 2 0 0 亿美元【。在我国的能源消耗结构中，内燃机所占份额很大。2 0 0 6 年和2 0 0 7 年我国内燃机所消耗的燃油分别约为1 9 亿吨和2 亿吨，在当年全国原油消耗总量中所占的 比例都接近6 0 。在国家原油资源消耗结构中内燃机占有了高份额既说明了内燃机在国家 动力机械构成中处于无可替代的重要地位，同时也标志着内燃机行业必须审慎对待节能减排 这一国家的大政方针。据资料显示，汽车发动机因摩擦而损失的功率约占3 0 ，汽车中活 塞和汽缸及活塞环与汽缸的摩擦导致汽车的发动机能量损耗占总能量损耗4 0 以上【2 】。那 么，降低活塞和汽缸及活塞环与汽缸的摩擦对提高能源利用率有重要的意义。在发动机活塞 活塞环与缸套耐磨性研究方面，最重要最有效的方法是改善润滑条件，尽量避免干摩擦和 混合润滑状态。但是按传统的方法在新的耐磨材料和新工艺方面进行研究，虽然取得了较大 成效，但仍然存在使用寿命短等问题。因此，有必要从其它角度来研究活塞活塞环与缸套 之间的摩擦与磨损问题，寻求能够显著提高活塞表面耐磨性的新理论和新技术。 活塞活塞环与缸套等摩擦副工作表面的储油结构大体经历了三个发展阶段。第一阶段， 工作表面越光越好，最好是镜面。这时期人们主要通过改善接触面的条件来减少摩擦系数， 1 活动模板电解加工微小凹坑阵列研究 但是却忽视了储油结构的影响，这样就使得缸套，活塞系统经常处于混合润滑状态。第二阶 段，采用平顶网纹或网状裂纹型储油结构，这种结构可以显著地增大承载面积，沟槽状裂纹 能提高储油能力，但由于沟槽相互贯通，加上高温、高压很容易使润滑油沿着沟槽挤出，降 低了润滑效果。第三阶段，用独立微坑阵列储油结构。由于独立微坑这种压力室的存在，使 得活塞活塞环和缸套间总有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，这种结构可以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 坑的表面形貌对流体润滑有着非常重要的影响【3 】。 为了提高机械类设备的耐磨性除了改善基体材料、采用表面强化处理方式以外，合理的 表面织构对于摩擦副表面的抗摩减摩性能起到了更为显著的作用。表面织构技术( s u r f a c e t e x t u r e ) 即在摩擦副表面上加工出具有一定尺寸和规则排列的几何形貌如微小凹坑或是微小 沟槽等，如图1 所示，这些几何形状可储存润滑油，具有明显降低摩擦、减小磨损和提高承 载能力等优点岬1 。寻求一种简单有效的方法在摩擦副表面加工出微小几何形状逐渐成为各 国学者研究的热点。 黪：4 1 j 少譬、7 。? 毫鼍i 影鬻了警蛩驾；g 霭器 篓， 一 。_ = 一_ “，! 多：j 镶靠j 筑坑，如氍：毛。：_ ：_ ；： 豁“既。c t j 繇。瓯虢t jr t 麓。 荨 缘f 首：茳移e 0 犯妒譬：，j 。? ， ：，霞。r f f 。善。乳e ，毋，：二。z 一? 袭六e e e 矿彳# ：移秽一l i - 。- 鼍 ；i - * 零气f f ：e ! 拳。毛；霉”秽i 钒 e i 一| j ：。 j 鬯0 ? ，e 簪 j 嚣。瑶喀。，。 ，?筻：。r 譬：髫7 j 譬? 嚣餐 。1 j。| 善0 j乒矿：f 矿：矿乙矿喾二妒：j ，：? 、；： 二：i # ，：移扩餐裁，：l ：； 兹琵溉毖：；i i 戡矗i 滋貔漉豳泷澎琵滋盗女豳 ( a ) 平面、圆柱回转体微小凹坑阵列( b ) 平面、圆柱回转体沟槽图形 图1 1 表面织构形貌 2 0 0 0 年日本本田汽车株式会社的研究者利用粒径4 0 # m 陶瓷球高速喷射( v l o o m s ) 的方法在活塞表面加工出平均深度为0 6 # m - 1 8 i m 的微小凹坑。运行1 2 0 小时以后，发动 机整体的机械损失降低了2 2 6 i 7 1 。研究还做了相关的试验证明这种表面处理方式的持久 性，结果表明，即使做了更长时间的试验，微坑仍然能保持在摩擦副表面上。试验还表明， 在活塞表面用喷丸的方式加工微坑可以在抗粘着，抗咬合方面起到很好的效果。如图1 2 所 示。 2 南京航空航天人学硕士学位论文 矧簿 ( a ) 喷丸的方法在活塞裙部上加工微坑 ( b ) 加工微坑前后的机械损失对比 图1 2 日本本田汽车用喷丸方法处理活塞裙部 尽管表面织构是一种新兴的技术，但它已经得到了较为广泛的应用，例如，高尔夫球表 面设计有许多小凹坑，如图1 3 ( a ) 所示，其目的是让高尔夫球飞得更远，并且易于球手操 控。德国s h a r k o o n 公司设计的s h a r k o o ns i l e n te a g l e2 0 0 0 散热风扇，如图1 3 ( b ) 所示，该 散热风扇具有凹坑状叶片，能够低噪声运转并提供相比普通散热风扇更为强大的冷却效果 i s - t o j 。越来越多的学者将目光投向了表面织构技术，表面织构技术也必将得到更为广泛的应 用。 2 0 0 3 年美国能源部在其为下一代重型运输车设立的预研重点项目“h e a v yv e h i c l e p r o p u l s i o nm a t e r i a l s ”中【l l 】，已将具有减摩效果的表面微细织构制造列为一个研究子课题。 ( a ) 高尔夫球表面 ( b ) 散热风扇凹坑状叶片表面 图1 3 表面织构在日常生活中的应用 1 2 表面织构加工技术的发展现状 尺寸为数微米至数百微米的微小凹坑或微小沟槽状的表面织构可以保存润滑油，防止活 塞、活塞环缸套产生咬死和擦伤效果，有明显减小摩擦，改善润滑特性的特点，所以各国 研究人员对这一领域进行了深入研究，提出了多种加工方法，包括振动加工、激光珩磨技术、 微研磨方法、压刻技术、超声波加工方法、电火花加工方法、电子束加工方法、和电解加工 方法等。 3 零18z辱毒事王 活动模板电解加工微小凹坑阵列研究 1 2 1 振动加工 振动加t 属于机械加工技术，是在一个或多个球形j l ：具头( 刀具) 上施加振动，在 待加c 表面基本光滑的情况下，使工具头冲击待加：r 表面而形成微坑。根据驱动方式的不同， 又可分为自激振动、低频振动冲击、超声振动加工三种。由于刀具与工件在加工过程中存在 明显的机械接触，无法避免地会产生工具损耗、残余应力和变形等问题。这种加工方法使工 件表面发生塑性变形，微坑周围材料隆起，需要二次加工，周期长，加工不稳定。加工示意图 如图1 4 所示。 1 2 2 激光珩磨技术 图1 4 振动冲击加工示意图 激光珩磨技术首先用激光打坑，实现表面微坑结构造型，然后进行珩磨加工出可贮存、 输送润滑油的沟槽、纹路、凹坑等表面织构。激光珩磨是将珩磨技术与激光技术复合在一起 的技术。激光珩磨由三道工序组成：粗珩、激光造型( 打坑) 和精珩。实际上，激光珩磨不是 传统珩磨，而是将激光用于打坑( 即激光打孔) ，实现表面微观结构造型，然后再进行珩磨。 激光珩磨有很多特点：如工件热应力小，不易变形；无需冷却液，对环境污染小；激光的能 量密度高，更易于加工工件缸套内表面，加工效率高。但是，激光对缸套材料有微观气化和 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。激光珩磨处理后的缸套如何降低排放、减少机油耗等较难确定。上述 问题都大大制约了激光珩磨技术的推广应用和进一步深入研究【1 3 ，1 4 】。如图1 5 所示为珩磨 后的缸套图。 4 图1 5 珩磨后的缸套图 南京航空航天人学硕士学位论文 1 2 3 微研磨方法 微研磨方法利用表面镀有金刚石或立方氮化硼( c b n ) 的微研磨工具研磨工件加工出微 坑。同样，微研磨方法也存在明显的机械接触，会出现工具损耗、残余应力和变形等问题。 这种方法设备复杂，成本高，加工不稳定【1 4 】。 1 2 4 压刻技术 压刻技术就是金刚石头以一定压力接触工件，达到将工具电极上形状复制到工件上的目 的。压刻技术所加工的表面形貌由压印工具表面的形貌决定。利用该压印工具，在摩擦副表 面压刻出规则排列的各种微细形貌。图1 6 所示的是压刻技术加工的微细结构。尽管金刚石 压印工艺所得到的凹坑阵列具有精度高、排列整齐等优点，但其工艺复杂，成本高，表面金 刚石容易脱落破裂，这是该种加工方法急需克服的问剧1 5 1 。 图1 6 压刻技术加工的微细结构 1 2 5 超声波加工 超声波加工【16 ，1 7 1 ( u l 仃a s o m cm a c h h t m g ，简称u s m ) 技术是随着机械制造和仪器制造中 各种脆硬材料( 如玻璃，陶瓷，半导体，铁氧体等) 和难加工材料( 如高温及难溶合金，硬 质合金等) 的不断出现而应用和发展起来的新加工方法。超声波加工微小孔或者微小凹坑是 利用在超声振动的工具和工件之间充满磨粒( 通常为立方氮化硼或碳化硅) 的磨料悬浮液， 并对工具施加一个加工压力，通过工具端部的超声振动，磨料不断冲击工件，造成加工面的 冲击破坏，从而形成粉末而被去除。另一方面，超声振动产生的液压冲击和空化现象，促使 液体渗入工件破坏层，增强机械破坏作用，同时空化现象产生的液体空腔，引起极强的液压 冲击，促进工件表层的破坏和蚀除，浆液的循环流动，磨料的更新，带走了被粉碎下来的微 粒，工具逐渐进入工件，工具形状便“复印”在工件上。原理如图1 7 所示。 5 活动模板电解力f l ；1 - 微小凹坑阵列研究 a 超声波发生器 工 工 a 放大 图1 7 超声波n - r 原理图 超声波加工主要适用于： ( 1 ) 加工脆硬材料( 特别是不导电的硬脆材料) ，如玻璃，石英，陶瓷，宝石，金刚 石，各种半导体材料，淬火钢，硬质合金钢等。 ( 2 ) 可采用比工件软的材料做成形状复杂的工具。 ( 3 ) 去除加工余量是靠磨料瞬时局部的撞击作用，工具对工件加工表面宏观作用力小， 热影响小，不会引起变形和烧伤，因此适合于薄壁零件及工件的窄槽，小孔。孔或微孔的加 工尺寸在0 0 1 m m 以下，最小可达0 0 3 r a m ，深径比一般可达1 0 2 0 。 它的缺点是，随着加工深度的增加，磨料悬浮液要进入到工具与工件表面之间变得越来 越困难，加工效率随之降低；随着磨料悬浮液的流动，孔径变大，孔加工精度降低；另外， 工具很细，制造和装夹很困难，工具容易磨损，轴向尺寸控制难度较大，因此不易3 n - r 出精 确的盲孔。 1 2 6 电火花加工 6 脉冲 图1 8 电火花加工原理图 花放电加工区域 南京航空航天大学硕士学位论文 电火花加工原理是在导电的。i ：具电极和工件之间施加上周期性快速交化的电压脉冲，通 过浸没在绝缘介质( - i - 作液) 中的t ：具电极与工件之间的脉冲性放电所产生的局部高温使工 件表面金属熔化、气化，从而蚀除金属，电火花加工又称放电加工或电蚀加j l ：，英文简 称e d m 。因此在加工过程中几乎不存在机械切削力 1 8 - 2 1 1 。加工原理如图1 8 所示。 电火花加工主要用于加j j ：具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件：加工各种硬、脆材 料，如硬质合金和淬火钢等：加【深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；加工各种 成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。图1 9 电火花加工方法制备的方形凹坑阵列 结构。 鬈葛罾簟翠 ：t 彳，。己j ? ：鼍。7 磐7 ：- ：譬j 鼍 z 瞎，舅，螬菖基謦嚣穗。毪 ；二 。一 辑。：厦慧? 曩：壁黔麓。“i ：，0 盛琶毽，囊越穗：i 。j 囊霹露，黪穗，黔i - ， ，：。： 辑= 翻癌翻氆爨； 蠢，落遁j 囊斋i 篱 矗。癫舅，囊鬣焉爵焉 图1 9 电火花方法加工的凹坑阵列结构 群电极的制造是比较困难的，虽然可以由电火花反拷法和l i g a 技术加工获得，但是这 两者或制作过程复杂，或加工成本过高，而且电火花加工存在电极损耗，所以需要多个群电 极，这给制造增加了许多麻烦，因此电火花加工存在着加工效率低、制造成本高等缺点。同 时，加工后工件表面产生变质层，在某些应用中须进一步去除；工作液的净化和加工 中产生的烟雾污染处理也比较麻烦。 1 2 7 电子束加工 电子束加工( e l e c t r o nb e a mm a c h i n i n g ，简称e b b 0 是在真空条件下，利用聚焦后的高能 电子束轰击工件表面，使材料瞬时熔化、气化而去除材料的一种加工方法，原理如图1 1 0 所示。 利用电子束的加热效应或辐射效应对材料进行的加工。利用电子束的热效应可以对材料 进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华。由于电子束可聚焦到很小 的光斑，故可用于加工微小孔。自2 0 世纪5 0 年代开始对电子束加工进行研究，目前已能 加工直径小于3 # m 的微孔，是微小孔加工工艺中不可缺少的一种加工方法。电子束加工可 加工高强度、高硬度、高韧性、高熔点的金属或非金属材料，其功率密度高，可达1 0 6 - - 1 0 9 w c n l 2 ，加工时材料去除方式为瞬间蒸发，不产生宏观应力和变形。加工能力强，生产率高 而且可以钻斜孔或弯孔。缺点是需要整套专用设备和真空系统，价格较贵，目前生产应用有 局限性 2 2 , 2 3 。 7 薅盛。弭辩，雕囊爨蠢麓孵。麟。夔璐-魏耪垮辩k爨黼褥黥遂 活动模扳电解加工微小凹坑阵列研究 图1 1 0 电子束加工原理图 1 3 电解加工方法 基于电解过程中的阳极溶解原理并借助于成型的阴极，将工件按一定形状和尺寸加工成 型的一种工艺方法，称为电解 口i 2 4 a 5 。但为了能实现尺寸、形状加工，还必须具备下列特 定工艺条件： ( 1 ) 工件阳极和工具阴极( 大多为成型工具阴极) 间保持很小的间隙( 称作加工间隙) ， 一般在0 1 1 m m 范围内。 ( 2 ) 电解液从加工间隙中不断高速( 6 3 0 n 1 s ) 流过，以保证带走阳极溶解产物和电解 电流通过电解液时所产生的热量，并去极化。 ( 3 ) 工件阳极和工具阴极分别和直流电源( 一般为1 0 2 4 v ) 连接，在上述两项工艺条 件下，则通过两极加工间隙的电流密度很高，高达1 0 1 0 0 a c m 2 数量级。 电解加工具有生产效率高、工序简单、加工质量好、工具阴极没有损耗等优点。电解微 坑的加工方法有：管电极电解加工、电射流加工、棒状微细电极电解加工、辅助阳极电解加 工和掩模电解加工等。 1 3 1 管电极电解加工 管电极电解加工的工作原理为：工件接电源的正极，工具电极接电源的负极。工具电极 采用专用的夹具装夹在主轴头上，高压电解液采用正流式从阴极中间流出。主轴带动工具电 极向下进给，工件在电解作用下不断腐蚀，同时电解产物由加工间隙内的电解液带出加工区 8 南京航空航天大学硕十学位论文 域，最终住工件上加工出孔。原理图为1 所示。 同：垃给 】d，】 妙 、 电解液流 蓁 l _ 。w ! 。二+ ，4 ，：焉零彩哆 l l 耋巴纫c ，云 厶昆怂由掘 卜7 上 縻 丑：膈。茸吧假 ( 阴极) 鬟 一 工件 ，卜 峨量 二一， 垂 ( 阳极) 囊 一一 。 鋈 鋈 图1 1 1 管电极电解加工原理图 管电极是管电极电解加工重要的参数，它必须具有适当的尺寸和形状，以得到所需的 径和几何形状，将电流和电解液传到钻削区域，并将电解作用局限在所需的加工区域内。 避免侧壁的杂散腐蚀，阴极的侧壁需要进行绝缘处理。阴极绝缘层的质量是保证小孔加工 量的必要条件。因此，涂层与管壁结合要牢固、涂层要均匀光滑，不允许涂层中有气孔或 杂物不允许漏电，否则就会使加工孔偏斜、不圆或孔壁粗糙，甚至出现沟槽。 1 3 2 电液束加工 ( a ) 毛细管电液束加工原理图 ( b ) 电液束加工的群孔 图1 1 2 电液束群孔加工 活动模板电解加工微小凹坑阵列研究 电液束加工( e l e c t r oj e tm a c h i n i n g ) ，又称电射流加工，是在成型管电解小孔加工的基 础上发展起来的。方法是将电解液压入导电的密封头内，然后从小孔内高速射向被加工工件 待加! r = 部位，进行切削加工f 2 7 1 。 电液束( 电射流) 加工原理图如图1 1 2 ( a ) 所示，电液束加工时，工件接正极，带有群 孔的喷嘴接负极，在正、负极之间通上几百伏的高压直流电，高压电解液经过