（机械制造及其自动化专业论文）超声辅助电火花沉积技术的研究.pdf

摘要 摘要 本文针对电火花沉积技术在实际应用中所存在的缺点，提出了超声辅助电火 花沉积工艺及抛光一体化技术。设计了新型复合电极装置，并利用该装置进行了 相关的实验和分析。此外，确认了沉积层与基体材料的结合方式，考察了超声抛 光对沉积层表面光洁度的影响情况。 首先对电火花沉积工艺的原理及研究现状进行了分析，主要分析了加工的机 理和特点，阐述了电火花沉积工艺在加工中的缺点，随后在前人对超声加工与电 加工复合加工研究的基础上，提出了超声辅助电火花沉积与超声抛光一体化工 艺。设计了超声辅助电火花沉积加工实验设备。该设备主要由电源系统，气体供 给系统，新型复合电极装置几个模块构成，对新型复合电极装置的超声系统进行 了有限元分析，利用超声系统的模态分析的结果，对理论设计的超声系统进行校 核，制造出了符合工作需求的超声振动系统。 其次运用新型复合电极装置进行了大量的工艺实验。实验主要内容是考察各 加工参数对沉积层厚度的影响情况，通过选择和控制加工参数( 电压、频率、比 沉积速度、氩气流量和电机转速) ，研究了各加工参数对沉积厚度影响的规律， 并进行了超声辅助电火花沉积工艺与电火花沉积工艺的对比试验，考察了超声在 沉积过程中所扮演的角色。通过正交试验，得出提高沉积层厚度的最佳加工工艺 参数，并总结了限制沉积层厚度增加的因素。 最后对沉积层的形成规律与沉积层的组织结构进行了分析，证明了超声辅助 电火花沉积工艺加工的沉积层是电极材料与基体材料发生冶金结合的产物，表明 了超声辅助电火花工艺获得的沉积层的晶粒大小要比单纯的电火花沉积工艺要 小，因此其沉积层具有更佳的性能。针对沉积层表面粗糙度过大的现象，利用新 型复合电极装置对沉积层进行了抛光实验，验证了超声抛光提高沉积层表面光洁 度的可行性。 关键词：超声；电火花沉积；新型复合电极装置；抛光 广东丁业大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h eu l t r a s o n i c - a s s i s t e de l e c t r op a r kd e p o s i t i o np r o c e s s i n g a n dp o l i s h i n gt e c h n o l o g yh a sb e e np r o p o s e db a s e do nt h el i m i t a t i o no f e l e c t r op a r kd e p o s i t i o ni np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t h er o l e st h a tu l t r a s o n i c v i b r a t i o np l a y si nt h ee l e c t r op a r kd e p o s i t i o nh a v eb e e na n a l y z e d ，a n dan e w e l e c t r o d ed e v i c eh a sb e e nd e s i g n e d t h er e l a t e dt e s ta n da n a l y s i sh a sb e e n d e s i g n e da n db u i l tu pw i t ht h i sn e wt y p eo fe l e c t r o d ed e v i c e s b e s i d e s ，t h e c o m b i n a t i o nm o d eb e t w e e ns u b s t r a t ea n de l e c t r o d em a t e r i a lh a v e b e e n c o n f i r m e d ，t h r o u g ht h er e s e a r c ho fc o a t i n gf o r m a t i o nr u l ea n dt h ea n a l y s i s o fc o a t i n gs t r u c t u r e t h eu l t r a s o n i c p o l i s h i n go n t h ee f f e c to fc o a t i n g r o u g h n e s sa l s oh a sb e e ns t u d i e d i nt h ef i r s tp a r to ft h i s p a p e r ，t h ee s s e n t i a lt h e o r ya n ds t a t u sq u oo f e l e c t r os p a r kd e p o s i t i o nt e c h n ol o g yh a sb e e na n a l y z e d ，m a i n l yb a s e do nt h e p r o c e s s i n gm e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h es h o r t c o m i n g so fe l e c t r o s p a r kd e p o s i t i o nt e c h n o l o g y h a v eb e e n p u t f o r w a r d t h e nt h e u l t r a s o n i c a s s i s t e de l e c t r o p a r kd e p o s i t i o np r o c e s s i n g a n d p o l i s h i n g t e c h n o l o g yh a sb e e np r o p o s e db a s e do np r e d e c e s s o rr e s e a r c ho nt h ee d m w h i c hi n t e g r a t e si n t ou l t r a s o n i cp r o c e s s i n ga n dt h ep r i n c i p l eoft h a tw a s i n t r o d u c e t h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n to fu l t r a s o n i cv i b r a t i o na s s i s t e d e l e c t r os p a r kd e p o s i t i o nh a sb e e nd e s i g n e d ，w h i c hi sm a d eu po fp o w e r s y s t e m ，g a ss u p p l ys y s t e ma n dt h en e wt y p eo fe l e c t r o d ed e v i c e s b o t h d e p o s i t i o np r o c e s s i n ga n dp o l i s h i n gm a c h i n i n gc a nb ec a r r i e do u to nt h i s e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t t h ev i b r a t i o nm o d eo ft h eu l t r a s o n i c v i b r a t i o n s y s t e mh a sb e e na n a l y z e du s i n g f i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e ，t h r o u g h c o n t i n u o u s l yc h e c k i n g o nu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mc a l c u l a t e d b y t h e o r e t i c a lf o r m u l a t i o nw h i c hi sb a s e do nr e s u l t so fm o d a la n a l y s i s ， u l t i m a t e l yu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mm e e t i n gt h en e e do fw o r kh a sb e e n m a n u f a c t u r e d a b s t r a c t s e c o n d l y ，al a r g e n u m b e ro f e x p e r i m e n t s h a v e b e e nc o n d u c t e d d e p o s i t i o n t h i c k n e s sh a sb e e n i n s p e c t e d u n d e rd i f f e r e n t d e p o s i t i o n p a r a m e t e r ss u c ha sv ol t a g e ，d i s c h a r g ef r e q u e n c y ，d e p o s i t i o nr a t i o ，a r g o ng a s f l o wa n dm o t o rs p e e d i na d d i t i o n ，t h ec h a r a c t e r so ft h ec o a t i n gh a v eb e e n s y s t e m i c a l l yr e s e a r c h e d a sw e l la su l t r a s o n i cv i b r a t i o n r o l eh a sb e e n s t u d i e d b yc o m p a r i n g u l t r a s o n i c - a s s i s t e de s de x p e r i m e n t sw i t he s d e x p e r i m e n t s a no p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si nt h eu l t r a s o n i c a s s i s t e d e s dh a v eb e e no b t a i nw i t ho r t h o g o n a lt e s ta sw e l la sf a c t o r so fr e s t r i c t i o n c o a t i n gt h i c k n e s sh a v eb e e ns u m m a r i z e d f i n a l l y ，i no r d e rt oi m p r o v et h ec o a t i n gi sn o tas i m p l em e l tc o a t i n go f c a t h o d e ，b u tt h ep r o d u c t i o no fm e t a l l u r g i c a lb o n d i n gb e t w e e ns u b s t r a t ea n d e l e c t r o d em a t e r i a l ，t h ef o r m i n gm e c h a n i s ma n dt h es t r u c t u r eo ft h ec o a t i n g h a v eb e e na n a l y z e d t h ed e p o s i tl a y e ro fu l t r a s o n i c a s s i s t e de s dh a v eb e e n p r o v e dt oh a v es m a l l e rg r a i ns i z et h a np u r ee s d ，a n dt h a tm a k et h el a y e rg e t b e t t e r p e r f o r m a n c e i nc o n s i d e r a t i o no fp o o rs u r f a c er o u g h n e s s ，t h e p o l i s h i n ge x p e r i m e n th a v eb e e nc o n d u c t e dw i t hn e wt y p eo fe l e c t r o d e d e v i c e ，w h i c hv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yt h a tu l t r a s o n i cp o l i s h i n gc a ng r e a t l y i m p r o v ec o a t i n gs u r f a c er o u g h n e s s k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c ，e s d ，n e wt y p eo fe l e c t r o d ed e v i c e ，p o l i s h i n g 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过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。 指导教师签字： 论文作者签字： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百y 匕 随着工业现代化的发展，现代工业对机器零部件生产技术的要求越来越高， 特别是对生产中的模具、易磨损件及在腐蚀环境中工作的机器零件的耐磨性、表 面硬度、耐腐蚀性等表面性能提出了更高的要求。对于一些在恶劣工作条件下的 零部件材料来说，破坏往往是由表面开始逐步向内部扩展，而零件的表面失效往 往会导致整个零件的失效，从而导致整个机器设备罢工，模具在使用中同样也会 被磨损。如热作模具常见的失效模式是热疲劳失效，而对于冷作模具而言，经过 多次的冲压后，模具配合间隙扩大导致冲件毛刺增加而必须卸模进行刃磨，而一 付模具的刃磨次数是有限的，如果生产中的零件与模具一旦失效后，就弃之不用， 势必会造成资源的巨大浪费，生产成本的激增。为了提高零件的可靠性和使用寿 命，改进产品的质量和增加经济效益，零件必须经过特殊的强化处理，或者利用 修复技术尽量使那些失效的零部件与模具再上岗。 在过去的零部件的修复和表面改性的方法中，热喷涂技术、堆焊修复技术、 激光修复技术、气相沉积技术和电火花沉积技术已经被广泛运用，这些技术它们 既可以提高产品的硬度、耐磨性、高温红硬性及使用寿命，又能大大减少贵重材 料的消耗，从而大大地降低产品的成本。其中电火花沉积技术是一种有效的表面 强化和修复技术，已广泛用于工模具的表面强化和修复，电火花沉积技术具有操 作简单，结合强度高，且具有低能耗和加工成本低等优点，近年来在工程领域得 到了越来越多的应用，已经由最初用于刀模具的强化与修复扩展到能源、航空、 航天、军事等诸多领域，是再制造技术的重要技术手段之一。同时又由于电火花 沉积的沉积厚度过小、沉积速度过慢、沉积层的表面粗糙度过大等缺陷，严重阻 碍了这一技术的进一步发展。 如何使电火花沉积原有技术优势得到淋漓尽致的发挥同时，而又能快速地获 得大沉积厚度，高表面质量的涂层，将是电火花沉积技术的改良方向。 广东工业大学磺士学位论文 1 2 相关课题的国内外研究现状 12 1 电火花沉积的原理、特点及其发展 121 1 电火花沉积的原理电火花沉积技术( e l e c t r os p a r kd e p o s i t i o n ) 是利用短 脉宽、高频率的脉冲电源把电极材料( 阳极) 沉积到金属基体上的一种脉冲放电 技术。电火花沉积( e s d ) 的原理是：当电极棒( 阳投) 在工件表面转动，工件与 电极达到放电间隙时，主机放电回路形成通路，在它们相互接触的微小区域瞬时 流过放电电流，电流密度可达到1 0 s - 1 0 6 a e m 2 ，而放电时间仅1 0 。6 - 1 0 4 秒；由于 放电能量在时间上和空间上的高度集中，在放电微小区域内产生了约 9 0 0 0 - 2 5 0 0 0 c 的高温，使该区域的局部材料熔化、气化或等离子体化，电极材料 高速过渡并沉积到工件表面，形成冶金型牢固结合的沉积层。主机电源中储存的 电能转变为电极棒与工件之间的冶金化合能。处理概念图如图1 - i 所示。 “目粼 e ! ! 7 ? 。邀 一、 t j 1 1 3 ”、兰! ! f i 7 本霜 图1 一l 处理概念图 f i g 1 1p r i n c i p l eo f t h ee s d 121 2 电火花沉积的特点电火花沉积修复技术( e s d ) 有很多的优点，具体表现 在以下几点： i ) 设备简单，造价低。电火花沉积是在氩气保护中进行的，不需要特殊的、复 杂的处理装置，使用灵活，成本较低： 2 ) 用途广泛，沉积对象无大小限制，一般几何形状的平面或曲面均可进行处理， 既可对设备进行表面沉积，也可对零件进行局部沉积或修补： 3 ) 沉积层与基体的结合非常牢固，一般不会发生剥落。由于沉积层是电极和工 件材料在放电瞬间高温高压条件下重新合金化而形成的台金层，沉积层与基 体间的结合属于冶金结合，结合强度明显高于其它表面涂层工艺； 4 ) e s d 处理不会使工件退火或变形。虽然电火花沉积时在放电瞬间能达到使电 2 第一章绪论 极材料熔化、气化的高温，但因放电时间极短，放电脉冲间隔较长，沉积过 程中传人基体金属的热量非常少，热影响区也很小。因而工件心部可保持常 温或升温很低，无组织和性能变化，工件不会产生变形、咬边和局部退火现 象； 5 ) 沉积层厚度容易控制。沉积层厚度可根据沉积参数和沉积时间进行调整，能 够涂覆的实际沉积厚度通常的控制范围是3 - 3 0 0l - tm ； 6 ) 耗能少，材料消耗低： 7 ) 操作方法容易掌握，不要求技术等级高的专业人员；不会产生有毒气体、液 体等环境污染物，噪声小。 1 2 1 3 电火花沉积的历史沿革电火花沉积技术这一技术的提出已经有五十多 年的历史了，在以前它是以电火花表面强化、电火花韧化处理、电火花合金化、 脉冲电弧微焊接、等名字出现而被人们所熟悉。19 2 4 年美国人r a w d o n 发现把 铁用相似的电极进行电火花处理后会变得非常的硬，而镍、铜等金属进行同样的 处理后它们的硬度没什么变化。r a w d o n 证明了铁硬度的增加是由于表面基体的 快速淬火形成马氏体造成的。但是对e s d 这一技术的研究主要在前苏联进行， 早在19 4 4 年前苏联的许多研究机构已经开始对其研究，其研究人员在以后的二， 三十年中提出了许多电火花表面强化的方法，而且这一技术开始被广泛用来提高 零部件的抗磨强度，例如在车床刀具、磨床刀具、钢锯、凸轮轴、轮缘、汽轮叶 片等都有应用。1 9 7 4 年前苏联科学家j o h n s o n 等人在核反应设备上沉积出e s d 涂层，至此这一技术引起了西方等发达国家的广泛重视，美国，日本，德国等国 家先后加入了对其设备的研制。由于电火花沉积技术操作简单，且具有低能耗 和加工成本低等优点，近年来在工程领域得到了越来越多的应用，已经由最初用 于刀模具的强化与修复扩展到能源、航空、航天、军事、医疗等诸多领域，是再 制造技术的重要技术手段之一阻5 1 。 在旧式的e s d 设备中，电极都是振动式的，工作原理是：当工具电极随着振 动器的振动过程中，工具电极与工件分开并有较大的距离时，电源经过电阻r 对 电容c 充电( 即充电阶段) 。以后，工具电极随着振动器的振动向工件移动，当两 者间的间隙小到某一值时，间隙中的空气被击穿，产生火花放电，使电极端部与 工件表面材料局部微区产生熔化，甚至气化。工具电极继续下移至接触工件后， 火花放电结束，在接触处流过短路电流使该处继续加热熔化。工具电极进一步下 广东工业大学硕十学位论文 降，对熔化微区施加一定的压力，使工具电极与工件材料的熔液压合互渗，各种 元素急剧扩散形成新的合金熔渗层。此时，工具电极在振动器作用下反向移动， 脱离工件。 现在的新型e s d 设备都采用了旋转电极，当旋转电极与零件表面接近达到了 击穿电压的间隙时产生火花放电，放电点的阳极电极与阴极基体瞬间产生等离子 弧，其放电能量使电极熔化，同时基体表面形成很浅的熔池，电极熔滴射向熔池。 等离子产生的压力使熔池中液态金属向四周涌出，同时空气发生爆炸，旋转电极 也迫使熔池内的液态金属向四周转移，形成单个脉冲强化点熔坑，材料发生合金 反应。文献 6 认为旋转电极代替振动电极提高了强化层的密度，改善了表面的 粗糙度，有利于提高强化层的质量。 1 2 2 电火花沉积加工研究现状 过去学者在电火花沉积放电机理这一方面存在争议，对其放电基体主要存三 种看法，既火花放电、微弧放电和两种放电都有n 7 。8 1 。现在学者基本对放电的 机理基本取得了一致的看法，基本都认为是第三种情况。因此近年来的e s d 论文 中对其机理进行讨论得比较少了，但是对于电火花表面强化层形成规律及强化层 特殊性能研究的文献较多，近几年来也又一些院校开展了电火花沉积与其它工艺 复合进行沉积的研究。 1 2 2 1 电火花沉积的沉积层形成规律美国人a a g a r a w a l 等认为质量过渡是在 能量释放过程中，液、气相共存状态下发生，电极材料经高温混合冶金和扩散沉积 到基体材料上阳3 。 经过e s d 工艺处理过的工件表面从表及内基本可以分为三层，最表层为白亮 层；其次是过度与热影响层；第三层原始基体组织。图1 2 是强化层的截面形貌。 a 区是堆焊到工件表面的涂层或堆焊层，强化层呈白亮色，由电极材料与基体材 料的元素组成，组织细密。b 过度层，是由电极材料元素熔渗扩散到基体材料中 的区域n 0 1 1 1 。 4 图1 2 沉积层的截面形貌 f i g1 - 2c r o s s s e c t i o nm o r p h o l o g yo f t h ec o a t i n g 电极旋转式电火花表面沉积过程中电极材料放电端头表面含有基体材料成 分的现象称为两极放电过程中的“阳极粘连”现象“2 ”1 。文献 1 3 作者通过对 t c i 金表面强化w c c o 过程中的“阳极粘连”现象研究发现电极旋转式电火花表 面强化系统强化的过程中，两极间电火花放电产生的能量使得电极端头放电区域 表面熔化。随放电脉冲次数的增加，电极端头放电区域表面熔化的痕迹遍布整个 电极端头，并揭示出电极旋转式电火花表面强化过程的实质是一种混合冶金过 程，电火花强化过程中两极问的放电过程具有不规律交变放电的特征。图1 3 是 两极问交变放电过程的物理模型。 e 麓“e 静 e 静 降 图i - 3 电极放电过程的物理模型” f i g1 3p h y s i c a lm o d e lo f e l e c t r o d ed i s c h a r g e 电极振动式电火花表面沉积过程中，在高脉冲能量下，会发生电极粘接现象t 这一现象对工作是有害的，如果电极不能顺利脱开，将会影响振动器的正常工作， 并出现长时间的短路，工作电容不能及时充电，造成工作的不连续，当强行拉开 电极会破坏合金层的机械性能”“。因此电极振动式电火花表面强化过程中的 电极“粘接现象”与“阳极粘连”现象是两个不同的概念。 122 2 不同工艺参数对涂层厚度、性能的影响沉积层厚度是评判沉积层质量的 关键指标之一。只有当厚度达到一定值时沉积层才具有可加工性，其耐磨、耐腐 虹蔼l，l，i 广东工业大学硕士学位论文 蚀性能的优越性才能充分表现出来n 们。在不同工艺参数对涂层厚度、性能的影 响方面之类的文献还是很多的，如文献 15 18 等都详细地讨论了e s d i 艺中的 电容、电容两端的电压、比沉积时间、电极的旋转速度、保护气体对涂层厚度影 响情况。通过诸多实验发现e s d 沉积的厚度不是无限增加的，现在普遍能实现的 厚度是3 3 0 0 9 m 。文献 1 8 在c r n i 3 m o v a 钢表面电火花沉积c r 的实验研究中解释 了限制沉积层厚度的主要原因有：1 ) 如果基体材料的主要元素的原子半径与电 极材料的主要元素的原子半径相差很大则不易固溶会限制沉积层厚度；2 ) 如果 基体材料的主要元素的晶体结构与电极材料的主要元素的晶体结构以及电负性 等差异较大也会限制沉积层厚度；3 ) 电火花表面沉积层温度变化会在沉积层内 部产生热应力，热应力累积形成显微裂纹使沉积层部分剥落这也是造成沉积层厚 度不能无限增加的主要原因；4 ) 沉积层生成的固溶体产生组织变化也会导致内 应力的积累，进而加速了显微裂纹的生成，另外，沉积层内夹杂物和气孔也限制 了沉积层厚度的增厚。 同时研究也发现电火花沉积过程中工艺参数的选择对沉积层性能也都有很 明显的影响。文献 19 用单脉冲对沉积层的沉积研究中发现单个脉冲能量的大小 很大程度上决定了沉积层的表面粗糙度。而文献 2 0 分别采用不同工艺参数在4 5 号钢和g c r l 5 钢基体上沉积w c 硬质合金，结果表明，随着放电频率的提高，两种 不同基材沉积层的硬度都随之升高；频率不变时，沉积层的硬度随着功率升高而 增大。 1 2 2 3 电火花沉积的沉积层特殊性能研究电火花沉积过程中可以把电极材料 熔渗入金属工件表面层，从而可以在金属表面形成一层高硬度、高耐磨、抗腐蚀 的合金沉积层，同时又保持了基体的硬度、强度和韧性等力学性能。例如，钛合 金基体上沉积硬质合金或者镍等耐磨性材料可以在保持钛合金原来性能的基础 上提高它的耐磨性；铝合金压铸模具上沉积金属陶瓷材料可以提高它的铝热浸蚀 能力。 以y g 8 等硬质合金为电极利用电火花沉积技术对钢铁材料进行表面改性已 有了较成熟的经验。由于影响电火花沉积工艺的参数有很多，而去全面协调地控 制这些参数又不是很容易，故现在的研究人员开始从电极材料，e s d 与别的工艺 相结合等方面开始研究，以便开辟提高沉积表面性能的新途径。 例如研究人员发明了一种新的e s d 电极材料，它是用t i c c r n i 、t i b a l 、 6 第一章绪论 t i c n i 合金、t i c 铁、t i c n i a i 、t i c a l 、t i b 和t i t a c 铁材料系统通过自 蔓延高温合成技术生成的。研究人员在这种新型电极材料中添加了一些超细难熔 的z r 0 2 、a 1 2 0 3 、w c 、w c - c o 、w 和极其分散性的金刚石成分，从而使电极组织 的结构细化，并通过实验发现在e s d 过程中生成的这些超细结构的电极能够提高 涂层的密度、厚度、硬度、扬氏模数和疲劳强度；展示了很强的抗腐蚀性能妇。 文献 2 2 的研究人员发现电火花沉积0 c r l 8 n i 9 处理虽然提高了钛合金的表 面硬度和耐磨性能，但由于沉积过程中微裂纹的存在却牺牲了材料的表层韧性， 结果反而降低了钛合金的抗微动疲劳性能。研究人员通过电火花与喷丸对钛合金 的复合处理很好的解决了这一矛盾。w g f e r g u s o n 、v v t v a n o v 、等人分别 用等离子喷涂、渗氮、激光强化、重熔、喷丸、电火花沉积和电火花沉积与激光 强化复合等工艺进行表面处理后，通过实验发现喷丸处理后的h 1 3 工具钢的抗热 疲劳强度能够增加2 0 ，激光强化与等离子喷涂对h 1 3 钢的抗热疲劳强度增加量 差不多都是3 3 ，在h 1 3 工具钢的表面用电火花沉积w c 、c o 合金后其抗热疲劳 强度能够增) ) 1 1 2 6 0 ，用电火花沉积与激光强化的复合处理后其抗热疲劳强度更 是增加了4 0 0 阻引。 采用电火花和其它工艺进行复合还可以提高涂层厚度。例如，有人采用电火 花激光复合强化技术增加了硬化层厚度。生产和实践都表明，c r l 2 模具钢经过电 火花与激光复合沉积后具有比单一电火花沉积更高的耐磨性与抗腐蚀能力乜引。 这说明电火花沉积与其它工艺的复合的表面沉积处理为提高零部件的机械 性能提供了一条新途径。 1 2 3 超声电火花复合加工的研究状况 复合加工是指一种加工方法与其它加工方法配合使用，各加工方法相辅相成 共同实现对材料的加工，以改善工艺效果的加工技术。超声技术与电化学、机械 磨削、洗削等传统加工工艺进行复合加工的研究与应用较多，其它方法的复合加 工，目前国内外研究应用较多的是电火花加工与超声波的复合加工。超声电火 花复合加工技术始于上世纪5 0 年代，其形式主要有工具电极超声振动乜5 。2 引、工件 超声振动乜9 。3 以及电极丝超声振动( 应用于电火花线切割中) b 2 3 等。 超声与电火花复合加工始于19 5 7 年，当时日本研究人员在电火花加工中融 入超声后发现( 电极端加入超声) ，电火花r c 回路充电电阻减少了，放电频率、 7 广东工业大学硕士学位论文 加工效率都提高了拍引。法国研究人员k r e m e r ，在此基础上也进行了改良研究， 他同样使电极进行超声振动，并使超声振动的频率与电火花脉冲放电频率同步， 发现超声波振动改善了间隙中杂质的排除和工作液介电性的恢复，并额外地从熔 池中排除部分熔融物质，减少了熔融点附近液态金属的重新固化，提高了加工速 度。他们又系统地研究了超声振动对电火花加工性能影响，表明超声振动提高了 加工速度，粗加工、精加工时分别提高1 0 和4 0 0 ；超声振动使加工过程稳定， 特别是精加工时尤为突出；加工表面层均匀，回火层和热影响层变薄口“3 钉。超 声加工有利于电火花加工效率的提高同样被日本的y o s h i h i t o 、英国的r o d n c y 等人 证实。哈尔滨工业大学的贾志新和山东工业大学的张建华等人在超声频间隙脉冲 放电加工研究中，使工具电极进行超声振动，证明了超声频间隙脉冲放电加工与 普通的电火花加工相比，具有高的脉冲利用率和高的熔化材料抛出比。因此，在 相同能耗的情况下，超声频间隙脉冲放电加工效率高于普通电火花的加工效率； 提高工具电极的超声振动频率，可提高加工精度，降低加工表面粗糙度，而对加 工速度影响很小。广东工业大学的郭钟宁教授、大连理工大学的张树彩等对电极 丝超声振动的低速走丝电火花线切割加工研究，发现电极丝附加超声振动可以改 善极间放电状态，提高加工效率，减少断丝率，降低加工表面粗糙度值。大连理 工大学的张树彩等在对电极丝附加超声振动的电火花线切割加工的研究中得出 了相似的结果。山东工业大学的贾志新等对超声频间隙脉冲放电加工技术进行了 研究。针对普通电火花小孔加工中表面粗糙度较差的缺点，提出了一种超声波电 火花花磨料复合加工方法，较好地解决了生产率和表面粗糙度之间的矛盾。通过 对比实验，金长善等人发现采用普通的电火花加工，工件的表面粗糙度为 r a = 2 5 9 m ，而如果在普通的电火花加工结束后，再进行1 m i n 左右的超声波电火 花磨料复合加工，表面粗糙度降至r a = 0 1 6 1 t m 。 1 3 超声辅助电火花沉积修复与抛光一体化技术的提出 山东大学的徐明刚、张建华等人在对超声振动辅助气体介质电火花加工机理 研究中提到，在工具电极或者工件附加超声振动以后，短路、拉弧现象的发生大 大减少，加工效率提高“3 。国内学者朱建等人在钛合金表面电火花沉积w c 涂 层的研究中通过对基体材料施加超声能量在钛合金表面制备了2 0 3 0um 沉积 层，证明了在一定范围内，随着超声频率的增加，沉积层中沉积相的成分也相应 第一章绪论 地增加引。以上研究都已证明，在电加工融入超声后，不仅有利于提高加工速 度、减少短路、拉弧现象，还可以提高沉积层质量。文献 3 9 通过对凝固工程中 的a i s i 熔体进行超声振动处理来细化合金组织以改善合金性能，并通过实验验 证了，对熔体采取超声振动后，凝固后的合金组织与没有经过超声处理的熔体相 比，共晶s i 显著细化。向液态金属中施加超声已被认为是一种有效的细化微观组 织的方法。文献 4 0 也通过向熔融的金属中引入超声能量，同样证明了超声对焊 缝区的晶粒细化有明显的效果，提高了焊接材料与基体的结合强度。故本研究课 题组提出了超声辅助电火花沉积这一新构思。其思路是在电火花沉积过程中辅以 4 0 k z h 左右的超声纵向振动，通过超声的作用，减少电火花沉积工作中发生的短 路、拉弧现象，从而减少沉积层的表面氧化，提高沉积层的沉积厚度与表面质量， 电火花沉积工艺是从熔化到凝固再到熔化的不断循环的过程，超声引入后，可以 细化沉积层组织晶粒，有望进一步提高其结合强度。 超声抛光在模具制造与修复，特别是要求表面粗糙度很低的拉丝模、注塑模、 压铸模和异性模具制造方面显示了它的优点，逐步成为模具抛光工序不可缺少的 设备。该工艺充分利用超声的作用，不仅在修复过程中利用超声的能量辅助电火 花沉积进行修复，而且在修复这一工艺完成后可以利用超声的能量对修复的工件 进行抛光打磨，进一步提高其表面光洁度。 本项目的研究具有深厚的理论基础，通过对本项目的研究有可能对模具修复 方法产生重大突破，它即可对失效工件实现修复，也可以实现修复后的工件表面 抛光，实现了修复与抛光的一体化。 1 4 本课题研究概况 1 4 1 研究目的和意义 我国的模具行业已经进入快速发展阶段，但由于在精度、寿命、制造周期及 能力等方面与国际水平相比尚有较大差距，所以，目前还不能满足我国制造业发 展的需求，特别是在精密、大型、复杂、长寿命模具方面，仍旧供不应求。本课 题通过把电火花沉积技术与超声加工结合起来进行综合运用，可以高效、快速地 对失效的模具进行修复，有望获得致密、无显微裂纹和残余应力的高质量的涂层， 大大提高模具的寿命，不仅使电火花沉积原有技术优势得到了淋漓尽致的发挥， 9 广东t 业大学硕士学位论文 而且把超声加工中的新技术有效地结合在起使沉积厚度能够大大地提高，并实 现了用一台设备完成修复，抛光两种不同的工艺的功能，从而大大降低模具再生 产的成本，增强企业竞争力；通过对加工工艺的优化使模具的修复厚度大大地提 高，获得一种具有自主知识产权、自行掌握了核心技术，高效率、低成本、高质 量、修复层致密和小气孔新型快速的模具修复与抛光一体化设备。 1 4 2 课题来源 本论文课题来源于广州市番禺区科技公关项目：“超声辅助电火花沉积修复 与超声抛光一体化设备的研制与工艺研究 ，该项目与番禺联合科技有限公司联 合研究开发。 1 4 3 课题的研究内容 课题的主要研究内容包括以下几个部分： 1 ) 提出超声辅助电火花沉积加工新技术，研制超声辅助电火花沉积修复与超声 抛光一体化加工实验设备，具体工作是对新型复合电极装置的研制。 2 ) 对沉积厚度影响进行研究，探讨影响沉积层厚度的影响因素，通过工艺试验 获得最佳沉积厚度的最佳工艺参数。 3 ) 研究沉积层的结合强度及其组织形貌。 4 ) 运用超声对超声辅助电火花沉积工艺沉积层进行抛光的可以性研究。 1 5 本章小结 本章主要阐述了电火花沉积工艺的原理、发展和国内外研究现状、陈述了超 声电火花复合加工的研究进展，提出了超声辅助电火花沉积修复与抛光一体化技 术，以及介绍了本研究课题的研究目标、课题来源和研究内容。 1 0 第二章超卢辅助电火花沉积技术机理及其设备 第二章超声辅助电火花沉积技术机理及其设备 超声辅助电火花沉积加工( u e s d ) 是在原有电火花沉积工艺上扩展起来的 一种新加工技术，它继承了电火花沉积的优势，摒弃了传统的液体介质，减少了 环境污染，是一种绿色的电火花加工技术。电火花沉积加工过程中，随着加工的 深入，加工效率下降，容易出现短路、电弧放电等现象，因此在加工中需要间隔 性地使阳极与阴极保持分离，影响了加工过程的稳定性，降低了放电频率及加工 效率，本工艺采用的工具电极超声振动氩气中电火花沉积加工的方式。实际上加 工工艺分为两个过程一沉积修复加工与超声抛光，图2 1 为其加工工艺流程图。 开关 关闭 攀羿牖 匿 靠艇 | 沉积修复ji 抛光i 部电源i 一 一1 丁一旷 超声振l 开关 动开关i开启l ii 电极旋i 开关 l 转开关i 开启 墅羞i 开启 图2 1 加工工艺流程 f i g 2 - 1p r o c e s s i n gp r o c e d u r e so ft h eu e s d 2 1 超声辅助电火花沉积原理 超声辅助电火花沉积加工是利用两极间脉冲放电的电腐蚀现象对电极材料 进行去除并沉积到工件的一种电火花气中放电加工方法。超声辅助电火花沉积的 基本原理如图2 2 所示。工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，工具电极在超 声换能器与变幅杆的作用下进行纵向的超声振动，电极装置通入惰性气体一氩气， 工具电极在人工的操作下向工件逐渐进给，当两电极间的间隙减小到最小放电间 隙时，两电极上施加的脉冲电压将保护气体介质击穿，产生火花放电，并形成火 花放电通道。由于受到放电时磁场力箍缩效应和周围气体介质压缩效应的作用， r 东上业大学硕学位论文 通道瞬间扩展受到限制，使放电能量集中于很小的范围内，因而通道电流密度极 高，通道内的温度及压力亦相当高。放电通道一旦建立，电源就开始通过放电通 道释放能量将电能转换为热能、磁能、光能、声能、及电磁波辐射能等，其中 大部分转换为热能，用于加热两极放电点和间隙通道，使两极放电点局部熔化或 气化，同时电极中的超声能量在接触力的作用下，转变成动能与声能。 蓄湛， 弓乏 图2 - 3r c 线路电气原理图 f i g2 - 3p r i n c i p l eo f t h er ce l e c t r i c a lc i r c u i t 1 2 第二章超声辅助电火花沉积技术机理及其设备 为了进一步了解其工作原理，首先来解释下其设备是怎样工作的，图2 3 中 脉冲电源是一个简单的r c 脉冲发生器，其中直流电源e 、限流电阻r 和储能电容 器c 三者组成充电回路，而电容器c 、电极、工件及其引线组成了放电回路。电 极接电源正极，工件接负极。电极与直流电极、超声振动系统连接起来，振动频 率为4 0 k h z 。工作时，电极在直流电机与超声系统的作用下进行高频的超声振动 和绕轴的旋转运动，当电极还没有接触到工件时，电源e 通过限流电阻r 向电容 器c 充电，接着因为电极向工件运动而无限接近工件，使放电回路形成通路，在 火花放电通路和相互接触的微小区域内将瞬时地流过放电电流，电流密度达高达 1 0 5 10 6 a c m 2 ，而放电时间仅为几微秒到几毫秒，由于放电能量在时间上和空间 上的高度集中，在放电微小区域内产生了约5 0 0 0 1 0 0 0 0 的高温，使该区域的基 体向周围介质中溅射；此时电极继续向下运动，把电极和工件上熔化了的材料挤 压在一起，由于接触面积扩大和放电电流减小，使接触区域的电流密度急剧下降， 同时接触电阻也明显减小，因此电能不再使接触部分发热。相反，由于空气介质 和金属工件基体的冷却作用，熔融的材料被迅速冷却而凝固。接着冷凝的材料脱 离电极而粘接在工件上，成为工件表面上的沉积点。同时，因放电回路被断开， 电源重新对电容器c 充电，这就是电火花沉积设备的一次充放电过程。重复这个 充放电过程并移动电极的位置，沉积点就相互重叠和融合，在工件表面形成一层 沉积层。在一个不断重复的过程中，由于电极在超声的作用下，电极与工件不断 的断开，加工过程中的间隙放电状态、放电通道状态可以得到明显改善，大大减 少了短路和拉弧等现象的发生，电极在直流电机的带动下进行高速的旋转运动， 减少了电极与基体的粘接。 2 2 电火花沉积加工的极性选择 在传统的电火花加工中，无论是正极还是负极，都会同时受到不同程度的电 蚀。即使电极和工件是相同材料电蚀量也是不同的。这种单纯由于正、负极性不 同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应h 。如果两极材料不同，则极性效 应更加复杂。在生产中，通常把工件接脉冲电源的正极时，称“正极性 加工； 反之，工件接脉冲电源的负极时，称“负极性 加工。产生极性效应的原因很复 杂，对这一问题的一般解释是：放电加工时，电子奔向正极，由于电子质量小， 加速度大，容易获得较高的运动速度；而正离子质量大，加速度小，短时间不易获 广东工业大学硕士学位论文 得较高速度。所以当放电时间较短时，如小于3 0 i _ t s ，电子传递给正极的能量大于 正离子传递给阴极的能量，使正极去除量大于负极去除量，此时工件应接正极， 工具电极应接负极。反之，当放电时间足够长时，如大于3 0 0 p s ，正离子被加速 到较高的速度，加上它的质量大，轰击负极时的动能也大，使负极蚀除量大于正 极去除量，此时工件应接负极。超声辅助电火花沉积加工时其蓄能器里的直流电 流以1 0 一lo 巧秒的超短时放电的，使用的是窄脉冲，这样加工时电子的轰击作用 相对于离子的轰击作用占主导作用，正极的去除速度大于负极的去除速度，超声 辅助电火花加工的目的是要把电极材料在超声能量的辅助下沉积到工件表面上 的，以达到对零部件进行修复的目的的，因此这就要求使工具电极的去除速度大 于工件的去除速度，故应用于“负极性”加工。 2 3 超声抛光原理和工艺效果 2 3 1 超声抛光装置 超声抛光装置如图2 4 所示，本系统的超声抛光装置主要由超声波发生器、 换能器、变幅杆和工具头等几部分组成，当需要超声抛光时可以把沉积用的电极 换成抛光工具，从图中可以看出，超声波发