（机械制造及其自动化专业论文）微细电火花加工表面的摩擦学特性研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g r e s e a r c ho n t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s o fm i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g e m a c h i n i n g s u r f a c e c a n d i d a t e ：w a n gx u e j u n s u p e r v i s o r ：p r o f g u ol i b i n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g a u t o m a t i o n d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r , 2 0 0 9 d a t eo f0 r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 10 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y h 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：上学为 日期：o p 年；月2 ，日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 母往授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存 作者( 签字) ：王睡屠导师( 签字) 日期： 凇f o 年弓周2 ，日劬年；月 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着微机械制造技术的迅速发展和微机械在工程领域中的广泛应用，微 细电火花线切割加工技术以其较高的加工效率、加工精度和表面质量，以及 对复杂三维零件的加工能力和许多其他精微加工方法无可替代的优势，成为 零件精微加工的重要手段之一，受到国际上许多国家的重点关注和大量研究 资金的投入。 目前为止，国内外对微细电火花加工技术的研究很多，对微细电火花加 工表面的摩擦学特性研究很少，而表面的摩擦学特性直接关系到零件的使用 性能和工作寿命，因此对这方面的研究就显得尤为重要。随着摩擦试验研究 的深入，微细电火花加工表面的微凸峰和微凹坑形貌显示出了机械加工表面 无可比拟的良好的摩擦学特性。研究微细电火花加工表面的摩擦学特性，并 以此为依据，选择微细电火花加工过程中的电参数，、无疑会对微细电火花加 工技术以及机床的使用起到促进作用，因而具有重要的理论研究价值和广阔 的应用前景。 本文首先分析对比了微细电火花线切割加工表面微观形貌与机械加工表 面的差别，以及不同加工电参数的微细电火花线切割表面微观形貌的变化， 并对不同加工表面的三维形貌数据在m a n a b 平台进行建模分析，得到表面轮 廓凸峰的二维自相关函数和支撑面积曲线。其次为解决微小零件装夹、微小 摩擦力测量以及国外摩擦试验机价格昂贵且某些试验无法完成的问题，研制 了一台小型多功能摩擦试验机，并为该摩擦试验机开发了可以进行数据采集 和存储以及动态显示摩擦系数变化曲线的测试软件系统。然后在常温下进行 了干摩擦试验和润滑试验。通过在不同载荷和不同转速下大量的摩擦磨损试 验，对比微细电火花加工过程中采用不同加工电参数的试件表面以及不同的 加工方法所形成的表面的摩擦、磨损及润滑性能的差异，从试验数据中分析 表面微观形貌对摩擦、磨损及润滑性能的影响。最后根据摩擦学原理，结合 表面微观形貌特征及参数，深入分析微细电火花加工表面的摩擦性能、耐磨 哈尔滨工程大学硕士学位论文 损性以及润滑性能，比对机械加工表面，从摩擦、磨损及润滑的形成机理分 析中得出微细电火花加工表面具有优于机械加工表面的摩擦学特性。 关键词：微细电火花加工；微观形貌；摩擦学；摩擦磨损；润滑 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r om e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y a n dw i d ea p p l i c a t i o no fm i c r o m a c h i n ei n t oe n g i n e e r i n gf i e l d ，m i c r ow i r ee l e c t r i c a l 一 。d i s c h a r g em a c h i n i n gh a sb e c o m eo n eo fi m p o r t a n tm e a n so fp a r t sp r e c i s i o n - p r o c e s s i n g ，a n de m p h a s i sa t t e n t i o nh a sb e e ng o ta n dag r e a ta m o u n to fm o n e y h a s b e e ni n v e s t e da m o n gm a n yc o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l d ，f o ri th a sh i g h e r p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y ，b e t t e rp r o c e s s i n gp r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t y ，a b i l i t yt o p r o c e s sc o m p l e xt h r e e - d i m e n s i o n a lp a r t sa n dm a n ya d v a n t a g e so fo t h e rp r e c i s i o n p r o c e s s i n gm e t h o d sc a nn o tr e p l a c e s of a r ，t h er e s e a r c ho nm i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n gt e c h n o l o g ya t h o m ea n da b r o a da r eal o to f , b u tt h er e s e a r c ho nt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so f e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n gs u r f a c ea r ev e r yf e w t h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so f t h es u r f a c ei sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h eu s eo fp e r f o r m a n c ea n dw o r k i n gl i f e ，s o r e s e a r c hi nt h i sa r e ai sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t w i t hi n - d e p t hs t u d yo ff r i c f i o nt e s t ， t h em i c r oc o n v e xp e a ka n dm i c r op i tm o r p h o l o g yo fm i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g e m a c h i n i n gs u r f a c eh a ss h o w nu n p a r a l l e l e dg o o dt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e sr e l a t i v et o m a c h i n i n gs u r f a c e s t u d yo fm i c r o e l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n g s u r f a c e t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s ，a n da sab a s i sf o rs e l e c te l e c t r i c a lp a r a m e t e r si n t h e p r o c e s so fm i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，u n d o u b t e d l yi t w i l lp l a ya p r o m o t i o nr o l eo nm i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n gt e c h n o l o g ya n dt h eu s eo f m a c h i n et o o l s h e n c e ，i th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lr e s e a r c hv a l u ea n db r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h i sp a p e r ，f i r s t ，a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nm i c r o m o r p h o l o g yd i f f e r e n c e b e t w e e nm i c r ow i r ee l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n gs u r f a c ea n dm a c h i n i n g s u r f a c e ，a n dc o m p a r i s o nm i c r o - m o r p h o l o g yc h a n g e so fm i c r ow i r ee l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n g s u r f a c ew i t hd i f f e r e n te l e c t r i c a l p a r a m e t e r sd u r i n g 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p r o c e s s i n g p r o c e s s i n go fd i f f e r e n tt h r e e d i m e n s i o n ss u r f a c em o r p h o l o g yd a t ai n m a t l a bp l a t f o r m ，m o d e l i n ga n da n a l y s i s ，g a i n e dt w o - d i m e n s i o n a la u t o c o r r e l a t i o n f u n c t i o na n ds u p p o r t i n ga r e ac u r v eo fs u r f a c ep r o f i l ec o n v e xp e a k s e c o n d ，t o s o l v et h ep r o b l e m so fs m a l lp a r t sf i x t u r e ，m i c r o f r i c t i o nm e a s u r e m e n t s ，f o r e i g n f r i c t i o nt e s t e ra r ee x p e n s i v ea n ds o m et e s t sc a nn o tb ec o m p l e t e d ，d e v e l o p e da s m a l lm u l t i f u n c t i o n a lf r i c t i o nt e s t e r a n dd e v e l o p e dt h et e s t i n gs o f t w a r es y s t e m c a l lb ed a t ac o l l e c t i o na n ds t o r a g ea n dd y n a m i cf i i c t i o nc o e f f i c i e n tc u r v es h o w s f o rt h ef r i c t i o nt e s t e r t h r o u g hal o to ff r i c t i o na n dw e a rt e s ta td i f f e r e n tl o a d sa n d s p e e d s ，c o n t r a s tt h ed i f f e r e n c e so ff r i c t i o n ，w e a ra n dl u b r i c a t i o np e r f o r m a n c e a m o n gm i c r ow i r ee l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n gs u r f a c ew i t hd i f f e r e n te l e c t r i c a l p a r a m e t e r sd u r i n gp r o c e s s i n ga n dd i f f e r e n tm a c h i n i n gm e t h o d ss u r f a c e d e p t h a n a l y s i so ft h em i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n gs u r f a c ef r i c t i o np r o p e r t i e s ， w e a rr e s i s t a n c ea n dl u b r i c a t i o np e r f o r m a n c e c o m p a r em a c h i n i n gs u r f a c e ，d r a w t h ec o n c l u s i o n sf r o ma n a l y s i so ff r i c t i o n ，w e a ra n dh r b r i c a t i o nf o r m a t i o n m e c h a n i s mt h a tm i c r oe l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n gs u r f a c e h a v e g o o d t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e st h a nm a c h i n i n gs u r f a c e k e y w o r d s ：m i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ：m i c r o - m o r p h o l o g y ； t r i b o l o g y ；f r i c t i o na n dw e a r ；l u b r i c a t i o n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题的来源”6 1 3 课题的研究目的和意义7 1 3 1 课题的研究目的7 1 3 2 课题的研究意义7 1 4 本研究的国内外发展现状”8 1 5 研究的主要内容l o 第2 章微细电火花线切割表面形貌1 2 2 1 引言一1 2 2 2 微细电火花线切割表面形貌特征1 3 2 3 微细电火花线切割表面形貌参数1 9 2 4 本章小结2 3 第3 章小型多功能摩擦试验机的系统设计2 4 3 1 摩擦学试验方法与试验装置2 4 3 1 1 摩擦学试验方法2 4 3 1 2 摩擦学试验装置”2 6 3 2 摩擦试验机的结构设计2 7 3 2 1 摩擦试验机的技术要求2 7 3 2 2 摩擦试验机的总体结构2 7 3 3 摩擦试验机传动系统的设计3 0 3 4 摩擦试验机加载系统的设计31 3 5 摩擦试验机测试系统的设计3 2 3 6 摩擦试验机软件系统的设计3 6 3 7 本章小结4 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章摩擦磨损试验及其数据分析4 3 4 1 试验方案4 3 4 2 试件的制备及试验步骤4 4 4 2 1 试件的制备4 4 4 2 2 试验步骤4 5 4 2 3 摩擦系数的确定“4 6 4 3 干摩擦试验4 7 4 3 1 干摩擦全程试验”4 7 4 3 2 不同转速的干摩擦试验4 9 4 3 3 不同载荷的干摩擦试验”5 l 4 4 润滑试验一5 3 4 4 1 不同转速的润滑试验5 3 4 4 2 不同载荷的润滑试验5 5 4 5 本章小结5 7 第5 章微细电火花加工表面的摩擦学特性分析5 9 5 1 引言5 9 5 2 表面的摩擦性能5 9 5 3 表面的磨损性能6 1 5 3 1 粘着磨损“6 3 5 3 2 磨粒磨损“ 5 3 3 疲劳磨损6 6 5 4 表面的润滑性能6 6 5 5 本章小节6 8 结论6 9 参考文献7 1 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 6 致谢7 7 微机械( m i c r o m a c h i n e ) 或称微机械电子系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a l s y s t e m ，m e m s ) 被公认为是2 1 世纪的重点发展学科之一【，微机械的发展是 未来制造业的主要发展方向，其产品主要包括微小型飞机、微型机器人、微 型电机、微型引擎、微小机床、微型传感器等等，广泛应用于国防、医疗、 生物工程、航空航天、电子、通讯、半导体工业、农业、家庭等领域，给国 民经济的发展和人民生活水平的提高将带来深远的影响f 2 】。随着精细加工、 超精加工和集成电路技术的不断提高，微机械制造技术得到了迅速的发展， 并且应用也越来越广泛【3 1 。 电火花加工又称放电加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称e d m ) ， 其原理是基于工具和工件( 正、负电极) 之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现 象来蚀除多余的电极材料，以达到对工件的尺寸、形状和表面质量的预定加 工。电火花加工中电极材料的蚀除过程是火花放电时的电场力、磁力、热力、 流体动力、电化学及胶体化学等综合作用的微观过程。当脉冲电压施加到工 具与工件电极之间时，极间介质被击穿并形成一个极为细小的放电通道。放 电通道中的电流密度极大，其中的带电粒子相对高速运动并发生相互碰撞， 从而在放电通道中产生大量的热量，中心最高温度可达一万摄氏度以上，这 一高温足可以使参与放电的电极材料表面局部熔化和气化蒸发。另外，放电 通道内由高温热膨胀形成的很高的瞬时压力，在内外压差的作用下，熔化和 气化的电极材料被抛入周围的工作液介质中，在电极材料表面上就形成了蚀 除凹坑【4 】。 微细电火花加工的原理在本质上与普通电火花加工相同，只不过微细电 火花加工是由微能量脉冲电源释放能量。要完成微细j ；n - r ，尺寸精度达到亚 微米级，要求2 n - r 单位即每次加工的材料去除量只有1 0 d 1 0 五岬量级，则 l 哈尔滨工稗大学硕士学位论文 微细电火花加工放电凹坑的尺寸也必须达到亚微米级。因此，微细电火花加 工过程中采用的最小脉冲能量一般控制在3 5 l l j 之内，使得加工单位( 即每次 单个脉冲放电的蚀除量) 尽可能小。现在，微细电火花加工技术已经可以稳 定地获得工件的尺寸精度高于o 1 p m ，加工表面的表面粗糙度r a 小于 o 0 1 岬。微细电火花加工已成为零件精微加工的重要手段之一。 电火花加工又主要分成成型加工和线切割加工。本研究是针对微细电火 花线切割加工试件进行的。 微细电火花线切割加工的基本原理是利用移动的微细金属导线( 直径为 1 0 5 0 岬) 作电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成形，如图1 1 所示。 电极丝沿其轴向( 垂直或z 方向) 作走丝运动，工件相对于电极丝在x 、y 平面内作数控运动。 图1 1 微细电火花线切割加工原理图 微细电火花线切割几乎可以加工具有任何硬度的导电金属材料，且加工 过程中不受宏观力的作用，从而可保证较好的加工精度与表面质量。广泛应 用于微小齿轮、微小花键、微小异形孔以及半导体模具、钟表模具等具有复 杂形状的微小零件的加工【5 1 。随着微机械对超精、微细制造技术的需要，近 年来微细电火花线切割技术取得了迅速的发展，在化学、医疗、国防、航空 航天、电子、仪器仪表等许多生产领域发挥了重要的作用。由于采用了微细 电极丝和微小脉冲放电能量的微细电火花线切割能够获得更好的加工精度和 加工表面质量，而且特别适用于微小零件窄缝及窄槽的加工，因此受到国内 外许多研究机构和制造商的重视旧。 2 矽 图1 2 擞细电火花线切割加工实例 微机械中所使用的微小零件对尺寸精度、表面质量和使用性能有很高的 要求，而各种加工方法所制造出来的零件表面具有特定的表面质量和技术性 能特性，例如：零件表面的耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳性、传热性、导电性、 对光线和声波的反射性、液体和气体在壁面的流动性、支撑性能、润滑性能、 密封性能等。如图1 3 图1 1 0 所示，微细电火花加工表面形貌与普通机械 加工表面形貌在扫描电子显微镜下获得的放大后的照片。 图1 3 微细电火花线切割表面形貌照片 图1 4 车削加工表面形貌照片 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 5 端铣加工表面形貌照片 图1 7 刨削加工表面形貌照片 图1 6 磨削加工表面形貌照片 图1 8 平铣加工表面形貌照片 图1 9 平磨加工表面形貌照片图1 1 0 镗削加工表面形貌照片 从图中可以看出微细电火花线切割加工表面的微观三维形貌与机械加工 表面存在较大区别。表面质量和表面微观三维形貌又对零件表面的耐磨性、 耐腐蚀性、抗疲劳性、润滑性能等有很大影响。微细电火花加工的表面质量 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 主要包括表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能三部分。表面粗糙度是衡 量电火花加工表面质量的重要指标之一。当工件经电火花加工后，工件表面 会出现由无方向性的无数小凹坑和硬凸起组成的放电凹坑，放电凹坑的大小 和深浅会直接影响工件表面粗糙度。这些放电凹坑可以容纳磨损产生的颗粒 及碎片，并且特别有利于保存润滑油，而机械加工表面则存在着具有方向性 的切削或磨削刀痕，这种表面却不易容纳磨粒和润滑油。两者相比，在相同 的表面粗糙度和有润滑油的情况下，微细电火花加工表面的摩擦性能、耐磨 性能和润滑性能均比机械加工表面好。 摩擦学( t r i b o l o g y ) 是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称。它是研究在 摩擦与磨损过程中相对运动表面之间相互作用、变化及其有关的理论与实践 的- - 1 3 科学，它是- - b 实践性很强的技术基础学科，其形成与发展同社会生 产要求与科技进步紧密相关。摩擦磨损问题存在于人类物质活动的各个方面。 在汽车、铁道、冶金、发电设备、宇航、电子和农机等各方面的机械都大量 存在着摩擦学的问题。全世界因摩擦消耗了大量的能源，如果从摩擦学方面 采取正确的措施，就可以大大节约能源的消耗。磨损是机械零部件3 种主要 的失效形式之一，所导致的经济损失是巨大的，大约有8 0 的损坏零件由于 各种形式的磨损导致的。 相对宏观机械系统而言，由于尺度效应的影响，微机械系统中零部件的 表面积与体积之比更大，由于表面粗糙度值小，接触表面更平滑，真实接触 面积与表观接触面积的比值大，当微构件间的间隙在微米、纳米量级时会产 生“粘附 ，此时的摩擦力主要取决于两表面发生粘附的程度，致使摩擦力的 作用远大于体积力的作用。由此可知，微机械系统中微小零件的摩擦学特性 既与宏观机械系统有相似之处，又存在着较大的差别，对此进行研究必然会 为微机械制造技术和微机械系统的发展提供更好的服务。 为有效发挥摩擦学在经济建设中潜在的效益，在研究模式上也从宏观向 微观、定性向定量、静态向动态、单一学科分析向多学科综合研究发展。随 着研究领域的扩展，开始从分析摩擦学现象为主逐步向着分析与控制相结合， 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 甚至以控制摩擦学性能为目标的方向发展。摩擦学的研究对象是发生在摩擦 表面和界面上的微观动态行为与变化，而在摩擦过程中摩擦表面所表现出的 宏观特性与微观结构也存在着密切的关系。 随着微细电火花加工技术、摩擦学理论和试验研究的深入，其加工表面 的摩擦学性能的可控技术，摩擦副的表面形貌及功能特性的试验以及数值分 析日益成为国际研究的热点。通过研究微细电火花加工的表面形貌及其摩擦 学性能，设计并制造出与之匹配的摩擦副表面微观几何形貌，对改善机械零 件摩擦副表面的摩擦性能、延长使用寿命、减少能耗等具有较大的工程价值， 对节约能源、保护环境具有重要的理论研究价值与广阔的应用前景。 1 2 课题的来源 课题来源：本课题是国家工业与信息化部基础科研项目“微细电火花加 工表面形貌及功能评价”的子课题。 1 3 课题的研究目的和意义 1 3 1 课题的研究目的 通过对微细电火花加工表面的摩擦学特性研究，本课题最终要实现以下 目的： ( 1 ) 研究微细电火花加工表面形成的放电凹坑及凸起对表面摩擦学特性 的影响，找出能降低摩擦系数和磨损率的较为优化的加工电参数，更好的指 导微细电火花加工技术的发展： ( 2 ) 进行深入的理论分析，探索微细电火花加工表面放电凹坑及凸起对 摩擦副的摩擦、磨损和润滑的形成机理。 6 抗磨性、润滑性以及使用寿命提出了更高的要求，特别是摩擦学的研究向着 表面微观形貌深入，零件表面的微观三维几何结构和表面形貌特征对摩擦、 磨损影响的研究，也逐步向着深层次发展。 微细电火花加工以其独特的加工机理和加工工艺，形成了与其他机械加 工方法所不同的表面形貌，其加工表面出现的由无方向性的无数小凹坑和硬 凸边组成的放电凹坑，对储存润滑油、增加油膜厚度、提高油膜压力、形成 流体静压、动压润滑、分隔摩擦副相对运动表面，起到减小摩擦、降低磨损 的作用；其次，放电凹坑可以容纳磨损过程中因摩擦副表面受挤压力、剪切 力和氧化等综合作用而丧失的部分材料所形成的微小磨粒，减小了磨粒磨损 的发生，延长了零件的使用寿命；微细电火花加工表面的力学特性、袁面微 凸起的支撑性都与机械加工表面不同，对表面耐磨性也起着较大的作用。 微细电火花线切割加工的工件尺寸通常都比较小，表面粗糙度值低，相 对宏观机械系统的零部件而言，由于尺度效应的影响，微机械系统中零部件 的表面积与体积之比更大。由于表面粗糙度值小，接触表面更平滑，真实接 触面积与表观接触面积的比值大，当微构件间的间隙在微米、纳米量级时会 产生“粘附 ，此时的摩擦力主要取决于两表面发生粘附的程度，致使摩擦力 的作用远大于体积力的作用。许多文献表明，当表面粗糙度降低到一定程度 时，摩擦系数反而会因摩擦副相对运动表面之间的实际接触面积增大而大幅 度提高【8 】。表面粗糙度是衡量微细电火花加工表面质量的一项重要指标，它 直接反映了加工表面的光滑程度，可见微细电火花加工表面的表面粗糙度并 不是越小越好，这不仅是加工能耗、加工时间的简单体现，也是工件使用性 能和使用寿命的深层反映。因此，在微细电火花加工过程中选用适当的电参 数，就可以改善工件表面的摩擦学特性，提高使用寿命。同时可以对现有的 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 微细电火花加工机床进行电参数选择优化，甚至还可以改善已经制造加工好 的零件的表面摩擦性能，延长其使用寿命，减少能耗等，对提高机械零件摩 擦副性能有较大的工程价值，对节约能源、保护环境具有重要的理论研究价 值【9 】o 1 4 本研究的国内外发展现状 微细电火花加工表面的微观形貌，是由无数微凹坑和硬凸起所组成的无 方向性的放电凹坑形成的，它与机械加工表面微观形貌有很大的区别，即使 具有相同的表面粗糙度，各微凹坑和硬凸起的尺寸大小、形状、斜度以及分 布特性也有所不同，因而电火花加工表面的接触性质和摩擦学特性也有所不 同1 0 川】。 印度p , m j a b 工学院的s a n j e e vk u m a r 等对电火花加工试件的摩擦系数进 行研究，认为电火花加工表面的硬凸起对表面的摩擦系数有一定的影响，这 主要是由于电火花加工表面轮廓凸峰的顶端曲率半径大，压入摩擦副表面的 深度和几率都较小，不易产生犁沟效应，降低了摩擦系数【l2 1 。 对试件磨合期磨损量的研究表明，电火花加工表面的磨合期磨损量要小 于机械加工表面。在磨合磨损期，电火花加工表面比机械加工表面啮合点数 少，摩擦时由机械作用的啮合阻力小，因此摩擦系数也随之减小，剪切去除 的量也就少，即磨损量小，也就是说电火花加工表面的磨合期磨损量较小， 有利于保持工件的尺寸精度【”】。 比利时g h e n t 大学的k b o n n y 等人对电火花加工的几种不同材料的进 行摩擦和磨损测试，测试中采用了不同的滑动速度和接触载荷，在线测量了 摩擦和磨损，对磨损体积和磨损表面分析，认为磨损主要发生在表面轮廓顶 端，而且表面粗糙度对摩擦和磨损也有一定的影响【l 4 1 5 1 。 日本学者a l a nh a s e 等研究了摩擦表面粘着磨损的影响。电火花加工表 面与摩擦副的实际接触面积较大，在相同的法向载荷作用下，接触点的法向 载荷较小，使得接触点不易陷入硬度低的材料中而发生粘着，而且表面微凹 8 哈尔滨工程大学硕十学位论文 坑的储油特性也减少了粘着磨损【l6 1 。 西班牙学者vg a r c i an a v a s 等通过对电火花加工表面的残余应力分析， 认为由于瞬时先热后冷以及金相组织的改变，使得普通电火花加工表面存在 着大部分表现为拉应力的残余应力，有时还可能存在显微裂纹，裂纹中易渗 入凹坑中存储的低粘度润滑油，在循环载荷反复作用下会导致疲劳裂纹的扩 展，因此其表面的耐疲劳性能要低于机械加工表面。当电火花加工表面所使 用的脉冲能量很小时，产生的熔化凝固层和热影响层都非常薄，所以一般不 会出现显微裂纹，而且表面的残余拉应力也比较小。试验表明，当表面粗糙 度小于o 8 p a n 时，电火花加工表面的耐疲劳性能与机械加工表面的十分接 近【1 7 1 引。 新加坡学者y sw o n g 等研究了电火花加工表面的耐腐蚀性能，在表面粗 糙度相同时，电火花加工表面微凹坑和硬凸起的曲率半径比机械加工表面大， 试验表明，曲率半径越小的表面轮廓处越容易发生氧化反应，越容易被腐蚀， 、 因此电火花加工表面的耐腐蚀性好于机械加工表面【19 1 。 y o n g b i nz h a n g 等对电火花表面的润滑性能作了研究。认为电火花加工表 面放电凹坑形貌的储油特性，易于形成满足流体动力润滑楔形收敛间隙的油 楔，使得接触面油膜比较均匀，并且可以缓冲一定的冲击压力，从而提高耐 磨性【孤2 1 1 。 s a l a m a 通过研究发现表面微观形貌可以在相对滑动的摩擦副表面形成 流体动压润滑，流体动力压强对工件表面起到支撑作用，隔离了相互摩擦的 表面，降低了摩擦磨损的产生。 e t s i o n 等通过研究微观形貌对机械零部件润滑性能和摩擦性能的影响， 认为相邻微凹坑之间对润滑性能的相互影响作用十分显著，微凹坑对动压分 布的作用不容忽视，微凹坑的集体效应可以产生比单个凹坑更大的负载承受 能力，这种动压承载效应在距离较长的滑行过程中更加明显；微凹坑的面积 占有率对摩擦力有一定的影响；微凹坑的深度与直径的比值存在一个优化值； 表面微凹坑可以吸收在点接触情况下两种材料对磨产生的氧化磨损颗粒，提 9 性能的影响进行试验，结果表明，当凹坑表面尺寸适当时，其润滑效果比无 凹坑表面有较大提高。分析认为，凹坑对表面摩擦学性能影响的主要因素是 凹坑润滑所造成的真实接触面积与塑性接触面积的变化，尤其是粗糙峰塑性 变形程度降低。此外凹坑尺寸和深度也非常重要【2 5 12 6 1 。 在摩擦学的动力润滑领域中，微弹流动力润滑理论，打破了机械领域中 滚动接触的机械零件表面越光滑越好的传统观点【2 7 】。具有微凸体或微凹体结 构接触的粗糙表面非但没有降低机械零件表面抗磨损能力，反而能大大提高 承载能力和使用寿命 2 8 1 。 扬州大学的王占和等人对采用超声电火花复合加工方法加工出的微凹坑 进行研究，认为摩擦副表面微观形貌的微凹坑可以改善表面摩擦学特性，提 高耐磨性能和润滑性能【2 9 1 。 综上所述，国内外对电火花加工表面、微造型表面的表面质量和摩擦磨 损性能的研究，是在放电能量较大、表面凹坑的直径和深度或表面凸起高度 和距离都较大的条件下进行的，这些加工表面的表面质量和微观三维形貌与 微细电火花加工表面的有很大的区别，表面的摩擦性能、耐磨损性以及润滑 性能也大不相同。目前国内外对微细电火花加工表面的摩擦学特性的研究很 少，而微细电火花加工是零件精微加工的重要手段之一，并在微型机械生产 领域发挥重要的作用，且零件的使用性能和寿命与加工表面的摩擦学特性有 直接的关系，所以对微细电火花加工表面的摩擦学特性的研究就显得尤为重 要。 1 5 研究的主要内容 微细电火花加工技术已经取得很大进展并且达到实用阶段，在微机械制 造领域也占有非常重要的地位，但是对微细电火花加工表面微观形貌的摩擦 学特性的研究还很少。本文主要从以下几个方面进行深入系统的研究： 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 分析微细电火花线切割加工表面的微观形貌，以及表面微观形貌对 摩擦、磨损性能的影响。 ( 2 ) 研究并设计制造一台适用于本摩擦试验的小型多功能摩擦试验机， 并基于v i s u a lb a s i c 程序设计平台开发可进行数据采集和存储的软件。 ( 3 ) 制定摩擦试验方案，进行微细电火花加工表面的摩擦学特性试验， 同时进行机械加工表面对比试验，获得实验数据并绘制成性能曲线。用扫描 电子显微镜和扫描探针显微镜对磨损后的试件表面进行扫描，获得表面形貌 照片和三维数据。 ( 4 ) 对试验数据进行深入、系统的分析，研究微细电火花加工表面摩擦、 磨损的机理，分析采用不同；o n - r 电参数的微细电火花表面以及不同n - f 方法 的工件表面的摩擦学特性的差异。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i 萱薯置i i 置i i i 萱置青i i i i i i i 葺i i i i i i i 宣宣i i 萱i i i i i i i i i 置薯置置置i i i i i 宣i 萱1 1 | i 2 1 引言 第2 章微细电火花线切割表面形貌 无论使用何种加工方法，零件在加工过程中都会受到许多因素的综合作 用，使得零件表面上残留各种不同尺寸和形貌的微观几何形态，构成了零件 的表面微观形貌。表面形貌能够提供给我们许多重要的表面信息，同时它对 零件表面的摩擦、磨损及润滑特性都有重要的影响。表面形貌包含着产品或 零件表面的粗糙度、波度、形状误差以及纹理等四个方面的特性，表面微观 形貌通常指的是表面粗糙度。表面粗糙度能够直接反映出微细电火花加工表 面的光滑程度，对工件的使用性能，如配合性质、密封性、接触刚度、耐磨 性、抗腐蚀性和疲劳强度等产生影响。 在微细电火花力n - l - 表面形貌的评定方面，人们一直采用表面轮廓算术平 均偏差值r a ，该评定参数与机械加工表面的评定方法相同。郭黎测3 0 】等人经 过深入研究得出电火花加工表面的凹坑因加工时放电点和放电能量的随机性 而大小不一、深浅不同，用二维评定参数r a ，不能反映出取样区域内的整体 形貌。为了真实反映电火花加工表面的三维形貌特征，需要加大取样面积， 推荐至少包含五个复合凹坑。张志航在微细电火花线切割表面三维形貌及功 能评定研究中，用小波分析方法通过对所加工的试件进行了扫描，然后对获 得的表面三维形貌数据进行分离重构，提取出了三维形貌基准面和分离表面 的形貌特征，提供了微细电火花线切割表面及功能评定标准的依捌3 1 1 。 对于加工表面，一般采用机械或光学方法测量表面形貌【3 2 】。测量的方法 按工作原理分为两类：一类是接触式测量，即测量过程中测量元件与被测表 面相接处：另一类是非接触式测量。现今加工表面形貌的测量方法主要有机 械触针式测量方法、光触针测量方法、扫描探针测量法( s p m ) 及扫描电子显 微镜法( s e m ) 等【3 3 1 。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 暑i i 萱萱i i i i i i i i i i i i i i i 置置i i 置葺i 宣i i 萱i i i i i i i 置i i i i i i i i i i 葺萱i 宣置i i i i i i 萱i i i | 2 2 微细电火花线切割表面形貌特征 ， 微细电火花线切割加工表面微观形貌是完全不同于以挤压、撕裂方式去 除材料为特征的传统机械加工所形成的表面微观形貌。传统机械加工特点是 硬加工软，以硬度高于被加工材料的刀具成一固定角度划过被加工表面从而 去除材料，使得表面微观形貌表现为一定的方向性、周期性条纹。而微细电 火花线切割可以加工任意硬度的材料，它是以电极丝与加工材料之间形成脉 冲放电所产生的热能，使工件表面金属熔化、汽化、抛出，从而达到去除材 料的目的，其表面微观形貌表现为随机性的电蚀凹坑和凸起。如图2 1 所示， 是用扫描电子显微镜( s e m ) 获得的微细电火花线切割加工表面形貌图像。 ( a ) 放大2 0 0 倍 ( b ) 放大2 0 0 0 倍 图2 1 微细电火花线切割加工表面形貌 1 3 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 、图2 3 分别是同一微细电火花线切割表面扫描探针显微镜( s p