（机械设计及理论专业论文）凸轮脉冲电化学及电化学机械光整加工研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 凸轮机构具有很好的运动特性与动力特性，是机车内燃机和汽车发动机的关键零 件，其制造精度和表面加工质量对其使用性能有决定性影响。大量的研究证明，对凸轮 表面进行光整加工，不仅可有效改善凸轮的表面质量，而且会显著提高其使用寿命。 脉冲电化学光整加工( p e c f ) 和电化学机械光整加工( e c m f ) 是近年来得到快速 发展和应用的两种非传统光整加工工艺，其突出优点是能以较高的效率光整加工任意硬 度的金属零件表面，并可获得优良的表面形貌，目前已经应用于多种零件表面的光整加 工。本文将重点研究这两种工艺在凸轮表面光整加工中的应用。 本文在进行大量基础实验的基础上，对脉冲电化学和电化学机械光整加工工艺进行 了研究，并将其应用于凸轮表面的光整加工。在对电化学光整加工的基础理论研究的基 础上，深入研究了脉冲电化学和电化学机械光整加工的阳极去除规律，并对两种工艺的 电化学特性以及工艺特性等进行一些探索。对脉冲电化学光整加工的阳极去除规律主要 从宏观整平和微观整平两个方面进行分析：在电化学机械光整加工工艺研究中，则主要 研究了机械作用的刮膜效率及其影响因素，以及机械作用同电化学作用的相互匹配关 系。在此基础上，设计了两种工艺在凸轮光整加工中的控制系统，在保证凸轮精度的前 提下实现对凸轮表面的均匀光整加工。 本文对两种工艺的实际应用进行了探索性的研究。虽然从实际应用的效果来说，两 种工艺都能很好地满足零件表面地光整加工的需要，并且加工后的表面质量相比加工前 都有很大提高。但我们同时也发现，两种工艺的适用范围是不同的，各种工艺参数的影 响，不同表面的阳极去除速度以及控制系统的精度和成本都是我们在应用两种工艺时所 必须考虑的问题。 本文的工作说明基于微机控制的凸轮表面脉冲电化学和电化学机械光整加工工艺 是可行的，不仅能满足凸轮加工精度的要求，还能提高凸轮的表面质量，而且工艺简单， 易于实现自动化，具有良好的应用前景。 关键词：凸轮：脉冲电化学；电化学机械；光整 大连理工大学硕士学位论文 t h er e s e 孤c ho fp u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n ga n de l e c t r o c h e m i c a l m e c h a n i c a lf i n i s h i n gt e c h n o l o g yo nc 锄s u r f a c e a b s t r a c t c a mm e c h a l l i s m ，ak e yp a r tf o rt h ei n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n eo fl o c o m o t i v e 锄d a u t o m o b i l ee n g i n e ，h a sg o o dc l l a r a c t e r i s t i c so fm o t i o na n dp o w e ra 1 1 di t sm a c h i n i n ga c c u r a c y a i l ds 耐i a c eq u a l i t yh a v ed e c i s i v ei i 】n u e n c eo ni t ss e r v i c ep 幽n n a n c e i a s s i v es t u d i e sh a v e p r o v e n 也a t 也ef i m s h i n gt e c h n o l o g yu s e do n 也ec 眦s u r f a c e 、衍l ln o to i l l yi n l p r o v e “ss u r f a c e q u a l i t ) re f f e c t i v e l y ，b u ta l s oe n h a n c ei t so p e r a t i n gl i f eg r e a t l y p u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i i l i s l 血l g ( p e c f ) a n de l e c 旬r o c h e m i c a l lm e c h a i l i c a lf i i l i s l l i n g ( e c m f ) a r e 恤t 、) l ，ok i n d so fn 0 嘶a d i t i o n a l lf i l l i s h i n gt e c l m o l o g yd e v e l o p e dm p i d l y 恤s e y e a r s ，w l l i c ha r e 、j l ，i d e l yu s e di i lt 1 1 ef i l l i s m n go fv a r i o l l sl ( i n d so fp a r t s s u 血c e t h e i r p r o m i n e n ta d v 锄_ t a g ei st 0f i i l i s ht l l em e t a l p a r ts u r f a c eo fa n yl l 乏畎i n e s sa tam g h e re f ! f i c i e n c y ， a 1 1 dt 0o b t a i ng o o ds u r | 沁et o p 0 鲫h y n l i st h e s i sf o c u s e so nt 1 1 ea p p l i c a t i o no fm e 咖 t e c h n o l o g i e so nt h e 丘m s l l i n go fn l ec 锄s u r f a c e o nt l l eb 弱i so fm a s s i v ee s s e n t i a le x p e r i m e n t s ，吐1 i s 也e s i sc o n d l l c t s 也es t u d yo nt h e f i l l i s l l i n gt e c h n o l o 百e so fp e c f a n de c m f ，w 1 1 i c h 甜s oa r ea p p l i e dm m e 矗血s 蛐1 9o n 吐1 ec 锄 s u r f i a c e b 弱e do nt l l es t l l d yo fb 嬲i cm e o r ) ro fe l e c t r o c h e m i c a lf i m s l l i n g ，廿：1 i st l l e s i s 似f i l l sa 向r r t h e rr e s e a r c ho nm ea i l o d er e m o v i n gm l e s o fp e c fa 1 1 de c m f 鼬w e l l 嬲s o m ee x p l o r a t i o n t 0t l l ee l e c t r o c h e l i l i c a lc h a 畿l c t e r i s t i c s 踟1 dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f 廿l e 咖t e c h l l o l o g i e s t h ea n a l y s i so nt h ea n o d er c m o v i l l gm l eo fp e c fm a i n l yf o c u s e so nt h e 嬲p e c t so f m a c r o s m o o 廿l i i l g 锄dm i c r o s m o o m i i l g ；w h i l et h et e c 城c a ls t u d yo ne c m fm a i l l l yf 0 c u s e s o n 血ee f ! e i c i e n c yo fr e l n o v i n gp 觞s i v a t i n gf i l i i lb ym e c h a l l i c a la c t i o n ，也ei n n u e n c ef a c t o r so f m er e m o v i i l ge 任i c i e r l c ya n d 也em a t c hb e t w e e ne l e c 仃0 c h e m i c a la n dm e c h a i l i c a la c t i o n s 。o n t 1 1 i sb a s i s ，m ec o m r o ls y s t e m so ft h et 、ot e c l u l o l o g i e sd u r i n g 也ec 锄f - m i s h i l l ga r ed e s i g n e d t or e a l i z et 1 1 e6 1 1 i s 【l i n g0 n 也ec 锄s l 耐- a c eo nt 1 1 ec o r l d i t i o no fa s s u r i n g 也ec a i na c c u 】盈c y t m st l l e s i sc a r r i e so u tt 1 1 ee x p l o r a t o r yr e s e a r c ho n 也et v 旧t e c l u l o l o g i e so nm eb a s i so f a c n i a la p p l i c a t i o n t h o u g l la sf 打a st ：h ee f ! e - e c to fa c n l a la p p l i c a t i o nc o n c e m e d ，b o 也 t e c | u l o l o g i e sm a yi n e e tt h er e q u i r e m e mo ff i n i s m n gt l l ep a r t s s u r f a c e 、na 1 1 d 也ef i i l i s m n g s u 】嚆犯eq u a l i t yi sm u c hb e t c e rt l l a nb e f o r e ，i ti ss t i l lf o u n d 也a tw ea l s oh a v et ot a k et h ea n o 【e r e m o v i n gs p e e do fd i f f e r e n ts u r f k e s 嬲、e u 弱t 1 1 ea c c u r a l c y 觚dc o s to fm ec o n t r o ls y s t e m 缸oc o n s i d e r a _ t i o nw h e n 印p l y i n gt 1 1 e 柳ot e c h n o l o g i e s n l i sm e s i si l l l l s t r a t e st 1 1 a tt l l ef h l i s m n gt e c h n o l o g i e so fp e c fa n de c m fo nt h ec 锄 s u r f a c eo n 也eb a l s i so fc o m p u t e rc o n t r o l8 r ef e a s i b l e ，w h j c hn o to m ym a ym e e tt h e 矫文聪：凸轮脉冲电化学及电化学机械光整加工研究 r e q u i r e m e n t so fc 锄p r o c e s s i n ga c c u r a c y ，b u ta l s om a yi m p r 0 v et l l ec 锄s u d a c eq l 塘l i t y m e 觚w h i l e ，m et e c l m i q u e sa r ee 懿yt 0r e a l i z et h ea u t o m a t i o n ，b e a r i n gah o p e m la p p l i a j l c e p r o s p e c t k e yw o r d s ：f i n i s h i n g ；p u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n g ；e l e c t r o c h e m i c a lm e c h a n i c a l f i n i s h i n g ；c a m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盈整日期： 舻，j 知 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定，同意大连理工大学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 皈，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 凸轮的应用和分类 随着科学的发展和经济发展的需要，机械产品正向自动化、精密化、高速化和成套 化方向发展，同时又要求多功能、使用可靠、成本低廉。为了满足各种运动和工作性能 要求，设计时可采用各种不同的机械装置，但若要求实现复杂的运动，则回转机构( 如 齿轮) 和挠性传动( 如皮带、链条) 就不能达到此目的，大多数是选用凸轮机构和连杆机构。 凸轮机构由凸轮、从动件或从动系统、机架等组成，是一种高副机构，由具有曲线轮廓 和凹槽的构件通过高副接触带动从动件实现预期运动规律。它已广泛应用于自动化的机 器、仪器和装配线，例如在机车内燃机、汽车发动机、纺织机械、计算机、印刷机械、 压力机、食品机械、内燃机和自动化系统、控制系统等装置中，均可找到这种机构的应 用实例。 凸轮机构之所以能在上述自动机械中获得如此广泛的应用，是因为它兼有传动、导 向及控制机构的各种功能。凸轮机构用作传动机构时，可以产生复杂的运动规律，包括 变速范围较大的非等速运动，乃至暂时停留或各种步进运动。凸轮机构也适用于导向机 构，使工作机构产生复杂的运动轨迹。当凸轮机构用作控制机构时，可以控制执行机构 的自动工作循环或作为函数发生器。凸轮机构作为机械式运动传递与信息储存的基本元 件时，具有构件数少和空间体积小等固有特剧卜4 j 。 凸轮机构可以按照不同的方法分类，按从动件的形状可分为尖顶从动件、滚子从动 件、平底从动件和球面从动件；按从动件与凸轮的相对位置可分为对心从动件和偏置从 动件；按输入输出运动模式可分为直动凸轮机构、摆动凸轮机构和移动凸轮机构；按 凸轮形状可分为盘形凸轮、圆柱凸轮、圆锥凸轮、弧面凸轮、端面凸轮和蜗杆凸轮。 在实际应用中，由于凸轮的制造成本比较高，同时，凸轮轮廓线的制造精度对输出 响应的影响比较大，这在一定程度上也限制了凸轮的应用范围。但随着各种先进凸轮制 造技术的不断发展，新材料、热处理以及光整加工等新工艺的深入研究，凸轮的设计与 制造将会变得十分方便而精确，凸轮的使用寿命也将会大幅度延长，制造成本不断下降。 可以预计，凸轮机构在自动机械中的应用范围，将越来越广泛，其工作性能将获得明显 的改善，从而将更好地促进自动机械的发展。 1 2 凸轮传统加工工艺概述 凸轮轴的加工方式经过了较长的发展阶段，早期的凸轮分别采用手工加工、仿形加 工和范成法加工等方法【5 】，其制造精度受到很大的限制，影响了它在精密机械中的应用。 矫文聪：凸轮脉冲电化学及电化学机械光整加工研究 专用的凸轮铣床、凸轮磨床出现以后，凸轮轴的制造精度和表面质量得到了极大的改善。 凸轮加工机床通常可分为三代，第一代凸轮轴加工机床是采用靠模加工的机床，大连机 车车辆厂现生产中所用的凸轮磨床就属于这种机床。这种靠模加工的方式存在着明显的 不足，首先凸轮轮廓的精度达不到要求，在机械靠模加工凸轮轴的设备上，尤其是凸轮 轴磨床，机械部件传动误差、砂轮磨损、靠模本身的误差以及靠模磨损等方面对凸轮轮 廓线精度的影响得不到有效的控制。另外机械靠模本身制造工艺复杂，精度难以保证， 靠模制造成本高是困扰凸轮加工制造厂家的难题。因此，这种方式是不能满足现代企业 发展要求的。 第二代凸轮轴加工机床的凸轮轮廓成形技术仍采用机械靠模方式，但在砂轮架、修 整器、工作台等运动控制中采用数字控制。与第一代相比，这类磨床的自动化程度及生 产效率比第一代高，在尺寸控制，精度控制上与第一代相比也有很大改善；但由于凸轮 轮廓成形技术仍为机械靠模方式，所以仍然存在凸轮型线误差较大，凸轮表面质量差等 问题。 随着现代制造技术的发展，对机械零件的加工精度及表面粗糙度的要求日益提高， 磨削技术、磨削工艺也得到了长足的发展；同时随着计算机技术的高速发展，传统的制 造业也发生了根本性的变革，磨削数控系统的开发也有了很大进展。在此基础上，以数 控技术为基础的第三代凸轮轴加工机床得到了巨大的发展，它主要采用连续轨迹数控技 术，进行加工控制，通过数控技术取代机械靠模。典型的有成形曲面磨削、凸轮轴凸轮 曲线磨削、复杂回转体的快速点磨法等【6 】。在具体的控制形式上则是多种多样的，德国 的j u n k e 公司、s c h u d t 公司、英国的b u t l e r 公司、n 谢l 公司、美国的l a z l d i s 公司、 日本的t o y o t a 公司等均推出有相关的产品。 我国在9 0 年代中后期，随着数控技术的发展，国内的研究机构开始对凸轮轴数控 无靠模磨削控制进行研究工作，取得了较大进展，但仅限于机床结构设计、控制策略研 究、控制系统应用等问题，所设计的机床一般效率较低，可靠性、精度等均不能满足大 批量生产的需要【_ 7 1 。国内凸轮的数控加工多数采用的是国外的进口设备，这些设备的价 格都很高。一些无力购买国外设备的中小企业，还仍用仿形法加工。也有的企业虽然购 买国外设备，但是由于凸轮的生产批量小，设备利用率很低，造成资源浪费。 1 3 本文的研究背景 大连机车车辆厂始建于1 8 9 9 年，是中国最大的内燃机车生产基地，我国自行设计 制造的第一台大功率蒸汽机车、内燃机车均出自该厂。其中东风4 d 型客车已成为中国 目前4 大干线提速的主型机车，该型客车所采用的柴油机为1 6 v 2 4 0 z j e 型，有1 6 个气 大连理工大学硕士学位论文 缸，最高气缸压力达到1 6 0 m p a 。凸轮轴是柴油机的关键零件之一，它控制着柴油机的 进气、排气和供油，它的工作可靠性直接关系到柴油机的正常运转和机车的安全运行。 但在实际应用中凸轮轴损坏事故时有发生，经过分析发现，凸轮型面失效的主要原因是 接触疲劳破坏引，包括皮下深层压碎型剥落，表面浅层剥落和表面扇形片脱落。如图1 1 所示为凸轮疲劳失效实物图。 造成这种情况的因素有很多，它与 坯料的锻造，凸轮材质及热处理以及滚 轮型面的设计都有关系。但磨削工艺的 影响是其中的主要因素。现在国内的凸 轮生产绝大多数都采用“铣外形一粗磨 一热处理一精磨 的工艺进行凸轮加 二 ，因此凸轮的轮廓线精度以及表面质 量很大程度上是由磨削工序来保证的。 由于凸轮曲线是由几种简单或复杂的 曲线拼接而成，凸轮轮廓形成运动不连 续，从而导致速度、加速度“突跳”剧 烈。其次，被磨削点的瞬时速度，砂轮 图1 1 凸轮疲劳失效 f i g1 1t h ef a t i g u ei n v a l i d a t i o no fc a m 与工件的接触弧长以及磨削点相对于凸轮中心的极坐标位置均随凸轮曲线的形状变化， 使得磨削力、砂轮和工件系统的弹性变形、磨削热量等也不断发生变化。这样很容易造 成凸轮磨削的磨削缺陷。凸轮轴磨削时，最常见的表面质量缺陷是磨削烧伤。它不但影 响凸轮表面的粗糙度、尺寸精度和形状精度，而且使工件的抗腐蚀能力和抗疲劳能力大 大下降。磨削加工时，磨粒起切削、刻划和滑擦作用。由于大多数磨粒是负前角进行切 削，并且磨削速度很高，使得表面层有很高的温度，切削区的瞬时高温可升至1 0 0 0 度 左右，形成零件表层金相组织的局部变化， 从而表面层的硬度改变，影响零件的使用 性能。同时工件表层呈现氧化膜的颜色， 这种现象称为磨削烧伤。磨削烧伤的实质 是工件表面层材料的金相组织发生变化， 产生的原因是磨削温度高【9 j 。另外在磨削过 程中，凸轮表面多呈残余拉应力，常常在 垂直于磨削的方向上产生微小龟裂，如图 1 2 所示，严重时发展成龟壳状微裂纹，有 图1 2 凸轮表面磨削裂纹 f i g1 2t h eg r i n d i n gc r a c ko nc a ms u r f a c e 矫文聪：凸轮脉冲电化学及电化学机械光整加工研究 的裂纹不在工件外表面，而是在表面层下用肉眼根本无法发现。磨削裂纹的存在，极大 地降低了零件的疲劳强度，甚至出现早期低应力断裂。 通过上面的分析以及现场调研我们发现，磨削加工工艺应用不恰当时，会在凸轮表 面上产生磨削缺陷，这种缺陷会在很大程度上影响凸轮的使用性能。有资料显示，当凸 轮表面粗糙度由r a 0 4 “m 变成瑚2 “m 时，凸轮寿命可以提高2 3 倍，由i h 0 1 “m 变 成r a o 0 5 “m 时，寿命可以提高o 4 倍i i 们。国外企业在解决这个问题时多采用精密的无 靠模数控凸轮轴磨床，取得很好的效果。但在国内，由于数控技术和制造技术同发达国 家的差距，国产的凸轮数控磨床在加工质量和可靠性等方面还有待提高，但其造价仍高 达3 0 0 4 0 0 万元。而精密的无靠模数控凸轮轴磨床几乎全部是依靠进口，目前从国外 引进一台全数控高速凸轮轴磨床约需7 0 一1 0 0 万美元，如此高额的投入对任何一个企业 来说都是一个沉重的财政负担。 面对我国制造业发展现状及我国的现实国情，很有必要在凸轮磨削加工的基础上开 发一种新的工艺方法，对磨削凸轮表面进行进一步的光整加工，以期达到提高凸轮表面 质量和使用性能的目的。 1 4 非传统光整加工工艺概述 在机械加工中旨在提高零件表面质量为目的的各种加工方法、加工技术，称为表面 光整加工技术，简称光整加工技术【i l 】。光整加工技术是机械制造技术的重要组成部分， 光整加工技术按照历史的沿革和所采用的加工机理的不同，可以被划分为以下两大类。 一类是切削加工原理为主的单纯机械作用光整加工方法，被统称为传统光整加工技术； 另一类是以化学或电化学溶解加工、高能加工以及多种加工原理复合的光整加工方法， 称为非传统光整加工技术。 传统光整加工技术由于开发较早，技术比较成熟，应用也比较普遍，其内容主要包 括镜面磨削、超精研、研磨以及手工抛光等。而非传统光整加工技术近年来才逐渐受到 重视，并得到较快发展。其内容主要包括化学抛光、电化学抛光、脉冲电化学光整加工、 电化学机械光整加工以及超声波加工等。在非传统光整加工技术中，化学抛光和电化学 抛光在适当的加工条件下，可以获得较低的表面粗糙度，有资料记载，化学和电化学抛 光的零件表面粗糙度可以达到r 丑o 0 1 5 “m ，并由于其加工后的表面具有强烈的反射效 果，常用于制作包括天文观察仪等多种反射镜【l2 】。超声波加工是利用超声震动形成的空 穴作用和冲击原理。利用高能粒子对零件表面进行加工，通过合适的加工参数和加工磨 料的选择，也能达到r a o 0 2 “m 的零件表面。这种加工方法对于深窄槽的加工特别有 效，常常用作镜面模具型腔的辅助加工手段【l3 1 。脉冲电化学和电化学机械光整加工都是 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 最近发展较快的光整加工手段，它们都是以法拉第定律为基础，具有相同的电化学理论 基础。研究表明，脉冲电化学光整加工是通过阳极的超钝化溶解进行阳极去除，并且具 有较高的阳极去除效率，对粗糙度大于i h1 6i lm 的表面，也能在很短的时间内将其光整 到r ao 0 2 o 0 5um 【1 4 1 ，而电化学机械光整加工工艺则是通过电化学作用在阳极表面生 成钝化膜，由机械作用对阳极进行去除。当采用电化学机械光整加工工艺时，原始表面 粗糙度对阳极的去除效率是有影响的，对原始粗糙度较大的表面( 如r a 1 6pm ) ，电化 学机械光整加工需要的时间较长【l5 1 。而对精磨后的表面，如采用电化学机械光整加工工 艺光整精磨后的6 31 0 轴承滚道，将其表面粗糙度r a 值从大于o 6 岬降低至小于o 0 3 “m ， 仅需要大约2 5 秒的时间l l 6 1 。 现代制造技术的一个重要发展方向是精密和超精密加工技术、微细和超微细加工技 术，而脉冲电化学光整加工、电化学机械光整加工等非传统光整加工等技术是实现这些加 工的重要途径之一。同时它也是解决当前产品存在的表面质量和生产率等问题，实现光 整加工过程自动化、柔性化、集成化和智能化的必然要求。 大连理工大学光整加工课题组在周锦进教授的带领下，几十年来一直从事非传统光 整加工技术的研究及应用工作，有着深厚的理论基础和丰富的实践经验。到目前为止， 电化学机械光整工艺已应用到许多重要零部件的生产加工中，如镜面轧辊、镜面反应釜、 镜面热交换器、不锈钢镜面板等等。近期，轴承滚道的电化学机械光整加工技术也已开 发成功，它可以大幅度地降低轴承工作噪音，大幅度地提高轴承寿命；率先将电化学加 工技术应用于齿轮修形上，并取得了很好的修形效果；将电化学抛光技术应用到许多难 抛光材料及零件的光整加工中；开发了脉冲电化学光整加工技术，并将其应用到直齿圆 柱齿轮的齿面光整和修形上。到目前为止，已取得了诸多研究成果【l7 _ 弱j 。 综合以上这些情况，本文提出采用脉冲电化学和电化学机械光整加工技术对磨削凸 轮表面进行光整加工。通过与数控技术的结合，不但可以达到降低凸轮表面粗糙度的目 的，从而提高凸轮的表面质量和使用性能，而且使得光整加工的设备简单，成本低，大 大减轻了企业的负担。 1 5 本文研究内容 本文针对非传统光整加工技术的特点以及凸轮表面光整加工的特殊性，采用非传统 的脉冲电化学和电化学机械光整加工工艺对凸轮表面进行光整加工。主要研究内容为： 1 ) 凸轮表面脉冲电化学光整加工工艺的研究。凸轮曲线是由几种简单或复杂的曲 线拼接而成，其轮廓形成的曲线不连续，而脉冲电化学光整加工要求小加工间隙、大电 流密度、高速流动电解液、高频率窄脉冲电流等条件，这些因素都不可避免地对阳极整 矫文聪：凸轮脉冲电化学及电化学机械光整加工研究 平速度产生影响。本文针对大连机车车辆厂的1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机的凸轮轴进行了脉 冲电化学光整加工工艺的研究，并通过基础实验，研究了电流密度、极间间隙、电解液 流速以及脉冲参数等工艺参数对光整质量的影响。 2 ) 凸轮表面电化学机械光整加工工艺的研究。针对大连机车车辆厂的1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机的凸轮轴，为了得到更好的光整表面，进行了电化学机械光整加工工艺的研究， 设计并制造了全套的工装设备，研究了电流密度、极间间隙和刮膜压力等工艺参数对光 整质量的影响，并重点对电化学机械光整加工工艺中的机械作用进行了研究。 3 ) 凸轮表面脉冲电化学和电化学机械光整加工微机控制系统的研究。为了保证凸 轮脉冲电化学和电化学机械光整加工工艺的顺利进行，必须有可靠的控制系统对极间间 隙和刮膜压力进行实时控制。为此，我们设计了基于p c 的开放式数控系统，以满足凸 轮光整加工工艺的要求。 大连理工大学硕士学位论文 2 脉冲电化学凸轮光整加工工艺研究 光整加工技术是现代制造技术的重要组成部分，对进一步提高产品表面质量、加工 精度、生产效率、国际竞争力具有重要的作用。但在我国，光整加工技术的应用水平与 国外相比还有一定差距，在许多重要的零部件及产品的加工过程中还没有采用光整加工 技术，如内燃机车的关键部件之一的凸轮轴，国内的许多的企业多年来一直沿用“铣一 粗磨一热一精磨”的工艺流程，而精密凸轮轴磨床的缺乏以及磨削工艺自身的磨削缺陷， 使得凸轮的精度低且表面质量差，很容易导致局部区域表面接触应力过大而使凸轮产生 接触疲劳损坏。 脉冲电化学光整加工属于非传统光整加工技术，对机械加工后的尖峰状表面的光整 效果十分明显。与传统的电化学光整加工工艺不同，脉冲电化学光整加工工艺具有使用 中性电解液、小加工间隙、大电流密度、高频率窄脉冲电流加工等新工艺特点，通过尖 端效应和相膜效应使阳极进行选择性超钝化溶解，从而使表面粗糙度快速下降，得到良 好表面。 本章将着眼于脉冲电化学光整加工工艺在凸轮表面光整加工中的具体应用，通过对 脉冲电化学光整加工的电化学基础理论和阳极整平规律的研究，为该工艺在凸轮表面光 整的成功应用提供理论基础；另外针对凸轮材料2 0 c r ，有目的地进行了脉冲电化 学基础试验研究，通过对各种工艺参数的研究，为以后在凸轮表面光整上的应用提供实 践基础。 2 1 脉冲电化学光整加工技术国内外研究概况 脉冲电化学光整加工是利用脉冲电源，中性电解液作为介质，采用大电流、小间隙， 利用阳极的超钝化溶解作用，使阳极的突起部分的表层金属发生溶解以形成平滑表面的 方法。从理论上说，脉冲电化学光整加工可以加工任何强度、硬度、韧性、脆性的金属 材料，并且可以进行超精加工和镜面光整加工。由于脉冲电化学光整加工的特点和优势， 并成为针对手工作业、机械光整加工存在的问题有效可行的解决方法之一，因此各国研 究人员都在开展相关领域的研究，以期进一步提高光整加工表面质量、加工精度和生产 率。 在相关领域，美国、日本、欧洲的学者都发表了大量的研究文章，国内的大连理工 大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学等院校也开展了大量的研究工作。大连理工 大学在脉冲电化学和电化学机械光整加工领域，进行了广泛而深入的研究，取得了一些 重要的研究成果。 矫文聪：凸轮脉冲电化学及电化学机械光整加工研究 国外关于脉冲电化学加工方面的研究较多，但大多数侧重于成形加工规律和理论方 面的研究1 3 6 - 4 ，而将其应用于光整加工领域的资料并不多见，相关的研究主要有： 英国学者j a m c g e o u g h 将电化学加工应用在模具的光整加工，研制了电火花一电 化学抛光复合加工机【4 2 】。英国某厂进行的阀体型腔光整加工试验件，型腔经电火花预成 型，直接用其电极在2 0 n a n 0 3 电解液中进行高频、窄脉宽脉冲电流光整加工，表面 均匀、光亮f 4 奠。 日本学者采用电火花电化学复合加工模具。其方案为在e d m 或w e d m 成型加工 模具型腔之后，直接用其电极在n a n 0 3 电解液中进行窄脉冲高电流密度的电化学光整 加工，以去除e d m 的表面淬硬层和w e d m 的软化层和表面裂纹，达到镜面级粗糙度， 并保持e d m 或w e d m 已经达到的高精度阳j 。 日本的t m a s l l z a w a 应用脉冲电化学光整加工，解决了钨一碳合金的光整加工难题， 通过试验确定了合理的脉冲方式和波形。实际应用在电火花加工后的零件表面光整加 工，去除了表面缺陷和热影响层，没有产生不均匀溶解l 4 4 】。 荷兰学者c d e r e 垂应用脉冲电化学光整加工精密零件，开发了加工机床。给出了 电流密度、脉冲参数、电解液流速等参数的较佳组合】。 美国学者j j s u n 针对模具中镍基合金、钛合金等材料存在难以光整加工的问题， 开发了正反向电场相结合的脉冲电化学光整加工技术，提高了模具钢的光整加工表面质 量【4 5 】。 日本学者m 船u z a w a 将脉冲电化学加工用在微细轴的光整加工中，用一运动的金属 丝作为阴极，在阴极轴和阴极丝之间喷电解液，使轴表面产生电化学微腐蚀，据报道， 这种方法在直径数十微米小轴的光整加工中取得了很好的效果，达到镜面级粗糙度【4 6 j 。 国内对脉冲电解加工研究较早，也取得了不少成果，南京航空航天大学余承业教授 等采用高速摄影技术研究了脉冲电流电化学加工的过程，并分析其能够提高加工精度的 原因【4 7 1 。此外，合肥工业大学等单位也做了许多这方面的研究工作。国内最早开展脉冲 电化学光整加工技术研究的是大连理工大学周锦进教授，到目前为止，他领导下的研究 团队，已经在脉冲电化学及其复合光整加工技术研究和应用方面取得了突破性的进展， 具体的有： ( 1 ) 采用移动式阴极、开放式电解液循环系统的加工方式，突破了成对电极法加 工中电极间固定不动、封闭式电解液循环系统的加工方式。其弥补了成对电极法光整加 工受电源容量的限制，不能对较大面积的零件表面进行光整加工的缺点；有利于加工产 物和热量的及时排出，加工区电解液的更新，是脉冲电化学光整加工技术的一大进步。 ( 2 ) 成功地将脉冲电化学光整加工技术应用到零件的一些规整表面光整加工中泓j 。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 2 脉冲电化学光整加工的电化学基础理论 脉冲电化学的电化学阳极溶解过程遵循法拉第定律。在电化学反应中，在金属溶液 界面形成稳定的正负电荷分布，即为双电层。在正负电层之间存在一定的电位差，就是 电极电位。由于外加电场通过，电极电位发生偏离的现象称为电极极化现象。在实际加 工中，由于电流密度较高，阳极极化现象比较突出，极化曲线显示出电极电位、电流密 度、超电压之间的关系，直观地反映电极极化的规律和特性。阳极溶解后的表面状况随 着极化状态各个阶段的变化而变化，在不周的极化阶段，反映出不同的阳极溶解状态， 会属阳极表面溶解状态的不同得到的表面粗糙度相差很大。电化学过程中的极化现象是 脉冲电化学光整加工阳极去除的重要条件。本节将重点介绍电化学过程中的电极电位、 电极极化、极化曲线和阳极溶解过程等电化学特性，并以此对脉冲电化学的阳极溶解作 出理论解释。 2 2 1 电化学加工基本原理 电化学加工时，工件阳极和工具阴极之间充满电解液，当两极间接上电源后，在电 流作用下，电极与溶液界面上发生电化学反应。溶液中各种离子的运动形式如图2 1 所 示。在工件阳极发生氧化反应，反应式： m n em n 十 ( 2 1 ) 反应式中m n + 为阳极金属上溶解下来的金属离 子。在电化学反应中，阳极若为铁、铜、锌等化学性 较活泼的金属时，则这些金属的原子会放出电子而成 离子状态，持续不断地转移到溶液中，发生阳极溶解， 如反应式( 2 1 ) 。 在工具阴极发生还原反应，反应式： p n + i l e 一 p ( 2 2 ) 图2 1 电化学原理图 2 r+2 e -h 2 ( 2 3 )f i g 2 1p r j n c i p l eo fe l e c t r o c h e m i s t 反应式中p n + 为溶液中的金属离子，在阴极上得 到电子而沉积出金属p 。在锌、铁、铜等金属盐的电解质溶液中，溶液中的金属离子在 阴极表面上吸收电子并以金属形式析出，如反应式( 2 2 ) 。而在化学性活泼的金属和碱 土金属盐类溶液中，则有氢气在阴极表面析出，如反应式( 2 3 ) 。 金属发生阳极溶解时，其溶解量和通过电解液的电量符合法拉第定律。如果阳极只 发生金属溶解而没有析出其他物质，则根据法拉第定律，阳极溶解金属的克数如下列表 达式： 矫文聪：凸轮脉冲电化学及电化学机械光整加工研究 w=k q=k it ( 2 4 ) 式中：q 一通过的电量( 库仑= 安培秒) ； k 一每单位电量溶解的元素克数，称为元素的电化学当量( 克库仑) ； i 一电流强度( 安培) ： t 一电流通过的时间( 秒) 。 2 2 2 电极电位 任何一种金属插入含该金属离子的水溶液中，在金属溶液界面都会形成一定的电荷 分布，从而形成一定的电位差，这个电位差称为该金属的电极电位。因此，如以e 阳饭 表示阳极电极电位，e 阴极表示阴极的电极电位，则： u= ( e 刚摄一e 啊撮) + ir ( 2 5 ) 现以铁插在f e c l 2 水溶液中为例说明电极电位的产生，当金属铁和水溶液相接触时， 金属表面上的铁离子和极性很强的水分子结合成水化铁离子，具有脱离金属基体进入溶 液的趋势，氯化亚铁中的铁离子f e 2 + 也有沉积到金属上，加入晶体的趋势。由于铁离 子在晶体中比在溶液中具有的能级高，较不稳定，因此，前者的趋势比后者要强，通过 两相的界面( 金属溶液) 进入溶液的铁离子较多。本来，金属铁和氯化亚铁水溶液都是 呈电中性的，当f e 2 + 离子进入溶液，即金属铁溶解时，把自由电子留在金属上，就使得 金属表面带负电，而溶液由于出现了这些多余的离子而带正电。随着f e 2 + 离子溶解的数 目不断增加，金属上的负电荷和溶液中的正电荷就越来越多，这样，由于金属表面负电 荷的吸引和溶液中正电荷的排斥，f e 2 + 离子继续溶解变得困难，溶解速度逐渐降低。相 反地，溶液中f e 2 + 离子沉淀到金属上去却变得容易，沉积速度逐渐提高。最后，当溶液 中的金属原子溶解( 氧化反应) 速度与离子沉积( 还原反应) 速度相当时，在界面上建 立起了动平衡。反应式： f e 氧化反应 还原反应 f e 2 + + 2 e( 2 6 ) 这时，溶解和沉积两过程仍继续进行，从金属表面进入溶液的f e 2 + 数目和从溶液沉 积到金属表面的f e 2 + 离子数相等，因此，在界面两侧电荷的数目就保持稳定，在金属 表面就存在有一定数量的多余电子，而在邻近金属表面的溶液中也有同样数量的正离 子，这些正电荷由于金属表面负电荷的吸引，不能均匀散布在溶液中，而是聚集在金属 表面的附近，于是，在界面上就形成了一定的正负电荷分布。金属溶液界面上的这种相 大连理工大学硕士学位论文 对稳定的正负电荷分布称为双电层。在正负电层之间存在一定的电位差，这个电位差就 是电极电位【4 9 1 。 2 2 3 电极极化 溶液中的离子在阳极上放电析出，电极电位e 称为该金属的析出电位，金属的析出 电位也等于它的平衡电位。金属处于上述 的阳极溶解电位或阳极析出电位时，通过 的电流极小，溶解或析出过程都是非常缓 慢的速度进行。如果要加快金属溶解析出 的速度，就要通过提高外加电动势使电流。巨 增大，此时阳极电位或阴极电位会发生偏s 离平衡电位的现象，阳极电位朝正方向偏 矫文聪：凸轮脉冲电化学及电化学机械光整加工研究 同样厚度的电解液需要更大的电位差，这就是电阻超电压。电阻超电压与阳极膜的性质 有很大关系，阳极膜的发生在电化学光整加工过程中起着很重要的作用【4 9 卜【5 3 】。 2 2 4 极化曲线与阳极溶解过程 在实际加工中，由于电流密度较高，阳极极化现象比较突出，为探讨阳极极化现象 对阳极溶解程的影响关系，人们常用极化曲线来描述电极极化及阳极溶解过程。极化曲 线显示出电极电位、电流密度、超电压之间的关系，直观地反映电极极化的规律和特性。 在不同的电解液环境中，阳极极化曲线不尽相同，如图2 3 所示为阳极极化曲线的几种 典型样式。 金属阳极溶解后的表面状况随着不同阶段极化状态而变化，不同的极化曲线特征反 映出不同的阳极溶解状态，在不同的阳极溶解状态得到的表面质量相差较大，下面将分 析金属阳极表面溶解不同的极化曲线与溶解状态之间的关系，进而探讨脉冲电化学和电 化学机械光整加工中电化学溶解作用的过程机理。 ( 1 ) 整个区域都活化溶解( 2 ) 存在钝化区( 3 ) 存在不完全钝化区 图2 3几种典型的阳极极化曲线 f i g2 3t y p i c a lp o l 剐 z a t i o nc u n ，eo fa n o d e s 活化溶解活化溶解是指在阳极表面没有形成阻碍金属原子进一步溶解的钝化膜， 电流密度和金属溶解作用随着阳极正响电位提高而增大，电流密度i 一阳极电位e 的变 化基本符合法拉第定律，此时金属阳极表面得到持续溶解。金属阳极的活化溶解现象存 在两种情况，一种情况如图2 3 中( 1 ) 所示，在全部研究的电流密度范围内，金属阳极 一直处于活化状态，例如铁在活化型电解液( 氯化铁水溶液或盐酸等) 中的电化学溶解 过程就属于这种情况；另一种情况如图2 3 中( 2 ) 和( 3 ) 中a b 段极化曲线所示，在 较低外加电压情况下或每一次钝化膜被刮除后，直至电极电压的提高和钝化膜形成之 大连理工大学硕士学位论文 前，金属阳极表面总是处于活化溶解状态，这种情况常发生于某些金属阳极在钝化型电 解液( 如硝酸钠或氯酸钠等水溶液等) 和一些酸性溶液中( 如硫酸、磷酸等) 。 钝化溶解在图2 3 中( 2 ) 所示的c d 区和( 3 ) 图所示的b d 、c 7 d7 区，阳极表面 由于生成了一层钝化膜，阻止或限制了加工电流密度的进一步升高，从而影响到阳极金 属的溶解，阳极金属表面进入钝化溶解状态。此时，图( 2 ) 和图( 3 ) 这两种极化曲线 所表示的阳极钝化溶解状态是有区别的，在图( 2 ) 中的c d 区，阳极表面生成的钝化 膜通常是以金属的氧化物或氢氧化物为主要成分的膜层，该膜层坚实、致密，几乎完全 阻止了阳极表面金属的进一步溶解，此时，阳极金属表面处于钝化溶解状态。要使得金 属溶解过程继续，必须破坏以生成的钝化膜。然而，在图( 3 ) 中的b d 和c7 d 阳极金 属表面生成的阳极钝化膜是由阳极表面过饱和溶液层中析出的盐膜构成，它以动态平衡 形式存在，即它可以不断接受金属表面溶解下来的金属离子，并在不断生长、溶解的动 态平衡中向溶液扩散金属离子，因此能够控制着阳极表面的金属原子持续均匀地溶解， 并使得阳极金属表面得到较高地表面光洁度。该阳极膜地形成机制是：在呈酸性地电解 液中，p h 值较小，阳极表面由于氧气地析出而生成的难溶性金属氧化物难以生存，随 着电极反应的进行，阳极表面被过饱和溶液层中沉淀出来的盐膜所覆盖，该盐膜的性质 及其动态特性与电解液成分