（机械制造及其自动化专业论文）电液束加工微小凹坑阵列技术研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f m 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 nt h em a n u f a c t u r i n go f m i c r o - - p i t sb ye l e c t r o l y t ej e tm a c h i n i n 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 y a n gp e i ji a n a d v i s e db y l i uz h u a 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 fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 密保的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：必丝剑 日 期：幽! ! ：三：f 星 南京航空航天人学硕+ 学位论文 摘要 摩擦副的表面形貌与其摩擦磨损性能密切相关，研究表明，在摩擦副表面加工出微小凹 坑阵列结构对丁改善其润滑状况，减少摩擦磨损起着非常重要的作用。在所有的表面微坑加 工方法中，电解加r 冈具备生产率较高，成本低，无机械切削力等优点，而备受关注。 电液束加：是电解加工中的一种。它是将电解液压入导电的密封头内，经小孔高速射向 被加f ：r ：件待加= 部位，在工件阳极与电极阴极之间加上高压直流电，根据阳极电化学溶解 原理进行“切削”加工。由于电流密度分布受到电液束范围的限制，所以加下区域只发生在 束流范同内。另外材料的减少过程是以离子形式进行，因此这种微溶解之除方式使得电液束 加i ：在金属微细制造领域有着广泛的应用前景。本文进行了电液束加一r 微小凹坑阵列结构的 研究，论文完成的主要： 作如下： ( 1 ) 通过有限元分析了毛细管电极电液束加：j ：微小凹坑中- t 件表面被加1 二区域的电流密 度的分布情况，结果表明，该方法适合半球形微小凹坑的加1 ：。 ( 2 ) 搭建出毛细管电液束加： 微小凹坑的加： 系统，开展了毛细管电极电液束加： 微小 凹坑的试验，研究了加j r 电压、电解液浓度、电解液压力、加t 时间和加l ：间隙对单个凹坑 形状的影响，以及毛细管间距、电解液乐力和加。r 间隙对凹坑阵列形状的影响。 ( 3 ) 研究采用玻璃毛细管电极静液加f ：微小凹坑的基本原理，进行电场分析，开展了玻 璃毛细管i h 极静液加：l 微小凹坑试验，分析各加t ：参数，包括加i ：电压，加一f ：时间和电解液 浓度对凹坑形状的影响。 ( 4 ) 通过优化加丁参数，获得了直径3 0ui t i 左右，深度1 0um 左右的凹坑。 关键词：电液柬加工，毛细管，电流密度，微小凹坑，电化学加工 电液束加i ：微小凹坑阵列技术研究 a b s t r a c t s u r f a c et o p o g r a p h yh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ef r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o ro ft r i b o p a i r s i th a s b e e np r o v e dt h a tt h et e x t u r eo fm i c r o p i t sa r r a yp l a ya ni m p o t t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h el u b r i c a t i o n s i t u a t i o na n dr e d u c i n gf r i c t i o na n dw e a r 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 ) h a sb e e np a i dm u c h a t t e n t i o nt om a c h i n et h em i c r o - p i t sb e c a u s ei th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g he f f i c i e n c y , l o w c o s t ，w i t h o u tc u t t i n gf o r c ec o m p a r e dt oo t h e rp r o c e s s i n gm e t h o d s e l e c t r o l y t ej e tm a c h i n i n g ( e j m ) i so n em e t h o do fe c m ，i nw h i c ht h ee l e c t r o l y t i cc u r r e n ti s s u p p l i e db e t w e e n t h ea n o d i cw o r k p i e c ea n dt h ec a t h o d i cn o z z l ev i at h ee l e c t r o l y t ew h i c hi se j e c t e d f r o mt h em i n u t en o z z l e o n l yt h ew o r k p i e c em a t e r i a le x p o s e dt ot h ej e ti sr e m o v e dd u et ot h e a n o d i cd i s s o l u t i o n ，b e c a u s et h ee l e c t r o l y t i cc u r r e n ti sr e s t r i c t e dt ot h el i m i t e da r e ab yt h ej e t a l s o ， e l e c t r o l y t ej e tm a c h i n i n gi sa d v a n t a g e o u sf o rm i c r om a c h i n i n gb e c a u s eo fi t sa t o m i cp r o c e s s i n g u n i t t h em i c r o - p i t sa r r a yw a sm a c h i n e db ye j mi nt h i st h e s i sa n dt h em a i nw o r kh a sb e e nf i n i s h e d 舔f o l l o w s ： ( 1 ) t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i su s e dt os t u d yt h ec u r r e n td e n s i t yo fp r o c e s s e dz o n eo f w o r k p i e c es u r f a c ei nt h em a c h i n i n go fm i c r o p i t sb yt h ec a p i l l a r ye l e c t r o d e se l e c t r o l y t ej e tm a c h i n i n g t h er e s u l ts h o w st h a tt h i sm e t h o di sf i tf o rp r o c e s s i n gt h eh e m i s p h e r i c a lm i c r o p i t s ( 2 ) t h ep r o c e s s i n gs y s t e mo fc a p i l l a r y e l e c t r o d e se l e c t r o l y t ej e tm a c h i n i n gm i c r o p i t si s c o n s t r u c t e d t h ee f f e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s u c ha sa p p l i e dv o l t a g e ，e l e c t r o l y t ec o n c e n t r a t i o n ， p r o c e s st i m e ，a n di n l e te l e c t r o l y t ep r e s s u r e ，o nt h ep r o f i l eo fs i n g l ep i t a n dt h ei n f l u e n c eo fc a p i l l a r y s p a c i n g ，e l e c t r o l y t ep r e s s u r ea n dp r o c e s s i n gs p a c eo nt h ep r o f i l eo fm i c r o p i t sa r r a yw a si n v e s t i g a t e d ( 3 ) t h ee j mw i t h o u tm o v i n go ft h ee l e c t r o l y t ef l o wu s i n gac a p i l l a r yt u b i n g e l e c t r o d ei s p r o p o s e d t h ec u r r e n td e n s i t yd i s t r i b u t i o no v e rt h ew o r k p i e c es u r f a c ei sa n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，a n dt h ee f f e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s u c ha sa p p l i e dv o l t a g e ，e l e c t r o l y t ec o n c e n t r a t i o n ， p r o c e s st i m e ，o np i tp r o f i l ew a s e x a m i n e d ( 4 ) m i c r o - p i t sw i t ht h ed i a m e t e ro f3 0l am ，t h ed e p t ho fa b o u t1 0u ma l eo b t a i n e di nt h e e x p e r i m e n t k e y w o r d s ：e l e c t r o l y t ej e tm a c h i n i n g ；c a p i l l a r yt u b i n g ；c u r r e n td e n s i t y ；m i c r o - p i t s ；e c m i i 南京航空航天大学硕十学位论文 目录 第一章绪论一1 1 1 课题背景l 1 2 微小凹坑阵列加一i ：技术的发展现状3 1 2 1 自激振动加一【方法一3 1 2 2 振动冲击加t 方法一4 1 2 3 激光珩磨方法5 1 2 4 电火花加j j ：方法一6 1 2 5 超声冲击加工方法7 1 2 6 松孔镀铬一8 1 2 7 微细电解加j r 方法一8 1 2 8 微研磨方法1 0 1 3 课题的研究意义及主要内容1 1 1 3 1 课题的研究目的及意义1 1 1 3 2 本文研究的主要内容1 l 第二章电解加i ：理论基础1 2 2 1 电解加j ：的基本原理1 2 2 1 - 1 电解加j i ：的原理及特点1 2 2 1 2 法拉第定律和电流效率1 3 2 2 电解加工基本理论1 5 2 2 _ 1 电极溶液界面叔屯层1 5 2 2 2 日1 极极化及其特征1 6 2 2 3 金属的钝化和活化。1 7 2 3 电液束加： 1 7 第三章毛细管电极电液束加工微小凹坑的试验研究1 9 3 1 毛细管电极电液束加工微小凹坑的机理分析1 9 3 1 1 试验原理1 9 3 1 2 电场分析1 9 3 2 毛细管电极电液束加工系统的建立2 2 3 2 1 玻璃毛细管电极的制作2 2 l l l 电液束加f ：微小凹坑阵列技术研究 3 2 2 毛细管电极夹具头的设计2 3 3 2 3 毛细管电液束j j n ；l ：对刀系统的设计2 5 3 2 4 电解液循环系统2 6 3 2 5 微细电解加i ：机床2 8 3 2 6 电液束加一l ：电源2 9 3 3 毛细管电极电液束加。r 微小凹坑试验及分析3 0 3 3 1 加工电压对凹坑形状的影响一3 l 3 3 2 电解液压力对凹坑形状的影响3 2 3 3 3 加1 ：间隙对凹坑形状的影响3 3 3 3 4 加：i l 时间对凹坑形状的影响3 4 3 3 5 电解液浓度对凹坑形状的影响3 5 3 3 6 电解液组分对凹坑形状的影响3 6 3 4 毛细管排电极加：l ：凹坑阵列结构的试验及分析3 8 3 4 1 排电极装夹系统的构建3 8 3 4 2 排电极电液柬加：1 ：凹坑试验及分析3 9 3 4 2 1 毛细管间距对凹坑阵列形状的影响3 9 3 4 2 2 电解液压力对凹坑形状的影响4 l 3 4 2 3 加l ：间隙对凹坑形状的影响4 2 3 4 3 毛细管排电极电液束加1 ：凹坑阵列结构4 4 3 5 本章小结4 4 第四章毛细管电极静液加：1 1 微小凹坑的试验研究4 6 4 1 毛细管电极静液加：j ：微小凹坑的机理分析4 6 4 1 1 试验原理4 6 4 1 2 电场分析4 7 4 2 采用内径5 0 z m 毛细管电极静液加工微小凹坑试验及分析4 9 4 2 1 加。l ：电压对凹坑形状的影响4 9 4 2 2 加一1 ：t , - t 间对凹坑形状的影响5 0 4 2 3 电解液浓度对凹坑形状的影响5 1 4 2 4 毛细管排电极静液加j 1 二凹坑阵列结构5 2 4 3 采刚内径2 0 # m 毛细管电极静液加工微小凹坑试验及分析5 2 4 3 1 加- t 电压对凹坑形状的影响5 2 4 3 2 加j 时间对凹坑形状的影响5 3 南京航空航天人学硕十学位论文 4 3 3 电解液浓度对凹坑形状的影响5 4 4 3 4 毛细管排电极静液加一i ：凹坑阵列结构5 5 4 4 本章小结5 6 第五章总结与展望5 7 5 1 本文的主要结论5 7 5 2 对本课题研究的展望5 7 参考文献5 8 致谢6 1 攻读学位期间的研究成果及发表的学术论文6 2 v 电液束加i ：微小凹坑阵列技术研究 图表索引 图1 1 儿种生物耐磨表面图片 9 - 1 3 l 图1 2 储油表面结构 图1 3 微坑低频振动冲击加r = 原理图 图1 4 激光珩磨加，i ：微坑阵列s e m 照片及三维刚2 8 1 图1 5 微细电火花加一l = 用电极及加工的微孔 图1 6 超卢微细加上的微细孔 图1 7 微细电解加j i 二的单坑及群坑图 图1 8 超声微研磨装置示意图 图2 1 电解加i ：原理简图 图2 2s t e m 双电层模型 图2 3 三种典型的刚极极化曲线 图2 4 电液束加【：示意图 图3 1 毛细管电液束加一l = 原理图。 图3 2 电液求加i ：有限元电场分析数学模型 图3 3 电液束加i ：有限元电场强度云图 图3 4 距管口中心距离与i ：件表面电流密度分布图一 图3 5t s p 型毛细管尺寸示意图及实物图 图3 6 毛细管夹贝头照片一 图3 7 毛细管夹具头装配示意图一2 4 图3 8 对刀原理图2 5 图3 9 加：f ：对刀程序界面一2 5 图3 1 0 干对刀控制流程图2 6 图3 1 1 高压微量泵实物图和性能曲线图2 6 图3 1 2 不锈钢过滤网2 7 ， 图3 1 3 电液柬n r 电解液循环示意图2 7 图3 1 4 微细电解加t 机床实物照片2 8 图3 1 5 机床控制系统示意图2 9 图3 1 6 毛细管电液束加一l ：装置示意图及实物照片3 0 图3 1 7 表面形貌仪m i c r o x a m3 dp r o f i l e r 3 0 图3 1 8 加- f ：电压对凹坑形状的影响3 1 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 1 9 不同加工电压卜的凹坑形貌图 图3 2 0 电解液压力对凹坑直径的影响 图3 2 1 不同电解液压力。f 的凹坑剖面图 图3 2 2 加工间隙对凹坑直径的影响 图3 2 3 不同加工间隙下的凹坑剖面图 图3 2 4 加工时间对凹坑形状的影响 图3 2 5 不同力n - r _ 时间卜的凹坑形貌图 图3 2 6 电解液浓度对凹坑形状的影响 图3 2 7 不同电解液浓度下的凹坑剖面图 图3 2 8 微坑直径和深度随电解液成分的变化 图3 2 9 采用硫酸电解液加l 的凹坑形貌图 图3 3 0 毛细管排电极夹具头照片 图3 3 l 导电铜块夹具实物照片 图3 3 2 毛细管排电极端部对齐方法 图3 3 3 不同间距排电极所加f ：的凹坑尺寸 图3 3 4 不同间距排电极加i ：出的凹坑局部照片 图3 3 5 不同电解液压力所加i ：的凹坑尺寸 图3 3 6 不同电解液压力所加f ：的凹坑局部照片 图3 3 7 不同加： 间隙所加i ：的凹坑尺寸 图3 3 8 不同加工间隙所加。i ：的凹坑局部照片 图3 3 9 采用优选加一：参数所加i ：的凹坑阵列及单坑三维形貌图 图4 1 毛细管静液加jf ：原理图。 图4 2 电液束加： 有限元电场分析数学模型示意图 图4 3 有限元网格划分结果一 图4 4 电液束i j n _ - r _ 有限元电场强度云图 图4 5 距管口中心距离与：j ：什表面电流密度分布图。 图4 6 加： 电压对凹坑形状的影响 图4 7 加工时间2 0 s ，不同加i ：电乐卜的凹坑形貌图 图4 8 加工时间对凹坑形状的影响。 图4 9 加工电压1 0 0 v ，不同加【：时间下的凹坑形貌图 图4 1 0 电解液浓度对凹坑形状的影响 图4 1 1 不同电解液浓度下的凹坑形貌图 术研究 南京航空航天大学硕十学位论文 符号索引 物理意义 电化学反应溶解或析出的物质的质量 电流效率 元素的质量电化学当量 加1 ：过程通过的电量 电流 相对原子质量 法拉第常数 化合价 加j ：电流密度 体积电化学当量 凹坑直径 凹坑表面粗糙度 电解加i ：电压 电解液压力 毛细管间距 电导率 加一i ：时间 凹坑边缘距凹坑中心距离 凹坑深度 阴极导电块孔径 导电块高度 毛细管长度 加。i ：间隙 毛细管内径 毛细管外径 以 m 靴g 加c彳 胛肛y 胁 撇归s肛胖撇 一 撇 册 胛牌 c 、 ) 烈 m 吁 k q ， 4 f 以 ， 缈 d 鼢 u 尸 l 盯 o d 日 乃 乃 乃 乃 皿 优 f 南京航空航天人学硕十学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 摩擦学是研究摩擦与磨损过程中的两个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- - f - j 学科。摩擦引起能量转换、磨损导致表面损坏和材料消耗，而润滑是降低摩 擦和减少磨损的最有效措施之一。摩擦、磨损与润滑三者之间的关系十分密切。 各种机械的运动部件，如发动机缸套与活塞、曲轴与轴瓦、压铸机冲头、轧辊等，其工 作表面都处于相对运动和相互作用的状态，因此，必然存在着摩擦与磨损。摩擦造成能量的 转移，降低能量的有效利用率。据测算，世界产生的能源约有3 0 , - - - 5 0 消耗在摩擦损失上， 例如纺织机械干摩擦所消耗的功率是其总功率的8 5 ；内燃机在有润滑油的情况下，摩擦损 失功率有时也达到总功率的3 0 ；近代汽车发动机的摩擦损失占其功率的2 0 。根据美国、 英国、德国等国家的统计，与摩擦、磨损有关方面的花费大约占国民经济年生产总值的2 7 。2 0 0 3 年我国国民经济生产总值为1 1 6 9 4 亿元，如果摩擦、磨损有关方面的花费按占国 民经济年生产总值的5 计算，就损失5 8 4 7 亿元 1 j 。由此可见，摩擦磨损造成的经济损失是 十分巨大的。近年来，我国汽车数量迅速增加，汽车的能源消耗成为一个重要问题。汽车发 动机因摩擦而损失的功率约占3 0 。其中，活塞一缸套活塞环一缸套摩擦副之间的摩擦损失占 总损失的4 0 以上【2 1 。由此可见，减轻活塞一缸套活塞环一缸套摩擦副之间的摩擦损耗已经成 为减少汽车能源消耗的重中之重。 提高活塞一缸套活塞环缸套之间的摩擦磨损性能，可以分别从活塞活塞环和缸套两方面 入手进行研究。在缸套方面，人们从材料和结构上进行了广泛的研究。材料方面，铸铁因其 具有良好的经济性，优良的减磨性和耐磨性，一直被人们用于缸套的材料。近年来，随着研 究的深入，许多新的耐磨材料问世，如硼铸铁，它不但具有较高的耐磨性，而且价格相当便 宜，很适合用于缸套【3 1 。表面结构方面，曾有人利用激光在缸套表面加工出一定形状的交叉 网纹，从而细化内部晶粒，组织重排，改变了晶格形式，从而提高了其耐磨性能。同时还出 现了多元共渗【4 1 ，挤嵌碳化硅【5 1 等方法。在提高活塞耐磨性方面的研究，主要是从提高材料 硬度和进行表面涂层方面开展的 6 1 。2 0 世纪9 0 年代，稀土固体自润滑理论被提出，改善了 表面的摩擦性【，j 。 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材料和新工艺方面进行研究，虽然取 得了较大成效，但使用寿命仍然不尽人意。使用传统的方法，继续提高耐磨性很难有更大的 突破 耐磨 而经 或翼 如深 海豚 表面 蜣螂 物学 和润 光滑 了对 ( d ) 步甲鞘翅凸包形态 ( e ) 贝壳表面凹坑形态( f ) 竹材端面耐磨表面形态 图1 1 几种生物耐磨表面图片 r o h d esm e l 4 】于1 9 8 0 年首次提出用微观非光滑表面减小摩擦力的方法，r o n e na t ”】等人 用两个平行平面模拟活塞环及气缸套系统，其中一个表面是被激光加工有微小凹坑的活塞环， 另一个表面代表气缸套，研究结果表明非光滑表面形态参数对摩擦力有较大的影响，非光滑 表面试件的平均摩擦力比光滑表面试件的平均摩擦力减少3 0 ，甚至更多【l 6 1 。 根据流体润滑理论，摩擦副表面阵列微凹坑中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，使其充分利用挤压和流体动力的联合作用来改善润滑状况，在这种 2 南京航空航天大学硕+ 学位论文 结构中规则微凹坑的表面形貌对流体的润滑有着非常重要的影响【1 7 】。 在汽车工业中，人们开始尝试在汽缸壁、滑动轴承表面形成人造的斑块或凹坑( 图1 2 ) ， 用以提高润滑( 或密封) 效果【l8 1 9 】。德国专家认为有规则分布的独立点坑比原来的平定网纹 和松孔镀铬性能更佳，使用成本较高的激光珩磨技术形成点坑，并做了对比试验，证明了此 理论的正确性。对比试验证明：耐磨性比原来提高1 2 倍，机油消耗量减少2 0 - 2 5 ，炭化 氢颗粒排放量减少2 0 - 2 5 ，缩短磨合期，避免了拉缸现象，对发动机节能、长寿命和轻型 化发展具有重大的意义和广泛的应用价值【2 0 1 。 圈霞 ( a ) 网状裂纹型 ou ( ) ( ) o ( ) o o0 0 0o0 o o 0 0 c o o 000o 0o1 o 0 00o 0 o 00 0q ，oc ! j ( b ) 网状交叉型( c ) 独立圆形微坑型( d ) 独立方形微坑型 图1 2 储油表面结构 近两年，随着研究的不断深入，研究人员已经形成共识：摩擦副表面的微小凹坑阵列具 有极佳的抗磨减摩性能。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 “1 8 # 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 【2 。日本的m a n a b u w a k u d a1 2 2 等人通过大 量试验证明：表面织构是降低摩擦力的一种有效手段，无论在边界润滑，还是混合润滑条件 下的线接触滑动表面上，合理的表面织构均能够在降低摩擦方面起到非常显著的效果，同时 他们还指出了当凹坑直径为1 0 0 # m ，面积率为5 - 2 0 时的凹坑的摩擦性能比较好。 目前，尺寸为数微米至数百微米的微小凹坑和微小沟槽状的表面织构已成功地应用于计 算机硬盘【2 3 1 、滑动轴承【2 4 】，以及机械动密封矧的摩擦表面，取得了显著的减小摩擦、提高承 载力以及避免表面粘附和咬死的效果。 1 2 微小凹坑阵列加工技术的发展现状 近年来，随着微小凹坑技术研究的不断发展，国内外研究人员已经提出了多种凹坑的加 工方法，其中主要包括自激振动加工方法、低频振动冲击加工方法、数控激光珩磨方法、电 火花放电加工方法、超声加工方法、松孔镀铬方法、腐蚀方法、微研磨方法等多种微小凹坑 加工方法【2 6 1 。 1 2 1 自激振动加工方法 自激振动加工是在缸套内孔表面有基本光滑面的情况下，利用加工中的白激振动作用， 3 被加工缸套装在机床主轴上以一定的转速旋转，振动微坑加工装置可沿轴向和横向方向进给， 通过横向进给控制微坑的深度，由电机带动偏心机构在装置的工具头上施加2 0 2 0 0 h z 的低 频振动，依靠振动冲击在缸套内表面形成具有一定分布规律和定尺寸参数的微坑。为提高 加工效率，振动冲击头一般可做成单排多头或矩阵型多头2 7 1 。 4 南京航空航天火学硕十学位论文 为了形成有规律的数以万计的微坑，工件转速、：i ：具头进给量、工具头直径、振动频率、 振幅等参数必须合理匹配。 图1 3 微坑低频振动冲击加工原理图 与国内外现有的缸套内孔加工技术相比，低频振动冲击微坑加工方法具有以下特点： ( 1 ) 微坑分布和结构参数可控，且所有微坑均匀分布，相互独立：( 2 ) 微坑加工简单易 行；( 3 ) 工具头寿命长；( 4 ) 可采用矩阵工具头或多头螺纹车削法实现高效率、高密度微坑 加工；( 5 ) 加工成本很低，大约为激光珩磨成本的1 1 0 ；( 6 ) 材料不受到烧灼作用，且冲击 在缸套内孔表面形成的压应力对提高缸套的耐磨性有好处。 1 2 3 激光珩磨方法 激光加丁就是利用激光的高能量密度( 或称亮度) 和高方向性( 发散角极小) ，对l i i i l 体材料 进行精细表面加工、雕刻与切割。激光表面微造型技术是激光加j 【原理在工程上的发展应用。 激光微造型加丁机理是利用聚焦后的激光束，照射到t 件表面，激光在很小的焦斑范围 内，具有较高的功率密度，能够在极短的时间内，使材料发生熔化、汽化，并形成小孔，小 孔的形成又增强材料对激光的吸收，材料汽化膨胀产生的压力将熔融的材料抛出，从而达到 去除材料的目的。激光具有亮度高、方向性强、单色性和相干性好等优异性能，激光加工的 空间控制性和时间控制性能好，易获得超短脉冲、尺度极小的光斑，能够产生极高的能量密 度和功率密度，可以熔化世界上任何金属和非金属物质，特别适用于材料自动化加工，而且 对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大。与计算机数控技术相结合，激 光加工系统为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔道路，激光加工技术已成为上业生 产自动化加工中的关键技术，并具有普通加工技术所不能比拟的优势【2 5 1 。 激光珩磨是将珩磨技术与激光技术复合在一起的新技术。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【2 8 1 ( 图1 4 a ) ，然后再进行珩磨，去除飞边及毛刺( 图1 4 b ) 。 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汽化和 5 电液束加：【微小凹坑阵列技术研究 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2 5 1 。 节 ，。量，以。i 钒。 ，籍 i 2 m m 莲 、飞 4 菇嘉芳蟛釜 。 趣箩匆二m i ：强 脚# 静“8 , e t a j 簿；：+ 4 d p 攘邮 一。：每 ” 一 ( a ) 激光加工的微坑阵列) 激光珩磨加工的微坑 图1 4 激光珩磨加：r = 微坑阵列s e m 照片及三维图 1 2 4 电火花加工方法 电火花加工技术( 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 ，e d m ) 是利用工具电极和工件电极间脉 冲性火花放电时产生的局部、瞬时高温、高压来蚀除工件上多余的材料，来将工件加工成型 的，它摆脱了切削加工过程中工具材料必须比工件材料硬的约束，对工具材料的刚度要求很 低，并且在加工过程中工具电极和工件之间不存在宏观的切削力。减小电火花加工过程中单 脉冲放电能量再配以精密伺服进给机构，电火花加工将非常适合微细i j l i 2 9 , 3 0 。 微细电火花加工( m i c r o e d m ) 一般是指用棒状电极电火花加工或用线电极电火花磨削微 孔、微槽、窄缝、各种微小复杂形状及微细轴类零件，加工尺寸通常在数十c l m 以下，加工 单位一般只有o 1 o 0 1 # m t 2 9 1 。实现微细电火花加工的关键在于微小轴( 工具电极) 的制作、 微小能量放电电源、工具电极的微量伺服进给、加工状态检测、系统控制及加工工艺方法等。 线电极电火花放电磨削( w e d g ) 技术的出现很好地解决了微细高精度电极的在线制作和定 位精度问题，使得微细电火花加工技术进入了实用化阶段。一些发达国家如日本、美国、比 利时等对此展开了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果，已成功地加工出了矽2 5 # m 的微细轴和5 # m 的微细孔，代表了这一领域的世界前沿水平。通过微细电火花铣削技术， 6 ， o o童4名也郴啦椎 弘n”链弱“=烈褂弧鏊 南京航空航大大学硕十学位论文 可以加工出复杂的微三维结构。图1 5 ( a ) 是日本学者利用微细电解加工的直径为l # m ，长度为 2 0 乩m 的微细电极，图1 5 ( b ) 是用该电极进行微细电火花加工的微孔【3 1 1 。 微细电火花加工技术可加工材料的范围广，且不受工件材料的强度、硬度和脆性的限制， 三维加工能力强、易于实现大深径比的小孔加工，同时利用其工具电极与工件间无宏观作用 力的特点，可方便地实现斜面上的孔加：i ：及轴向半孔加工，这对于特殊结构和特殊材料零件 的加工是极为有利的。但电火花加一r 存在着热影响区，工件表面易产生变质层和微裂纹；同 时，微细电火花加工间隙小，屯蚀产物难以排出，加工稳定性不易控制，工具电极存在着严 重的损耗等是微细电火花加工存在的主要缺陷。 ( a ) 电火花用微细电极( b ) 用微细电极加工的微孔 图1 5 微细电火花加工用电极及加+ 1 ：的微孔 1 2 5 超声冲击加工方法 应用于微细制造领域的超声加j r 与传统超声加工相似，但其输出功率，工具振幅较小、 加工精度高、磨粒微细、工具制作要求高。晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机 械中的广泛应用，使硬脆材料的微细加工技术成为制造业中的一个重要研究课题。微细超声 加工技术是实现微细三维结构加工的重要手段之一，工件无需导电的特性决定了超声加工技 术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方而有着得天独厚的优势 3 2 - 3 4 】。 东京大学生产技术研究所增泽研究室合理解决了微细工具的制作及微细工具夹、工具回 转精度等问题，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了最小直径为庐5 i jm 的微 孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能【3 4 1 。 哈尔滨工业大学贾宝贤博士等人在自行研制的微细特种加工平台上利用工件振动的方式 进行了微细超声加工实验。从理论上推导了微细工具压杆稳定的条件，在石英玻璃上加工出 微细孔。实验中还发现由于超声振动的空化作用，即使加工介质中不加入任何磨料，仅用水 作介质也可以去除工件材料。 图1 6 是利用超声微细加工在矽硅酸玻璃上加工的微细孔，直径为痧1 8 0um 。 7 电液束加工微小凹坑阵列技术研究 图1 6 超声微细加工的微细孔 微细超声加工时工具与工件之间的压力较低，工件表面的宏观切削力很小，切削应力、 切削热很小，不会引起变形及烧伤，加工精度较高，尺寸精度可达0 0 1 0 0 2 m m ，表面粗糙 度r a 可达0 6 3um 0 0 8um ，适用于加工薄壁、窄缝及i 氐n u 度等工件阅。 微细超声加工也存在其缺点，如加工效率较低，加工的零件表面粗糙度及加工精度不高； 对于一些韧性较好的金属的加工，尚不能取得良好的加工效果，甚至无法加工；同时，超声 微细加工所使用的工具较小，磨料对工具的磨损较大，对零件的加工精度、表面粗糙度有很 大的影响。 目前，微细超声加工技术正不断完善，并向高精度、微细化方向发展，微细超声加工技 术正在成为m e m s 技术的技术支撑陋3 6 1 。 1 2 6 松孑l 镀铬 为了增强零件表面硬度和耐磨、耐腐蚀性能，通常可以在零件( 尤其是活塞环) 表面镀铬。 而在镀铬之后，用化学或电化学方法将铬层的粗裂纹进一步扩宽加深，以便吸藏更多的润滑 油脂，提高其耐磨性，这就叫松孔镀铬。 在摩擦副工作过程中，裂纹储存的润滑油被挤出，溢流在摩擦表面上，由于毛细管的作 用，润滑油可以沿沟纹流向油少的地方，从而改变了摩擦状态，降低了摩擦系数。采用不同 的工艺规范( 电镀参数) 可获得形状不同的裂纹。近年来，也有人镀裂纹铬，即在每厘米长度 上生成2 5 0 1 5 0 0 条均匀的网状微