（船舶与海洋工程专业论文）电化学机械复合光整加工工艺基础研究.pdfVIP

礤l ：逢文 摘要 摘要 奉专惫文分褥了电纯学疑戳笈台是整麓工工慧静特点，蟊蕊互翦宏麓俸臻力禳，j 、， 并且有液体的参与，因而产生的热很少，避免了由力和热而产生的表面：f 划痕、加工硬 纯、残余应力、表面变骚层等钒械加工所最有的固商缺陷，可戳获敬稻当低静裘蔼粗 糙度和商的表蕊质量。并且拯浅：由于e 鲺化学机槭复台加工有时呈现出一定的不稳定 性，这在很大程度上限制了它在工业生产中的广泛应用。为充分发挥其优势，获得良 好的加二l 二效果，必须深入地研究其姗= = l = ：机理，合理地选择使用与电化学煳工榻复合救 机械加工方式以及准确地选择加工参数，使机械加工与电化学加工有机地配合。在以 翦研究戆基硪一| 二，本论文重巍探讨了电纯学凝缀复台光照热工王艺躲捉褒，臻迩了较 合理的工艺参数，对电化学机械复合光烂加工设备进行了改进，通过工艺实验广泛地 搜集罗大藿实验数据，缀掇实验数据，多爨凌= | 亟骚究了 蠹纯学辍藏复台光整鸯# 工秘表 面形虢特点，并且从理论上深入讨论了电化学机械复合光整加工表面形貌对= 1 h ：仆工作 毪麓豹影嫡，激焉褥趱羽结论为：宅仡攀杌藏复合竞整糯工对工俘舔始裘螽酌低频成 分有较大程度的降低，丽对高频成分影响较小，有明显的阳极凝f 作用，被加工工作 表面的尖蜂状凸起被去除，工件表面璺现出徽嬲“高驻型”。表商轮廓不平度黼艘特 性参数大螺度降低，工件表礞轮瘁分农集中，鼹呈负镝态，轮麟锿斜发为受缓，轮廓 支承长度率曲线陡峭，工件的农丽质量得到综合改善，这对提高零件的抗接触巍形能 力、改善摩擦、黪援性缝、降骶王毂：弱壤台l 砖鲻、撵高王传戆赣瘦缳持瞧、延长：l = 髂 的寿命均有利。 关键谰：电化学机械复台光摧加= l = ；加工机理：t 艺参数；表酾形貌# 胯擦磨损特性 硕! 论文 摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r o c e s sf e a t u r e so f e l e c t r o c h e m i s tm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s ，s u c ha st h es t r e n g t ho f m a c r o - i n f l u e n c ei sv e r ys m a l l ，a n d t h e r ei sl i q u o ra p p e a r e d ， t h eh e a te n e r g yw i l lb ev e r ys m a l l t h e s ew o u l da v o i dt oa p p e a rs u r f a c es c r a t c h ，h a r d n e s s ， r e s i d u a ls t r e s sa n ds u r f a c ev a r i a t i o na sn o r m a l ，t og e tt h el o w e rd e g r e eo ff i n i s ha n dh i g h e r q u a l i t y a l s oi ti n d i c a t e s ，b e c a u s eo ft h eu n s t e a d i l yo ft h ee l e c t r o c h e m i s tm e c h a n i c a l m a n u t h c t u r i n gp r o c e s s ，i th a sb e e nl i m i t i n gt h ew i d e l yr i s ei nt h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n i n o r d e rt oc o m p l e t e l yg e ti t sa d v a n t a g ea n dg e tt h eb e t t e rm a n u f a c t u r i n ge f f e c t ，i ts h o u l db e n e c e s s a r y t os t u d yt h em e c h a n i s mo ft h em a n u f a c t u r i n g p r o c e s s d e e p l t o s e l e c ta r e a s o n a b l em a n u f a c t u r i n gm o d et os u i tt h ee l e c t r o c h e m i s tp r o c e s sa n dc o r r e c t l ys e l e c tt h e m a n u f a c t u r i n gp a r a m e t e r , s ot om a k et h em e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dt h e e l e c t r o c h e m i s tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sc o m ei n t oc o o r d i n a t e o nt h eb a s i so fp r e v i o u s l yr e s e a r c h t h i sp a p e rr e p r o b ei n t ot h em e c h a n i s mo f e l e c t r o c h e m i s tm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s m a k i n gt h em t i o n a lt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r , a n dd e v e l o p i n gt h em a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t t h r o t l g hal o to f t e c h n o t o g yt e s t s ， g e tal o to fl a b m t o r yd a t a a e c o r d i n g l y , r e s e a r c h e dt h es u r f a c ef e a t u r eo f t h ee l e c t r o - c h e m i s t m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，a n dd e e p l yd i s c u s s e di t si n f l u e n c eo nt h ew o r kp i e c ef e a t u r e ，t h e l a s tr e s u l ti st h a t ：t h ee l e c t r o c h e m i s tm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sc a nr e d u c et h e l o w - f r e q u e n c yc o m p o n e n ts i g n i f i c a n t l y ，b u t o nh i g h - f r e q u e n c yc o m p o n e n t ，i th a sl i t t l e i n f l u e n c e ，h a v i n go b v i o u s l yp o s i t i v ep o l ef l a te f f e c t a f t e rm a n u f a c t u r e ，t h et i pp a r t so nt h e s u r f a c eo ft h ew o r kp i e c ei sc u to f f , t h e r ei sm i c r o “h i g hl a n d ”s h a p e 、t h ep a r a m e t e rf o r s u r f a c er o u g h n e s si sr e d u c e dal o t ，t h es u r f a c eo u t l i n eo ft h ew o r kp i e c ej sn e g a t i v e ，t h e b e a r i n gl e n g t hr a t ei sc l i f f y a l s ot h es u r f a c eq u a l i t yo ft h ew o r kp i e c ei si m p r o v e d t h i s c a nh e l pt oa v o i dc h a n g i n gt h es h a p e ，i m p r o v et h ef e a t u r eo fr u b ，g e a ra n dt e d u e ct h et i m e t os u i tt h i sw o u l da l s oe n s u r et h ep r e c i s i o na n dr e s u l ti nal o n g e rw o r kp i e c el i f e k e yw o r d s ：e l e c t r o c h e m i s tm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s m a n u f a c t u r i n gm e c h a n i s m t e c h n o l o g yp a r a m e t e r s u r f a c es h a p e r u ba n dg e a rf e a t u r e 【 磷圭论文缱谚 第一牵绪论 隧羲科学技术戆赢遮迅猛发展，对祝械设铸憋要求越来越蠹，一些高精尖领域襄 薪技术新工艺鹣许多装备鬻常在离澄、痞i 压、离速及恶劣麓嚣境下工作，困蕊对这些 设备的零、部中 ：f ：f 勺物理力学性能、综合机械性能以及化学性能等提出了更高的要求， 在材料上要求馒用高硬度、高韧性及一些具有特殊物理性鼹的材料；在零件的制造上 不程餮求它稻鼗蠢辍高翡尺寸精瘦举h 彩位精壤，闲辩透要求它稍菇有辍藩稳表露囊 量。产品的使用性能，尤其是它的商承载能力、高速度、高效率、可靠性、耐磨性等， 在很大程度上取决于其主鞭零件的袭面质量。避年来，人们对表面质量的研究越来越 羹凝，并且其磺突内涵也在不薮丰螯，天镪磁鸯氆- s 许多簸戆表囊党整热王方法，氍 适应现代科技酌衙要。 1 ，1 常用光整加工方法的表疆质量及特点分横 光整加工是指精加工以后，从工件上切除极薄的材料，用以降低工件的液而粗糙 度或强化工件表丽的加工方法。光熬加工可以获得比一般帆械加工更高的加工精度和 表嚣袋蓬m 。 光接加工一般作为工中| ：的最终加工工序，加工后的二 f ， ：赢接装配到机械二使用。 工件的寝面质量不仅直接关系到其本身的使用性能及使用搿命，还会影响到与其配合 魏 二终之翅麴酝会蛙矮，扶两影响列攘令设冬豹馒躅性栽及使霆鸯愈。表露滋蛋近歹1 年来被称为表i j 嚣完整桎包稻表慈形貌( 表两粗糙度、表秘敬度和纹理) 、表简缺陷( 宏 观裂纹、伤痕和腐蚀) 、表面层物理力学性能( 表面层硬化深度和程度、表两层残余 应力的大小、方向及分布) 及微观缎织与表蕊屡的冶金化学特性( 微观裂纹、徽鼹组 绥交德、鑫蠲瘸豫黍j 佑学戏分静德先褰解) ，我们在骚究中应递嚣综合考虑。 豳内外对于机械加工零件表面的光整加工谢很多方法，按工具类型来看，常见的 有磨料加工和电化学加工。磨s h 4 j i l ! 又可分为阉结磨料加工和游离廉料瓤l 工。固结磨 籽是攒露糕或徽粉与结合筑糕蘩在一趣，其寿一定蕊形状窝强霾，潮鐾瘗簪 鸯8 王怼疆 商工件的形位精魔和尺寸精度有较简的效率，媳型的加工方法有精鬻磨削、瓣彳磨、砂 带磨削等；游离磨料加工怒指磨料或微粉成游离状态，典拟的加工方法是研黪浠i 抛光。 逐年来，夔蓉科学技拳灼遴步，党整秀n 工静技本零乎电在不瑟她变纯露爨蠢，在健绕 工艺鹣蘩穗上，出现了一蕊新鏊鹩光整加工方法，如喷射跨瓣加工、磁流体糖光等。 各种加工方法所臻解决的问题有三个：一、加工质量问题这包j | ；形位精度、尺寸精 度及装嚣质量等；二、加工效率问题，有些加二方法可以取褥较好的加工精度，却难 戳取褥离豹秀日工效率；三、秘= = 戒本随蘧，热工耩潼与成本静关系，一般楚麓蕾精庭 的提掰成本也随之增加，当加工精度接近于一种加工方法的极限时，成本将急剧增加， 所以每种加工方法都有自己的经济加工精度。赦选择加：r 方法考虑的因素也主搂有j t 令：一是看工份翔王特瘦黪妥露，二怒彀凌予王穰：弱豺瓣及缭擒，不溺瓣嚣拳萼捷鬻不 同静加二i ：方法，三是看加工成本的商低问题。 现用各种光牾加工方法的加丁机珊有所不同，但它们对大多数机械零件的光赡血t 王部愚蠢效熬，它 ： 器程郡蠢i g 己嬲特点，援对常删憋畿嚣毙蘩d t ：lt r 方法分毫跨魏一f ： 1 精密瘩潮 精密磨削也称为高储皮磨削，能使崩削尺i 脯度达到0 卜一( ) 3 l t m ，表渐粗糙发 达到0 2 o 0 5 j 删，但它瓣魏i - e 效率往往是比较 i 毫灼。嗣时，出予囊测熟二 ：楚由赢 颈圭论文绪论 速的徽小徽稳反复切澍的结采，在蘑削区要产生极高的温度，高温会对被磨剿的表面 产生许多不良的影响，变质层的厚度一般可达1 0 0 j 删，变质层的金根组织要发生变 键，惫舞交撬城应力产生戆热王疆缳、鑫瘗赘熬产生懿泞炎璎稼及复合俸避产生鹣硬 化，裘顾表现为磨削烧伤和磨削裂纹答。加工袭面的状态一般魁这些变，七的综合表现。 在枫壤加工工艺炙程中，常以磨削作为最终办b 工工序，来潞足对工传的尺+ 精度、 形位稳度、表疆粮糙痰窥表瑟嶷瑟瑟鹣要求。在弼麓翱工中，韬豫鹣余羹越，j 、，切酮 力就越小，切削热及变形就越小，加工精度及淡面质爨也就越高。由于磨削加二e 的砂 轮是用磨拳 豹微小切划刃递霉切戤，掰默翅除戆甥薅瞧缀其微小，逶避诗冀觳，饶 属豹浮度可在驻微米缀甚至更小，由此看来，椭用磨潮，完全可以满足般零件的尺 寸精度、形健精度和袭面粗糙废的要求。从应用范围米看，磨削加工的应用可以说是 最广泛豹。裁霹磨嘲敦孝葶萋 谬。麸软余震，至淬火镪、不锈镪、蔫速镪、台佥工其镪 及耐热钢等难切削的众属材料，近几年来又扩髓到非盘属材料，尤其魑半导体、玻璃、 陶瓷等硬脆非衾属材料鲰光撼煽工，几乎鹰有的辩罄 都可剥粥魔削进行加工。 1 ) 溪甏烧伤帮翳澍裂纹 对于磨削加工来说，卣于单位面积产生的切削热比般切削方法蒙大几十倍。容 易使工传表面麴金毒垦缀缀发生变他，从薅使表 ：蠹 屡的硬度窝强瘦下降，产生残余庭力 甚至引起显微裂纹。这种现象称为群削烧伤，有时磨削表面的温度接j 琏于t 0 0 0 。0 ， 这么搿的温度对工件的表面及描产生烧伤，而当工f l 二的材料是脆硬材料如渗碳钢、轴 零镪、滚羲镶簿辩，滓灭磊磨瓣巍容荔产生裂纹。京嚣雩，在瘗掰魏工绥寐焘数夺对或 数日稻还会产生磨削裂纹，这样会使磨削加工工件的疲劳强度驻著下降。 2 ) 残余威力 渣于潦潮对工薛裁簇产生缀赢的溆度鞠巧i 羯匀静塑毪变形，所醴会产生较大瀚残 余应力。残余成力的存在使工件的尺寸、形状不稳定，经过一段时问会使已加工好的 零 譬蠖慢避产生变形，这必然影囔糖密雩| ：均健爆蛙熊，势曩。当残余应力避丈露运会产 生时效裂纹( 磨澍裂纹的一种) 。为降低表面溅余应力，一般黉降低滂削进给速度， 这样会降低磨削生产效率；有时也采粥在磨削加工届，对工件谶行低淑处理、时效处 壤、去应力遂火楚理等方法来溪骤残余鹰力，激捉褰鬻溪燕工鹣秀瓣工缀蘩，这释遣多 消耗工艺定额。 男一方面，磨削加工中，砂轮的磨损很快，砂轮嚣要不断地修整，这样也影嚷到 酾工效率。这帮跫当翦蘑麓鞠互中普遍存在丽疆还未褥甍很好解决的勰题。 2 砂带磨削 砂带磨削楚鞋混纺奄( 6 溅豹涤纶3 鼹抟糖织毒) 为萋耪，使爰赣绩裁毙潺辩旗 在上两，然后疆砂带 笮为磨具辩工件进行加工“。砂带磨削从磨削方式上分有闭式和 开式两大类。随蓠世界涂附磨舆制造技术的高度发展，涂附磨舆鼹削加工技术也向羲 受系熨伍、专弛铯戆方淘发鼹。瘘瓣在秒繁 二播燕均匀，螽 工对大整垮耱簸嗣嚣孪参写 切削，并且因砂带宽度与周长均超过普通砂轮，散热时间长，鼹空气作用强，= ：f i 易烧 伤工件，网 寸出于砂带工f l ：之闻是鬃性接触，所以砂带可以磨潮复杂型两的工乎l ：( 只 需更换撩齄轮帮可) ，糯此砂鬻潦潮其有磨潮质鼙好、海稻空闷天( 粟弼静电鬣砂) 、 生产率商、使j ；_ j 范围广游优点。砂带联削加工的裘丽粮糙度可达r a o 0 5 0 0 1j 州。砂 豢瘗粼冤霭修憋，壤燃比( 切狳王9 羹餐毖攀 壤擐夔餐之l t ) 可；麓达3 0 0 ；l 莲至 4 0 0 ：l ，丽砂轮廓削一般只有3 0 ：1 。但砂带群削弱前仍存在卷很多蝴题，这主要表 现在：1 ) 砂带龋融少质链也缸待提赢 2 ) 对砂带路削帆理的研究尚一：深入，应用 场台滏不广泛；3 ) 密予移带熬菜洼熬，溢给蘩芎 ；l 难精确控鞠，羟洚低- j 。工孛| ：袭恧箍 硕士论文绪论 糙度的同时，有时也会大幅度降低工件的尺寸精度、形状精度；4 ) 对有退刀槽的阶 梯轴、阶梯孔、盲孔、4 , - i l 、齿轮等，砂带磨削还不能加工：5 ) 由于磨料的滑擦、 耕犁、切削、挤压等作用，使加工的表而产生的塑性变形、加t 硬化和断裂等缺陷； 6 ) 磨损后不能修复，因而消耗较大。这些都限制了其应用。 3 珩磨 珩磨是一种应用极为广泛的光整加工方法，主要用于内孔的加工，所用的珩磨头 一般是由粒度很细的油石组成，可以认为珩磨是磨削加工的一种特殊形式。它不仅可 以降低工件表而的粗糙度，而且在一定条件下还可以提高工件的尺寸精度及形状精 度，表面粗糙度r a 0 8 lp m ，最低可达r a o 0 1 2l u s t ，不适用于带肩轴类零件和锥形 表而：一般不能纠j e 上道工序留下来的形状陡差和位置误差；设备要求简单，加工精 度高，表面质量好，生产效率较高。 珩磨头与工件之间的进给压力控制是获得良好加工效果的保证，目前常用的珩磨 头有两种，一种是利用螺旋来调节压力的，这种珩磨头的结构简单，制造方便，经济 使用，但工作压力的调节频繁、复杂，且在珩磨过程中，随着油石的磨损或孔径的增 大而不稳定；另一种是采用液压或气动控制油石胀缩的珩磨头，油石对工件表面的压 力均匀了，但珩磨头的结构复杂，一般不太适应中、小型厂家应用。 4 研磨 研磨是最早出现的一种光箍加工方法，是通过研具和游离的磨料进行微量加工， 使工件达到所要求纳尺寸与精度的加工方法。有手工研磨和机械研磨两种，研磨对加 工设各要求的精度不高，研磨适用范围广，不仅可以加工金属，也可以加工非金属， 研磨可提高表面形状精度与尺寸精度，一般不能提高表而位置精度。精密研磨普遍应 用于精密机械的制造行j i k ，可以达到其他各种加工方法所不能达到的精度和表面栅糙 度，研磨一般都在低速下进行，产生的塑性变形小，切削热少，加工变质层很薄，甚 至可以不产生加 = 变质层，表面质量高精密研磨的设备简单，不需要复杂的机械装 置。 但要使研磨达到良好的加工效果，必须首先采用其它的方法达到较商的预加工精 度，而且研磨与其它使用磨料的加工方法相比，加工速度低，时问长，效率低，如干 研速度一般为1 0 3 0 m m i n ，湿研速度为2 0 1 2 0 m m z n ，而且在被研磨工件的表面上， 若嵌入磨料，作为运动副使用时，将影响工件的耐磨损性能。在超稽研磨时，对环境 的要求严格，当有大磨粒或异物混入时，将使表面产生划伤，一旦产生划痕将很难去 除。 5 抛光 抛光是用微细磨粒和软质工具对工件表面进行加工的加工方法，是一种简便、迅 速、廉价的表面光整加工方法，其主要日的足去除前道工序的加工痕迹，改善工件表 面的光洁度，使工件获得光滑光亮的表而。传统的研磨与抛光的区别是在工具和效果 上，一般研摩所用的研具是硬的，不仅可以降低表而粗糙度，而只可以提高精度，而 抛光所用的工具是软的，它主要是降低工件表而的粗糙度，对加工精度无提高，甚至 有时还会降低绒破坏几何精度。抛光工件的袭而粗糙度一般可达到r a o + 0 4 i 册? 。随着 技术的发展，现在又出现了些新的抛光方法。 在抛光加工中所明的抛光剂氧化铝一般要经过5 1 0 层纱布的过滤，过滤后的磨 粒粒度相当于w 5 w o 5 。抛光液还要保持清清，若含有杂质或氧化铝和乳化液混合 的不均匀，会影响抛光质最，使表而产生! “枯皮”、“小自点”、“划圈”等缺陷。此外， 硕士论文绪论 还必须保证加工环境的清洁，否则就不能加工出高质量的工件。抛光加工的效率低下。 6 电化学抛光 电化学抛光加工是利用电化学方法对工件表面进行的一种光整加工，是直接利用 在金属表面发生的氧化还原反应来去除金属表面切削加工所残留的微观高点以降低 其表面粗糙度的一种方法。这种加工方法具有生产率高、使用寿命长、耐腐蚀性能好、 表面无残余应力、加工易实现自动化等优点。但它所使用的电解液一般为酸性电解液， 对机床的腐蚀性较大，表面粗糙度降低有限。同时，用过的电解液若处理不好的话， 对环境也造成污染，所以需妥善处理。 上述各种精密加工方法，一般都可以达到低的表面粗糙度，但却存在不同的表面 变质层。任何材料的工件，伴随着在加工过程巾所受的力和热的作用，都要在工件的 表面产生一层物理、化学、机械性能与母体材料不同的变质层，变质层的深度、形态、 特性，则因加工方法的不同而不同。例如在以机械方法为主的去除材料的加工方法中， 由于切削力和切削热的作用，在工件的表面层，除了有结晶组织的变化引起的强度变 化之外，还存在着明显的塑性变形和加工硬化层及残余应力。力| 1 工变质层的深度与加 工过程中的条件有关，一般来说，随着去除单位的减小，加工变质层的深度也随之减 小。图卜1 为用不同磨粒的金刚石麽料研磨m n z n ( 1 1 0 ) 时，加工变质层的厚度与 金刚石磨料粒度之间的关系 盔馥层璐懂“m 图1 1 研磨磨粒粒径与加l 变质屡的关系( 村料m n z , ( 1 l o ) ，频率，加肚阮温度2 9 3 k ) 删 i 一金刚：f 】料01 2 u m 1 1 一盘刚石粉o5 u r n 删金刚石粉3 u r nl v 金刚石粉6 u r n 加工表面变质层的深度还与被加工表面的粗糙度有关系。实验表明，尽管各科t 加 工方法所产生的表而变质层的深度利性质不同，但都随着被加工表面粗糙度的减小而 减小，如图1 - 2 所示。 在以机械能为主要去除能量的加工方法 中，由于存在很大的表面变质层，严重地影响要 着零件的质量和性能，严重影响零件的耐腐蚀 掣 性、耐磨损性和疲劳强度，使零件的糕体性能 远 大幅度下降。因此，为了减小表面变质层，歌 鬻 取高的表面质量，就要减小去除单位，这l ：i 王就 h 意味着生产率的降低和加工成本的提高。闲此， 罱 只有采用新的能量形式对工件进行光整加工才 能从根本上解决这一问题。 。 0 0 0 10 o l0 11 2 寝瓣粗糙度圮”m 剧i - 2n i z n 铁洽乳的加j ， 潍艘与采i 忻捌嘲艘的哭系1 “ 颂一t 论文绻沧 1 2 机械零件光整加工的发展趋势 巍了提裹光整魏工蕊精爱及襄嚣瑷量，人们正在鼓缎多方蔼骰着大鬣豹工终，翔 开发新的、高性能的加工机械、测试装置及其轴承、移动蜉向机构；开缴系统误差极 小的检测、控制方式，包括开发检测和控制装援；同时，必颁研究、开发艇有高性能、 多功能蛉勰析手段，例如，有限元法、计算机模拟、形态群车斤法等，以制造系统误麓 窝藏秘误差豢摄，l 、l 羚超惑凝痰掇藤窝超褰耱寝羧溅装簧；秀发裹耱瘦、离速痊、窝藏 可靠经的话感器和读出装置( 黢字式或模拟戏) ，使生产避稷中的质羹管理自动仡， 而且隳对大量生产的加工方式和单件、小批默生产的加工方式都要适合；这些研究均 可在不改变原来的加工机理的前提下，有效的改善加工质燧，提高加工精度。但是， 也不霹避兔媲提惑了翔工戏本。 锯有许多与葵稳关豹润瑟，在期 = 领域逐跫缀难实瑷麓，鲡褥辩鹣弹性交形稻热 变形，长1 0 0 e 脚自寸锕制零件，舞控制其热变形在0 o l 删以内，就必须控制温度变化 在0 0 1 以内，这是很难实现冉目。所以努力开发基于新原理、加工单位极小的光揆 加工方法，是当前提高光整加工质量的最有意义的途径。努些光整加工方法，从加工 撬理上嚣，热工纂篷禳太，瑟疆鼠搴霰上谬，要惩餐裂0 。0 5 j 捌竣下弱赣痉楚鬏强蘧 的。舀前加工单彼比较小的加工方法主要膏弹性破坏加工、化学加工、离子柬加工、 电子柬加工、等离予体加工等。现在已经出现但还未成熟、来得到广泛艘用的新型光 整加_ i 方法主要静：磁力研磨、非接触研磨、浮动抛光、水合抛光、电化学机械复食 热工。戈 程瀵党羧加工技术豹发矮，瘟深入锈究蘩】搽讨这些趣工方浚夔热王掇蠖 及工麓规律，只要在任何一个方蕊取得发袋躐突破，必将稳迸竞整加工技术兹迅猛发 展。 1 ，3 电化学橇槭复合光熬加工的特点及应用 瑰化学机械复合光整加工慰将电化学i i 日搬溶解与机械珩磨作用绪裔起来豹种 加工方法，属于j 二述新课题中的一类，它的加工单位极小，从原理上讲，其加工精艘 可以达到原子级，所以其加工糟度具有很大的潜力，还鸯特予人们去研究开发。由于 毫琵攀掇援复台巍熬鸯曩工主要怒嚣毫拖学数掺弱来去除金籁，骚数宏残佟溺力疆小， 并盛旃液体静参与，嚣露产生瀚热缀小，掰疆避免了 主j 力翻热雨产生瀚袭面划痰、翻 工硬化、残余应力、表面变质层镣机械加工工蕊的固有缺陷，可以获取棚当低的表面 粗糙度和高的表耐质量。 从加工原理讲，电化学槐械毙整加工工艺蛉特点为： ( ) 魏王楚鞫产、生产效搴离 由于屯化学机槭加工主要怒靠电化学的作用去除金属，所以其加工性能不受金属 材料舟身强度、硬度的限制，只藤有合适的哇妻解液，就可以加工几乎任何高硬度、商 韧性、高强度的金j ；i i 材料，生产搴较高。有报道说电解磨削硬质合金的生产率比采用 金喇器砂轮觳常趱灏粼要毫3 5 绥；臻 囊斑譬毒惩拔籀_ 凫方法两工搂其，黛产宰眩手工 擞光挝商3 - - - 9 倍。 ( 2 ) 表面质激好 电化学机械复龠光整加工生疆不是依靠机械切黼力米划涂金属。所以，用这剩方 法热工出来改工壤藤，理论上不仅趣糙废缀低，掰且表磁无掇摭划痰，没煮鸯爨工磷 纯痿、交矮层、残余鹿力强菠嚣糯臻巍荔粥凌瓣烧伤等欢隔。 联士i 交终埝 e e 燃i u i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i l i i fill j , 1 , i e e ，黔 ( 3 ) 表面微观形貌不同予机械磨削 从热工原理上讲，机械磨燃褒箍微观呈尖蜂状，藤邀化学机械热工裹蕊表现为平 疆状，帮“毫霖登”表瑟，这静裘嚣其鸯较窝熬支零穗力，箨凳簿稼袭舔簿，应其有 眈机械加工工件爨好的摩擦、磨损特性，这羊申褒而还应其有耐腐蚀、抗介质粘跗等优 点。 ( 4 ) 控制条件好 瑷论土，逶邋羟裁邀纯学作列瓣逛参数，羧露实琨对蕊王遘礁黪羧裁，掰鼓骞翳 实现工艺鑫动稼。 ( 5 ) 机械磨擞磨损小 出于机械磨具用于刮除氧化膜，作用力极小，所以磨损很小。因此，不仅减少了 磨其蛇修磨时阗，同时也提高了穗其静使爆寿命。 ( 8 ) 藏零较裁 臻达到弼样冉勺工艺水平，漱化学祝械加工t 艺较其它加工工艺所_ ： i 设备投资少， 加工成本低。 电他学机械复合光整加工工艺，既不受工件材料强度、硬度和韧性的限制，也不 受工传澎竣熬聚链，哥戳麴工悫淡嚣、癸表霞及秘形状瓣笈杂裘惹、鬃腔等，磬羹， 可戳髑柬加工各种硬璜合金、瓣热镪、淬火镶等。困雨，# 毽化学飒械复合光整加工方 法的应用前景是非常广阔的。 1 4 本文工 譬的主要内容 我国在瞧化学机械复合加工方面的研究，正处于上升缴展的态势，许多新的方法 也正在研究、实验巾。由于电化学机械复合加工二i = 艺有时鼹现出一定的不稳定性，这 在很大翟度上限制了它在工业奠：产中的? “泛应用。所以，漤想充分发撵熊优势，获得 良好翦嘉n 王效粱，必须深a 建强突焚蠢疆：援疆，台理j 塑造搀捷翅与电绽攀蕊工耪复会 翦机械嬲工方式戳及准确地选铎加工参数，从弼使祝械翔工与电鼗学船_ i 有枫地配 合，邀将有大量的实验研究工作臻做。目前，很多学者也正在这方面做饕大量的研究 和实骏，相信不久的将来，电化学帆械复含光牾加工工艺技术会取得长越进展。 浆予上述分撰，本文采用f 翘化学枕械复合光整搬工方法，对澜转表褥魏工馋进行 了光照鞠工实验搿究。在凌骞瓤纯学麴工嚣谂缒攒霉下，宠残了下述工 筝。 1 电化学机械复合光整加誓设备的研制 榛援实瑷毫纯漤壤辕复合热二l = 麴祭终，对蒋逶车廉逡撂菠遮，瓒熬攒电系统、供 液系统、辊辕王鸯警系统及税臻鹃囊动控翻系统，在实蕊魄纯学税壤复合船工豹同时， 解决好两个问题：一是正件与机床的绝缘闷蹶，在以往的电化学机械复合加工的研究 中，擞然实现了电化学机械复台加工，但在工件带电以后，机床也成了带电体，这是 一静不理想的状况，在奉研究中，通过自行研制的复式主毒l l l ，把加工建髓趣流电健输 绘王终，霞王舅二袋为带毫俸，与鞭l 基源囊鬣穗逶靛工具蕊缀之阉遗孬邀纯学作臻，实 现电化学加工，但机床与工件之间是绝缘f j 勺，机床不带电，这将有利予操作者的人身 安全：= 是进给压力的测量问题，在大多数情况下，恁进行电化学机械艇合加工时， 进给压力的调节是驻操作者的麟擞，没有科学的测量方法，无法进行凇确操作，在本 骚定中，采瘸鑫霉移 露l 趣工翊工具头，列工其头与工穸 之阙躲避绘压力遴行实对溅鐾、 实时崴示：以方德搽作中静躐黎与调节，袋终实现对进给压力豹控制。 硕：j ? 论文绪论 苎篁葛皇皇皇阜兰ii,i , 皇阜篁鼍蕾皇葛篁皇宣墨葛皇置 2 工艺实验及电化学机械复合光整加工表面形貌分析 在自行研制的机床上通过工艺实验、调整机床，并确定电化学机械光整加工时 的各个工艺参数，如电解液的成份及浓度、珩磨条的磨粒粒度及磨削压力、机床的转 速、电流密度的大小等，并进一步探讨工艺参数对加工质量、生产率的影响规律，力 求使加工达到自动、稳定、高效，以取得良好的综合加工效果，有关表面微观几何特 征参数的测量工作在英国产t a t , y s u r f - 6 型轮廓仪上完成，取样长度卢o 2 5 m m ，评定 长度为5 测量是在垂直于加工痕迹的方向上进行的，并且运用有关理论对实验结 果进行分析。 3 电化学机械复合加工表面形貌特性对工件工作性能的影响分析 目前对电化学机械复合加工的研究，还仅仅处在加工过程的实现上，对加工后工 件表面的形貌特性的研究也还不够系统深入。本研究中，通过对加工工件的表面形貌 特性参数进行实测，并将这些参数同机械磨削加工工件进行对比分析，以找出电化学 机械复合光整加工工件与机械磨削加工工件在表而形貌特性方面的区别，以及工件在 摩擦、磨损等工作性能上的不同。 7 硕士论文电化学机械复合加丁机理分析 皇詈毒邕岂尊鼍墨舞暑鼍烹昔皇皇皇鼍i i ii ,i i i n , i 鼍基窝鼍审墨舞! l 蔓e 第二章电化学机械复合加工机理分析 电化学机械复合加工是将电化学加工与机械加工结合在一起的加工方法。电化学 机械复合加工，是依靠电化学反应与机械珩磨的双重作用来实现加工目的的。因此， 电化学加工机理也是电化学机械复合加工的基础。电化学加工( e l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n g 简称e c m ) 其理论建立于19 世纪末，在2 0 世纪3 0 5 0 年代在工业上得 到广泛应用，主要包括从工件上去除金属的电解加工和向工件表面上沉积金属的电 镀、涂镀两大类。用于去除金属余量的电解加工方面的研究始于上世纪5 0 年代中期， 现在已成为应用越来越广泛的一种特种加工技术。电解加工方法是利用金属原子被氧 化失去电子成为金属离子而达到去除余量目的的。电解加工不存在明显的切削力，工 件无受力变形和热变形，生产效率高，其加工精度从原理上讲能达到原子级。电解加 工适用于各种难切削的金属材料的加工，如钛合金、高温耐热合金等，还可以加工出 各种形状复杂的工件，如航空发动机的叶片、喷嘴及磁力大炮的炮身等。由于电解加 工具有许多优点，所以受到r 各国学者的重视。 2 1 电化学加工的基本理论 2 1 1 电化学加工的有关概念 预金属片插入琏王解质溶液中并接上电源就形成回路，导线和溶液中均有f 乜流流 过。金属导线和溶液是两类不同性质的导体，金属导体是靠自由电子在外电场的作用 下按一定方向移动而导电的，是电予导电，也称第一类导体；电斛质溶液靠离子移动 而导电，是离子导体，也称第二类导体。当两类导体构成回路l 耐，在金属片和溶液的 界面上，必定有交换电子的反应发生，如果所接的足直流电源，则溶液中的离子将作 定向移动，正离子向阴极移动，在阴极表面上发生还原反应；负离子州j 日极移动，在 阳极表面上发生氧化反应( 该氧化反应可能足金属原子失去电子而成为正离子进入溶 液的过程) 。溶液中正负离子的定向移动称为电荷的迁移。发生在第一类导体和第二 类导体界面上的反应即为电化学反应。应用电化学反应原理对金属材料进行加工的方 法称为电化学加工。下丽首先介绍一下与电化学加工有关的概念；电极电位、电极的 极化、钝化、活化、阳极和阴极的电极反应等。 1 电极电位 金属原子是由带正电荷的原予核和带负电衙的自由电予构成，当金属和电解液接 触时，常常会发生把电子交给反应粒予( 分子或离子) 或从反应粒子得到电+ 于的反应。 例如铁与氯化弧铁的水溶液接触，由于铁离子在晶体巾具有的能级比其在溶液巾成为 水化离子的能级高，较卅：稳定，所以晶体界谢上的铁离子与水分子作朋，具有成为水 化铁离子进入溶液中去的倾向，电子则留在金秘h 即： f e f e 2 + + 2 e 这样，金属上因为有多余的l 乜予而带负电，靠近金属表丽很薄的一层溶液闲为具有多 余的铁离予而带正电。髓着电解的铁离子数f i 的增加，金属上负l ；乜荷数日与溶液中的 正电荷数目也增加，井口其所形成的静i n o l 力场强度电随之增强，在引力的作用i ：饮 硕士论文电化学机械复合加= 1 ：机理分析 离子的溶解速度逐渐减慢，另一方两溶液，1 1 的铁离予又出现沉积到金属表面上去的趋 势，即： f e 2 十+ 2 e f e 随着金属表面负电荷的增多，溶液中f e ”沉积到金属表面的速度增加，最后这两种相 逆过程就会达到动态平衡状态。对化学性能比较活泼的金属，其表面带负电，溶液带 正电，形成双电层。金属愈活泼，这种趋势愈大。相反，当金属离子在金属上的能级 比在溶液中的低时，金属离子存在于金属晶体中就比在溶液中更稳定。例如，把铜 c u 放在c u s 0 4 溶液中，则金属表面带正电，靠近金属锕表面的溶渡薄层带负电，也 形成了双电层，金属愈不活泼，这种趋势愈大。由于双电层的存在，在正、负电层之 间就形成电位差。这种在金属和它的盐溶液之间所形成的电位差称为金属的电极电 位。因为它是金属在其本身盐溶液中溶解和沉积相平衡状态下的电位差，所以又称为 平衡电极电位。 一种金属和它的盐溶液之问的电极电位，目前还不能直接测定，但可用电桥的方 法测出两种不同电擞之间的电位差。在电化学理论和实践中，为了能科学地比较不同 金属的电极电位的大小，统一地给定了标准电极电位和标准氢电极电位这两个度量标 准的规定。标准电极电位，是指金属在给定的统一的标准条件下、桐对一个统一的电 位参考基准所具有的平衡电极电位。在理论电化学中，上述统一的标准环境约定为把 金属放在此金属离子的离子活度为l m o l i 的溶液中，在2 5 和一个标准大气压的条 件下。这一规定为衡量不同金属的电极电位约定了统一的标准环境条件。而统一的电 位参考基准则为标准氢电极电位，所谓标准氢电极电位，是指溶液中氢离子的活度为 l m o l l 、氢气分压为一个标准大气压、2 5 2 2 条件下，在一个专门的氢电极装晟中所产 生的氢电极电位。在电化学理论中，统一规定标准氢电极电位为零电位，其它金属的 电极电位都是相对于标准氢电极电位的代数值，简称该金属的电极电位，其符号为 s i t e ，既s t a n d a r dh y d r o g e ne l e c t r o d 。用口表示。 在实际工程条件不一定处于标准状态，在具体工程条件下，金属的电极电位可采 用“能斯特( n e r n e s t ) 公式”进行换算： = 妒”器l n = 二竺竺( 2 - 1 ) d 还原盎 式中口平衡电极电位： 1 1 一电极反应中得失电子数； 8 一离子的活度( m o l l ) 。 掣。一标准电极电位； r 一摩尔气体常数( 8 31 4 j m o l k ) ： t 一绝对温度( k ) ； f 一法拉第常数( 9 6 5 0 0 c 1 , n 0 1 ) ； 对于固态金属和其n 价正离予溶液构成的可逆电极，则公式中a 靴m 为含正离予 溶液的活度，a 。女为固体金属的离子活度，取a 自= 1 m o l l 。 对于非金属负离子( 含在溶液中) 和非金属( 周体、液体或气体) 构成的可逆 电极，公式中a 氧化，斋为非金属的离子活度，而纯态的液体、固体或气体( 气压为一个 大气压) 的离子活度都认为等于l m o l l ，即取a 氧化。= 1 ；而取a 目$ 为该离子溶液的 离子活度。 根据上述取值原则，且将有关常数值代入，并将自然对数换成以l o 为底的对数， 则在2 5 时n e r n s t 公式可以简化为： 硕士沦文 电化学机械复合加工机理分析 妒，：妒。塑i 。g 口( 2 2 ) 盯 式中标0 0 5 9 ：翌婴：! ：婴! ：塑 f9 5 6 0 0 式中“+ ”号用于计算金属，“一”用于计算非金属的电极电位。 2 电极的极化 平衡电极电位对应没有电流流过时的情况，这时电极界面上的电荷交换处于动态 平衡状态。当有电流通过时，电极的平衡状态遭到破坏，使阳极的电极电位向正移( 代 数值增大) ，阴极的电极电位向负移( 代数值减小) ，这种现象称为极化。极化后的电 极电位与平衡电位的差值称为过电位。即： 矽= 妒一纯 ( 2 3 ) 阳极极化时 妒 纯所以p 0 ： 阴极极化时 p 纯所以妒 0 1 2 v ) a t p = bl g ( i i o ) ( 2 1 0 ) 舯卜矧弱极极化b = 警 删日极极化护器 式( 2 一l o ) 即为t a i b l 公式，可见妒与l g i 呈线性关系。 2 ) 在低过电位区( a c p l k 的阳极 反应应为析出c 】! ，但有时同时发，i 砖州1o ：鹰，馊析 | c 1 2 毡流效率降低。 ( 3 ) 由于电化学反应或机械作用等其它原因导致产物的消耗或产物的生成。 为解释和计算理论与实际的偏差，提出了电流效率这一概念，其定义可阁两种方式 给 ： 硕士论文电化学机械复合加工机理分析 t ，对于一定的电爨：，赶流效率n 2 覆襄鏊箬馨鬻粪雾蓉茎甏煞 。) 列十一定最的物质：t i ：! 流效率n = 垫鲨鼍羔簧慕篙擎 所以上述各式就可以写成： v2 叩鲫7 ( 2 15 ) = q k l t ( 2 1 6 ) l = 叩棚“ ( 2 1 7 ) 若计深度方向上的蚀除速度为”，则有 v 。= 叩n ( 2 1 8 ) 式中：”a 一垂直于：1 二件表面方向上的蚀除速度 从上式可以看出，在深度方向上的蚀除速度与电流密度成正比。即该点的电流密 度越高，生产率就越高。 2 ，电流分布的特殊要求 为了能够充分利用电极表面的活性物质或电催化能力，通常工业电化学过程， ! i l j 要求 b 极表面的电场密度分布尽可能的均匀一致。例如，电镀时为了在零件表面获得 均匀致的镀层，需要使用分散能力高的电解液。栩反，电解加工则要求电流密度和 金属的溶解速度都不均匀，尽量加大阳极表面和阴极表面距离不等的两点之间的溶解 速度的差别，这样才能使电极反应( 金属的阳极溶解) 局限在特定的区域和间隙下进 行，从而实现金属的成型加工，电流分布越不均匀、电极反应局部集中程度越高，电 解加工的精度就越高。因此，使用分散能力低的电解液，有利于提高电解加工的精度。 设阳极表面距阴极距离不等的两点的金属溶解速度，即去除速度之比为u ，则 u = u j u = ( i j i i ) ( ，* ，日) ( 2 - 1 9 ) 式中：u 遄一距离较近的点的溶锵速度； u 硅距离较远的点的溶解速度； im 一距离较近点的电流密度； i 运_ 距离较远的点电流密度： 玑栅离较近的点对应的金属溶解的电流效率； 叩s 一距离较远的点对应的金属溶解的电流效率； 由此可以看出，有两个关系影响到u 值： ( 1 ) 距离较近的点与距离较远的点的溶解电流密度之比，即一i 曲线( 电流密 度随距离的变化规律曲线) 。显然，当加工间隙加大之后，电流密度下降愈快愈好。 ( 2 ) 距离较近的点与距离较远的点的溶解电流效率之比，即7 7 一i 的曲线，我们 希望其为增函数，因为这样来可以加大金属溶解速度的差别，即增大垒属的去除速 度比。国内的学者们已经详细研究了决定电解加工精度的这一机理，并得出了如下结 论： 疆士论文电诧学瓿缀爱食糖工槛理分瓣 i 1 一童t77 一- 幸一吉? 牛0 i 母 十t t * 、，- 一 强2 - i2 c r l 3 在电群搬王对瓣露霹强2 2c r m n m o 程龟解棚王辩黪 去箍速凌辱电藏密瘦鸹美袭粥实掰去跨迷菠与邂蔑密度瓣羌系1 l 1 ) 在不同条件下，上述磁大关系的佟溺可能五i 尉。例如，在活忧裂电解液( 蜘 氯化钠) 中加工时，一j 关系超主