（机械制造及其自动化专业论文）表面织构电解加工技术的基础研究与应用.pdf

南京航窄航天人学博士学位论文 摘要 研究表明 表面织构技术是改善摩擦副表面摩擦学特性的有效手段 目前 表面织构已经 在缸套 滑动轴承和机械密封等工程技术领域中获得了成功的应用 因此 低成本 高效率 高精度的表面织构加工技术已成为制造领域的研究热点 国内外研究学者提出了多种表面织构加工手段 电解加工 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 i v o 具有诸多优点 如 与工件材料的硬度无关 加工表面无热影响层等 因此 该技术引起了研 究人员的关注 电解加工是利用工件阳极在电解液中发生阳极溶解的原理 将工件加工成形的 一种制造技术 由于电解加工过程中 工件材料的减少过程以离子的形式进行 因此这种溶解 去除方式使电解加工技术在微细制造领域有着巨大的发展潜力 本文主要针对特征尺度为数十微米至数百微米的金属表面织构加工技术 提出了表面织构 电解加工技术 根据工具阴极与工件阳极的相对位置不同 本文提出了活动模板电解加工技术 和电解转印技术 本文的主要内容包括以下几个方面 1 提出全新的活动模板电解加工表面织构技术 该技术可以有效降低加工成本 提高加工 效率和加工柔性 2 建立活动模板电解加工表面织构的极间电场模型 利用有限元技术分析加工定域性 并 对加工过程进行模拟 将数值分析及模拟结果用于指导试验研究 3 开展活动模板电解加工表面织构技术研究 构建活动模板电解加工平面和曲面织构试验 系统 研究了活动模板结构尺寸对表面织构形貌的影响 分析了表面织构随加工过程参数的变 化 如电流密度 加工时间等 同时 试验研究了不同阳极工件材料加工后的表面织构形貌 4 提出采用辅助阳极来提高活动模板电解加工技术的定域性 通过电场理论分析比较了无 辅助阳极和有辅助阳极时工件阳极表面的电场分布规律 并通过试验验证辅助阳极可以有效地 提高活动模板电解加工的定域性 5 开展电解转印表面织构技术研究 试验研究了基于金属基底的s u 8 光刻胶紫外光刻工 艺的各个环节 利用优化的工艺措施 制备了高尺寸精度 轮廓清晰 无明显缺陷 与基底金 属结合力强的工具阴极 基于电场模型分析工具阴极上胶膜尺寸及加工间隙对加工定域性的影 响 同时 研究加工电源对表面织构形貌的影响 6 考察研究表面织构技术对缸套 活塞环 活塞摩擦副摩擦学性能的影响 选择合适的活塞 环 活塞片断作为试件 并采用活动模板电解技术在活塞环 活塞表面加工不同尺寸的表面织构 在往复式摩擦试验机上进行摩擦试验 试验结果表明 合理的活塞 活塞环表面织构具有良好的 抗磨减摩效果 表面织构电解加工技术的基础研究与应用 关键词 表面织构 模板电解加工 电解转印 电场 定域性 活塞 活塞环 n 南京航窄航天大学博 l 学位论文 a b s t r a c t i th a sb e e ni d e n t i f i e dt h a tt h es u r f a c et e x t u r ec a ni m p r o v et r i b o l o g i c a lp r o p e r t y a tp r e s e n t i th a s b e e nw i d e l ya p p l i e dt om a n yf i e l d ss u c ha sc y l i n d e r j o u r n a lb e a r i n g a n dm e c h a n i c a ls e a l t h e r e f o r e t h ep r o c e s s i n go fs u r f a c et e x t u r i n gw i t hl o wc o s t h i g he f f i c i e n c ya n da c c u r a c yh a sb e c o m ear e s e a r c h t o p i c v a r i o u st e c h n i q u e sa b o u ts u r f a c et e x t u r i n ga r ee m p l o y e d c o m p a r e dt ot h eo t h e rp r o c e s s i n g m e t h o d s 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 i sp o p u l a rf o ri t sa d v a n t a g e si nm a n ya p p l i c a t i o n ss u c h a si t sr e g a r d l e s so fm a t e r i a lh a r d n e s sa n dn oh e a ta f f e c t e dl a y e r e c mi sap r o c e s so ft h ea n o d i c e l e c t r o c h e m i c a ld i s s o l u t i o no ft h em e t a l l i cm a t e r i a l si na ne l e c t r o l y t i cm e d i u mu t i l i z i n gt h e e l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n d u et ot h et i n ys i z eo fm e t a li o n e c mh a sat r e m e n d o u sp o t e n t i a li nt h e m i c r o m a n u f a c t u r i n gf i e l d t of a b r i c a t ew e l l d e f i n e ds u r f a c et e x t u r ei nt e n so fm i c r o n st oh u n d r e d so fm i c r o n s e l e c t r o c h e m i c a l m i c r o m a c h i n i n go fs u r f a c et e x t u r i n gi sp r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h et o o l c a t h o d e t h en e wt e c h n o l o g yc a nb ec l a s s i f i e da st h r o u g hm o v a b l em a s ke l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g a n de l e c t r o c h e m i c a lp a t t e r nt r a n s f e r a n dr e l a t i v er e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e do u t t h ed i s s e r t a t i o n c o n s i s t so fs e v e r a ls e c t i o n s 1 t h r o u g hm o v a b l em a s ke l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n go fs u r f a c et e x t u r i n gi sp r o p o s e d c o m p a r e d w i t l lt h et r a d i t i o n a lt h r o u g hm a s ke l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g t m e m m t h em o d i f i e dt m e m mc a n r e d u c ec o s t i m p r o v em a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n df l e x i b i l i t y 2 t h em o d e lo fc u r r e n td m t r i b u f i o nb e t w e e nt h ea n o d ea n dc a t h o d et h r o u g ht h ee l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n gp r o c e s si sb u i l d f i n i t ee l e m e n tm e t h o di st h e nu s e dt os o l v et h em o d e l t h em a c h i n i n g l o c a l i z a t i o ni sa n a l y z e da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tf o rb e t t e ru n d e r s t a n d i n gt h ep r o c e s s a n do b t a i n i n gg o o dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s 3 t h ek e yf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ee l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n go fs u r f a c et e x t u r i n gp r o c e s s t h r o u g h m o v a b l em a s kh a v eb e e ns t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo fe l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n gi sd e v e l o p e d t h ee f f e c t so ft h ed i m e n s i o no ft h em o v a b l em a s ka n dt h em a c h i n i n g p a r a m e t e r ss u c ha sc u r r e n td e n s i t ya n dt h em a c h i n i n gt i m eo nt h es u r f a c et e x t u r i n ga r ei n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l l y t h ea p p e a r a n c eo ft h es u r f a c et e x t u r i n go nd i f f e r e n ta n o d em a t e r i a ls u r f a c e sa r e g e n e r a t e d 4 t h ea u x i l i a r ya n o d ei s c o n s i s t e di nt h em a s ko ft h em o d i f i e dt m e m mt oi m p r o v et h e i i i 表面织构电解加工技术的基础研究与应用 l o c a l i z a t i o no ft h es u r f a c et e x t u r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec u r r e n td e n s i t yi nt h ei n t e r e l e c t r o d e g a pi s v e r i f i e dt h ep r o p o s e dm e t h o dt h e o r e t i c a l l ya n dt h ee f f e c to ft h ea u x i l i a r ya n o d eo nt h e m a c h i n i n gl o c a l i z a t i o n o nt h e a l u m i n u m a l l o y s u r f a c ei s i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em a c h i n i n gl o c a l i z a t i o ni ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e db yt h ea u x i l i a r y a n o d es u c c e s s f u l l y 5 t h ek e yf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ee l e c t r o c h e m i c a lp a t t e r nt r a n s f e ro fs u r f a c et e x t u r i n gh a v eb e e n s t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h ep a r a m e t e r so fu v l i t h o g r a p h yp r o c e s s h a v eb e e ns t u d i e d t op a t t e r ns u 一8p h o t o r e s i s ts p i n c o a t e do nt h ec a t h o d es u r f a c e u s i n go p t i m i z e dp r o c e s sp a r a m e t e r s s o m es u 一8m o u l d sw i t hg o o dd e f i n i t i o na n dt o p o g r a p h y f e w e rd e f e c t sa n de x c e l l e n ta d h e s i o nt ot h e m e t a ls u b s t r a t eh a v eb e e ng e n e r a t e ds u c c e s s f u l l y t h em a t h e m a t i c a lm o d e li nt h ei n t e r e l e c t r o d eg a pi s c a r r i e do u ta n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ti n t e r e l e c t r o d eg a p so nt h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni s a n a l y z e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ee f f e c t so ft h ei n t e r e l e c t r o d eg a pa n dt h ep u l s ep o w e r p a r a m e t e r so nt h ee t c hf a c t o ro ft h em i c r o d i m p l ea r ei n v e s t i g a t e d 6 t ov e r i f yt h ee f f e c to fs u r f a c et e x t u r i n go nt h ep i s t o n p i s t o nr i n gs a m p l e s t h ef r i c t i o nt e s t sa r c c a r r i e do u tu s i n gar e c i p r o c a t i n gf r i c t i o nt e s t e r a c c o r d i n gt ot h ec o n t a c tb e t w e e nt h ep i s t o n p i s t o n r i n g sa n dc y l i n d e rl i n e r f r i c t i o nt e s t sa c a r r i e do u tf o rav a r i e t yo fs u r f a c et e x t u r ew i t hd i f f e r e n t d e n s i t ya n dd i m e n s i o n s t h er e s u l t so ff r i c t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ef r i c t i o nc o e 伍c i e n to ft h e s u r f a c e 析t l la p p r o p r i a t es u r f a c et e x t u r ei so b v i o u s l yl o w e rt h a nt h a ts m o o t hs u r f a c e k e y w o r d s s u r f a c et e x t u r r e t h r o u g hm a s ke l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g t m e m m e l e c t r o c h e m i c a l p a t t e mt r a n s f e r e l e c t r i cf i e l d l o c a l i z a t i o n p i s t o n p i s t o nr i n g i v 表面织构电解加t 技术的基础研究与应用 图表清单 图1 1 动植物表面的非光滑形态 l 图1 2 具有自清洁效应的荷叶表面 2 图1 3 荷叶表面的微观形貌 2 图1 4 鲨鱼皮泳农表面 3 图1 5 高尔夫球体表面形貌 3 图1 6 轻型车辆发动机的能革分布图 4 图1 7 激光加工活塞环表面织构形貌 4 图1 8 端面表面织构排列形貌 5 图1 9 常用表面织构形貌 6 图1 1 0 激光加工表面织构形貌 6 图1 1 1 激光加工 翻边 现象 7 图1 1 2 磨料气射流加工示意图 7 图1 1 3 微磨料气射流加工的表面织构 8 图1 1 4 电火花加工表面织构技术 9 图1 1 5 电射流加工示意图 1 0 图1 1 6 电射流电解加工的表面织构 l o 图1 1 7 平面和圆柱面的钛合金表面电射流电解加工 l o 图1 1 8 传统模板电解加工钛合金表面织构 l l 图1 1 9 激光氧化模板电解加工金属钛表面织构过程示意图 1 1 图1 2 0 激光氧化膜板电解加工表面织构 1 2 图1 2 1 电解转印表面织构形貌 1 2 图1 2 2 无掩模电解加工表面织构示意图 1 2 图1 2 3 无掩模电解加工表面织构形貌 1 3 图2 1 传统模板电解加工表面织构过程示意图 1 8 图2 2 传统掩模电解加工原理示意图 1 8 图2 3 表面织构电解加工工艺示意图 1 9 图2 4 活动模板电解加工平面织构的工艺路线 2 l 图2 5 接触式活动模板电解加工柱面织构示意图 2 2 图2 6 活动模板电解加工柱面织构过程示意图 2 2 图2 7 活动模板电解加工柱面织构流程图 2 3 图2 8 活动模板电解加工影响因素 2 4 图2 9 电解转印加工表面织构过程示意图 2 5 图2 1 0 电解转印加工表面织构影响因素分析 2 5 图3 1 传统掩模电解加工电极排布 2 8 图3 2 活动模板电解加工电极排布 2 8 图3 3 传统掩模电解加工极间封闭区域内电场模型 2 8 图3 4 接触式活动模板电解加工的极间封闭区域内电场模型 2 9 图3 5 模板电解加 t 成型示意图 3 0 图3 6 电流效率实验加工区示意图 3 2 图3 7 电流效率实验系统示意图 3 2 图3 8 不锈钢材料的电流效率曲线 3 3 图3 9 电解加工过程模拟流程图 3 4 图3 1 0t o 时的轮廓图和网格划分图 3 5 v i l l 南京航窀航天大学博 t 学位论文 图3 1 1t 2 s 时的轮廓图和网格划分图 3 5 图3 1 2 传统掩模电解加工过程模拟 3 6 图3 1 3 活动模板电解加工过程模拟 3 6 图3 1 4 微坑尺寸随时间的变化 3 6 图3 1 5 传统掩模电解加丁 微坑试验结果与模拟结果比较 3 7 图3 1 6 活动掩模电解加 r 微坑试验结果与模拟结果比较 3 8 图4 1 接触式活动模板电解加工工作箱 3 9 图4 2 电解液循环系统示意图 4 0 图4 3 活动模板电解加工电解液流动方式示意图 4 1 图4 4 夹具实物图 4 1 图4 5 表面织构分布示意图 4 1 图4 6p c b 钻铣床实物图 4 2 图4 7 模板加工轨迹生成流程图 4 2 图4 8 活动模板实物图 4 3 图4 9 不同电解液压力下加工结果比较 4 5 图4 1 0 活动模板电解加工表面织构过程示意图 4 5 图4 1 l 活动模板示意图 4 6 图4 1 2 活动模板尺寸对阳极表面电流密度分布的影响 4 7 图4 1 3 不同金属层厚度对阳极表面电场分布的影响 4 7 图4 1 4 不同绝缘层厚度对阳极表面电场分布的影响 4 8 图4 1 5 不同图形间距对阳极表面电场分布的影响 4 8 图4 1 6 绝缘层厚度仍为1 0 0 m 4 9 图4 1 7 绝缘层厚度量易为2 0 0 m 4 9 图4 1 8 工件表面铬层的能谱分析图 5 l 图4 1 9 硬铬层表面加工前后比较 5 l 图4 2 0 微坑直径与电流密度的关系 5 l 图4 2 l 不同电流密度下表面织构形貌比较 5 2 图4 2 2 带有硬铬层的阳极工件加工后表面织构形貌 5 2 图4 2 3 铝合金材料能谱分析 5 3 图4 2 4 电流密度卢5 a c m 2 加工结果 5 3 图4 2 5 不同电流密度下加工结果比较 5 4 图4 2 6 铝合金工件表面织构形貌 5 4 图4 2 7 微坑剖面随时间的变化 5 5 图4 2 8 微坑尺寸随时间的变化 5 5 图4 2 9 模板电解加工圆柱表面织构系统示意图 5 6 图4 3 0 微细电解机床实物图 5 6 图4 3 l 模板电解加工圆柱表面织构夹具结构 5 6 图4 3 2 加工电路控制示意图 5 7 图4 3 3 圆柱表面织构j j 口 j 控制界面 5 7 图4 3 4 圆柱工件表面织构形貌 5 9 图4 3 5 活动双极性模板结构示意图 5 9 图4 3 6 增加辅助冈1 极后极间封闭区域内电场模型 6 0 图4 3 7 无辅助刚极及有辅助阳极时加工间隙内电势分布比较 6 l 图4 3 8 阿1 极表面电流密度分布趋势 6 1 图4 3 9 无辅助刚极时加工的微坑形貌 己 1 2 vt 2 s 6 3 图4 4 0 有辅助刚极时加1 的微坑形貌 h 产3 0 m 己 1 2 v f 2 s 6 3 图4 4 1 不同辅助阿j 极厚度的加j l 结果比较 6 3 图4 4 2 有辅助刚极h a 3 0 m 时加j 的微坑形貌 u 1 0 v t 2 s 6 5 i x 表面织构电解加工技术的基础研究与戍用 图4 4 3 有辅助刚极h s 3 0 m 时加工的微坑形貌 u 1 4 v t 2 s 6 5 图5 1 极间封闭区域电场分布模型 6 6 图5 2 电解转印加工表面织构过程示意图 6 7 图5 3t 0 s 时的轮廓图和网格划分图 6 7 图5 4t 三1 5 s 时的轮廓图和网格划分图 6 7 图5 5 表面织构形貌变化模拟 6 8 图5 6 试验结果形貌 6 8 图5 7 试验结果与模拟结果比较 6 9 图5 8 电解转印t 具阴极结构示意图 6 9 图5 9 工具模板制作示意图 7 0 图5 1 0s u 8 胶分子结构 7 0 图5 1 1 基片表面形貌 7 l 图5 1 2s u 8 胶匀胶过程 7 2 图5 1 3 厂商提供的s u 8 2 0 5 0 转速 厚度曲线 7 3 图5 1 4 试验测得的s u 8 2 0 5 0 转速 厚度曲线 7 3 图5 1 5 前烘过程 7 3 图5 1 6 曝光剂量合适 7 4 图5 1 7 曝光剂量过量 7 4 图5 1 8 后烘过程 7 4 图5 1 9 阵列 十 字沟槽结构 7 5 图5 2 0 阵列微坑结构 7 5 图5 2 1 工具阴极上胶膜结构尺寸示意图 7 6 图5 2 2 不同光刻胶厚度对阳极表面电流密度分布的影响 7 6 图5 2 3 光刻胶厚度为2 0 0 m 的加工结果 7 6 图5 2 4 光刻胶厚度为4 0 m 的加工结果 7 7 图5 2 5 加工间隙g 对阳极表面电场分布的影响 单一特征孔 7 8 图5 2 6 极间距对阳极表面电场分布的影响 多个特征孔 7 8 图5 2 7g 2 0 m 时表面织构形貌 7 9 图5 2 8g 1 0 0 m 时表面织构整体形貌 7 9 图5 2 9 不同极间距时微坑截面图比较 8 0 图5 3 l 脉冲波形示意图 8 1 图5 3 l 直流和脉冲加工的1 i 曲线比较 8 l 图5 3 2 直流电源与脉冲电源加工结果比较 8 1 图5 3 3 己 1 2 v 时表面织构形貌 8 3 图5 3 4 1 6 v 时表面织构形貌 8 3 图5 3 5u 2 0 v 时表面织构形貌 一8 3 图5 3 6 不同加工电压时微坑截面图比较 8 4 图5 3 7 不同面积率不同形状的表面织构形貌 8 5 图6 1 缸套 活塞系统受力示意图 8 6 图6 2 活塞构造示意图 8 7 图6 3 活塞环 8 7 图6 4 摩擦试验机实物图 8 8 图6 5 试验机软件界面 8 8 图6 6 活塞环零件图 8 9 图6 7 活塞环试件切割方案 8 9 图6 8 活塞环试样实物图 8 9 图6 9 活塞试件切割方案 9 0 x 南京航窄航天大学博 t 学位论文 图6 1 0 活塞裙部试样实物 9 0 圈6 1 1 缸套实物图 9 1 图6 1 2 活动掩模电解技术加t 活塞 活塞环表面织构示意 9 l 图6 1 3 模板电解加上活塞 活塞环表面织构试验系统示意图 9 2 图6 1 4 模板电解加工活塞 活塞环表面织构夹具 9 3 图6 1 5 电流密度对表面织构形貌的影响 9 3 图6 1 6 微坑形貌 绝缘层厚度为2 0 0 m 电流密度1 0 a c m 2 加工时间为3 s 9 4 图6 1 7 微坑形貌 绝缘层厚度为2 0 0 m 电流密度7 0 a c m z 加工时间为3 s 9 4 图6 1 8 活塞环表面织构形貌 9 4 图6 1 9 活塞环表面单个微坑形貌 9 5 图6 2 0 微坑形貌 绝缘层厚度为2 0 0 m 电流密度5 3 a c m 2 加工时间为2 s 9 5 图6 2 1 微坑形貌 绝缘层厚度为2 0 0 m 电流密度1 1 a 佃n 2 加工时间为2 s 9 5 图6 2 2 活塞试样表面织构 9 6 图6 2 3 活塞表面织构形貌 9 6 图6 2 4 活塞整体表面织构形貌 9 6 图6 2 5 不同的微坑面积率对摩擦因数的影响 9 7 图6 2 6 不同的微坑深度对摩擦因数的影响 9 8 图6 2 7 活塞试样磨损前后比较 9 9 图6 2 8s t r i b e c k 曲线 9 9 表2 1 几种电解加工表面织构技术比较 2 6 表3 1 电流效率实验加工参数 3 2 表4 1 不同绝缘层加工的表面织构的腐蚀系数比较 5 0 表4 2 模板电解加工工艺参数 5 0 表4 3 加工曲面织构试验条件 5 8 表4 4 辅助阳极加工过程工艺参数 6 2 表4 5 不同辅助阳极厚度的加工结果 表4 6 不同加工电压对辅助阳极模板电解加工结果的影响 6 5 表5 1 采用不同电解液加工的表面织构腐蚀系数比较 6 9 表5 2s u 82 0 5 0 在指定转速下获得的胶厚 7 3 表5 3 电解转印试验参数 7 8 表5 4 不同加工间隙时微坑腐蚀系数 8 0 表5 5 电解转印试验参数 电压除外 8 2 表5 6 不同加工电压时微坑腐蚀系数 8 4 表6 1 铝合金活塞化学成分 9 0 表6 2 气缸套化学成分 9 l 表6 3 模板电解加工活塞 活塞环表面织构工艺参数 9 2 表6 4 活塞环试件表面微坑具体尺寸 9 7 x i 表面织构电解加工技术的基础研究与应用 肘 工件阳极溶解的质量 k 元素的质量电化学当量 t 加工时间 p金属的密度 田电流效率 l 体积电化学当量 1 1 1工具阴极厚度 1 1 2 绝缘层高度 1 1 3辅助阳极厚度 m 蛎实际蚀除量 d 微坑直径 工 微坑间距 昂 试件表面织构所占的总面积 u 端电压 y 电解量 砌深度腐蚀速率 侧向腐蚀宽度 h为侧向腐蚀速率 e f 腐蚀系数 知 瞬时电流密度 t p 脉间 c p电解液的比热容 易 脉宽期间的温度升高值 p 气缸内的气体压力 垂直于汽缸中心线侧推力 电量 加工间隙内的电流 阳极溶解金属的体积 电流密度 阳极蚀除速度 特征孔的直径 阴阳极间距 法向电场强度 梯度 理论蚀除量 微坑深度 微坑面积率 试件表面总面积 加工间隙 电场中各点电位 表面织构深度 圆形表面织构的半径 模板上镂空图形的半径 为模板上矩形槽的槽宽 脉宽 脉冲周期 电解液流速 单个脉冲周期中平均温度升高值 运动机件的惯性力 表擗 q y k g e v s 4 缈 毛 聊知锄坳峨n 南京航空航天火学博 学位论文 第一章绪论 1 1 表面织构技术的提出 自然界的动植物经过亿万年的自然进化后 不仅完全适应其生存环境而且其程度已接近完 美 3 1 研究学者普遍认为生物界存在两类界面 光滑界面与非光滑界面 根据经典物理学理论 可知 光滑的界面上 物体运动阻力越小 物体的运动速度越快 从传统摩擦学角度分析 摩擦 接触的两个表面越光滑 摩擦力就越小 磨损量越少 但是 近些年国内外研究人员在研究如 何减少运动阻力和粘附力时发现 自然界中动植物的体表大多呈现各种非光滑表面形态 如图 1 1 所示 显然 这是自然界生物为适应各种生态环境而经过亿万年时间不断进化和优化的结果 h 一8 对于水生动植物和空中飞行动物以及土壤动植物而言 获得最小的运动阻力和粘附力的表 皮是某些非光滑表面 特别是行为敏捷的动物 其身体表面也并非是光滑的 而是由大量鳞片 或者皮下结缔组织构成的凹凸表面 例如 水中运动速度可以达到1 0 2 0 m s 的深海鲨鱼体表覆 盖着大量的鳞片和脊鳞 如图1 1 a 所示 c o 蜣螂腹部凹坑形貌 d 步甲鞘翅凸包形貌 c 贝壳表面凹坑形态 f 竹材端面耐磨表面形态 图1 1 动植物表面的非光滑形态 和动物体表一样 植物表面形貌也广泛呈现着非光滑性 植物枝叶表面的自清洁效果一度 引起了人们的关注阻 1 德国波恩大学b a r t h l o t t 等研究员对荷叶表面的自清洁效应 图1 2 进行 了系统研究 发现这种自清洁特征是由荷叶表面上大量微米结构的乳突和其表面的蜡状物共同 引起的 其两者的共同作刚赋予了荷叶 出污泥而不染 的功能 该现象被研究人员定义为荷 叶效应 l o t u s e f f e c t 引 中科院江雷等研究人员对荷州 效应进行深入研究 发现荷叶表面乳突 平均直径5 9 p m 表面织构电解加工技术的基础研究与应用 上还存在纳米结构 1 2 4 3 士3 2 n m 这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构 如图1 3 所示 是产生植物枝叶超疏水和自清洁效应的根本原因h 3 1 吉林大学的研究人员于1 9 9 0 年提出生物非光滑概念和生物非光滑耐磨理论 发现竹材与穿 山甲鳞片的磨粒磨损行为具有明显的方向性 磨损表面呈明显的非光滑形态 近年越来越多的 研究结果表明 表面并非越光滑就越耐磨 而是具有一定非光滑形态的表面反而具有更好的耐 磨性能n 4 1 7 1 研究非光滑形态表面也就是研究具有织构的表面 所谓表面织构 s u r f a c et e x t u r e n8 是指在摩擦副表面通过一定的加工技术加工出具有一定尺寸和分布的凹坑 凹痕或凸包等图案 的点阵 j 乒 r 一 一 警o 一一 巴 碜 黪 i i 7 工件阳极一 一 r 一一 图3 1 3 活动模板电解加工过程模拟 根据模拟结果 分别提取两种加工方式的加工过程中微坑形貌在侧向和深度方向的尺寸变 化 由图3 1 4 可知 随着加工的进行 微坑的侧向和纵向深度方向随着时间不断增加 7 0 6 0 5 0 3 4 0 萎3 0 2 0 1 0 3 6 12 345 加工时问 s a 加工深度随时间的变化 4 0 3 5 言3 0 j 蔷2 5 毽2 0 旧 主1 5 1 0 s 加工时问 s b 侧向腐蚀随时问的变化 图3 1 4 微坑尺寸随时间的变化 重 南京航空航天人学博上学位论文 由于活动模板电解加工过程中的 j l e 间隙小丁传统的掩模电解加工 因此 相同的电解加 r 条件下 活动模板电解加工的微坑尺寸均火于传统掩模电解加工的微坑尺寸 采用活动模板 电解加工刚开始时 侧向腐蚀比较大 这是由于活动模板电解加工过程中 主要由阴极 f l 似l 壁 与工件阳极表面形成电场 因此 加工初始时 加工区域周围电场较强 导致侧向腐蚀速度比 较快 表3 2 模板电解加工试验条件 工艺参数 加工条件 电解液成分 电解液温度 电解液浓度 叭 电解液进口压力 m p a 加工电压 v 绝缘层厚度m m 模板孔直径 p m 阳极工件材料 n a n 0 3 水溶液 3 0 1 8 0 5 l o l o o 2 0 0 s u s 3 0 4 基于上述模拟结果 进行试验验证与分析 试验条件与模拟条件一致 如表3 2 所示 传 统掩模电解加工过程中 阴阳极间距2 0 0 m 活动模板电解加工中 阴极厚度为3 5 m 该两 种加工方式的试验结果与模拟结果比较 如图3 1 5 和3 1 6 所示 f 罗 a 传统掩模电解加工微坑形貌 0 一1 0 e i 蜊 2 0 殛 3 0 4 0 o1 0 0 袭面距离 m b 试验结果与模拟结果比较 图3 1 5 传统掩模电解加一i 微坑试验结果与模拟结果比较 3 7 表面织构电解加工技术的基础研究与应用 口 a 接触式活动掩模电解加工微坑形貌 0 1 0 互 2 0 嫠 3 0 4 0 5 0 01 0 02 0 0 表面距离 b 试验结果与模拟结果比较 图3 1 6 活动掩模电解加工微坑试验结果与模拟结果比较 由图3 1 5 b 和3 1 6 b 可知 模拟结果基本能反映试验结果 但是由于在电解加工过程中影 响极间电场分布的因素很多 间隙大小的瞬间变化 电解液电导率的瞬时变化 电极电位与超 电位的存在 电解液的流动状态 加工电源输出不稳定等等都会影响电场分布 因此对极间电 场分布进行数值模拟结果不可能与实际加工间隙内电场分布完全一致 但能反映大致变化趋势 3 7 本章小结 本章首先根据电场的基本理论分别建立了传统模板电解加工和本文提出的活动模板电解加 工的极间电场模型 并利用模型对传统模板电解加工和活动模板电解加工表面织构的成型规律 进行分析和模拟 结果表明 与传统掩模电解加工相比 活动模板电解加工可以有效地提高加 工效率 并将模拟结果与试验结果进行了对比分析 3 8 南京航空航天大学博 学位论文 第四章活动模板电解加工表面织构技术研究 本章对活动模板电解加工表面织构工艺进行系统的试验研究 构建了平面和柱面织构加工 的试验系统 并进行了活动模板的设计与制作 活动模板电解加工试验研究了活动模板尺寸 电参数 阳极工件材料 电解液成分等因素对表面织构形貌的影响 同时 试验研究了辅助阳 极对提高活动模板电解加工定域性的影响 4 1 活动模板电解工艺系统 4 1 1 活动模板电解加工试验系统 活动模板电解加工表面织构试验系统主要包括电解加工机床本体 试验装夹夹具 电解液 槽 电解液循环系统和电源系统等 4 1 1 1 电解加工机床本体 工作箱是进行电解加工的场所 除定位 安装试验夹具以确保其准确的相对位置外 还要 将电流 电解液根据电场和流场特性引入到阴阳极加工间隙区域内 并将电解产物及加工产生 的热量及时有效地排出 试验 j n r 过程在j a p a x 3 0 0 b 电解力n r 机床的工作箱中进行 如图4 1 所示 该工作箱有良好的密封性 在进行大流量电解液冲刷时 机床上玻璃挡板能有效防止电 解液的溢出及泄漏 同时 工作箱具有良好的耐腐蚀性 这些都是电解j o n r 试验得以顺利进行 的必备条件 该机床工作平台采用不锈钢材料 能有效防止电解液的腐蚀 4 1 1 2 电解液循环系统 图4 1 接触式活动模板电解i j n i r 作箱 电解液循环系统是维持电解加工正常 j n e 的重要手段 电解液是电解池的基本组成部分 是产生电解加j l j 阳极溶解产物的载体 包括供液 净化 三废处理三个土要方面 其主要作用 如下 3 9 表血织构电解加t 技术的基础研究与庶用 1 将电解液以给定的压力 流量供给加工间隙区 与工件阳极及工具阴极组成进行电化学 反应体系 实现所要求的电解加工过程 2 带走电解产物 降低极化 同时保持加工间隙电解液的浓度和p h 值相对稳定 保证工件 加工区域的阳极溶解能正常连续进行 3 带走电解加工过程中所产生的热量 使加工区不致过热而引起沸腾 蒸发 维持正常的 加工 试验所用电解液系统由主泵 电解液槽 净化过滤装置 管路以及阀门等组成 其具体结 构可见图4 2 单向阀扇精过滤器赢 离心泵 一 节流阀 l 一 i lr 1 h j 一八 弋l 图4 2 电解液循环系统示意图 4 1 2 试验夹具的设计 电解加工中的夹具用于安装 定位和夹紧工件阳极与工具阴极 保证加工能连续而稳定地 进行 同时及时排除加工间隙中电极反应的产物与所产生的大量热量 其设计是模板电解加工 的重要环节 根据活动模板电解方法的电极排布方式及加工过程的实际情况 本试验的夹具在 设计时需考虑以下几点 1 耐腐蚀性 电解加工是在电解液中进行 加工过程中 有大量的电解液从夹具中高速流 过 同时夹具需要承受较大的电解液压力 根据本试验的实际情况 夹具材料选择耐腐蚀性较 强的有机玻璃材料 p m m a 2 定位精度 本试验加工过程中 在电解液的高速冲刷下 工件阳极与活动模板应保持紧 密贴合 无相对运动 3 流场布局 电解液在加工间隙内流动形成流场 并带走间隙内的电解产物和加工中所产 生的热量 降低加工间隙内电解液的电导率和温度的不一致性 因而流场布局是否合理关系到 电解加工能否顺利进行和工件加工后加工质量的优劣 对于模板电解加工 电解液通常采用两 种流动方式 正向流动和侧向流动 如图4 3 所示 南京航空航天火学博士学位论文 a 电解液正向流动示意图 阴极 绝缘层 阳极 匕 亡 冷 b 电解液侧向流动示意图 图4 3 活动模板电解加工电解液流动方式示意图 阴极 绝缘层 阳极 综上分析 充分考虑试验夹具的耐腐蚀 定位 流场和密封 活动模板电解加工的整体夹 具如图4 4 所示 a 侧流冲液夹具 4 1 3 活动模板的设计与制备 图4 4 夹具实物图 b 正流冲液夹具 通常 表面织构的几何分布包括 表面织构单体或阵列的几何形状 分布间距 以及在摩 擦副表面分布的位置 一o 0 0 一 o 一 o 一 o 0 0 0 0 o p o 一 o 0 o 一一 o 0 0 0 0 o o o 一 0 0 o 0 0 0 0 y o 9 9 9 9 9 矽9 0 q q p p p p 0 一o r o 0 0 o o o 0 0 0 0 0 0 q pq o o o o o c p o o o 一 一 图4 5 表面织构分布示意图 以表面织构为圆形的阵列微坑为例 本试验所涉及到的表面织构参数为 微坑直径d 微 坑深度h 微坑间距 和微坑面积率 r 表面织构在试件表面的排列如图4 5 所示 微坑表面织 4 l 雨斟u 囵鹦匦秽 l i i j 一 i 表面织构电解加工技术的基础研究与应用 构所占的面积率计算公式为 告 等 4 1 s4 誓 式中 为表面织构的面积率 品为试件表面织构所占的总面积 s 为试件表面总面积 d 为微 坑直径 三为微坑间距 表面织构的面积率反映的是微坑面积占表面总面积的百分比 面积率越高 分布的微坑就 越密集 工具阴极是电解加工过程中的 刀具 其结构组成 形状和加工精度对电解加工质量有 重大的影响 因此 本工艺中活动阴极模板的材料以及其设计和制造是保证模板电解加工表面 织构质量的重要前提 为使电解加工能够顺利进行 并且得到使用寿命长 操作方便的活动阴 极模板 模板的材料及结构需满足以下一些基本的要求 1 能有效地供给阳极表面加工区域电流 同时 电场分布要合理 并能达到预设的加工 电流密度 2 保证加工间隙内电解液流动顺畅 能供给加工区域足够的电解液 流场要均匀合理 3 有较好的弹性和韧性 4 阴极材料与绝缘层材料结合力好 不易分离 5 模板材料不受电解液的腐蚀 6 与工件阳极的相对加工位置定位容易 装卸方便 圈 图4 6p c b 钻铣床实物图 读取模板 图形d x f 文件 生成钻铣 图案实体 轨迹链表 圈日圉 图4 7 模板加工轨迹生成流程图 活动模板的制作在p c b 钻铣床上加工完成 如图4 6 所示 加工前根据所要加工的表面织 构形貌确定模板图形 然后根据模板图形生成钻铣轨迹 轨迹形成过程流程图如图4 7 所示 加工后模板需进行表面去毛刺处理和超声清洗 清洗后模板如图4 8 所示 模板上孔直径为 4 2 南京航空航天人学博 学位论义 4 3 表面织构电解加t 技术的基础研究与应用 电解量为 y 4 a 2 2 a t 一万 4 1 1 由此可知 活动模板电解加工过程中 电解量主要与初始加工间隙 加工时间 阳极被加 工材料 电解液的电导率有关 4 2