（机械制造及其自动化专业论文）微结构超声复合电加工技术.pdf

陶建松微结构超声复合电加一亡技术 摘要 本文介绍了微结构在摩擦学与微机械领域的研究与应用情况，概述了微细超声加工、 微细电解加工、微细电火花加工、超声复合电加工技术及国内外研究现状；进行超声复合 微细电解、电火花加工应用基础研究，为微结构加工研究出一种高效、高精度、低成本的 新工艺。 分析微细超声加工、微细电火花加工、微细电解加工等微细特种加工技术原理、特点 和工艺局限性，探讨了超声复合微细电火花加工、超声复合微细电解加工的原理，研究了 超声振动对于微细电火花、微细电解加工过程状态影响，在机理上论证了超声复合电加工 的技术优势。 构造、完善超声复合微细电加工系统，超声装置采用压电换能器、数字超声发生器， 可自动反馈、跟踪超声振动加工系统( 换能器、交幅杆、工具电极与工件) 的固有频率变 化，保证加工在系统的共振频率点，即超声振动有最大振幅；采用可调节磁悬浮张力工作 台蠕动进给机构，保持工具与工件间设置的工作压力；设计、研制了超声同步斩波器，实 现了超声频振动与脉冲电解加工的同频同步，可有效提高加工精度。 微细加工工具电极尺寸微小，制作精度要求高、难度大，其设计、制作是微细加工的 关键技术与难点之一。设计了多种截形( 轴、槽、筋、阵列微凸起、微齿轮) 微结构电极 工具头，采用多轴联动、平动反拷、内外面转换等微细电火花及精密微细线切割等组合电 加工技术，成功制作出各种工具电极，可满足本文微细复合电加工试验要求。 在不同材料( 硬质合金y t l 5 和y g 8 、不锈钢、单晶硅片、压电陶瓷、玻璃钢) 上进 行单一微细超声加工、微细超声复合电火花、电解加工的对比试验；进行多参数( 脉冲电 压、电解液质量分数等) 超声复合脉冲电解加工对比试验与分析；优化加工参数，进行超 声复合同步脉冲电解、电火花加工多种微结构试验；对复合电加工表面微结构进行摩擦学 试验分析。实验结果表明：超声加工是加工非金属硬脆材料的一种有效方法，但对硬韧金 属材料加工效率很低，且工具相对损耗较大：微细超声复合电加工的效率、表面质量均优 于单一超声加工，且工具电极损耗小，加工表面质量好；复合同步电解加工在保持一定加 工效率的基础上，具有更好的加工精度和表面质量；对非导电材料，设计辅助电极，利用 微细电解、电火花复合作用实现微细加工在机理上是可行的，仍须进一步探索：在摩擦副 表面加工出规则形貌微结构有利于储存润滑油并形成油膜，降低工件表面摩擦因数，减少 磨损。 最后对超声复合电加工的工艺特性进行了分析总结，提出现有工艺方案存在问题及完 善的措施，并对后续研究工作提出了设想和展望。 关键词：微结构，微细电极制作，超声振动，复合微细电加工，试验研究 陶建松微结构超声复合电加 二技术 i i i a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dc u r r e n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fm i c r o s t r u c t u r ei nt h ef i e l do ft r i b o l o g y a n dm i c r o m a c h i n ea r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r m i c r o - u s m ( u l t r a s o n i cm a c h i n i n g ) ， m i c r o e c m ( e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ) ，m i c r o e d m ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g e dm a c h i n i n g ) a n d u l t r a s o n i cc o m b i n e de l e c t r om a c h i n i n gt e c h n o l o g i e sa n dc u r r e n ts t a t u sa r es u m m a r i z e d s o m e f u n d a m e n t a lr e s e a r c ho fu l t r a s o n i cc o m b i n e dm i c r o e d ma n dm i c r o e c ma r ec a r r i e do u t t h e p a p e rt r i e st os t u d yap r e c i s e e f f i c i e n ta n dl o w - c o s tn e wt e c h n o l o g yf o rt h em i c r o s t r u c t u r e m a c h i n i n g t h eb a s i cp r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i ca n dt e c h n o l o g yl i m i t a t i o n so fm i c r o u s m ，m i c r o e d m ， m i c r o e c ma n dp e c m ( p u l s ee l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ) a r ea n a l y z e d t h em e c h a n i s mo f u l t r a s o n i cc o m b i n e dm i c r o e d m ，m i c r o e c ma r ed i s c u s s e d m i c r o - e d m ，m i c r o e c mp r o c e s s s t a t ei n f l u e n c eo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o ni sr e s e a r c h e d n l et e c h n i q u ea d v a n t a g eo ft h eu l t r a s o n i c c o m b i n e de l e c t r i cm i c r o - m a c h i n i n ga r ed e m o n s t r a t e do nt h em e c h a n i s m t h eu l t r a s o n i cc o m b i n e de l e c t r i cm i c r o m a c h i n i n gs y s t e m sa r eb u i l ta n di m p r o v e d u l t r a s o n i cd e v i c eu s e sp i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e ra n dd i g i t a lu l t r a s o n i cg e n e r a t o r , w h i c hc a nb e a u t o m a t e df e e d b a c ka n dt r a c kt h en a t u r a lf r e q u e n c yc h a n g e so fu l t r a s o n i cp r o c e s s i n gs y s t e m ，s o p r o c e s s i n gi nt h er e s o n a n tf r e q u e n c yo fs y s t e mw h i c hi st h em a x i m u ma m p l i t u d eo fu l t r a s o n i c v i b r a t i o n a d j u s t a b l em a g n e t i ct e n s i o nb e n c h w i t hc r e e pf e e d i n gm e c h a n i s mi su s e dt om a i n t a i n o p t i m a lw o r k i n gp r e s s u r e u l t r a s o n i cs y n c h r o n o u sc h o p p e ri sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，w h i c h c a na c h i e v eu l t r a s o n i cv i b r a t i o na n ds y n c h r o n o u so fp e c m 1 1 1 em a c h i n i n ga c c u r a c yi s i m p r o v e d m i c r o m a c h i n i n gt o o le l e c t r o d ei sv e r ys m a l l ；i t sr e q u e s to fa c c u r a c yi sv e r yh i g h , s ot h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fm i c r o t o o le l e c t r o d ei so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g ya n dd i f f i c u l t yi n c o m b i n e dm i c r o - m a c h i n i n g m a n yd i f f e r e n ts h a p e so ft o o le l e c t r o d ea r ed e s i g n e d ，s u c ha ss h a f t ， g r o o v e ，r i b ，m i c r o c o n v e xa r r a y , m i c r og e a r t h em a n u f a c t u r i n gm e t h o d s o fm i c r o - t o o le l e c t r o d e a r es t u d i e da n dp e r f e c t e d ，s u c ha sw e d m ( w i r ee l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n i n g ) ，e d m c o p y a d d i n gt r a n s l a t e ”，c o m b i n a t i v ee d m ，e t c w i t ht h e s em e a n s ，s e v e r a ld i f f e r e n tm i c r o t o o l sa r e s u c c e s s f u l l ym a n u f a c t u r e dw h i c ha r es u i t a b l ef o rt h er e q u e s to fu l t r a s o n i cc o m b i n e de l e c t r i c a l m i c r o m a c h i n i n g m a n ye x p e r i m e n t sa r ec a r r i e db yu s m o nd i f f e r e n tm a t e r i a l ss u c ha sk e n t a n i u m s ，s t a i n l e s s s t e e l ，m o n o c r y s t a ll i n es i l i c o n ，p i e z o c e r a m i c s ，a n dg l a s sw i t h d i f f e r e n tm i c r o - t o o l s t h e n c o m p a r e d t e s t s b ys i n g l e u l t r a s o n i c m a c h i n i n g a n du l t r a s o n i cc o m b i n e de l e c t r i c a l m i c r o m a c h i n i n gi nd i f f e r e n tm a t e r i a l sa l ed o n e s e v e r a lp a r a m e t e r s ( s u c ha sp u l s ev o l t a g e ，t h e q u a l i t yp e r c e n t a g eo fe l e c t r o l y t e ，e t c ) c o n t r a s tt e s to fu l t r a s o n i cv i b r a t i o nc o m b i n e dp e c m a r e c a r r i e d t h ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d ，t h e nt h ep r e l i m i n a r yt e s t o fu l t r a s o n i c v i b r a t i o nc o m b i n e ds y n c h r o n o u sp e c mi sc a r r i e d t r i b o l o g i c a lt e s t sa l ec a r r i e dw i t ht h es u r f a c e m i c r o s t r u c t u r e t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e ，m i c r o u s mi sa ne f f e c t i v em e t h o df o rm a c h i n i n gh a r d a n db r i t t l en o n - m e t a l ，b u tt h ew o r k i n ge f f i c i e n c yo fm a c h i n i n gh a r da n dt o u g hm e t a l si sv e r yl o w , a n dt h ew a s t a g eo fm a c h i n i n gt o o li sb i g b u t ，t h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nc o m b i n e de l e c t r i c a l m i c r o m a c h i n i n g h a s h i g hw o r k i n ge f f i c i e n c y , g o o d s u r f a c e q u a l i t y ；f u r t h e r m o r e ，i t s m i c r o t 0 0 1 c a t h o d ew a s t a g ei sl o w w h i l eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nc o m b i n e ds y n c h r o n o u sp e c m n o t o n l yh a sh i g hw o r k i n ge f f i c i e n c y , b u ta l s oh a sb e t t e rm a c h i n i n ga c c u r a c y a n ds u r f a c eq u a m y d e s i g no fa u x i l i a r ye l e c t r o d e ，t h eu s eo fm i c r o e l e c t r o l y s i s ，e d m c o m b i n e dm a c h i n i n go f n o n c o n d u c t i v em a t e r i a l si sf e a s i b l e t h ef r i c t i o ns u r f a c e sw i t hr e g u l a rp r o f i l e sm i c r o s t r u c t u r e s c 锄s t o r em o r eo i la n df o r mo i lf i l m ，w h i c hc a nr e d u c ef r i c t i o nf a c t o ra n dw e a r i n gc a p a c i t y c o m p a r e dt om a c h i n ep l a n e i l lt h ee n d ，t h ep r o c e s st e c h n o l o g yo fu l t r a s o n i cc o m b i n e de l e c t r i c a lm i c r o - m a c h i n i n gi s a n a l y z e da n ds u m m a r i z e d f u r t h e r m o r e ，p r o c e s sp r o b l e m s ，s h o r t a g ea n d i t si m p r o v e m e n tm e a n s a r ea l s os u g g e s t e d t h e nf u r t h e rs t u d yw o r k sa r ep u tf o r w a r d k e yw o r d s ：m i c r o s t r u c t u r e ，m i c r o e l e c t r o d em a n u f a c t u r i n g ，u l t r a s o n i cv i b r a t i o n , c o m b i n e d e l e c t r i cm i c r o - m a c h i n i n g ，t e s ts t u d y 扬州大学硕士论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。 除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：相辣 签字日期： z 咖年5 月计e t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，1 1 1 - 学校有权保留并向国家有关 部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬州大 学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、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：相建心 导师签名： 签字日期：z o o 年，月升日签字日期： 夕 陶建松微结构超声复合电加：t = 技术 第一章绪论 1 1 微结构的研究及应用背景 微结构( m i c r o s t r u c t u r e ) 是指具有特定功能的微小表面拓扑形状，如有规则的几何外 形的凸起、凹槽及微透镜阵列等l l j 。微结构制作是微型机械实用化的技术关键同时摩擦副 工作表面制作出合理微结构，可有效减少磨损、提高使用寿命。 1 1 1 摩擦学领域微结构( 微凸起、微凹坑) 的研究及应用 摩擦学具有学科前沿性、广泛实用性及多学科交叉的特点，其学科基础涉及到力学、 材料学、制造科学和机械设计等领域。从科学内涵来看，研究内容有：认识和理解生物表 面润湿、黏附、摩擦、润滑、磨损的生物物理机制；不同工作条件下，仿生原则的建立和 仿生设计的实现1 2 j 。 微弹流动力润滑理论是在传统的弹流润滑理论基础上发展起来的。弹流润滑理论 ( e h l ) 是把流体润滑理论与弹性力学相结合来解决滚动接触的润滑理论；微弹流动力润 滑理论是在宏弹流的基础上对微凸体、凹体产生的微弹流进行系列研究所得出的新润滑理 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。理论表明：由于 摩擦副工作表面规则形貌的微结构( 微凸起、微凹坑) 可以储存润滑油，在相对运动表面 间产生流体润滑膜：充分利用挤压和流体动力的联合作用可以改善摩擦表面的润滑状况与 摩擦学特性，降低表面摩擦因数；这样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【3 。5 1 ，能够满足现代机械传动高速、重载的要求。 2 0 0 3 年清华大学摩擦实验室规则凹坑表面形貌润滑研究表明当规则凹坑表面尺寸适 当时，其摩擦磨损性能优于光滑表面。实验分析表明，规则凹坑对表面摩擦学性能影响的 主要因素为规则凹坑润滑所造成的真实接触面积与塑性接触面积的变化，因此在选择规 则凹坑尺寸时，一般以小的表面塑性接触面积为原则。此外，规则凹坑所造成的油膜压力 除了取决于其项面积大小外，凹坑深度的优化非常重要 6 1 。 在汽车工业中，降低发动机的机械损失，特别是降低活塞缸体、活塞环缸体之间 的摩擦，是研究者始终追求的目标。人们开始尝试在汽缸壁、滑动轴承表面制作微凸体或 凹坑( 如图1 1 ) ，用以提高工作面润滑( 或密封) 效果 4 1 。美国的威廉姆( w i l l i a m h b e l k e ) 于1 9 8 2 年利用激光加工出第一件“具有微凸体的轴承 ；随后，日本人成濑芳夫于1 9 8 4 年提出在汽车发动机缸体内表面加工出多种微凸体形状，以及微凸体的多种排列方式，使 微凸体结构向实际应用迈出了一大步【7 j 。成濑芳夫在大量试验基础上得到了最佳微凸体几 何形状和分布规律，从而大大提高了发动机缸体的耐磨性和耐烧性，并降低了油耗，减少 了漏气。 扬州火学硕士论文 圈圈圈圈 ( a 1 目状裂纹型 ( b ) 月状变叉型( c ) 圆形m 坑型( d ) 方锥形徽坑! 图i1 几种表面微凹坑结构 仿生摩擦学属机械仿生范畴，是机械学科、材料学科、生命学科等多学科交叉渗透的 产物口】。通过对生物体系的减摩、抗黏附、增摩、抗磨损及高效润滑机制的研究；从几何、 物理、材料和控制等角度借鉴生物体的成功经验和创成规律来研究、发展和提升工程摩擦 副的性能。前人研究得出，基于功能理念的壁虎脚掌仿生可能是未来仿壁虎机器人发展的 方向：基于鲨鱼皮表面形态的减阻结构已经用于游泳运动员的泳衣设计：基于猫爪垫结构 及功能的仿生轮胎已经在德国开始应用；基于土壤洞穴动物表面特征及功能的仿生防粘和 仿生减阻技术和基于壁虎脚形态的仿生附着技术也为广泛的工业应用展示了良好的前景 嘲。刚毛爪垫覆盖有细长、可变形的剐毛( 图12 ) ：图13 ( a ) 为m i t 等单位用腹膜方法联合 研制的刚毛阵列，其黏附力远低于生物体的黏附力：图13 ( b ) 为电子束方法获得的刚毛阵列， 可见存在刚毛间粘连的问题，而相互黏结的刚毛阵不能产生预期的黏附力闭。目前国内 外均还没有掌握适合于工业化生产的仿壁虎刚毛的微制造技术i l 。 脚科月吣户梦 ( a l f 虫( b ) 苍蝇( c ) 蜘蛛( d ) 壁虎 圉1 2 爪垫的微米尺度刚毛结构 ( a ) 覆膜怯制得的阵列( b ) 相粘连月毛 图】3 仿生刚毛群 陶建松微结构超声复合电加t 技术 1 12 微机械领域的微结构研究与应用 微机械是以形状尺寸微小、操作微精、机电集成为特征的一个新媸机械工程学科分支。 微机械在日本被称为微机器( m m ) ，在欧洲被称为微系统( m s ) ，在美国被称为微电子机械 系统( m e m s ) 。按尺寸特征，微机械可分成：l a m a 一1 0 m m 的微小型机械；l “r n l m m 的微 机械；1 n m 1 岬1 的纳米机械或分子机械；这些一般统称为微机械i “o ”。微型机械、微型机 械人领域是未来科学技术发展的一个非常重要的方向，在航空航天、精密仪器、医院咀及 广泛的氏用工业领域都有广阔的应用前景。 2 0 世纪8 0 年代以来，在微机械研制方面已经取得了很多成绩【l 1 ：美国加州大学伯 克利分校研制了一些微结构如微粱、微弹簧等，又试制出了转子直径6 0 r n 1 2 0 p m 的静电 马达等；d e k a a e 公司设计了一种a l 5 0 1 0 小型装配机器人系统，用来完成单位光导纤维引 线的复杂操作：日本东京大学研制出了太小为1 c m 3 的爬坡微型机械装置i 名古屋大学研制 出了不需要电缆的用于管道内检测的微型移动机器人。 事实上，组成微型机械的零部件的材料和形状等都极为复杂，而且未来社会对微细加 工技术的需求很大程度上体现在三维微结构的成功制作上。通过制造更小的微三维结构， 进而制造更小的微型机械及微型机器人，从而体现该技术更为广泛的潜在价值和应用前 景。国内外都有研究，国外如比利时天主教鲁汶大学机械系采用微细电火花加工微三维结 构( 图14 ) 【j ”。 蹴端轮( b ) 微型伞齿轮 图1 4 部分微三维结构 国内如清华学采用微细电解加工出的最窄1 5 0 9 m 的悬臂梁1 1 9 1 ( 图15 a ) ，哈尔滨工 业大学加工出的5 0 p m 的微槽( 图l5 b ) 和南京航空航天大学利用群电极一次加工出的具 有9 0 条缝的剃须刀网罩等( 图1 5 c ) i z o l 。 ( a ) 悬黉粱( c ) 剃须w 月罩 写 釜一 4 扬州大学硕士论文 1 2 微结构的微细特种加工技术及其最新研究状况 微细；b - f 技术就是指能够制造微小尺寸零件的加工技术的总称，是由瑞士公司发明的 一种新型加工工艺，在2 0 0 4 年法国巴黎举办的国际表面处理展览会( s i t s ) 和里昂举办的 a l l i a n c e 展览会上荣获二项发明奖【2 。微细加工技术作为获得微机械、微机电系统的必 要手段得到了快速的发展。微细加工技术源于平面硅工艺，随着半导体器件、集成电路、 微型机械等技术的发展与需求，微细加工技术已经发展成为一门多学科交叉的制造系统工 程和综合高新技术，广泛应用于医疗、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、军事、 汽车等领域，给国民经济、人民生活、国防军事等带来了深远的影响，被列为2 1 世纪关 键的技术之一。 目前，微细加工技术的研究大多集中在半导体制造工艺、光刻技术、蚀刻技术和l i g a 技术上，并且取得了相当大的实用进展c 2 2 彩】。但是，这些技术只能用来加工结构简单的二 维或准三维微机械，尚不适于致动器的制作。另外，这些加工方式的设备普遍昂贵，一次 性投入较大，只适合于大规模批量生产。对于复杂的三维微机械结构，采用以上技术就难 以实现或根本无法实现，小规模的微机械生产也不宜采用以上方法，这就限制了其应用范 围。而特种加工技术在微小型三维立体结构、致动器的制作上有独到之处，且批量制作可 再通过模具加工、电铸、注塑等方法实现【2 6 j 。 特种加工是除传统切削加工之外的各种新型加工方法的统称 2 7 1 。它不是依靠机械能而 是通过其他能量方式( 如电、化学、光、声、热等) 去除金属材料，适合加工复杂、微细表 面和低刚度零件；采用某些特种加工方法可实现精密和超精密加工、镜面光整加工及微纳 米级加工。下面介绍下超声复合电加工技术，微细超声加工、微细电火花加工、微细电解 加工技术。 1 2 1 微细超声j ot 技术 超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛 磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频 振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法【2 8 】。目前可适用于硬脆材 料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。超声 加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，既不依赖于材料的导电性又没有热 物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形状，这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面有着得天独厚的优势。 几十年来，超声加工技术的发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔 模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解 决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。微细超声加工既可加工出深宽比大的三 维结构，又能以较小的投入进行生产，这决定了超声加工在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆 材料加工方面的优势。 陶建松微结构超声复台电加t 拄术 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根小，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00 i 00 2 r a m 表面粗 糙度如可达06 3 9 m o0 8 p z n ，适用于加工薄壁、窄缝及低剧度等工件o q 。 东京大学生产技术研究所增泽研究室台理解决了徽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中5 “m 的微孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能例。 2 0 0 5 年，德国不来梅大学精密加工实验室用轨迹控制分层扫描方式加工出了螺线槽结 构零件充分证实了用微细超声加工方法加工复杂微三维结构的可行性p ”。 目前，国内外都有研究将超声加工与其他加工工艺组合起来的加工模式即超声复合加 工。超声能强化原) 0 n j - 过程，使加工的速度明显提高，加工质量也得到不同程度的改善， 实现了低耗高效的目标 3 2 1 。 l22 微细电火花加工技术 微细电火花加工的原理与普通电火花加工基本相同，都是基于电极和工件之间脉冲性 火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的材料，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定 的加工要求。微细电火花加工具有低应力、无毛刺、可加工高硬度材料等优点而在微细加 工领域中被广泛地采用，已经成为微细加工领域的一个重要发展方向。理论上讲，只要精 密地控制单个脉冲的放电能量并配合精密微量进给就可实现极徽细的材料去除，可以加工 微细轴、孔、窄缝、平面以及微三维曲面结构等。线电极电火花磨削( w e d g ) 技术和电 火花分层铣削方法的出现，使得微细电火花加工成为曲面微三维结构的主要加工手段p 。 国内外对微细电火花加工技术的研究不断扩大、深入，取得了许多成果d q 。 微细电火花铣削加工技术在复杂微三雏结构成形的应用前景看好，东京大学生产技术 研究所利用简单形状的微细电极，以微细电火花铣削方式加工出微型汽车模具( 图16 a ) ， 并用其翻制出微型汽车模型，汽车模型长、宽、高分别为5 0 0 p m 、3 0 0 p r o 、2 0 0 p m 0 7 l ：1 9 9 8 年，北美特种加工方面的权威研究机构u n l 大学的非传统制造研究中心引进日本产的微 细电火花加工设备，与来自日本等国的研究人员一起，加工出半径为1 5 0 ；a n 的l ，8 微型球 瓣( 图16 o ) 。 懿警 ( a ) 微型汽车及横其( b 】微型# 瓣 图16 日、美学者微细电火花加工实铡 德国弗劳恩霍夫协会的s ，p i l t z 等对回转体类零件的微细加工进行研究，提出盘状电极 扬州大学硕士论文 园遗 甄圈 圈 陶建橙微结构超声复台电加工技术 少，从而降低了电火花加工效率：此外，由于表面张力、内聚力和固液材料之间的粘接力 等作用，蚀除材料不能及时排出加工区，使加工步降低，影响电火花加工精度及表面质量。 1 23 微细电解加工技术 电解加工( e l e c t r o c h e m i c a lm a c b i n i n g ，e c m ) 是利用金属在电解液中可阻发生阳极溶 解的原理，将工件上多余的材料蚀除掉的一种技术。材料的去除过程是以离子尺度进行的， 金属离子的尺寸通常小于十分之一纳米。加工过程中工具与工件不发生直接接触，无工具 电极损耗，加工效率高，结构表面光滑，工件表面不会产生加工应力、变形以及热影响区。 因此电解加工的这种咀离子去除的微溶解的减材方式非常适合微细结构的加工m j 。微细电 解加工( m i c r o e c m ) 是指在微细加工范围( 1 l a m l r m a l ) 内，应用电解加工以得到高精度、 微小尺寸零件的加工方法。 近年，国内外大量开展了这方面的试验研究，取得可喜进展。国内，南京航空航天大 学眭宁松、朱获等人采用微细圆柱群电极进行了微细群孔电解加工工艺试验( 图i 1 0 ) ， 研究了加工电压、脉冲宽度、电解液浓度、成分等因素对群孔加工精度的影响。研究结果 表明，减小加工电压和脉冲宽度采用低浓度钝化性电解液可以显著提高群孔加工精度。 这对实现微细群孔结构高精度和高效率加工具有重要指导意义l | i j 。 翩 誓蕾| 厘国 萋 8扬州大学硕士论文 目前，电化学阳极溶解原理的电解加工在微细电解加工中的应用还局限于少数场合， 远没有发挥其“离子 方式去除材料的机理优势，原因在于：为了避免钝化及提高加工速 度，须采用大电流密度、高流速电解液进行高速加工，由于加工间隙中电场、流场复杂多 变及电解液的杂散腐蚀，加工间隙一致性难以精确保证，材料去除定域性差，使电解加工 的精度较难控制：另外，为了提高电解液的电导率，常采用具有一定腐蚀性的高浓度电解 液，对设备、环境保护及零件性能均可能造成影响，限制了电解加工在微精加工领域的研 究应用。 1 2 4 微细超声复合电加工技术 在特种加工技术中，应用最为广泛的是电加工技术，通常所说的电加工技术主要包括 电火花加工( 包括电火花成形加工、电火话线切割加工等) 和电化学加工( 包括电解加工、 电镀、电铸等) 两大类m 】。本文所研究的超声复合电加工技术主要是微细超声复合电解加 工和微细超声复合电火花加工。 微细超声复合电解加工是将超声频振动、磨料冲击和脉冲电流电解作用有机复合在一 起的微细加工技术；微细超声复合电火花加工即在进行超声加工的同时，有效地引入电火 花加工。超声复合电加工是当前复合加工技术主要研究方向，也是当前微细特种加工的一 个热门课题，国内外研究情况如下。 国外，1 9 9 0 年英国的r o d n e yw j 等人申请了电火花超声复合穿孔的专利，主要用 于加工在导电基上有非导电层的零件。该装置如图1 1 2 所示，是在电火花加工( e d m ) 的基 础上附加超声加工( u s m ) ，从而有效地解决了具有导电层和非导电层零件的加工问题1 4 ”。 波兰先进制造研究所的a r u s z a 等学者进行了脉冲电解加工( p e c m ) 、超声电解加工 ( u s p e c m ) 及混以研磨粉末的超声电解加工比较实验，结果表明，超声电解加工的表面质 量好于脉冲电解加工，而在电解液中混以研磨粉末的超声电解加工表面质量最好l 拍】。 传感 图1 1 2 超声电火花复合穿孔装置 国内，山东工业大学贾志新等人进行了超声频间隙脉冲放电加工的研究，并对陶瓷进 行了加工实验，分析了放电特性和加工特性，贾志新等人研制的超声频间隙脉冲放电加工 原理如图1 1 3 所示【3 3 4 7 1 。山东工业大学张勤河等提出工件电极超声振动辅助气中放电加工， 提高材料去除率，且短路率得到极大控制【4 引。 陶建松微结构超声复合电加工技术 9 哈尔滨工业大学利用超声波、电火花、磨料复合加工技术对不锈钢进行加工，解决了 电火花加工小孔时生产率和表面质量不能兼顾的矛盾，应用前景较好。哈尔滨工业大学还 提出了超声辅助分层去除微细电火花加工技术，该技术改善了微细电火花铣削时的放电状 态，从而提高了加工效率1 4 9 , 5 0 j 。 南京航空航天大学进行了工件激振式超声复合电火花微细孔加工的研究【5 ，加工装置 如图1 1 4 ，它跟以往的超声电火花复合加工的不同之处在于工件的微幅激振，激振后加工 间隙内工作液中压力波剧变的冲击和扰动作用，改善了加工工作液的循环，有助于改善电 火花微细加工的排屑条件，提高放电脉冲的利用率，使加工速度及微细孔电火花加工的深 径比得到提高。 南京航空航天大学对硬脆金属材料的超声电解复合加工工艺进行了实验研究f 5 埘。结 果表明，该复合加工方法使加工速度、精度及表面质量较单一加工工艺有显著改善。 近年来，南京航空航天大学云乃彰和扬州大学朱永伟【5 3 , 5 4 】等对超声电解复合微细加工 机理及技术优势进行了探讨，利用研制的超声复合电加工系统开展了一系列超声电解复合 微细加工方法基础研究及应用试验，证实了这种复合技术的可行性和工艺优点。 一耋 i 发生器卜_ 吲囝 声 卤禹嚣 童骖 图1 1 4 工件激振式复合电火花加工装置 微结构超声复合电加工技术前期研究虽取得了重要进展，但此技术的实际应用，还须 在微细工具电极制作技术及复合加工装置的完善等方面进行深入研究，稳定复合电加工过 程，在保证微精加工效率基础上，提高去除材料的微细化水平，进步提高加工精度及表 面质量。本文在深入分析超声复合电加工机理、完善系统构造及微结构电极设计制作工艺 基础上，进行多参数微细超声复合电加工、超声同步复合电加工试验，并对试验结果进行 分析、比较及优化，为微结构的微细加工研究一种高效、高精度、低成本的新工艺。 本课题得到国家自然科学基金项目( 5 0 6 7 5 1 9 2 ) 和江苏省自然科学基金项目 ( b k 2 0 0 9 1 9 4 ) 资助。 研究内容：对微结构超声复合电加工技术进行研究，其中包括加工机理分析研究，微 细超声复合电加工系统的构造和完善，微结构工具电极的设计和制作，微细超声复合电加 1 0 扬州大学硕士论文 工微结构对比试验，加工工艺规律分析，以及典型件工艺试验等。 ( 1 ) 机理研究：探讨微细超声加工、微细电解加工、微细电火花加工机理和特点， 分析研究微细超声复合电加工的可行性、加工机理和技术优势； ( 2 ) 系统构造：构建与完善微结构超声复合电加工的加工装置，提出三种超声复合 同步方式，研制出斩波电源、超声斩波器，台月匕l a ，4 氏b 好满足超声频振动与电解加电同步要求； ( 3 ) 微结构电极设计与制作：设计多种形状的微结构，用微细组合放电工艺制作多 种截形微结构工具电极，如微细筋、微细槽、阵列微凸起、微齿轮等； ( 4 ) 试验及结果分析：在多种材料表面进行多参数的微结构的超声加工、超声复合 电加工以及彼此对比试验与分析，从而证明超声复合电加工的优势并优化参数，总结出超 声复合电加工的工艺规律；选用典型微结构进行超声同步复合电加工试验研究，并对结果 分析比较； ( 5 ) 摩擦学试验：选取微结构( 阵列微凸起、微凹坑) 进行表面摩擦学对比试验。 1 4 本章小结 本章阐述了微结构在摩擦学与微机械领域的研究及应用背景，介绍了微结构的微细超 声加工、微细电解加工、微细电火花加工和微细超声复合电加工技术，以及它们的最新研 究状况，进而提出本论文课题研究目的和研究工作内容。 陶建松微结构超声复合电加t 技术 第二章微细超声复合电加工机理分析与探讨 2 1 微细超声加工机理及特点 2 1 1 微细超声加工机理概述 应用于微细制造领域的超声加工，加工原理与通常的超声加工并没有本质的区别。超 声加工的基本原理如图2 1 所示。超声加工时，在工具和工件之间加入含有磨料的混合悬 浮液；磨料常采用氧化铝、碳化硼、金刚石粉等，液体常用水或煤油等，使工具头以适当 的压力作用在工件上。超声换能器将高频电振荡转换成机械纵向振动，借助于变幅杆使振 幅产生定的放大，驱动工具头端面作超声振动，迫使工作液中悬浮磨粒以很大的速度和 加速度不断地撞击、抛磨被加工工件表面，把被加工工件表面的材料粉碎成很细的微粒， 从工件上被打击下来，每一次打击下来的材料很少，但每秒打击的次数高达1 6 0 0 0 次( 决 定于超声频率) 以上，所以总体显现有一定的加工速度。 图2 1 超声加工原理图 与此同时，工作液受工具端面超声振动作用，从而产生高频、交变的液压正负冲击波 和“空化，迫使工作液进入被加工材料的微细缝隙处，加剧了机械破坏作用。所谓空化 作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成较大的负压和局 部真空，使得工作液内瞬间形成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时， 空泡又重新闭合，又引起较强的液压冲击波，上述作用迅速、反复地施加在工具与工件之 间微小间隙内的工作液里，可以大大强化加工过程。此外，正负交变的液压冲击也使悬浮 工作液在加工间隙中强迫循环，带动磨料运动，使部分变钝了的磨粒及时得到更新。磨料 悬浮液通过不断更新，带走被粉碎下来的材料微粒。随着加工工具逐渐深入到被加工材料 中，加工工具的形状便复现在工件上 2 7 , 5 5 j 。 由此可见，超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声“空化 1 2 扬州大学硕士论文 作用的综合结果，其中磨粒的机械撞击作用是占主导地位的。 2 1 2 微细超声加工机理浅析 超声波加工机理目前认为是工具表面磨料捶击、冲击，工作液的空化共同作用的结果 【5 6 1 ，如图2 2 所示。 捶击作用 冲击作用 切薹 i 振 。动 图2 2 超声波加工磨料状态 已知工具端面的瞬时位移方程式为： y ( f ) = a s i n 2 ，r f i( 2 1 ) 式中：么工具端面超声波振动的振幅( 删n ) ； 厂一超声波振动的频率( h z ) ； 工具端面瞬时速度v 和瞬时加速度a 方程式为： v = 雩么= 2 x a s 2 万夕 ( 2 2 ) 口2 2 - 4 万2 厂2 么s i n 2 z r t ( 2 3 ) 由式( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 可知工具端面瞬时速度、加速度与振幅成正比关系，即振幅越大 速度