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微凹坑
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微凹坑超声加工设计及试验,微凹坑,超声,加工,设计,试验
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王意 微凹坑超声加工设计及实验第一章 绪论1.1 微凹坑结构的研究及应用背景根据摩擦学润滑理论，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改善润滑状况，在这种结构中规则微凹坑的表面形貌对流体润滑有着非常重要的影响。理论分析表明，在钢材表面加工出按一定规律分布的、具有一定深度、光滑过渡的球形、椭球形凹坑或圆锥形凹坑，有利于钢板在冲压过程形成良好的动压润滑，将有利于形成流体动压润滑效应，从而改善模具与钢板之间的摩擦状况。因此，现代汽车工业中，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，用以提高润滑（或密封）效果。阵列微坑结构已经批量应用于汽车工业中，具有微坑结构的气缸套具有节能、节油、减少环境污染、高耐磨性、可避免干摩擦和拉缸现象发生等优点，对发动机节能、长寿命和轻型化发展具有重大意义和广泛的应用价值。研究人员还根据国内外的最新研究进展和研究成果，将储油结构分为网状裂纹型、网状交叉型、独立微坑型等结构。1.2 本文研究主要内容对微凹坑结构超声复合加工工艺进行研究，其中包括微细超声复合加工系统的改造和完善，微凹坑的设计，微凸起工具电极的设计和制作，微细超声复合加工微凹坑对比试验，加工工艺规律分析。 （1）针对试验中采用的微细超声加工以及微细超声电解复合加工两种加工方法，设计合适的加工系统，并对微细超声复合加工的加工装置进行构建与完善； （2）由流体润滑理论，设计了圆形截面微凹坑，在此基础上将截面形状拓展为正方形、菱形，成阵列分布时，微凹坑尺寸与间距应成一定比例； （3）根据微凹坑形状，对微凹坑加工的微细工具微凸起进行外形设计，选择单体截面为圆形、正方形、三角形的微细轴并将其推广为阵列圆形、正方形、菱形微凸起作为微细工具电极的典型代表，利用现有的精密慢走丝线切割机床、精密电火花成型机进行工艺组合加工各种微凸起工具电极； （4）确定试验方案，在多种材料表面选用不同加工参数进行微凹坑单一超声与超声复合加工对比实验，利用数字存储示波器及 PC 机进行加工过程中各类参数的检测和加工状态的评估，调整优化参数； （5）总结各种加工参数下微凹坑单一超声与超声复合加工试验中精度、效率、表面质量的改善程度及原因，针对加工试验中存在的问题，进行工艺的完善； 1.3 本章小结本章阐述了微凹坑结构的研究及应用背景，进而提出本论文研究工作内容。第二章 微细超声复合加工特种加工方法是借用各种电能、热能、声能、光能、电化学能及特殊机械能等多种能量，直接去除或增加材料以达到加工的目的，一般没有宏观的切削力作用，且多数属于非接触式加工，因此在微小尺度零件的加工中有着不可替代的优越性。特种加工的具体方法有电火花加工、超声加工、电解加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等。 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LIGA 技术上，并且取得了相当大的实用进展。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。如将这类微机械作为致动器，只能靠静电力驱动，驱动力太小。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，限制了其应用范围。 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，批量制作也可通过模具加工、电铸、注塑等方法实现。国外采取了微细加工与特种加工并重的策略，以充分发挥各种加工方法的优点。作为微细超声复合加工的技术基础，将超声加工、电火花加工、电解加工分别与微细加工有机地融合在一起，综合利用不同的优点，从而获得单一方法所达不到的技术优势。2.1 微细超声加工 超声加工（Ultrasonic Machining 简称 USM）有时也称超声波加工。电火花加工和电化学加工都只能加工金属导电材料，不易加工不导电的非金属材料，然而超声加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等硬脆金属材料，而且更适合加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属硬脆材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤等。2.1.1 微细超声加工原理超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种特种加工方法，超声加工的基本原理如图1-2所示。超声加工时，在工具1和工件2之间加入水（或油等）和磨料混合的悬浮液3，并使工具以适当的压力F轻轻压在工件上。超声换能器6产生高达16000Hz以上的超声频率作纵向振动，由于弹性杆（弹性杆使振幅产生一定的放大变化，通常称其为变幅杆）的作用，振幅被放大到0.050.1mm左右，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮磨料的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小颗粒，从工件上被打击下来。虽然每一次打击下来的材料很少，但每秒打击的次数高达16000次（与超声频率有关）以上，所以仍有一定的加工速度。图2.1 超声加工原理图 1- 工具 2-工件 3-磨料悬浮液 4，5-变幅杆6-换能器 7-超声波发生器与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和“空化”作用，迫使工作液进入被加工材料的微细缝隙处，从而更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。随着加工工具逐渐伸入到被加工材料中，加工工具的形状便复现在工件上了 。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。由于超声加工基于局部撞击作用，所以当受到撞击作用时，越是硬脆的材料，其受破坏的程度越大，越容易进行超声加工。相反，脆性和硬度不大的韧性材料，由于它对撞击能量的吸收、缓冲作用而难以实施超声加工，或者说加工效果很不理想。所以，这一性质常利用在工具材料选择上，要求它既能撞击磨粒，又不至于使自身受到很大的破坏，一般选择塑性较好的材料，通常采用45钢或弹簧钢等材料作为工具材料较合适。2.1.2 加工特点超声加工的主要特点有：不受材料是否导电的限制；工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件；被加工材料的脆性越大越容易加工，材料越硬或强度、韧性越大则越难加工；由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；可以与其他多种加工方法结合应用，如超声振动切削、超声电火花加工和超声电解加工等。超声加工主要用于各种硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔(包括圆孔、异形孔和弯曲孔等)、切割、开槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。 所谓 “金无足赤”，超声加工也有着他难以克服的局限性(1)超声加工面积较大时，超声加工效率有明显的降低；其次超声加工很难加工韧性较大金属材料（工具钢、硬质合金等）；(2)超声加工圆柱形孔深度一般以工具直径的5倍为限，对于深径比较大的深小孔加工很困难；(3)超声加工工具在磨料的抛磨下有损耗，同时，磨粒使工具与工件之间存在间隙，因此，精加工时要考虑工具损耗及磨粒直径大小对加工精度的影响，工具设计中应给予合理补偿。2.2 微细电解加工电解加工（Electrochemical Machining，ECM）是基于电解过程中的阳极溶解原理，并借助于阴极将工件按一定形状和尺寸加工成形的工艺方法。目前在国内外已成功的应用于航空发动机、汽车等机械制造业中，已成为一种不可缺少的工艺方法。 微细电解加工（Micro-ECM）是指在微细加工范围（1m1mm）内，应用电解加工以得到高精度、微小尺寸零件的加工方法。要实现微细加工，首先要解决其加工单位的微细化问题，即单位加工量尽可能地小。电化学中的电解过程从理论上讲，是以离子为单位进行阳极溶解的，满足微细加工的加工要求。 2.2.1 微细电解加工原理 图2.2 电解原理图电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法。如图2.2所示，加工时，工件接直流电源（一般为10-24V）的正极，工具接负极，两极之间保持较小的间隙（一般在0.1-1mm范围内）。电解液从极间间隙中流过（6-30m/s），使两极之间形成导电通路，并在电源电压下产生电流，从而形成电化学阳极溶解。随着工具相对工件不断进给，工件金属不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，最终两极间各处的间隙趋于一致，工件表面形成与工具工作面基本相似的形状。图2.3 加工示意图2.2.2 加工特点微细电解加工是从电化学基础上发展而来的，与其它加工方法比较，具有以下优点： （1）加工范围广，不受所加工金属材料本身硬度和强度的限制，可以加工普通切削加工方法难以加工的金属材料，例如，硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度及韧性金属材料，并可加工叶片、锻模等多种外形和内腔比较复杂的零件。 （2）电解加工的生产效率较高，约为电火花成形加工的 510 倍，在某种情况下，甚至比切削加工的效率还要高，而且加工生产率并不直接受加工精度和表面粗糙度的限制； （3）可以获得较好的表面粗糙度（Ra1.25m0.2m）和0.1mm 左右的平均加工精度。 （4）由于加工过程中不存在宏观机械切削力，所以不会产生机械切削加工所导致的残余应力和变形，不会产生飞边和毛刺。 （5）由于电解加工阴极在理论上不会损耗，可以长期使用。 但微细电解加工也有其局限性：（1）电解产物需要进行妥善处理，否则将污染环境。 （2）微细电极工具的设计和修正比较麻烦，难以适用于单件生产。 （3）加工稳定性不易控制。由于影响电解加工间隙电场和流场稳定性的参数很多，控制比较困难，加工时杂散腐蚀也比较严重。 在生产中，微细电解加工易与机械加工及其他特种加工方法相结合形成复合加工以提高加工效率，如电解磨削、电解抛光、超声电解加工等。2.3 本章小结本章主要介绍了微细超声加工和微细电解加工的基本原理、加工特点。探讨超声电解加工可行性与技术优势，为试验系统构建建立了基础。第三章 微凹坑加工工具微凸起电极的设计制作微凸起结构和微凹坑结构是两种相对应的几何形状，因此，只要制备出凸形的工具电极，就可以采用微细超声复合加工技术制作对应的凹形工件。表面微凹坑试验中材料去除量微小，加工精度和表面质量都要求很高，微凸起工具电极的设计、制作与安装精度对加工效率、加工精度及表面质量的影响很大。因此微凸起工具电极的设计制作是实现微凹坑加工的关键，微凸起工具电极制作工艺对摩擦副表面微凹坑加工工艺的完善具有重要意义。本章首先根据流体润滑理论进行表面微凹坑的理论分析探讨，再重点讨论微凸起工具电极的设计、制作方法。3.1 微凹坑设计 3.1.1 微凹坑设计原则根据上述流体润滑理论分析及其在微细加工领域的基础研究和实际应用状况，理想阵列微凹坑结构形状为圆形截面。 圆形微凹坑加工工具圆形阵列微凸起结构制作工艺难度大（需要多次单孔放电加工阵列孔母电极，再电火花反拷复合平动加工微凸起工具）；另一方面，考虑到微凹坑加工工具制作过程（即微细放电加工过程）及微细超声复合加工过程中均存在圆角效应，将微凹坑截面设计形状拓展为正方形、菱形，可近似代替圆形微凹坑的作用效果，这样可大大减小工具电极的制作难度，因此本文设计加工圆形、正方形、菱形三种截面微凹坑。 设计微凹坑结构参数：微凹坑边长（或直径）在 400m800m 之间，深度 100m左右；表面粗糙度要求 Ra1.6m 左右；成阵列分布时，微凹坑尺寸与间距成一定比例。3.2 微凸起工具电极设计通常，超声加工工具电极总体长度不超过声速波长的十分之一，径向尺寸不超过换能器小端的几何尺寸。本次设计的电极尺寸微小，与换能器底部直径相差很大，因此设计工具电极总体形状为锥形，即将工具电极的作用长度设计成锥形，端部保留一定长度为小阶梯轴。在锥面上用线切割放电加工出两个对称平面作为夹持部，以方便工具电极的安装锁紧，后尾部螺纹与机床联接。根据微凹坑截面形状，确定工具电极单体为圆形、正方形、菱形等微凸起形状，并呈阵列排布；为了便于制作，电极凸起高度设计为 3.0mm，远大于微凹坑深度，并留有较大加工损耗余量，可进行多次加工试验。本文首先设计制作简单轴类形状工具电极，为后面的复杂阵列电极加工奠定基础，同时这类简单轴类形状工具电极也是微细三维结构加工的基础，是衡量三维结构微细加工能力的一种标志。图 3.1 微细轴类工具电极设计在此基础上，设计单体为圆形、正方形、菱形截面形状的阵列微凸起工具电极。图3.2、图 3.3、图 3.4 分别为阵列圆形、正方形、菱形微凸起工具电极设计图。图 3.2 阵列圆形微凸起工具电极设计图3.3 阵列正方形微凸起工具电极设计图 3.4 阵列菱形微凸起工具电极设计3.3 微凸起工具电极材料选择 微凹坑超声复合加工试验中存在超声振动，由于超声磨粒撞击作用，工具在纵向和横向都会产生磨损，端面（纵向）的磨损是主要的，侧面（横向）的磨损仅占全部磨损的1/10。工具的磨损不仅直接影响加工速度和工件成形加工精度，而且会破坏振动系统的共振条件，降低加工效率。工具磨损量的大小，主要取决于工具材料、结构和工件材料。当加工脆性材料时，工具头材料可选择相对损耗比较低的硬质合金及淬火钢，但其加工制备困难，多用调质 45 钢或碳素工具钢作为替代材料，因为这些材料具有抗疲劳强度高、比较耐磨损、加工容易的特点。如果要求加工精度较高时，采用硬质合金或淬火钢较好，必要时可采用金刚石镀覆工具。 本试验中微凸起工具电极单体细长，需要有足够的强度、良好的刚度及耐磨性，微细电加工时还须具备良好的导电性。综合材料特性及工具工作要求，选用调质 45 钢及GCr15 轴承钢作为工具电极材料。3.4 微凸起工具电极制作 随着以微机械为代表的工业制品的日益小型化及微细化，微细工具的制作已成为世界各国制造业的一个重要研究课题。目前成功应用于微细工具加工的手段有 LIGA 技术、电火花成形技术、电火花线切割技术、掩模曝光、金属粉末快速成形烧结等方式，如：采用专用电火花反拷模具，在精密电火花成形机上用平动法火花放电可制作多种规格微细结构的电极；采用微细钼丝，在精密电火花线切割机上制作非旋转体类的立体微结构；采用掩模曝光、快速成形工艺制作端面形状更复杂的立体结构微细电极。但这些单一加工方法都受自身工艺的限制，对很多结构无能为力。随着现代特种加工技术的微细化、高精度发展，组合微细电加工方法已成为微细工具制作的常用方法，如多轴联动放电加工、微细电火花线切割、套料、反拷及电极内外表面转换等加工方法，它们都属于非接触式加工，宏观作用力微小，加工表面质量高，能够满足微小工具头的制作要求，具有很大的技术优势。3.5 变幅杆设计与制作变幅杆的作用是把机械震动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中到叫嚣的面积上，即聚能作用。变幅杆可制成锥形的、指数形的、阶梯形的。本试验系统采用的是阶梯形的变幅杆。本试验采用指数型变幅杆。设计频率为f=20kHz，变幅杆所用材料为调质45号钢，纵波在杆中的传播速度C5170m/s，宽端直径D145mm，窄端直径为D213mm；阴极设计的工作长度l226mm，大端直径d=12mm小端直径d1=10mm。计算指数型变幅杆的主要参数：(1)面积系数4，1.50(2)半波谐振长度143.5mm(3)检查是否满足限制条件f 。 ， 因此，可知工作频率满足限制条件(4)质点位移节点x0位移节点x0为从宽端算起的距离，此点变幅杆振幅为零。(5)对于指数形变幅杆(6)轴向直径变化查表可得变幅杆长l1l-l2=143.526121.3.5mm轴向的直径变化按计算，。根据上面所求出的参量，计算出变幅杆外形的加工尺寸，确定指数型变幅杆轴向直径的变化情况，如图3.5所示。(mm)(mm)045.002032.753028.074024.325021.246018.547015.978013.579011.7610010.9111010.91表 3.1 变幅杆直径变化图 3.5 指数型变幅杆横截面直径尺寸变化示意图图 3.6 锥形变幅杆图3.7 指数型变幅杆3.6 本章小结 本章介绍了微凹坑加工工具微凸起电极的设计制作，包括各种微凸起工具电极形状尺寸的设计，工具电极材料的选择。试验制作的工具电极在精度与表面质量方面均满足要求。进一步优化尺寸设计，改善加工制作工艺，优化电加工参数，可以加工出形状更多，尺寸更小，精度要求更高的微凸起工具电极。讨论了变幅杆的设计方法及制作要求。第四章 微凹坑超声复合加工试验微凸起工具电极制作完成后，利用设计构造的微细超声复合加工试验系统，优化试验参数，在多种材料表面进行微凹坑结构超声复合加工对比试验，对加工所得的具有微凹坑结构表面进行初步试验，为后续研究建立基础条件。 4.1 试验参数选择 影响微细超声复合加工速度和加工质量的主要因素有：试验件材料、超声磨料的种类和粒度、悬浮液的浓度、工作液供给及循环方式、工具电极超声振动幅值、超声共振点的保持情况、工具和工件之间的静压力等。4.1.1 试验件材料 本文试验材料有：硬质合金（YT15，YG8）、不锈钢、单晶硅片、压电陶瓷、玻璃钢等，均是近年来在微机械领域常使用的材料，在微机械关键部件中起着非常重要的作用。在多种材料表面进行微凹坑试验，对加工这种特殊结构乃至拓宽微细加工技术应用都具有重要意义。以下介绍试验中的几种主要材料。 （1）硬质合金 硬质合金是由硬度很高的难熔金属碳化物（WC、TiC、TaC 和 NbC等）和金属粘结剂（Co、Ni、Mo）用粉末冶金方法制成的。硬质合金中的碳化物具有硬度高、熔点高、化学稳定性和热稳定性好等特点。硬质合金的强度与粘结剂的含量有关，粘结剂含量越高，合金强度就越高。硬质合金的硬度可达 HRA8994，耐热温度达8001000，是用以切削硬质材料的首选刀具材料，具有很高的硬度和韧性，很难利用普通机械切削方式加工。硬质合金的种类很多，课题试验选用 YT15 硬质合金和 YG8 硬质合金作为本文微细超声复合加工的主要试验对象。YT15 属于 WC-Ti-Co 类硬质合金，具有硬、韧的特性；YG8 属于 WC-Co 类硬质合金，具有较高硬度，同时脆性也较大。 （2）不锈钢 不锈钢具有耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀和酸、碱、盐等化学浸蚀的特性，又称不锈耐酸钢。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当钢中含铬量达到 12左右时，铬与腐蚀介质中的氧作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜（自钝化膜），可阻止钢的基体进一步腐蚀。除铬外，常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。 本次试验所用不锈钢为材料 0Cr18Ni9，即通用型号 304，呈片状。 （3）单晶硅 硅有无定形(非晶硅)和结晶形两种同素异形体。结晶形硅在固体时呈现灰色，并具有金属光泽，质坚且脆，其貌似金属。结晶硅可分为单晶硅和多晶硅两种。单晶硅是典型的共价键结合的材料，硬度高、脆性很大，很难加工。 （4）压电陶瓷 压电陶瓷是电子陶瓷的一类，具有高耦合、高机械品质因数、高介电常数和高稳定性能等特征，是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，具有压电效应。 压电陶瓷属于非金属脆性材料，普通的机械加工方法由于加工时切削力过大，易出现脆断及裂纹很难对其进行精确的加工。本次试验使用的压电陶瓷是在微机电系统中经常用的锆钛酸铅（PZT）。4.1.2 工作液 超声加工中使用含微细磨料的水溶液，超声电解复合加工中使用含微细磨料的钝化电解液。 其中磨料的种类、硬度、粒度对超声加工速度有明显影响，磨料粒度越大，加工速度越快，但加工精度和表面质量变差。加工硬度不太高的硬脆材料时，可采用碳化硅磨料；加工玻璃钢、石英、半导体材料时用氧化铝作为磨料；当加工硬质合金、淬火钢等高硬脆性材料时，宜采用硬度较高的碳化硼磨料或碳化硅磨料，考虑到本试验的工件材料、成本、加工件的微细程度等要求，选用 W10 碳化硼（B4C）磨料（尺寸平均值范围15m10m）。磨料悬浮液的浓度对于加工效率有一定的影响。磨料浓度越低，加工间隙内磨粒总数偏少，加工速度下降，随着磨料浓度的加大，加工速度会有所增加。但浓度太高，磨粒在加工区域的循环运动和对工件的撞击运动相互影响，又会导致加工速度降低。试验选用磨料在工作液中的浓度为 15%或 20%。 本试验中，根据微细电解加工的要求，为提高加工精度和加工的定域性，最大程度减小电解产生的杂散腐蚀作用，应选择钝化性电解液。超声电解复合加工试验选择钝化性 NaNO3电解液，由于微细加工材料绝对去除量很少，复合加工中的电解作用必须在低电流密度下得到控制，所以选用的 NaNO3电解液浓度应在 5%左右。 由于超声振动加工区很小，试验中工作液采用人工间歇补充、定时搅拌的静态供液方式，便能够满足微细加工需要。如果采用适合微细加工的专用磨料工作液供液循环系统，使加工区一直浸没在工作液中，将会减轻人工供液的麻烦，提高加工速度。4.1.3 工具电极超声振动频率及振幅 工具电极的振动频率和振幅对于工件的加工效率有很大影响，较高的工具电极振动频率和振幅能提高加工效率，但过高的振动频率和振幅有可能会使工具承受过大的应力，超过疲劳强度而降低使用寿命，而且在它们的连接处能量损耗也会增大。 根据要求，实际加工中将频率调至机床的共振频率，以获得最大的工具振幅。如图4.1 所示，通过数字存储示波器可得到超声发生器输出至换能器的超声频电压信号波形，图示共振频率为 20.492KHz。由于系统共振频率易受外界因素（如工具损耗、工作压力变化、加工深度改变、螺纹联接松动等）的影响，共振频率点会发生漂移，为保证加工过程的稳定，需及时调节超声发生器的输出信号频率，使系统始终保持在共振状态下。图 4.1 系统共振时采集的超声发生器输出的超声频交变电压波形42 微细超声加工试验试验采用精密超声加工机，使用双通道数字存储示波器检测超声发生器输出超声频交变电信号，如图 4.2 所示为超声输出功率为 30W 时超声发生器输出的电压波形。图 4.2 超声加工系统共振时采集的超声发生器输出超声频交变电压波形4.2.1 阵列圆形微凹坑单一超声加工试验选用阵列圆形（0.5mm）微凸起工具电极，加工参数：工件与工具间静压力 2.0N；加工时间 2min；磨料 W10 碳化硼；磨料悬浮液浓度 15%；试件材料选用硬质合金 YT15和 YG8、不锈钢、单晶硅、压电陶瓷、玻璃钢，取加工后材料表面微凹坑局部（33）放大图 4.3（a）（f）。 图 4.3 阵列圆形微凸起单一超声加工微凹坑将加工件置于体视测量显微镜下进行观察、测量，得到各种材料表面阵列圆形微凸起单一超声加工微凹坑圆孔直径与加工深度对比如图 4.4 所示。图 4.4 阵列圆形微凸起单一超声加工微凹坑圆孔直径与加工深度对比图由图 4.4 可知阵列圆形凹坑加工效果与单一微细孔加工效果相似，但加工深度较小，原因是阵列圆形微凹坑加工接触应力较小，另外工作液及磨料供给受到阵列圆形微凸起工具电极的限制。4.2.2 阵列正方形微凹坑单一超声加工试验选用阵列正方形（0.5mm0.5mm）微凸起工具电极，加工参数：工件与工具间静压力 2.0N；加工时间 2min；磨料 W10 碳化硼；磨料悬浮液浓度 15%；试件材料选用硬质合金 YT15 和 YG8、不锈钢、单晶硅、压电陶瓷、玻璃钢，取加工后材料表面微凹坑局部（33）放大图 4.5（a）（f）。图 4.5 阵列正方形微凸起单一超声加工微凹坑将加工件置于体视测量显微镜下进行观察、测量，得到各种材料表面阵列正方形微凸起单一超声加工微凹坑正方形边长与加工深度对比如图 4.6 所示。 图 4.6 阵列正方形微凸起单一超声加工微凹坑正方形边长与加工深度对比图由图 4.6 可知阵列正方形凹坑加工效果与单一微细孔加工效果相似。加工中，由于阵列正方形微凸起与工件接触面积略大于阵列圆形微凸起，正方形微凹坑深度稍小于圆形。4.2.3 阵列菱形微凹坑单一超声加工试验选用阵列菱形（边长 0.7mm0.7mm）微凸起工具电极，加工参数：工件与工具间静压力 2.0N；加工时间 2min；磨料 W10 碳化硼；磨料悬浮液浓度 15%；试件材料选用硬质合金 YT15 和 YG8、不锈钢、单晶硅、压电陶瓷、玻璃钢，取加工后材料表面微凹坑局部（33）放大图 4.7（a）（f）。图 4.7 阵列菱形微凸起单一超声加工微凹坑将加工件置于体视测量显微镜下进行观察测量，得到各种材料表面阵列菱形微凸起单一超声加工微凹坑菱形边长与加工深度对比如图 4.8 所示。 图 4.8 阵列菱形微凸起单一超声加工微凹坑菱形边长与加工深度对比图由图 4.8 可知阵列菱形凹坑加工深度最小，是由于阵列菱形微凸起与工件的接触面积远大于阵列圆形与正方形微凸起。此外，如图 4.7（e）、（f）所示菱形微凹坑超声加工 “圆角效应”明显，这是由于尖角处易于被超声磨粒撞击磨损。4.2.4 试验结果分析比较各组加工图和测量数据可知，工件尺寸比工具尺寸有所扩大，扩大量理论上约为磨粒直径的两倍。磨粒越细，加工成形精度越高。 压电陶瓷的加工效率最高，尺寸精度可达到 0.01mm，表面粗糙度 Ra1.6m，微凹坑结构尺寸一致性精度可达0.002mm。 单晶硅片的加工效果也很明显，和压电陶瓷一样微形状的边缘也出现了轻微塌边，可能因为材料脆性很高，是工具头在振动时对入口边缘瞬间的应力太大所致。 通过试验现象及结果发现硬质合金、不锈钢的加工精度和表面质量比加工压电陶瓷、单晶硅片等硬脆材料要好，原因是硬质合金、不锈钢硬度高的同时还具有一定的韧性。从而说明材料的加工精度、表面质量及加工效率都和材料的力学性能有很大关系，在同样的加工条件下，材料的强度和断裂韧性越高，在超声波高频振动撞击及空化作用下，表层去除脆裂较小，加工精度和表面质量越高，加工速度和加工效率越低；相反被加工材料越脆，则承受冲击载荷的能力越低，也就越容易被去除。 但是，硬质合金、不锈钢的加工效率很低，在 2min 内只在工件表面加工出结构痕迹，深度仅几十 m。在微孔加工中，由于工具头端部能量集中且形状简单，加工效率稍高，而外形复杂阵列工具头端面（如阵列圆形、正方形、菱形微凸起）不利于磨料悬浮工作液的流动，影响加工效率。 硬质合金及不锈钢的单超声加工中参数选择、加工结果、现象分析等对微细超声复合加工参数的选择及分析具有重要的参考价值。4.3 微细超声电解复合加工采用 MC-6 型脉冲电源，使用双通道数字存储示波器检测超声发生器输出电信号，试验中，调节超声频率，保持振动系统始终处于共振状态，即工具端面工作液处于“雾化”状态。加工过程中，超声能量为 30W 时的脉冲电压及电解电流波形如图 4.9 所示。图 4.9 微细超声电解复合加工微凹坑电压与电流波形图4.3.1 阵列圆形微凹坑超声电解复合加工试验采用阵列圆形（0.5mm）微凸起工具电极，在不锈钢材料表面加工微凹坑，加工参数为：工件与工具阴极间静压力 2.0N；加工时间 2min；磨料 W10 碳化硼；磨料悬浮液浓度 15%；电解液为 5%NaNO3水溶液，采用“静液”方式定时供给电解液；脉冲频率5000Hz，采用电压幅值为 0V（单超声）、1V、2V、3V、4V、5V，脉冲占空比 3:7；材料表面微凹坑局部（33）显微放大效果如图 4.10（a）（f）所示；脉冲电解电压对加工工艺指标的影响如图 4.11（a）（d）所示。图 4.10 阵列圆形微凸起超声电解复合加工微凹坑图 4.11 电解电压对加工工艺指标的影响从图 4.11 可以看出，电压升高，电解作用增强，加工微孔尺寸增大；同时，从试验过程看，电压达 4V 时，可见微火花放电，由于电解、电火花共同作用，加工出较深、较大微坑，粗糙度增加，甚至超过单纯超声加工；电解电压幅值 3V 时工件表面粗糙度Ra(m)最小；随着电解电压增加，电解作用更强，其加工产物更易于被超声作用及时清除，减小了对阴极的持续抛磨，从而使阴极磨损量下降，超过 4V 后磨损量下降较显著。4.4 本章小结本章分析了试验参数选择原则，如工作液、工具电极超声振动振幅（功率）、进给压力、脉冲电解加工电源参数等；确定微凹坑试验方案，在构建的单一微细超声、微细超声电解复合加工工艺系统上，进行多种材料表面微凹坑加工对比试验，并对试验结果进行了分析，证实了微细超声复合加工的可行性和优越性。第五章 总结与展望5.1 总结本课题提出用微细超声复合加工技术加工各种形状尺寸微凹坑；构建多种方式微细超声复合加工试验系统；设计并制作多种截面形状工具电极；确定试验方案，在多种材料表面进行了多参数的微凹坑单一超声以及超声电解复合加工试验，并进行加工过程参数检测分析及加工效果评估。获得具有一定规则凹坑形貌的表面，可以有效的改善润滑与耐磨效果。有效可行的微凹坑加工方法，进一步改善微凸起的形状及制作工艺，优化电加工参数，可以加工出形状更多，尺寸更小，精度要求更高的表面微凹坑。5.2 研究展
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