微凹坑超声加工设计及试验设计.docx

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微凹坑超声加工设计及试验设计

摘要

具有一定规则截面形状的阵列微凹坑结构，可以有效改善润滑和抗磨效果，目前成熟的微凹坑加工方法极少。

本文介绍了摩擦副表面微凹坑结构的研究及其应用现状，提出了采用微细超声复合加工新技术加工微凹坑的构想，进而提出本文研究工作内容。

分析微细超声加工、微细电解加工原理、特点以及工艺特性，探讨超声振动对脉冲放电及微细电解过程的改善作用机理，分析在加工微凹坑时微细电解复合超声振动的必要性和技术优势，构建、完善超声电解复合加工试验系统。

根据微凹坑超声复合加工的特点，选择工作液、工具电极振动频率及振幅、进给压力等加工参数，制定微凹坑超声复合加工试验方案。

使用不同形状工具电极，对硬质合金YT15和YG8、不锈钢、单晶硅、压电陶瓷、玻璃钢等材料进行了微凹坑单一超声加工试验及分析；对硬质合金YT15和YG8、不锈钢等材料进行微凹坑单一超声加工与超声复合加工的对比试验；重点研究了超声电解复合加工中电解电压参数对微凹坑加工效率、精度、表面质量及微凸起工具电极损耗的影响规律。

试验验证了在金属材料表面进行微凹坑超声复合加工的必要性及可行性。

关键词：

微凹坑，超声复合加工，微凸起工具电极

Abstract

Thearraymicro-pitswithregularprofilescanmodifysurfacetribologycharacter,improvelubricationandwear-resisting.Asthemanufacturingmethodsarefew,theresearchandcurrentapplicationsituationofmicro-pitsonworkingsurfacebetweenfrictionpairsareintroducedinthispaper.Ultrasoniccombinedmicro-machiningisproposedasanewtechnology,andthencontentandresearchsignificanceofthispaperareconfirmed.

Besides,theprinciple,workingcharacteristic,realizationconditionandtechnologicpropertyofUSM,EDMandECMareanalyzed.Theprocessingofimpulsivedischargeandmicro-electrochemicalcanbeimprovedbyultrasonicvibration.Thenthemechanismandtechnicalsuperiorityofultrasoniccombinedelectricaldischargemicro-machiningarestudied,aswellasultrasoniccombinedelectrochemicalmicro-machining.Atlast,systemsofultrasoniccombinedelectricaldischargemicro-machiningandultrasoniccombinedelectrochemicalmicro-machiningarecompleted.

Workingparameterslikeworkingfluid,oscillationfrequencyoftoolelectrodes,contactpressurearechosenaccordingtoanalysingofprocessingsystems,experimentschemearepresented.Singleprocessexperimentsofultrasonicmachiningofmicro-pitsarecarriedoncementedcarbide（YT15,YG8）,stainlesssteel,monocrystallinesilicon,PZT,glasssteelwithdifferenttoolelectrodes;contrasttestsbetweensingleultrasonicmachiningandultrasoniccombinedmachiningarecarriedonkentaniumsandstainlesssteel.Machiningefficiencyandprecisionofmicro-pitsonworkingsurfacebetweenfrictionpairsaswellaswasteroftoolelectrodesinfluencedbyelectrolysisvoltageamplitudeandimpulsefrequencyaremainlydiscussed.Thefeasibilityoftheultrasoniccombinedmicro-machiningofmicro-pitsusedinmachiningkentaniumsandstainlesssteelisconfirmed.

Keywords:

micro-pit,ultrasoniccombinedmachining,micro-protrude

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（UltrasonicMachining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0.05~0.1mm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