微结构超声复合电加工技术

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YT15和YG8、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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1微结构的研究及应用背景

1.1.1摩擦学领域微结构(微凸起、微凹坑)的研究及应用

1.1.2微机械领域的微结构研究与应用

1.2微结构的微细特种加工技术及其最新研究状况

1.2.1微细超声加工技术

1.2.2微细电火花加工技术

1.2.3微细电解加工技术

1.2.4微细超声复合电加工技术

1.3本论文课题研究目的及主要内容

1.4本章小结

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

2.1.2微细超声加工机理浅析

2.1.3微细超声加工特点

2.2微细电解加工原理及特点

2.2.1微细电解加工原理概述

2.2.2脉冲电解加工技术机理概述与浅析

2.2.3微细电解加工特点

2.3微细电火花加工原理及特点

2.3.1微细电火花加工原理概述

2.3.2微细电火花加工原理浅析

2.3.3微细电火花加工特点

2.4微细超声复合电加工机理

2.4.1微细超声复合电火花加工机理分析

2.4.2微细超声复合电解加工机理分析

2.5本章小结

第三章微细超声复合电加工试验系统构造

3.1超声频振动单元

3.1.1超声波发生器

3.1.2超声换能器

3.1.3超声变幅杆

3.1.4工具头电极

3.1.5超声挟能器与电极工具头联接部分

3.2电解加工单元

3.3电火花加工单元

3.4工作台蠕动进给运动单元

3.5测量、分析及控制单元

3.5.1微位移的测量和控制

3.5.2加工参数的测量分析

3.5.3脉冲电加工与超声振动作用三种同步方案的研究与比较

3.6超声复合电加工系统完善

3.7本章小结

第四章微结构加工工具电极的设计与制作

4.1微细电极工具头工作要求

4.2微细电极工具头设计

4.2.1微细工具电极材料选择

4.2.2微细电极工具头整体与端面设计

4.3微细电极工具头制作

4.3.1电极工具头总体加工

4.3.2电极工具头端面加工

4.3.3电极工具头的制作精度及表面质量

4.4本章小结

第五章加工试验及结果分析

5.1试验参数选择

5.1.1试验件材料

5.1.2工作液

5.1.3工具电极超声振动频率及振幅

5.1.4进给压力

5.1.5试验电参数

5.2试验方案

5.3微细超声复合电加工对比试验

5.3.1单一微细超声加工试验

5.3.2微细超声复合电火花加工试验

5.3.3微细超声复合电解加工试验

5.3.4典型微结构超声复合电加工

5.4超声复合同步脉冲电解加工试验研究

5.4.1加工方式对比试验

5.4.2电压对超声复合同步脉冲电解的影响

5.5陶瓷绝缘材料超声复合电加工试验

5.6微结构摩擦学试验

5.7本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果