微小凹坑阵列电液束加工技术研究

2012-06-13江苏何海华

职业技术 2012年8期

江苏何海华

1 本课题的来源及目的

1.1 摩擦

各种机械运动部件在工作过程中，接触表面都处于相对运动与相互作用的状态，不可避免地存在不同程度的摩擦以至于磨损。摩擦造成了能量的转移，降低了能量的利用率，增加了能源损耗，磨损更会造成机械设备运转效率降低和使用寿命降低等一系列问题。据估计美国每年由于磨损造成的损失高达20000亿美元，中国的损失每年也达数千亿元。近年来，我国汽车数量迅速增加，汽车的能源消耗成为一个重要问题。汽车发动机因摩擦而损失的功率约占30%。其中，活塞-缸套/活塞环-缸套摩擦副之间的摩擦损失占总损失的40%以上。

1.2 本课题的目的

研究气缸套/活塞环系统磨损润滑问题，寻找新材料、新型润滑剂及对材料本身进行表面处理等各种途径，来提高气缸套和活塞环的减摩性能。对材料的表面处理，激光热处理、激光毛化、机械处理、平面网纹处理等工艺方法都各有优缺点，应针对具体情况进行选用。

总之，减轻活塞-缸套/活塞环-缸套摩擦副之间的摩擦损耗已经成为减少汽车能源消耗的重中之重。

1.3 减少摩擦（增加耐磨性）的方法

提高活塞-缸套/活塞环-缸套之间的摩擦磨损性能，可以分别从活塞/活塞环和缸套两方面入手进行研究。在缸套方面，人们从材料和结构上进行了广泛的研究。材料方面，铸铁因其具有良好的经济性，优良的减磨性和耐磨性，一直被人们用于缸套的材料。近年来，随着研究的深入，许多新的耐磨材料问世，如硼铸铁，它不但具有较高的耐磨性，而且价格相当便宜，很适合用于缸套。表面结构方面，曾有人利用激光在缸套表面加工出一定形状的交叉网纹，从而细化内部晶粒，组织重排，改变了晶格形式，从而提高了其耐磨性能。同时还出现了多元共渗，挤嵌碳化硅等方法。在提高活塞耐磨性方面的研究，主要是从提高材料硬度和进行表面涂层方面开展的。20世纪90年代，稀土固体自润滑理论被提出，改善了表面的摩擦性。

在发动机活塞/活塞环与缸套耐磨性研究方面，最重要最有效的方法是改善润滑条件，尽量避免干摩擦和混合润滑状态。

2 该技术的国内外研究技术现状

2.1 国内外研究现状

目前，德国和日本学者大都采用激光珩磨加工，这种方法是珩磨与激光技术的复合，由粗珩、激光造型和精珩三道工序组成。激光珩磨机床与珩磨机类似，具有往复运动和螺旋运动，3个主要部件是激光器、光导系统和激光输出头。光学系统将光束聚焦到孔壁上。采用数控系统可以保证激光造型结构灵活地适应性能所要求的条件。通过资料显示，缸套内表面独立微坑储油结构用激光烧蚀的方法加工有许多优点，耐磨性增强，排放降低，机油消耗减少等。近年来，德国学者研究表明：有规则分布的独立点坑式缸套比原来的平顶网纹和松孔镀铬缸套性能更佳。

国内目前加工微坑的方法主要有：电火花加工方法、超声加工方法、机械冲击方法和低频振动刮削方法等。电火花加工对缸套材料有微观汽化和烧蚀作用，可造成局部材料性能发生变化，并且电加工设备价格昂贵，微坑加工成本高，操作复杂，维修困难；表面微坑超声加工所需要加工设备价格昂贵，微坑加工成本高，对单件产品不是很适合；机械冲击式这种加工方式设备造价较低，成本不高，但其对缸套的损害比较大，故也不便于使用；低频振动刮削式加工法恰好能够解决这个问题，它是靠专用刀头微切削缸套内表面，同时刀头进行16～48Hz的低频强迫振动实现缸套的微坑加工。由于是去除金属的切削，切削深度很小，因而切削力小，切削温度低，不会形成残余应力，因而也不会使缸套发生变形。但是，尤其这种加工方法本质上也是靠机械方式进行加工的，不免会具有机械加工的一些缺点。而且刀头的震动频率也很难控制，从而导致微坑的分布密度难以控制。

2.2 电解加工

电解加工（Electrochemical Machining，ECM）是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理，将工件上多余的材料蚀除掉，材料的去处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，因此电解加工的这种以离子去除的微溶解的减材方式非常适合微细结构的加工。微细电解加工技术利用电化学微溶解原理，使工件材料被溶解蚀除，从而达到对零件的形状、尺寸和加工精度要求。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。微细电解加工以其独特的优点在航空航天、汽车、机械等领域得到越来越广泛的应用。

2.3 电液束加工

电液束加工本质上也是一种电解加工方式，它是将电解液压入导电的密封头内，然后从小孔内高速射向被加工工件待加工部位，进行“切削”加工。据国外资料报道，这种加工方法的机理尚不十分清楚，但肯定加工中既有阳极金属溶解的过程，又有化学加工的作用。在实际加工中，去掉的金属量远远大于按法拉第定律计算的电化学作用去除的金属量加上化学作用对金属去除量的总和。与此相应，电流密度也大于在普通电解情况下气泡稳定发生时的电流密度，所以加工效率较高。可以认为:在高电压、大电流密度下，材料去除是电化学作用和强烈的化学溶解作用的结果。同时电液束加工具有以下特点：（1）可达性好；（2）可实现无再铸层、无微裂纹的加工；（3）表面光滑，无毛刺，加工表面粗糙度值低(一般为3.2～0.8μm)；（4）无切削应力。

3 本课题组的研究方案

研究电液束加工机理，自行研究制备符合凹坑阵列加工要求的平板电极，设计相应的加工装备，通过对工具阴极进给、阴极孔径大小、加工时间、电解液参数等相关因素的控制，加工出符合形状、尺寸要求的大小均匀的凹坑阵列。预期实现凹坑平均直径在100μm以下，凹坑深度5-20μm的加工效果。

本研究实验主要由以下几个方面组成：

3.1 阴极平板的制作

首先在阴极平板表面涂上一层SU-8光刻胶，然后对其曝光、显影，在平板表面得到所需要的圆形形貌。最后对曝光显影过的涂有光刻胶的平板进行照相电解，在平板上加工出尺寸均匀的阵列小孔。通过对加工参数和材料的选取来控制孔间距、光刻胶厚度、孔的侧向腐蚀、加工孔的锥度等，从而制作出不同孔径、孔间距、光刻胶厚度和金属层厚度的阴极平板。阴极制作过程中最关键的就是保证阴极表面的光刻胶和金属板贴合牢固，不能脱落。同时也要保证制作的平板电极刚性足够好，不易变形。