黃 森，沈 浩，許 博，丁慶田，何 濤

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南 232001）

0 引言

近年來，隨著我國的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)和微制造技術(shù)不斷提高，在航空航天、儀器儀表、國防設(shè)備等眾多領(lǐng)域中[1]，微小織構(gòu)和微小孔都起到了至關(guān)重要的作用。Bechert D W 等[2]發(fā)現(xiàn)，擁有微納米結(jié)構(gòu)的荷葉表面，不但可以減少灰塵的附著，而且具有超疏水性。任露泉等[3]發(fā)現(xiàn)，蜣螂體表上的凹坑結(jié)構(gòu)，使其在體表與濕潤的土壤表面能夠形成氣膜，減小了摩擦阻力。通過上述生物摩擦學(xué)得到啟示，在摩擦副的表面上加工出具有一定分布規(guī)律和不同尺寸形狀的微小結(jié)構(gòu)能夠顯著改善磨損特性[4]，這就是表面織構(gòu)技術(shù)。

表面織構(gòu)技術(shù)在工業(yè)方面的應(yīng)用促使了微細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步，由于織構(gòu)的尺寸和形狀都在微米級(jí)，因此表面織構(gòu)的加工技術(shù)存在很多難題。表面織構(gòu)的加工方法有很多種，根據(jù)其形成的基本原理以及加工方式，將這些方法分為機(jī)械加工和特種加工兩大類，其中織構(gòu)的特種加工又分為兩類：一類是有實(shí)體的工具的特種加工，如電火花、電解和超聲加工[5]；另一類是高能束流特種加工，如激光束、電子束和離子束[6]等。王曉明等[7]制造了刀削界面持續(xù)潤滑系統(tǒng)，并用該系統(tǒng)在工作表面先加工等間距織構(gòu)，再在該間距中加工了更小的織構(gòu)，提高了摩擦界面的潤滑性能。張?jiān)齐姷萚8]利用超聲波加工方法在摩擦副工作表面加工出微小凹坑，并設(shè)計(jì)了表面超聲波加工裝置，具有加工精度高、加工效率高等特點(diǎn)。于新奇等[9]利用激光加工法在密封環(huán)端面進(jìn)行打孔，通過多孔端面機(jī)械密封與一般機(jī)械密封進(jìn)行比較，最終發(fā)現(xiàn)前者能夠表現(xiàn)出更好的密封性。徐正揚(yáng)等[10]利用當(dāng)前的電解加工技術(shù)，對(duì)航天發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片型面陽極材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種陰極進(jìn)給方案，使得加工出來的葉片型面精度穩(wěn)定在0.05 mm，達(dá)到了精度要求。張海巖等[11]利用電解加工的技術(shù)成功去除了齒輪上的微細(xì)毛刺，同時(shí)在去毛刺的過程中對(duì)齒輪的邊角進(jìn)行倒圓角處理，改善齒輪表面粗糙度的同時(shí)也優(yōu)化了齒輪的表面精度。目前大多數(shù)的試驗(yàn)研究都表明了微小織構(gòu)有能力改善摩擦表面的接觸和磨損性能[12]，然而在實(shí)際的應(yīng)用中，微織構(gòu)的加工成型往往決定產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。因此，如何提高加工效率、增強(qiáng)加工的定域性、保證較高的加工精度等方面成為表面織構(gòu)技術(shù)最重要的環(huán)節(jié)。

本文結(jié)合了機(jī)械加工和電化學(xué)加工的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了微凹坑織構(gòu)復(fù)合加工系統(tǒng)以及對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行搭建。先通過高速機(jī)械鉆削加工出織構(gòu)凹坑，然后以高速旋轉(zhuǎn)的螺旋鉆削刀具作為旋轉(zhuǎn)工具陰極，工件為陽極，通過電化學(xué)腐蝕對(duì)機(jī)械加工微孔進(jìn)行二次電解精加工，以去除孔壁毛刺、裂紋及翻邊等缺陷，從而提高孔壁加工精度。

1 加工平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

加工平臺(tái)主要由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、高速電主軸系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng)組成、夾具及引電裝置、電解控制系統(tǒng)組成。由于采用了微凹坑織構(gòu)復(fù)合加工技術(shù)，使得加工的效率和表面質(zhì)量大大提高，該平臺(tái)可靈活方便地在平面表面加工出規(guī)律分布的微織構(gòu)結(jié)構(gòu)，具有精確可控、穩(wěn)定高效、成本較低和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，圖1所示為平臺(tái)原理。

圖1 微凹坑織構(gòu)復(fù)合加工平臺(tái)原理

2 系統(tǒng)搭建

2.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

該試驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由高精度型電動(dòng)平移臺(tái)、電控整體組合臺(tái)、運(yùn)動(dòng)控制器組成。基于這套運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)搭建的平臺(tái)，能夠有效地利用系統(tǒng)軟件對(duì)多軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。

2.2 高速電主軸系統(tǒng)

高速電主軸系統(tǒng)由高速電主軸及其固定夾座、變頻器組成。由于微細(xì)鉆頭的直徑都非常小，為了能夠獲得較高的切削速度，微細(xì)鉆削過程中需要一個(gè)能夠提供極高轉(zhuǎn)速的主軸系統(tǒng)。目前機(jī)械微細(xì)鉆削加工中常用交流高頻電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速可以達(dá)到每分鐘幾萬甚至幾十萬轉(zhuǎn)，電主軸取代了傳統(tǒng)的齒輪和帶輪等傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸直接連起來，從而縮短了機(jī)床傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”。高速電主軸采用變頻器驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過控制變頻器的頻率可對(duì)電主軸進(jìn)行無極調(diào)速，用變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)，必須對(duì)變頻器內(nèi)置參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)定，錯(cuò)誤的設(shè)定也會(huì)造成高速電主軸的損壞。

2.3 電解液循環(huán)系統(tǒng)

由于在電解加工的過程中會(huì)產(chǎn)生腐蝕碎屑，過多的碎屑會(huì)在聚集在加工間隙當(dāng)中，當(dāng)加工間隙被阻塞時(shí)，電解液無法在進(jìn)行更新，同時(shí)放電通道隔絕，阻礙了電解加工的進(jìn)行，因此需要一套循環(huán)系統(tǒng)在加工過程中將碎屑去除。該系統(tǒng)包括電解槽、電解液水泵、過濾器。此系統(tǒng)能夠有效地過濾雜質(zhì)和碎屑，實(shí)現(xiàn)電解液的循環(huán)。

2.4 夾具及引電裝置

夾具能夠在微坑織構(gòu)的加工過程中保證工件的穩(wěn)定性，該夾具用亞克力板制成，在電解槽內(nèi)用螺釘固定夾具，在夾具表面鉆孔以固定要加工的金屬工件。同時(shí)設(shè)計(jì)了一種多自由度可調(diào)節(jié)式引電裝置，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，能夠進(jìn)行多方向調(diào)節(jié)。在加工過程中對(duì)電流測量后發(fā)現(xiàn)無斷電現(xiàn)象，并且電流曲線穩(wěn)定，能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

3 平臺(tái)樣機(jī)搭建及加工試驗(yàn)

3.1 平臺(tái)實(shí)物搭建

通過一系列的裝配和調(diào)試，最終完成微凹坑織構(gòu)復(fù)合加工平臺(tái)的實(shí)物搭建，如圖2 所示。該平臺(tái)采用微細(xì)切削和電化學(xué)復(fù)合加工的方法加工微織構(gòu)微坑，具有單件加工效率高、加工微坑深度大、加工成本低、調(diào)整微坑結(jié)構(gòu)和分布參數(shù)方便快捷等諸多優(yōu)點(diǎn)。且其可加工微坑直徑范圍大，最小可加工孔徑可達(dá)50μm。此外，更換陰極電極形式后，還可進(jìn)行掩膜電化學(xué)加工，從而實(shí)現(xiàn)微坑群的批量加工。

圖2 微凹坑織構(gòu)復(fù)合加工平臺(tái)實(shí)物

3.2 加工試驗(yàn)

根據(jù)加工平臺(tái)的性能參數(shù)并結(jié)合已有研究選取相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

通過基于LabVIEW 的平臺(tái)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備自動(dòng)控制和試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、記錄。電解液循環(huán)系統(tǒng)和高速電主軸系統(tǒng)控制試環(huán)電解加工，高速攝像機(jī)方便觀察加工過程，實(shí)現(xiàn)微凹坑織構(gòu)復(fù)合加工平臺(tái)的自動(dòng)化運(yùn)行，圖3 所示為加工工件表面拋磨處理后試驗(yàn)平臺(tái)的加工過程，從圖中能夠看到在未通電0 s時(shí)，電極表面和加工試件表面沒有氣泡形成，在加工到10 s時(shí)，工具電極和加工工件表面形成較小的氣泡，隨著加工的進(jìn)行，氣泡、電解液及電解后的腐蝕產(chǎn)物隨工具陰極旋轉(zhuǎn)而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，利用電解液循環(huán)系統(tǒng)能夠有效地將電解液和加工間隙中的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行去除，提高了加工的穩(wěn)定性。電解液以及電解過程中產(chǎn)生的腐蝕碎屑的密度大，而氣泡的密度小，導(dǎo)致了在高速電主軸的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)下，氣泡被迫將做向心運(yùn)動(dòng)，并且在加工過程中，氣泡逐步依附在刀具表面。同時(shí)氣泡在刀具螺旋槽及浮力的作用下，將沿著刀具軸向上運(yùn)動(dòng)，由于電解液和氣泡之間存在一定的濃度差，當(dāng)陰極刀具達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速后，小氣泡會(huì)合并成大氣泡，最終在電極表面形成一層穩(wěn)當(dāng)?shù)膱A柱狀氣泡膜。

圖3 試驗(yàn)平臺(tái)復(fù)合加工過程

當(dāng)電極進(jìn)入織構(gòu)微孔內(nèi)部時(shí)，由于是在機(jī)械鉆削基礎(chǔ)上進(jìn)行二次精細(xì)加工，因此電化學(xué)反應(yīng)迅速擴(kuò)孔，并以很快的速度完成微孔內(nèi)壁機(jī)械加工的毛刺和微裂紋層的去除，側(cè)壁間隙有所增大。且由于氣泡層不斷產(chǎn)生并上升運(yùn)動(dòng)，降低了旋轉(zhuǎn)陰極與孔壁間的電流密度，從而降低孔壁的電解腐蝕，有利于減小微孔的錐度，使電解反應(yīng)主要集中在刀具端部附近，且氣泡層的上升運(yùn)動(dòng)還有利于推動(dòng)電解產(chǎn)物及雜質(zhì)從加工區(qū)外排及新鮮電解液的補(bǔ)充，從而避免電解短路發(fā)生，提高加工穩(wěn)定性。

圖4 所示為電解加工電流，通過LabVIEW 編寫電流檢測系統(tǒng)，通過外接采集卡記錄下電解過程電流變化，由電流檢測窗口可知，電解加工過程中的電解電流值基本上是穩(wěn)定的，在整個(gè)加工的過程中沒有出現(xiàn)短路和降壓的情況。最后在微凹坑織構(gòu)復(fù)合加工平臺(tái)下加工出試件的凹坑織構(gòu)，如圖5 所示。

圖4 電解加工電流

圖5 平臺(tái)試件微織構(gòu)

3.3 檢測分析

將表面清理過的微織構(gòu)加工工件放入三維形貌儀中檢測，按照正確操作方法使用三維形貌儀對(duì)加工工件的外表面進(jìn)行掃描，圖6 所示為微織構(gòu)加工工件表面三維形貌儀檢測結(jié)果，由此可知階躍高度波動(dòng)較小，織構(gòu)陣列重復(fù)性好，凹坑的周圍磨痕較少，在電解的二次精加工下，有效地去除了由機(jī)械鉆削所產(chǎn)生的毛刺和裂紋，并且在加工微細(xì)織構(gòu)時(shí)不會(huì)對(duì)周圍的非加工區(qū)域表面進(jìn)行腐蝕破壞，該微織構(gòu)具有容納磨粒的效果，滿足精度要求，能起到良好的摩擦性能。

圖6 微織構(gòu)形貌檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

本文針對(duì)目前微小織構(gòu)難加工的問題，設(shè)計(jì)并搭建了微凹坑織構(gòu)復(fù)合加工平臺(tái)。借助高速微切削初加工，然后以螺旋刀具為陰極，工件為陽極，同軸開展電化學(xué)放電去毛刺、電解去應(yīng)力精加工。同時(shí)通過電解液循環(huán)系統(tǒng)更新電解液，保護(hù)孔壁及刀具，精準(zhǔn)控制放電區(qū)域，減小孔壁錐度，提高定域性。最后基于LabVIEW 實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)對(duì)刀加工、視覺監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等功能，完成多樣化織構(gòu)的高精度加工，通過三維形貌儀對(duì)加工后的凹坑織構(gòu)進(jìn)行檢測，結(jié)果表明：在微凹坑織構(gòu)復(fù)合加工平臺(tái)下加工出的凹坑形狀規(guī)則，凹坑表面整潔，利用電化學(xué)加工的方法有效地去除了由機(jī)械鉆削所產(chǎn)生的毛刺和裂紋，且織構(gòu)孔口圓柱度好，雜散腐蝕少，織構(gòu)孔口質(zhì)量高，為后續(xù)的加工表面的摩擦磨損試驗(yàn)奠定了研究基礎(chǔ)。