微小凹坑陣列電液束加工技術研究

江蘇 何海華

1 本課題的來源及目的

1.1 摩擦

各種機械運動部件在工作過程中，接觸表面都處于相對運動與相互作用的狀態，不可避免地存在不同程度的摩擦以至于磨損。摩擦造成了能量的轉移，降低了能量的利用率，增加了能源損耗，磨損更會造成機械設備運轉效率降低和使用壽命降低等一系列問題。據估計美國每年由于磨損造成的損失高達20000億美元，中國的損失每年也達數千億元。近年來，我國汽車數量迅速增加，汽車的能源消耗成為一個重要問題。汽車發動機因摩擦而損失的功率約占30%。其中，活塞-缸套/活塞環-缸套摩擦副之間的摩擦損失占總損失的40%以上。

1.2 本課題的目的

研究氣缸套/活塞環系統磨損潤滑問題，尋找新材料、新型潤滑劑及對材料本身進行表面處理等各種途徑，來提高氣缸套和活塞環的減摩性能。對材料的表面處理，激光熱處理、激光毛化、機械處理、平面網紋處理等工藝方法都各有優缺點，應針對具體情況進行選用。

總之，減輕活塞-缸套/活塞環-缸套摩擦副之間的摩擦損耗已經成為減少汽車能源消耗的重中之重。

1.3 減少摩擦（增加耐磨性）的方法

提高活塞-缸套/活塞環-缸套之間的摩擦磨損性能，可以分別從活塞/活塞環和缸套兩方面入手進行研究。在缸套方面，人們從材料和結構上進行了廣泛的研究。材料方面，鑄鐵因其具有良好的經濟性，優良的減磨性和耐磨性，一直被人們用于缸套的材料。近年來，隨著研究的深入，許多新的耐磨材料問世，如硼鑄鐵，它不但具有較高的耐磨性，而且價格相當便宜，很適合用于缸套。表面結構方面，曾有人利用激光在缸套表面加工出一定形狀的交叉網紋，從而細化內部晶粒，組織重排，改變了晶格形式，從而提高了其耐磨性能。同時還出現了多元共滲，擠嵌碳化硅等方法。在提高活塞耐磨性方面的研究，主要是從提高材料硬度和進行表面涂層方面開展的。20世紀90年代，稀土固體自潤滑理論被提出，改善了表面的摩擦性。

在發動機活塞/活塞環與缸套耐磨性研究方面，最重要最有效的方法是改善潤滑條件，盡量避免干摩擦和混合潤滑狀態。

2 該技術的國內外研究技術現狀

2.1 國內外研究現狀

目前，德國和日本學者大都采用激光珩磨加工，這種方法是珩磨與激光技術的復合，由粗珩、激光造型和精珩三道工序組成。激光珩磨機床與珩磨機類似，具有往復運動和螺旋運動，3個主要部件是激光器、光導系統和激光輸出頭。光學系統將光束聚焦到孔壁上。采用數控系統可以保證激光造型結構靈活地適應性能所要求的條件。通過資料顯示，缸套內表面獨立微坑儲油結構用激光燒蝕的方法加工有許多優點，耐磨性增強，排放降低，機油消耗減少等。近年來，德國學者研究表明：有規則分布的獨立點坑式缸套比原來的平頂網紋和松孔鍍鉻缸套性能更佳。

國內目前加工微坑的方法主要有：電火花加工方法、超聲加工方法、機械沖擊方法和低頻振動刮削方法等。電火花加工對缸套材料有微觀汽化和燒蝕作用，可造成局部材料性能發生變化，并且電加工設備價格昂貴，微坑加工成本高，操作復雜，維修困難；表面微坑超聲加工所需要加工設備價格昂貴，微坑加工成本高，對單件產品不是很適合；機械沖擊式這種加工方式設備造價較低，成本不高，但其對缸套的損害比較大，故也不便于使用；低頻振動刮削式加工法恰好能夠解決這個問題，它是靠專用刀頭微切削缸套內表面，同時刀頭進行16～48Hz的低頻強迫振動實現缸套的微坑加工。由于是去除金屬的切削，切削深度很小，因而切削力小，切削溫度低，不會形成殘余應力，因而也不會使缸套發生變形。但是，尤其這種加工方法本質上也是靠機械方式進行加工的，不免會具有機械加工的一些缺點。而且刀頭的震動頻率也很難控制，從而導致微坑的分布密度難以控制。

2.2 電解加工

電解加工（Electrochemical Machining，ECM）是利用金屬在電解液中可以發生陽極溶解的原理，將工件上多余的材料蝕除掉，材料的去處過程是以離子尺度進行的，金屬離子的尺寸通常小于十分之一納米，因此電解加工的這種以離子去除的微溶解的減材方式非常適合微細結構的加工。微細電解加工技術利用電化學微溶解原理，使工件材料被溶解蝕除，從而達到對零件的形狀、尺寸和加工精度要求。加工過程中工具與工件不發生直接接觸，無工具電極損耗；加工效率高，結構表面光滑；工件表面不會產生加工應力、變形以及熱影響區。微細電解加工以其獨特的優點在航空航天、汽車、機械等領域得到越來越廣泛的應用。

2.3 電液束加工

電液束加工本質上也是一種電解加工方式，它是將電解液壓入導電的密封頭內，然后從小孔內高速射向被加工工件待加工部位，進行“切削”加工。據國外資料報道，這種加工方法的機理尚不十分清楚，但肯定加工中既有陽極金屬溶解的過程，又有化學加工的作用。在實際加工中，去掉的金屬量遠遠大于按法拉第定律計算的電化學作用去除的金屬量加上化學作用對金屬去除量的總和。與此相應，電流密度也大于在普通電解情況下氣泡穩定發生時的電流密度，所以加工效率較高。可以認為:在高電壓、大電流密度下，材料去除是電化學作用和強烈的化學溶解作用的結果。同時電液束加工具有以下特點：（1）可達性好；（2）可實現無再鑄層、無微裂紋的加工；（3）表面光滑，無毛刺，加工表面粗糙度值低(一般為3.2～0.8μm)；（4）無切削應力。

3 本課題組的研究方案

研究電液束加工機理，自行研究制備符合凹坑陣列加工要求的平板電極，設計相應的加工裝備，通過對工具陰極進給、陰極孔徑大小、加工時間、電解液參數等相關因素的控制，加工出符合形狀、尺寸要求的大小均勻的凹坑陣列。預期實現凹坑平均直徑在100μm以下，凹坑深度5-20μm的加工效果。

本研究實驗主要由以下幾個方面組成：

3.1 陰極平板的制作

首先在陰極平板表面涂上一層SU-8光刻膠，然后對其曝光、顯影，在平板表面得到所需要的圓形形貌。最后對曝光顯影過的涂有光刻膠的平板進行照相電解，在平板上加工出尺寸均勻的陣列小孔。通過對加工參數和材料的選取來控制孔間距、光刻膠厚度、孔的側向腐蝕、加工孔的錐度等，從而制作出不同孔徑、孔間距、光刻膠厚度和金屬層厚度的陰極平板。陰極制作過程中最關鍵的就是保證陰極表面的光刻膠和金屬板貼合牢固，不能脫落。同時也要保證制作的平板電極剛性足夠好，不易變形。

3.2 用制作好的陰極平板進行初步的凹坑陣列電液束加工

首先用制備好的陰極進行平面凹坑陣列的電射流加工試驗，通過調整電參數，加工間隙，電解液參數等條件，分析各個條件對加工出的微坑的影響。然后優化加工參數加工出符合要求的不同尺寸的凹坑陣列。

3.3 嘗試在圓柱表面加工出凹坑陣列

最后采用經過優化的加工參數嘗試在圓柱表面加工出凹坑陣列。通過工件旋轉角度來控制凹坑間距，通過間隔時間來控制凹坑的直徑和深度等。

3.4 進行凹坑陣列形貌的檢測

利用實驗室現有的形貌儀（XAM）、電子顯微鏡等檢測裝置對凹坑進行檢測。

4 總結

通過對材料的表面結構進行凹坑陣列的加工，從而減少了摩擦，提高了能源的消耗，這在汽車工業中具有重要的意義，從整體方面來說，是對人類生存環境和可利用資源的一種貢獻。表面微結構的研究正逐漸朝著更小更精細方面發展，各國工作者都努力進行這方面的科學研究。

[1]劉耀輝,于思榮,任露泉,等.金屬基耐磨鑄造表面復合材料的現狀及其今后研究工作的主攻方向.摩擦學學報,1994,14(1)：89-95.

[2]薛茂權，熊黨生，閆杰.高溫固體潤滑材料的研究現狀.兵器材料科學與工程,2003年06期

[3]張云電,趙峰,黃文劍.摩擦副工作表面微坑超聲加工方法的研究.中國機械工程,2004年第15卷第14期.

[4]張云電.缸套工作表面微坑數控加工的方法和效果.新技術新工藝,2005年第10期.