硕士论文-电化学光整加工过程中电流场分布特性的研究

硕士论文-电化学光整加工过程中电流场分布特性的研究 新疆大学硕士毕业论文 论文题目(中文): 电化学光整加工过程中电流场分布特性 的研究 论文题目(外文):Study on Properties of Current Distribution along Micro-profile in Processing of Electrochemical Finishing 研 究 生 姓 名: 学 科 、 专 业: 机械制造及其自动化 研 究 方 向: 制造业信息化工程 导师 姓名 职称: 阿达依?谢尔亚孜旦 副教授 论文答辩日期 2011年 5 月 29 日 学位授予日期 年 月 日 新疆大学硕士研究生学位论文 摘 要 由于电化学光整加工方法具有不受零件表面硬度影响及可使零件加工表面获得良好的微观几何轮廓等优势，因而得到迅速发展，大幅度提高了加工表面质量，在机械零件的加工中得到应用。研究可知电化学光整加工不仅可以大幅度改善零件表面加工质量，而且还可以不同程度地提高零件的加工精度。 研究结果表明，电化学光整加工的整平过程是工件阳极表面微观几何轮廓从尖峰状变成圆弧状的圆角化过程，工件阳极表面微观几何形貌的圆角化不仅影响提高整平效果，而且也影响加工精度。电化学光整加工的整平机理是影响表面质量及加工精度的重要因素，影响整平效果的因素很多，如，电解液质量分数、电流密度等，但其中其它条件确定的情况下阳极微观几何轮廓的变化对整平效果的影响最明显，相关实验结果的分析也表明，在电化学光整加工的初期，整平效果提高较为显著，但随着光整加工的进行，整平效果的提高并不十分明显;同时，所获得的表面微观几何轮廓由尖峰形变为呈圆角形。显然，在小间隙条件下，表面微观几何轮廓的变化影响了极间电流场的分布。说明电流场的分布影响着整平效果和表面质量，因此为了为改善电化学光整加工整平效果有必要研究电化学光整加工过程中电流场分布特性的。根据电化学光整加工前后的表面微观轮廓的变化，本文在此提出圆锥体和半球体两种表面微观几何形貌。从微观几何的角度研究了电化学光整加工整平过程中工件阳极表面微观几何轮廓的变化及其影响。 在所提出的圆锥体和半球体表面微观几何形貌的基础上，根据相关的知识建立了极间电流场的数学模型并分析了电化学光整加工过程中电流场分布特性的变化。研究结果表明，尖峰状表面微观几何轮廓有利于强化电化学的选择性溶解，有利于提高整平效果，圆弧张表面微观几何轮廓弱化电化学阳极选择性溶解，不利于提高整平效率。结果验证了电化学机械光整加工过程中，机械作用不仅具有刮膜的作用，而且还具有使表面微观几何轮廓尖峰化的作用。 关 键 词:电流场;特性;电化学;光整 I 新疆大学硕士研究生学位论文 Abstract Electrochemical finishing technology with the good surface quality make its process method has been increasingly widely application , and has become one of the processing technology manufacturing , a lot of research results indicate that using electrochemical finishing technology not only improves parts surface machining accuracy , but also can effectively increase the use of parts performance. Electrochemical finishing method get the rapid development , greatly improved the machined surface quality in machinery parts processing , get the application in machinery parts processing because it do not suffer influence of parts surface hardness , and can make parts processing surface obtain good micro geometric profile. Study shows electrochemical finishing not only can significantly improve the machined surface machining parts, and still can improve the quality of parts processing precision in different degree. The results of the study shows that , electrochemical finishing the whole process is a process of workpiece anticathode surface micro geometric profile from peak shape into arc shape of the fillet process , workpiece surface morphology of anode geometry of microscopic affect not only improve round , but also leveling effect affect machining accuracy. The processing of electrochemical light mechanism is leveling influence surface quality and machining precision of the important factors that affect leveling effect by many factors , Such as , electrolyte quality score, current density , etc , but the other conditions uncertain anode micro geometric profile change on leveling effect the most obvious. Related the analysis of experimental results also indicated that the beginning of the whole processing in electrochemical light, leveling effect increased significantly , but as the light is on , the processing of leveling effect improve is not obviously ; meanwhile , the surface obtained by microscopic geometric profile for a round shape peak deformation obviously, in the small gap conditions , the II 新疆大学硕士研究生学位论文 geometric profile on micro change affects current distribution explain the current distribution affecting leveling effect and surface quality , Therefore , in order to improve the processing leveling electrochemical light effect is necessary to study the whole process of electrochemical finishing of current field distribution characteristics. According to the change of whole processing and electrochemical light microscopic surface outline.This paper Puts forward The cone and half a sphere Two kinds of surface micro geometric morphology, studied from the perspective of microscopic geometry electrochemical finishing the whole processing leveling process workpiece anticathode surface and the variation of microscopic geometric profile influence. Based on surface microstructure geometric shape of the cone proposed and half sphere according to relevant electrodynamics knowledge current field established the mathematical model, and analyzes the whole process of electrochemical light changes in the current field distribution characteristics. The results of the study show that, peak shape to strengthen microscopic geometry contour surface electrochemical dissolution, be helpful for improving leveling effect, arc shape surface micro geometric profile weakening electrochemical anode dissolution, is not conducive to improving leveling efficiency using relevant numerical simulation software simulation peak shape and arc shape two surface micro geometric profile charge distribution and charge density distribution curve, verify the above process electrochemical mechanical light the whole processing process, mechanical function not only has the role of scraping membrane, but also has made the surface of microscopic geometric outline the role of peak. Keywords: current field, characteristics, electrochemical, finishing III 新疆大学硕士研究生学位论文 目 录 摘 要.................................................................... ? Abstract................................................................. ? 1 绪论.................................................................... 1 1.1 电化学光整加工的研究 .............................................. 1 1.1.1电化学光整加工方法的发展 ..................................... 1 1.1.2 电化学光整加工工艺的研究与应用现状........................... 3 1.2 选题依据 .......................................................... 7 1.3 电化学光整加工过程中研究电流场分布特性中存在的问题 ................ 8 1.4 选题目的、意义及解决方法........................................... 9 1.4.1选题目的 ..................................................... 9 1.4.2选题意义 ..................................................... 9 1.4.3研究的基本思路及方法 ........................................ 10 2 电化学光整加工的理论基础............................................... 11 2.1电化学光整加工的基本原理.......................................... 11 2.2电化学光整加工的整平机理.......................................... 12 2.2.1整平机理的基础研究 .......................................... 13 2.2.2数值求解平行板的溶解速度 .................................... 15 2.2.3电化学光整加工的基本特性 .................................... 17 2.3 电化学光整加工实验平台的设计 ..................................... 19 2.3.1 电源系统.................................................... 19 2.3.2 电解液...................................................... 20 2.3.3阴极结构设计 ................................................ 21 2.4 本章小结 ......................................................... 22 3 极间电流场数学模型的建立及其分析....................................... 23 3.1表面微观几何轮廓的变化对电化学光整加工的影响...................... 23 3.1.1 表面微观几何形貌的变化...................................... 24 3.1.2 平行板的电化学光整实验...................................... 26 3极间电流场的再分布对电化学光整加工的影响 .................... 31 3.1. 3.1.4强化机械作用 ................................................ 31 3.2电化学光整加工前后表面微观轮廓的几何模型.......................... 32 3.3尖峰形表面微观几何轮廓电场分布的数学模型及其边界条件的确立........ 33 3.4圆弧状表面微观几何轮廓电场分布的数学模型及其边界条件的确立 ........ 37 3.5数学模型的分析 .................................................... 40 3.5.1尖峰状表面电流场分布特性的分析 .............................. 41 3.5.2圆弧状状表面电流场分布特性的分析 ............................ 43 3.5.3两种表面微观轮廓电流场分布分析结果的对比 .................... 44 3.6 本章 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ......................................................... 45 IV 新疆大学硕士研究生学位论文 4 实验验证及应用......................................................... 46 4.1 实验原理 ......................................................... 46 4.2 实验条件 ......................................................... 46 4.3 工艺参数对表面质量的影响 ......................................... 48 4.3.1 电解液浓度的影响............................................ 49 4.3.2电流密度的影响 .............................................. 50 4.3.3 极间间隙的影响.............................................. 51 4.4 实验结果分析 ..................................................... 53 4.5 电化学光整加工实验结果的应用 ..................................... 55 4.6 本章小结 ......................................................... 57 5 结论及展望............................................................. 58 参 考 文 献.............................................................. 60 致 谢.................................................................... 63 V 新疆大学硕士研究生学位论文 1 绪论 机械零件加工后的加工质量直接影响产品的使用性能，但对产品使用性能要求的不断提高，使得目前通过机械加工所获得的零件的加工质量难以满足对产品使用性能日益提高的要求。因此，光整加工方法在提高零件质量方面的作用日益受到关注，并且日益显现出在提高零件使用性能方面的优势。但与此同时，目前常用的光整加工方法(如磨削、研磨以及抛光等)也显露出自身的缺憾。这既有光整加工机理方面的因素，也存在待光整工件方面的原因。主要体现在 ? 对产品使用性能要求的不断提高，使得难加工 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 (如高温材料、钛合金以及奥氏体不锈钢等)的使用份额日益增加; ? 零件表层的高硬度特征使得目前常用的常规光整加工方法难以发挥作用，如光整加工效率低，且易产生暗烧伤等缺陷; 机械加工后获得的零件表面微观几何轮廓呈“尖峰”状，因此不利于提? 高零件的使用性能，如大的初磨损量以及接触刚度保持性差等。 常规光整加工方法所显现的不足，使得非常规加工方法的应用日益受到关注，不仅在实践中显现了提高零件加工质量的优势，而且还形成了以电化学光整加工为典型代表的非常规光整加工手段或方法。 虽然电化学光整加工是电化学加工方法在光整加工领域内的应用，但由于加工目的不同，因而，不仅电化学光整加工的对象所具有的特征不同，而且还具有自身的规律，因此，国内外相关学者和工程技术人员对电化学光整加工整平机理等方面开展了深入的研究，极大地促进了电化学光整加工的应用。 1.1 电化学光整加工技术的研究与应用现状 1.1.1电化学光整加工技术的发展情况 为改善零件表面质量最初使用的加工方法是电抛光加工技术，由于电抛光工艺使用电化学阳极溶解现象，因此不但不受零件表面硬度，而且工具阴极设计方法简单，因此在改善零件表面质量上发挥了重要的作用。最初是以阳极表面抛光 1 新疆大学硕士研究生学位论文 为目的而应用的，并在此基础上逐步演绎为采用酸性电解液的电化学抛光工艺方 [1]法。 在实际应用过程电化学抛光技术显露了一些缺陷。这些不足主要表现在以下几种: (1)最终的表面质量收到抛光前原始表面质量状况的影响。 (2)电抛光后表面粗糙度只能提高1,2级，可见提高程度不高。 (3)电解液为酸性溶液几乎不流动因此对设备的腐蚀和环境的污染比较大， [2]电极之间的间隙较大。 由于电抛光技术存在上述的不足，因此开发了能够弥补电抛光技术而且能够结合机械作用与电化学作用的电化学机械复合光整加工方法。此工艺方法有效的 [3]实现了电化学光整加工与机械光整加工的复合。 电化学机械复合光整加工方法是改善零件表面质量的有效手段之一。电化学机械复合光整加工缩小了阳极与阴极之间的间隙。由于存在机械作用，工件阳极与机械单元之间存在相对运动，因此电化学机械复合光整加工的整平机理相对比 [4]较复杂。 实际应用当中随着表面质量要求的提高电化学机械复合光整加工方法显现出了许多自身的缺陷。由于电化学机械复合光整加工工艺方法存在以上的不足和缺点，方建成等学者研究和开发了电化学光整加工与磁粒光整加工的复合光整加 [5]工方法。为提高表面质量及电化学光整加工的整平效果，日本学者T.Masuzawa等人研究开发了脉冲电化学光整加工工艺方法，此工艺方法的特点是在小间隙 [6]下、中性电解液条件下利用脉冲电流。 脉冲电流的间断性及周期性特性在小间隙条件下使电化学阳极溶解获得到 [7]改善，与电化学机械复合光整加工相比在提高加工精度上面有很大的优势。 由此可见，随着阳极与阴极之间间隙的缩小、电流特性的变化，电化学光整加工方法在提高零件表面质量方面显现了巨大优势，因此已发展成为综合性光整加工技术。 2 新疆大学硕士研究生学位论文 1.1.2电化学光整加工技术国内外的进展及其应用现状 目前电化学光整加工技术的重要研究和应用的发展方向是脉冲电化学光整加工技术和电化学机械复合光整加工技术两种。 (1)电化学机械复合光整加工技术方法 通过研究发现，国外的电化学机械复合光整加工技术的研究比较早，主要集中在欧美的一些国家和日本，对电化学机械复合加工技术方法的研究方向则主 [8]要集中在提高整平效率以和加工质量的电解磨削加工方面。日本学者木本康雄等人针对电解磨削技术的阴极特点，提出了工具阴极利用贴有无纺布等粘弹性的金属的电化学机械复合光整加工方法，从而提高了正平效率、加工质量，并且获 [9]得了良好的表面加工精度。 加工大型不绣钢镜面板材、提高大型不绣钢镜面板材的生产效益，前畑英彦、釜田浩等日本学者深入进行大量的研究与分析了电化学机械复合光整加工技术方法的特点及根据阳极表面微观形貌特性，并获得了一定的成就，成果奠定了良 [10]好的加工技术基础。Tehrani.F.A等人研究了脉冲电流，用它取代恒直流电流后解决了电化学机械复合光整加工难以解决的关键问题。他们的研究表明:由于脉冲电流具有的周期性、间断性等性质，因此调整了电化学阳极溶解作用与机械 [11]作用之间的相互匹配关系。与此同时，电化学机械复合光整加工工艺后，可知此工艺不仅不受工件阳极表面硬度影响，而且加工后可得良好的表面形貌等特点，因此国内众多高校学者开展了对电化学机械复合光整加工性质的研究，并取得了一定的成绩。 目前，在研究电化学机械复合加工的整平机理上国内已有学者，并建立了相 [12]应的数学模型，也有些学者针对在电化学机械复合光整加工前后的工件阳极表 [13]面微观几何轮廓的的变化及相关的性进行了分析与研究。在脉冲电化学机械复合光整加工过程中，各种工艺参数影响表面质量，因此还有学者利用BP神经网络技术对脉冲电化学机械复合光整加工进行了研究，并建立了相应的神经网络模[14]型。 研究电化学机械复合光整加工技术问题上，从上世纪70年代起大连理工大 3 新疆大学硕士研究生学位论文 [15]学光整加工课题组进行了研究并取得了一定的成就，获得国家科技奖。 电化学机械复合光整加工技术上的研究取得了一定的成绩，因此扩了电化学机械复合光整加工的应用范围。 (2) 脉冲电化学光整加工技术 由于脉冲电化学光整加工技术使用具有周期性、间段性的脉冲电流，在光整过程中工件阳极表面上发生断续的电化学阳极溶解，因此光整初期工件阳极表面 [16]微观轮廓呈尖峰状，使电流场分布呈非均匀性。在光整过程中工件阳极表面的尖峰处电场线集中因此在最高处形成较大的电流密度，在凹谷处电场线分散，因而形成的电流密度较小;同时工件阳极表面尖峰处的阳极钝化膜较薄，根据法拉第电解定律可得尖峰处的电阻较小，因而容易溶解，反而阳极金属表面凹谷处钝化膜较厚，电阻较大，而且不容易溶解。由于以上的特性，脉冲电化学光整加工有效地提高整平速度，因而达到整平的目的。 脉冲电流具有间断性、周期性变的特性，光整过程中加快两极间间隙的电化 [17]学特性、电流场特性，从而直接影响到电化学阳极溶解的集中蚀除能力。以上特性可见，脉冲电化学光整加工在提高整平速度和加工精度上都有很大优势。 通过研究可知，脉冲电化学光整加工技术是具有发展潜力的光整技术之一，其它加工方法相比它具有很多优点，因而逐渐受到了很多研究机构的的重视。脉冲电化学光整加工技术的最大特点是把机械加工后的尖峰型表面变成圆弧型表面微观形貌，光整后的零件表面粗糙度小，因而大幅度延长零件的使用周期;在一些特殊零件的光整问题上，传统的光整加工技术显现自身的不足，但脉冲电化学光整加工技术具有加工质量好且无工具损耗等优势，因此够解决传统光整加工的难题，甚至弥补传统光整加工的不足。能够提高生产效率、降低生产成本且劳 [18]动强度等，因此，脉冲电化学光整加工技术具有很高的研究和应用价值。 脉冲电化学光整加工技术采用的高电流密度有利于阳极表面加工质量的提高,缩小两极间间隙，从而可以显著改善加工表面的精度。此外, 脉冲电流加工方法使用高频、窄脉宽电流，提供了更多的可调参数, 这些参数有利于加工过程 [19]的稳定, 可显著改善表面质量 。 4 新疆大学硕士研究生学位论文 经试验可验证, 脉冲电流具有间断性的性质因此脉冲电流电化学光整加工技术显著改善整平效果从而提高零件表面加工质量,一次加工即可达到所要求的表面粗糙度, 工件具有极好的光泽性, 并且在改善光整加工质量的同时可显著提高整平速度。 对脉冲电化学光整加工方面，目前，日本及欧美一些国家把脉冲电化学加工工艺应用到光整加工领域当中。脉冲电化学光整加工的研究上，美国学者K.P.Pajurkar、俄罗斯学者Evgueny. I.Filatov、波兰学者J.Kozak、英国学者H.Hardistry等首先建立了脉冲电化学光整加工的数学模型，并根据数学模型利用计算机相关的软件模拟了脉冲电化学加工的过程，研究了脉冲电化学光整加工 [20]的特性。O.V.Krishnaiah Chetty与K.P.Pajurkar等学者系统地研究了脉冲电化学加工的表面特性，依据所建立的数学模型与模拟实验结果，给出了加工间 [21]隙、脉冲电流、电解液等工艺参数与表面质量的关系。英国学者D.Clifton等人利用超音速技术对脉冲电化学加工过程中的极间间隙实现了在线测量及其 [22]控制。美国J.J.Sun，E.J.Taylor，R.Srinivasan等学者采用较宽的正向脉冲与较窄的负向脉冲相结合对镍、钛、钼等航空航天工业中常用的难加工材料进行了光整加工，去除了放电加工后表面形成的氧化层及变质层，得到了较好的表面质量， [23,24,25]并提高了零件的疲劳强度 。 目前电化学光整加工的工具阴极设计比较难，工具阴极的制造成本高，因此英国学者J.A.McGeough直接采用电火花电极作为工具阴极，研发了电火花,电 [26][27]化学光整加工复合工艺方法，获得了均匀、平整的表面。M.Zybura-Skrabalak 等人论证了经过磨削后的工具阴极表面通过合理地选择和匹配工艺参数可直接 [28]作为工具阴极的可行性。日本学者T.Masuzawa等人利用线切割废料作为工具阴极，对经线切割后的工件表面实施了脉冲电化学光整加工，并开发了成对式工 [29]具阳极脉冲电化学光整加工工艺方法;日本学者T.Masuzawa将脉冲电化学加工用在微细轴的光整加工中，即用一条运动的金属丝作为阴极，在阳极轴和阴极丝之间喷电解液，使轴表面产生电化学微腐蚀，这种方法在直径数十微米小轴的 [30]光整加工中取得了良好的效果，达到了镜面粗糙度，图1.1所示微细轴的脉冲 5 新疆大学硕士研究生学位论文 电化学光整加工，图中1为工件阳极，2为工具阴极。 图1.1脉冲电化学光整加工实例 为了实现回转表面在小间隙条件下的电化学光整，脉冲电化学光整加工技术利用两电极间相对运动，并且结合简单工具阴极几何形状。脉冲电化学光整加工采用简单面、线等几何形状，展成或包络出工件阳极表面，同时把它结合电极间的合理相对运动关系，实现对工件阳极表面的光整。 相比国外，对脉冲电化学光整加工的成型加工方面研究国内研究的比较早，而且取得了不少成果，这些研究成果显然而然的推动了脉冲电化学光整加工在光 [31]整加工领域内的实际应用，大幅度的促进了脉冲电化学光整加工技术的发展。 脉冲电流在低频、脉宽较大的情况下接近恒直流电流，因此脉冲效应不明显，不能充分发挥。随着功率电子技术的发展，高频、窄脉宽的脉冲电流成为现实，并在实际应用中显现了优势。吴高阳、唐兴伦等学者研究了超薄结构件的高频群脉冲电化学加工工艺以及高频群脉冲电化学微小型加工中的反向电流与压力波[32]。王建业教授等学者将高频(KHz级)、窄脉宽的脉冲电化学加工技术应用于 [33]电加工模具上，并显著提高了电加工模具的成型精度; 合肥工业大学朱树敏教授等学者研究了脉冲电流参数对电解液非线性特性 [34]的影响及其应用于锻模加工时对锻模加工质量的影响;沈健教授等学者研究了静液条件下的脉冲电化学抛光工艺规律，分析了工艺参数与表面粗糙度之间的关[35]系。 大连理工大学针对成对电极法存在的不足，例如，对流场及温度场条件要求高，需要背压产生的容器以及夹具、难以加工大面积零件以及要求大功率电源等，研究开发了采用移动式工具阴极、开放式电解液循环系统的移动式工具阴极 [36，37]脉冲电化学光整加工工艺方法。脉冲电化学光整加工过程中根据整平效率需 6 新疆大学硕士研究生学位论文 要确定精确数学模型的问题，针对此问题，课题组利用BP神经网络技术建立了 [38]整平效果与工艺参数之间关系的数学模型。大连理工大学电化学光整加工课题组在深化对移动式脉冲电化学光整加工整平机理及其工艺特点、规律认识的基础 上，积极开展了移动式脉冲电化学光整加工的应用研究，并取得了可喜的成绩[39]，图1.2所示为金属针布在移动式阴极脉冲电化学光整加工前后的对比。大连理工大学光整加工课题组以上的成绩对以后的研究工作带来了一定的优势，提高了脉冲电化学光整加工整平机理及工艺特点的认识，为扩展脉冲电化学光整加工的应用范围创造了有利条件。 (a)光整前 (b)光整后 [40]图1.2 金属针布在移动式阴极脉冲电化学光整加工前后的对比 由此可见，虽然国内外有关脉冲电化学加工技术的研究已经取得了一定的成绩，如，对电化学机械复合光整加工而言，如何匹配电化学阳极溶解作用与机械作用等;比如虽然采用移动式工具阴极可有效改善流场以及温度场等条件，从而可提高脉冲电化学光整加工的整平效果并且也可使简化工具阴极的设计与制造，但是目前大多研究成果是采用要求较高、制作麻烦的成对式电极的加工方法进行研究所取得的，因此，如何根据工件的实际情况进行移动式工具阴极的设计也是目前面临的一个尚未解决的难题。但如何根据电化学光整加工对象的微观几何形貌结构特点，研究电流场分布特性规律也是面临的难点问题之一。 1.2存在的问题 大量的实验和研究表明，电化学光整加工工艺上获得良好的整平效果的前提条件是，保证光整过程中产生比较稳定、均匀的极间电流场，也需要及时排出电化学阳极溶解产物。光整过程中的要有电解液的流速和压力控制不当，会使加工 7 新疆大学硕士研究生学位论文 过程中产生黑色氧化膜，直接影响光整加工质量。要想使极间电流场改善表面质量，那么必须要保证两极间间隙的稳定与均匀，而工件阳极的表面微观几何轮廓的变化始终影响电流场的分布特性。 为改善电流场需要分析工件阳极的表面微观形貌，根据表面微观几何轮廓的变化数值模拟极间间隙内的电荷密度分布、电势分布、电场强度分布等重要因素。由于工件阳极表面微观几何形貌比较复杂，选择合适的几何模型上面需要研究。根据几何模型确定数值求解问题上缺少研究，因此数值模拟电流场分布特性上面还没有适当的模拟曲线。 1.3选题依据 由于目前各种零件如螺旋锥齿轮等，由于生产工艺的原因导致表面质量较差，极大的缩短了工作周期，因此为提高加工质量、延长其在线工作时间对零件进行电化学光整加工处理的研究是有必要的。 电化学光整加工是一门涉及电化学，电动力学，材料学，机电控制，计算机技术等多学科交叉的综合性的制造技术。目前在促进我国制造业的发展中有一定的成果，这些研究成果在实际生产当中开始应用，会提高产品使用性能和寿命，得到可观的经济效益和社会效益，因此增强国际市场竞争力。 由于电化学光整加工以独特的整平机理，在提高加工质量方面显现了巨大的优势，因而在航空、航天，医疗器械以及模具等行业中的应用受到了关注。目前，国内外很多研究机构对电化学光整加工的工艺方法开展了大量的研究工作，并且在许多方面取得了显著的进展，其研究成果极大地推动了电化学光整加工的应用。 电化学光整加工是指一种利用电化学阳极溶解现象，实现去除材料的零件终加工工艺方法，是大多数零件的最终加工工序。 大量的研究表明，影响电化学光整加工整平效果的因素较多，如电解液的质量百分比、电流密度等;但相关实验结果的分析也表明，在电化学光整加工的初期，整平效果提高较为显著，但随着光整加工的进行，整平效果的提高并不十分明显;同时，所获得的表面微观几何轮廓由尖峰形变为呈圆角形。显然，在小间 8 新疆大学硕士研究生学位论文 隙条件下，表面微观几何轮廓的变化影响了极间电流场的分布。说明电流场的分布影响着整平效果和表面质量，因此为了提高电化学光整加工的整平速度和表面质量程度，有必要研究及分析电化学光整加工过程中电流场的分布特性。 1.4选题目的、意义及解决方法 1.4.1选题目的 虽然电化学光整加工是电化学阳极溶解现象在光整加工领域的应用，但由于加工目的不同，因此，电化学光整加工方法不仅在工艺实施方面，而且在整平机理等方面有其自身的规律和特点。大量的研究表明，影响电化学光整加工整平效果的因素较多，如电解液的质量百分比、电流密度等;但相关实验结果分析表明，在电化学光整加工的初期，整平效果提高较为显著，但随着光整加工的进行，整平效果的提高并不十分明显;同时，所获得的表面微观几何轮廓由尖峰形变为呈圆角形。显然，在小间隙条件下，表面微观几何轮廓的变化影响了极间电流场的分布。 因此，本文基于表面微观几何轮廓的变化，探讨极间电流场分布特性的变化，旨在为提高电化学光整加工的整平速度的提高提供理论依据。 1.4.2 选题意义 由于电化学光整加工过程中表面微观几何轮廓的变化影响电流场的分布特性的主要因素之一，因此研究电流场问题具有十分重要的意义，主要体现为: , 电化学光整加工过程中电流场分布特性的研究和解决，将提高电化学光整加工技术的整平速度和加工质量。 , 通过研究电化学光整加工过程中的电流场，可为以后的电化学光整加工工艺的发展及应用提供理论依据。 , 电化学光整加工过程中电流场分布特性的研究，将有助于研究工件阳极表面微观几何轮廓的变化规律，从而提供一种研究电流场的新的思路方向。 , 通过对电化学光整加工方法及加工过程中的电流场问题的的研究，不 9 新疆大学硕士研究生学位论文 仅可深化对电化学光整加工整平机理的认识，而且有助于提高整平效率。还可拓展电化学光整加工技术的应用范围。 1.4.3研究的基本思路及方法 为对电化学光整机工过程中电流场分布特性进行深入的研究，针对电化学光整加工过程中电流场分布特性研究面临的难点问题，结合电化学光整加工技术的特性及目前的研究与应用现状，确定研究电流场分布特性的基本思路及方法如下: 首先，以法拉第电解定律为基础，研究工件阳极表面微观几何轮廓的变化规律，初步确定尖峰状工件阳极表面微观几何轮廓变呈圆弧状的变化规律。 其次，根据表面微观几何轮廓的变化规律，建立适合电化学光整加工过程中表面微观几何轮廓变化的数学模型，并对此数学模型进行分析，研究在电化学光整加工的过程中工件阳极表面微观几何轮廓的变化对电化学光整加工整平机理的影响及分析改善电化学光整加工整平效果的方法。 然后，对提出来的数学模型进行数值求解电势分布，电场强度及电荷密度分布，对此进行分析。 最后，对不同表面微观几何轮廓的试件进行试验，验证数值模拟结果及本文提出来的数学模型的准确性。流程图1.3所示基本思路及方法。 图1.3 研究思路流程图 10 新疆大学硕士研究生学位论文 2 电化学光整加工的理论基础 在电化学光整加工过程中，电流场分布特性的研究主要按照静电场理论来分析，除了静电场理论本章旨在对电化学加工基本原理，整平机理特性及其电化学光整加工系统的设计等进行一些探索。 2.1电化学光整加工的基本原理 电化学光整加工方法是一种利用电化学阳极溶解现象，实现去除材料的零件 [41]终加工工艺方法。图 2.1 所示为其基本工作原理示意图。当光整加工时，工件阳极与工具阴极分别接直流电源或脉冲电源的正极和负极;同时，在工件阳极与工具阴极之间存在约0.1mm-0.5mm的间隙，该间隙内充满具有一定流速和压力的中性电解液。由于有电流通过极间间隙内的电解液，因而在极间间隙内产生电流场。极间电流场的存在，遵守法拉第电解定律，工件阳极的材料将因失去电子形成正离子而溶于电解液中，从而实现工件阳极材料的去除，完成工件的整平。 图 2.1 电化学光整加工基本工作原理示意图 电化学光整加工工艺与传统的电化学抛光(Electrochemical Polishing)工艺加工特点基本相同，但由于加工原理与目的不同，因此这两种加工技术在应用上有自身的规律。它们的区别是电化学光整加工技术使电化学阳极溶解现象也发生了很大的变化，最主要是整平机理有差别。相同点是电化学抛光与电化学光整加工技术都以改善正平效率为主。表2.1所示两种加工技术的对比。可见电化学光整加工技术有更好的整平效果。 11 新疆大学硕士研究生学位论文 表2.1 两种加工工艺的对比 极间间隙 电解液 电解液状表面质量 主要特点 态 电化学抛光 大 酸性 静态 提高幅度有限 美观性，光亮性 电化学光整小 中性 动态 大幅度提高 提高加工精度 加工 图2.2所示为应用电化学抛光技术加工的实例，图2.3所示为应用电化学光整加工技术加工的实例。可见，电化学光整加工大幅度提高表面光泽度。 图 2.2电化学抛光应用的实例 图2.3 电化学光整加工应用的实例 2.2电化学光整加工的整平原理 由于电化学光整加工工艺具有去除功能和整平功能，因此能够改善工件阳极表面质量。去除功能的主要目的是去除前道机械加工工艺工序所产生的变质层、 [42]毛刺等;整平功能的主要目的是在提高正平效率及更有效地整平工件阳极表面，相比电化学光整加工的去除功能，在机械基础零件表面质量的提高问题上整平功能具有更打大的优势和现实意义。因此，本文主要从电化学光整加工的整平功能展开相关的研究。 由于电化学光整加工技术是零件最终一道加工工序，是一种非接触式、非传统的加工方法，因此电化学光整加工主要整平收到一些磨削、车削等机械加工后的零部件及设备，因此光整前的表面微观几何轮廓大部分呈尖峰状。 通过大量分析表明，电化学光整加工后工件阳极表面微观几何轮廓被圆化，导致工件阳极表面粗糙度大幅度降低。因此可以从工件阳极表面微观几何轮廓的变化入手研究电化学光整加工的整平机理。 经机械加工方法阳极工件表面是由无数个凹凸和高低不同的山峰状表面形 12 新疆大学硕士研究生学位论文 貌组成，由于这种表面特征使电化学阳极溶解速度不一样，在工件阳极表面上尖峰处和凹谷处的电化学溶解速度不同，因此实现整平。由此可知，阳极表面微观几何轮廓凹凸处的电化学阳极溶解速度不一致的结果实现电化学光整加工阳极整平。对于造成阳极溶解速度不一致的原因，目前对电化学光整加工整平机理的 [43]解释大多利用尖峰效应和成膜效应来给予解释。 电化学光整加工的过程中的尖端效应是指，光整时由于电场线主要集中在尖峰部位，因而工件阳极的溶解主要集中在工件阳极表面微观几何形貌的尖峰部位，因此工件阳极表面微观形貌尖峰部位优先溶解。这种溶解结果导致尖峰处的电化学阳极溶解速度比较快，从而工件阳极表面高点得到整平。 尖峰效应观点认为，在电化学加工过程中，由于工件阳极表面的微观几何轮廓凸凹不平，使微观电场分布呈现非均匀性，在凸起的尖峰部位电力线分布较微观几何轮廓其它部位更为密集，即尖峰处的电场强度和电流密度大于其它部位，因此，尖峰处电化学反应速度及阳极金属溶解速度相对于凹谷部位而言要快的多，从而导致电化学阳极溶解速度差异现象的产生。随着电化学光整加工的进行，工件阳极表面凹凸处的差值在逐渐减小，最终减小了工件阳极的表面粗糙度，改善了其表面质量，达到了光整加工的目的。 光整时产生电化学阳极溶解现象，此时在工件阳极表面上会生成一层超饱和析出的金属盐膜，这种膜不仅密度大而且其电阻率也比电解液要大的多。而在电化学光整加工的过程中尖峰处的阳极电化学溶解速度远远大于凹谷处的阳极电化学溶解速度，也正是这种阳极电化学的溶解速度差，使得工件阳极表面微观几何轮廓得以整平。由于工件阳极凸凹不平的微观几何轮廓使得电化学阳极溶解具有了选择性和优先性，使得工件阳极表面的粗糙度值减小，进而实现了工件阳极表面微观几何轮廓的电化学光整。 2.2.1 整平机理的基础研究 [44]事实上在电化学光整加工过程中的阳极整平可分为宏观整平和微观光整。宏观整平的结果是降低了工件阳极的表面粗糙度值但是表面反射率并不高;微观光整的结果是不仅使工件阳极的表面粗糙度值降低而且使得阳极表面变得光亮， 13 新疆大学硕士研究生学位论文 极大的提高了表面反射率。下面对两种结果进行一一说明。 1.宏观整平现象 宏观整平是利用阳极表面凸凹不平的微观几何轮廓与阴极表面的位置差所引起的电位差进而形成的电流密度差，使得阳极表面微观几何轮廓的凸出部分的电化学阳极溶解速度比凹谷部分要快，从而降低阳极表面微观几何轮廓的高度，达到整平工件表面的目的。从理论上讲宏观整平可看作是因阳极表面微观几何轮廓的凹凸不平导致极间间隙中电力线分布不均匀所引起的，极间电流场分布越不均匀，阳极表面的整平速度就越快。 电化学光整加工中的阳极宏观整平作用是由极间电流场中的电流分布来控制，其整平速度受阳极表面轮廓的几何形状和常规的电化学光整实验条件条件所影响。经电化学光整加工后阳极原始表面的粗糙度减小，因此电阻也相应变小、电流密度增大，根据法拉第定律，此处阳极金属的电化学溶解速度就快;反之，波谷处离阴极工作面较远，因此极间间隙也就相对较大，故此处阳极金属的电化学溶解速度就慢。宏观整平的结果是使工件阳极表面变得平整但不一定光亮，即降低了工件阳极的表面粗糙度值但是表面反射率并不高。 2.微观整平现象(光亮作用) 电化学光整加工中的微观光整作用即是通过利用表面动力学使得阳极光亮的现象。其中高电位和传质控制是使得阳极变的光亮的有利因素。目前理论研究及实践已证明:要获得阳极光亮的表面就要将进行电化学光整加工中的电流密度控制在极限电流密度以上，若是在极限电流密度以下进行电化学光整加工得到的将会是腐蚀的阳极表面。微观光整的结果是不仅使工件阳极的表面粗糙度值降低而且使得阳极表面变得光亮，极大的提高了表面反射率。 综上所述，工具阴极与工件阳极之间的间隙以及工件阳极表面的微观几何轮廓都是影响电化学光整加工的主要因素，若极间间隙过大，电流密度变小，则由工件阳极表面微观几何轮廓的变化所引起的尖峰效应和成膜效应就难以起到作用，导致工件阳极表面微观轮廓上各部位的电化学溶解速度基本相同，整平效果较差。只有当极间间隙适当时(一般为0.2mm)，工件阳极表面凸凹不平的微观 14 新疆大学硕士研究生学位论文 几何轮廓能够影响电流密度的大小及其分布，因此加工表面受尖峰效应和成膜效应的影响，使得工件阳极表面微观几何轮廓的尖峰处电化学溶解速度比较快，降低了工件阳极表面的粗糙度，实现了工件阳极的表面光整。同时，由于间隙变小因而电流密度增大，在其它电化学光整条件参数合适的情况下实现电化学光整加工中的微观光整，即提高阳极表面光亮性。但是极间间隙很小时，由于受机械加工的影响工具阴极表面的微观轮廓也是凸凹不平，因此工具阴极的表面微观几何轮廓也是影响光整加工效率的一个重要因素，对此，需要做专门的研究和探讨。 2.2.2 数值求解平行板的溶解速度 要进一步深化电化学光整加工整平机理的认识，有必要对平行板进行电化学光整试验，需要了解阳极溶解速度，因此进行数值求解。光整加工过程中电化学 [45]阳极溶解所遵循的基本规律为法拉第电解定律，该定律反映了阳极表面上发生 -1所示: 电化学反应的物量和电量之间的关系。该定律如式2 (2-1) WkQkIt,, 式中: W—反应的物量(g); —极间间隙中通过的电量(A.s); Q I—电流强度(A); t—电流导通时间(s); k—质量电化学当量(g/(A?s))。 在实际使用中并不方便，可通过体积来进行表述，故引入公式2-2， 即: W,,,VIt (2-2) , 在式子2.2中，ρ表示了参与反应的阳极材料的密度(g/m3);v表示了阳极材 3料体积(cm3):ω表示了体积电化学当量(cm/A?s)). 公式(2-1)和(2-2)式中，都是在假定工件阳极表面只有金属溶解现象发生的条件下得到的，是一种理想状态。在实际操作中，这一假定的理想状态是很 15 新疆大学硕士研究生学位论文 难实现的，比如阳极金属可能会以几个化合价的形式溶解，而理论计算中所采用的化合价较之于实际溶解的化合价可能不同，将会导致理论上的计算与实际结果有出入。对于此，可用电流效率来解释，这样式子(2-1)和(2-2)可分别用(2-3)和(2-4)表述: (2.3) WkIt,, (2.4) VIt,,, 在公式2.3和2.4中: η—电流效率(%)，它表示了阳极材料的实际去除量同理论去除量之间的差异。其中η越大，表示阳极材料的实际去除量就越大;反之η越小，阳极材料的实际去除量也越小。 假设平板电化学光整加工平板的表面平整、光滑，极间间隙的数值为,，两 -1-1S平板的相对面积均为，在极间间隙中的电解液的电导率为k(O.cm)，则可得 ,极间间隙中电解液电阻为R();在阴阳极上施加的外电压为，其中,,Uv(),S 阳极电位为，阴极电位为，因而实际电压为,则可得UUEE,-(-)E(v)E(v)Racac I电流的表达式如式子2-5所示: t,0t,0 、2—阴极 7、8—阳极 3、6—电流线 5—溶解速度方向 4—阳极表面外1 法线 [49]图2.4 平行板电化学阳极溶解模型 IE(v)E(v)由于阳极和阴极的电极电位分别是和，因此，产生电流的实际ac UUEE,-(-)电压应是。则可得电流I的表达式如式子2-5所示: Rac ,SUR,I (2-5) , 16 新疆大学硕士研究生学位论文 由(2-4)和(2-5)式得(2-6): ,SUR (2-6) ,Vt,,, Ct若电化学阳极溶解速度为，其方向与电力线方向相反，经一段时间的光, 整加工后，阳极电化学溶解的体积可用下式2-7来表示。并结合式子2-4也可通过电流密度来表示如式子2-8所示，其中电流密度的方向与电流线方向相同。 , (2-7) VvtS,,, 将(2-7)式代入(2-6)式并结合式子2-4也可通过电流密度来表示如式子2.8所示，其中电流密度的方向与电流线方向相同。 ,C (2-8) v,, 子式2-8中，表示为常数，由式(2-4)及(2-7)所得到的式(2-9)CU,,,,R 在分析问题时也会显得较为方便。 ,, vi,,,, (2-9) ,2见图2-4所示，子式2-9中，表示为电流密度矢量(A/cm)，其方向与电i 流线方向相同。 由上述两式可知，在阳极和阴极分别为两个相互平行的平板金属电化学光整加工中，与电流密度大小成正比，但是，受极间流场、温度场以及电化学阳极溶解产物的排出等因素的影响，并非极间间隙越小、电流密度越大就越好。通过本次平板电化学光整加工实验可知，要取得较好的电化学光整加工效果，对于极间间隙和电流密度等因素的数值都存在一个适宜的范围。 2.2.3电化学光整加工的基本特性 随着光整加工技术的发展和快速变化，电化学光整加工工艺也有了一定的成果，但光整过程中的电化学特性，极化特性，电流场特性及阳极溶解特性等基本性质对表面质量的影响还是不小，因此需要更进一步的研究才能使理论与实际应用更深入更完整。 1.电化学光整加工的电化学特性 17 新疆大学硕士研究生学位论文 电化学阳极溶解遵循法拉第电解定律，先把工件阳极和工具阴极分别接上电源正极和负极，然后连接电源，此时工件阳极和工具阴极之间产生电场，充满有一定流速和压力的电解液以后，电解液在电流作用下，电极与电解液界面上发生交换电子的反应，即电化学反应。电解液中的正离子向阴极移动，在阴极上得到电子而进行还原反应。在阳极表面失去电子而进行氧化反应。溶液中正离子的定向移动称为电荷迁移。在阳、阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应。电解液中各种离子的运动形式如图2.5所示。 图2.5 电化学原理 2.电化学光整加工的电流场特性 由前面的分析可知，在电化学光整加工过程中，变化最为明显的即为工件阳极表面微观几何轮廓由尖峰状向圆角形的过渡，电而流场分布特性是影响工件阳极表面微观几何轮廓的形貌的主要原因。 3.两极间的间隙特性 两极间的间隙对阳极加工表面质量有着极其重要的影响。当间隙过大时，阳极原始表面的微观几何轮廓的凹凸程度相对于加工间隙而言较小，因而加工间隙中微观电流场分布的非均匀性并不明显工件阳极表面光整后的表面粗糙度值较大，因此阳极表面质量较差。 当工件阳极与工具阴极之间的间隙过小时，电流密度迅速增大，虽然此时电化学阳极溶解速度加快，但是也因阳极溶解速度太快而与过小的加工间隙不相符，导致电化学阳极溶解产物和加工产生的热量来不及从加工间隙中排出等问题的出现而致使阳极表面加工表面质量变差，严重时甚至在阳极光整表面上留下较深的痕迹，极大的破坏了阳极表面的表面质量;因而只有加工间隙选择适中，才能合理的提高电流的有效利用率和阳极表面的整平效率。 18 新疆大学硕士研究生学位论文 4.电化学光整加工的阳极溶解特性 研究及分析可得，电化学光整加工的阳极溶解特性有以下几种变化规律。主要是: , 电化学光整加工能扩大阳极钝化溶解的范围，有效地降低表面粗糙度，提高了表面质量。 , 由于降低表面的阳极极化程度，随着阳极溶解范围的逐渐扩大，阳极表面加工精度能逐步改善。 , 电化学光整加工过程中电流密度分布特性影响阳极溶解的过程，阳极溶解降低极化曲线的斜率，有利于提高精度。 2.3 电化学光整加工实验平台的设计 电化学光整加工工艺是机械加工后的、改善加工零件表面质量为目的的最后一道加工工序，它由三个基本要素组成，它们分别是:电极系统、电解液系统以及电源系统。其中电极系统由工件阳极和工具阴极构成。电化学光整加工过程中电源系统、电解液及阴极结构设计等被认为是阳极整平的关键因素。它们对光整整平效率及表面质量的影响最大。因此，以下对三种系统进行说明。 2.3.1 电源系统 电源是电化学阳极溶解现象有效利用的各类应用工艺形式的核心设备，其作用是速进金属阳极加速溶解并建立使带电离子定向运动所需要的电场。电源的类型、波形、电压、稳压精度等直接影响电化学阳极溶解过程，因此，电源的设计与研究一直是关注的焦点之一。本实验使用可控硅整流器，如图2.6所示。 在恒直流电源条件下，极间间隙较小使极间间隙内的电解液流祖增加、电解产物不易排出，最终导致极间电解液流场及温度场恶化，因此降低表面质量精度。为此，提出了采用脉冲电源进行电化学光整加工方法。研究发现，由于脉冲电源采用较窄的脉冲宽度和较大的脉冲间隔能够加强对阳极极化过程的优化作用，双电层的反向放电电流有助于速进阳极表面活化状态的恢复。因此，脉冲电源的使用可显著提高工件阳极的加工质量。 19 新疆大学硕士研究生学位论文 图2.6 实验平台 相比一般直流电源的光整加工脉冲电化学光整加工具有较高的电流效率,较窄的脉冲宽度和较高的脉冲频率，以上脉冲电源的特性特性有利于提高整平速度及光整效率。因此，对脉冲电流作用进一步研究，研究超高频冲、组合脉冲电源及其应用是今后的研究热点。 2.3.2 电解液系统 电解液是各种电化学阳极溶解应用形式的基本构成要素之一，是产生电化学阳极溶解的载体。因此，电解液的研究与应用受到广泛的关注。 电化学光整加工对电解液的要求比较高，正确地选用电解液是提高光整效率的基本条件。电解液是与工件阳极及工具阴极组成进行电化学光整。最重要的特点是排除电解产物、及时带走光整过程中所产生的热量，因而确保正常的加工。另一个特点是推动阳极溶解的正常进行。 随着电化学光整加工技术的发展对电解液的要求比较高，如:电化学特性、物理特性、稳定性及实用性等方面有一定的要求。其中稳定性方面的要求要求是不要用污染环境的电解液，最大程度的避免对设备的腐蚀。 电化学光整加工时使用非线性电解液使电流效率平稳、腐蚀性小、加工后不会出现化学腐蚀, 适用条件参数范围广。 在进行电化学光整加工之前, 应该充分考虑电解液的个因素，如电解液的流 20 新疆大学硕士研究生学位论文 速、压力、温度、过滤等问题。为不让把加工产生的金属毛刺和电化学产物进入加工区可使用尼龙丝网过滤电解液。 2.3.3 电极系统 选择合适的阴极形状有利于提高阳极电化学光整速度和光整加工效果。经研究表明，相对于静止的工具阴极而言，运动的工具阴极更容易使阳极在电化学光 [46]整中获得较好的表面质量。这是因为通过工具阴极的运动，可使得极间间隙内的流场和温度场等条件得到改善，并可保证在小间隙加工的情况下，将电化学阳极溶解产物顺利排出，而且通过阴极的运动可避免阴阳极相对静止静止时，阴极表面微观几何轮廓对光整效果的影响，并能充分有效利用高点的尖峰效应，由此可提高阳极表面的光整速度及质量。 当工具阴极相对于工件阳极运动时，可减小工具阴极工作面的几何尺寸，使得阴极的制作简单化，而且还可使得电解液的在光整加工时的流动面积和流动长度减小。这样能够比较容易获得稳定、均匀的极间流场和极间温度场。由于电极的表面质量直接影响工件阳极的加工表面质量,因此要求电极表面必须平整，引电接触良好,防止烧伤工件等。图2.6所示为有缺陷的平板表面状况，图2.7所示为光整后良好的平板表面状况。 通过工具阴极的移动改变电化学光整加工条件时，阴极表面微观几何轮廓的影响也是不可忽视的因素。由于工具阴极的表面微观几何轮廓凹凸不平，因而其表面微观轮廓对电化学光整加工效果的影响有所不同，也就是凸起的波峰部位对阳极表面光整效果的影响较大，而凹进去的波谷部位对阳极表面光整效果的影响则较小;而且当工件阳极表面微观轮廓中的中的波峰与工具阴极表面微观轮廓中的波峰相对时，电化学阳极的溶解速度将明显加快，而当工具阴极和工件阳极之间存在相对运动时，工具阴极表面微观几何轮廓上的波峰与工件阳极表面微观几何轮廓上的波峰相对或相遇的概率将显著增加，也就是说，当工具阴极与工件阳极之间存在相对运动时，将有利与改善电化学光整加工后的工件阳极的表面质量。 21 新疆大学硕士研究生学位论文 2.4本章小结 本章主要介绍了电化学光整加工的基本原理、整平机理，针对平行板的实验设计了实验平台，分别是电源系统，电解液系统及电极系统。并且数值求解了平行板的溶解速度，叙述了电化学光整加工的基本特性，分别是电化学特性、电流场特性、两极间的间隙特性及阳极溶解特性等。 22 新疆大学硕士研究生学位论文 3 极间电流场数学模型的建立及其分析 电化学光整加工前后工件表面微观几何形貌发生了显著变化,这种变化规律 [47]的研究对研究研究电流场分布特性中非常重要 。在电化学光整加工过程中,工件阳极表面微观几何轮廓的变化影响整平速度,因此可知也对电流场的分布规律产生一定的影响。本文根据电化学光整加工过程中工件表面微观几何形貌的变化分析电化学光整加工过程中的电流场分布特性的影响。数值模拟电化学光整加工前后的电荷密度分布、电势分布及电场强度分布情况。 本章以电化学光整加工前后工件阳极表面微观几何轮廓的变化作为切入点，研究随着光整工件阳极表面微观轮廓从尖峰状微观几何轮廓变成圆弧状表面微观几何形貌的过程来分析阳极整平机理，并通过对工件阳极与工具阴极之间间隙内电流场分布规律的分析研究及仿真模拟，探讨如何改善电化学光整加工的整平效果和表面质量。 建立数学模型之前需要分析电化学光整加工前后的表面微观几何轮廓的变化，根据表面形貌特性提出相应的几何模型，最后对此进行研究。 3.1表面微观几何轮廓的变化对整平速度的影响 根据被加工零件的表面几何特征，工件阳极表面微观几何轮廓特征可以分为 Ra宏观几何特征和微观几何特征，从表面粗糙度来分析和研究电化学光整加工过程中表面微观几何轮廓的变化是可行的。宏观几何特征和微观几何特征都是光整加工所关心的，但相对于表面波度，电化学光整加工更关心的是表面微观几何轮廓的变化。 由前面所提到的内容可知，随着电化学光整加工进行，阳极表面微观几何轮廓的高度在降低，而且微观几何形貌也在由尖峰状向高原型或波浪型转变，这些微观轮廓的变化会导致尖峰效应的影响降低，从而电化学光整加工的整平能力在下降。表面粗糙度快速下降的区域，随着电化学光整加工的进行，电化学光整加工的整平能力也在不断下降。由电化学光整加工的光整时间和工件阳极表面粗糙 23 新疆大学硕士研究生学位论文 度所构成的关系曲线可以看到，图3.1所示，在一定的光整加工条件下，工件阳 [48]极的电化学整平作用也存在一个“极限表面粗糙度”。 tRa其中，横坐标为电化学光整加工整平的时间，单位为();为工件阳s 极表面粗糙度值，单位为(μm)。 ,1—1Cr18Ni9Ti 2—45钢 3—Q235 图 3.1整平时间对表面粗糙度Ra的影响 为验证上面数值关系和关系曲线，进行以下实验。将一组材料分别为 #1Cr18Ni9Ti、Q235和45钢的金属分别进行电化学光整加工，实验条件如表1示，其整平加工时间与工件阳极表面粗糙度Ra之间的关系曲线如图3.1所示。 表3.1 光整实验条件 #试件材质 1Cr18Ni9Ti、Q235和45钢 电极 铜 电解液 质量分数为18%—20%的中性盐溶液。 电流强度 100—150A 极间间隙 0.2mm 由于工件阳极表面微观几何轮廓的高度减小所引起的极间间隙Δ的微量变化也会对电化学光整加工的的光整能力产生一定的影响，因此，有必要研究在电化学光整加工过程中工件阳极表面微观几何轮廓的变化对电流场分布的影响。 3.1.1 阳极表面微观几何形貌的变化 由于光整前受机械加工方法刀具、磨粒等因素的影响，所获得的零件表面微 [49]观几何轮廓都是尖峰型的表面微观几何轮廓。电化学光整加工后，工件阳极表面微观几何轮廓明显的被圆化，这种非尖峰状的微观几何轮廓是表面质量更好的波浪型或高原型。 24 新疆大学硕士研究生学位论文 采用车削等机械加工方法所获得的某零件表面微观几何形貌，如图3.2所示，此图可见，受到机械加工后表面微观几何形貌一般为尖峰状的表面微观几何轮廓。机械加工后的表面微观几何形貌一定程度上难以满足表面质量要求，从而导致缩短使用寿命。对光整前后的表面微观几何轮廓的研究极其重要。 为了进一步提高电化学光整过程中的阳极表面微观几何轮廓的变化对整平速度的影响，对平板进行电化学光整实验，观察电化学光整加工前后的阳极表面微观几何轮廓的变化。 (a)车削加工后的表面形貌 (b)机械加工后的表面形貌 (c) 机械加工后的表面形貌 (d) 机械加工后的表面形貌 [50]图3.2机械加工前的表面微观形貌 机械加工后，工件研究表面微观几何轮廓有明显的尖峰状，见图3.2所示。经电化学光整整平后，由于电流场的尖峰效应，尖端部分的电场线集中，电流密度增大，因此工件阳极表面微观几何轮廓发生了明显的变化，呈圆角形或圆弧形，见图3.3(b)中的箭头所指处。而凹谷处由于电场线分散而形成的电流密度小，所以电化学阳极溶解速度慢，这种电化学阳极溶解速度差使得工件表面微观轮廓高度降低，从而减小了工件表面的粗糙度，实现了工件阳极的表面光整。因此，工件阳极表面的微观几何轮廓在电化学光整加工过程中是在变化的，同时这种变化又对电化学光整产生了极为重要的影响。 25 新疆大学硕士研究生学位论文 (a) 机械加工后的表面微观轮廓 (b)电化学光整后的表面微观轮廓 图3.3 电化学光整加工前后表面微观几何轮廓的变化 3.1.2 平行板的电化学光整试验 在本次试验中，所需实验物品及实验条件如表3.2所示，调整阴极和阳极之间的间隙使其保持0.2mm，并保证阴极和阳极之间的间隙中充满电解液，并将阴极和阳极分别与电源的正负极相连接，在光整加工的同时，要通过泵施加一定压力，使得极间间隙中的电解液具有一定的流速，以便改善极间电流场的分布，并使得阳极电解产物及时从极间间隙中排出，从而改善阳极电化学光整加工质量。 电化学光整加工前后的工件阳极表面对比，如图3.4所示。，图3.5所示为电化学光整加工前后的表面微观几何轮廓的变化。 图3.5是电化学光整加工前后实测的一工件阳极表面微观几何轮廓的变化。由此图可知，经电化学光整加工工件阳极表面微观几何轮廓发生了明显的变化。经电化学光整加工后，尖峰明显消失，取而代之的表面微观几何轮廓的主要特征是平滑的凸处及各凹处之间的光滑过渡。图3.5表明，经电化学光整加工后，尖角部位被圆弧或圆角代替。 26 新疆大学硕士研究生学位论文 (a)电化学光整前的工件表面 (b)电化学光整后的工件表面 图 3.4 电化学光整前后的工件表面 表3.2 实验条件参数 试件 材料为Q235平板试件 电极 材料为青铜的平面 电解液 质量分数为18%—20%的中性盐 溶液。 电流密度 100—150A 极间间隙 0.2mm 电化学光整加工前，由于试件受机械摩擦，因此表面微观几何轮廓是尖峰状的表面微观几何轮廓，图 3.5(a)所示，它是光整前使用扫描电子显微镜把表面微观几何轮廓分别放大两千倍后得到的图片。图3.5(b)所示为，光整前使用扫描电子显微镜把表面微观几何轮廓分别放大1万倍后得到的表面微观几何轮廓。从图 3.6(a)可见，光整前的表面微观几何轮廓放大2千倍后阳极表面形貌没有明显的尖峰状形貌，只能见明显的摩擦刮痕，没有凹凸差异不明显。放大1万倍后的电化学光整加工前表面微观几何轮廓又很明显的凹凸不平，粗糙度很高，光泽度也很低，显然很大程度上影响表面质量,图3.6(b)所示。 (a)光整前放大两千倍后 (b)光整前放大1万倍后 27 新疆大学硕士研究生学位论文 图 3.5电化学光整加工前的表面微观几何轮廓 (a)光整后放大两千倍后 (b)光整后放大1万倍后 图3.6 电化学光整加工后的表面微观几何轮廓 电化学光整加工后，由于尖峰效应表面微观几何轮廓的尖角部位明显的圆滑，而且尖峰型表面微观几何轮廓强化选择性溶解，因此表面微观几何轮廓上凹凸不平的程度降低，光泽度提高，图 3.6所示。它是光整后使用扫描电子显微镜把表面微观几何轮廓分别放大两千倍和1万倍得到的图片。把光整后的表面微观几何轮廓放大2千倍后发现，表面质量有所提高，但没有明显的圆弧状表面形貌，观察到的整平效果不明显。放大1万倍后发现有明显的圆弧状形貌，有一定度光亮度，因为光整后表面上有一层钝化膜，影响表面质量。钝化膜的成分比较复杂，在此问题的研究面目前没有成果。因此, 完全有理由认为:电化学光整加工的整平过程就是表面微观几何轮廓的被圆化或者说圆角化的过程。 3.1.3 极间电流场的再分布对电化学光整加工的影响 电化学光整加工时工件阳极和工具阴极之间充满了高速流动的、有一定压力的中性电解液。接通电源以后工件阳极与工具阴极之间产生电场，流通电解液后两极间间隙内电流通过，因此在两极间间隙中形成了一个电流场。 电化学光整加工前没有电解液流动，因此研究的是电场问题。研究电场的物理结构特点及有关电场参数的分布。按照电场存在的不同形式，一般将电场分为三种:静电场、导电媒质中的电场、有电流通过的导电媒质周围介质中的电场。光整加工间隙中电解液中存在的电场正是属于电媒质中的电场。并可仿照静电场 [51]的分析方法对其进行分析、研究。 28 新疆大学硕士研究生学位论文 由于电流场的分布影响电化学溶解速度，并影响光工件阳极的表面微观几何轮廓的变化。因此研究电流场分布特性有利于提高整平效果。 分析可知，电化学光整加工过程中工件阳极表面微观几何轮廓从尖峰状变成圆弧状，而工件阳极表面微观几何轮廓的形貌是影响电流场分布特性的主要原因。光整时电解液保持一定方向的高速、压力。为解题方便需要把三维电流场变成二维的电流场，根据工件阳极与工具阴极的几何形状可发现工具阴极与工件阳极之间的间隙相对于工具阴极可以被认为是无限大，因而两极间的电流场问题可按照二维电流场问题来处理，有关极间二维电流场分布的模型如图3.7所示。 (a) 尖峰型表面微观几何轮廓 (b) 圆角型表面微观几何轮廓 1-电源 2-工具阴极 3-工件阳极 4-电解液流动方向 5-工具阴极表面外法线 图3.7极间二维电流场模型 根据法拉第电解定律可知，工件阳极的阳极溶解速度大小与极间间隙中电流密度的大小成正比，如果不考虑电解液的流场问题，那么在电化学光整加工过程中用电场线和等势面的疏密程度来描述极间电流密度的大小和方向，而且极间间隙内的电场线是沿着电极表面的法线方向分布，所以电场线分布的疏密程度将会影响电场强度，从而对电流密度产生影响。 由上述分析可知，在电化学光整加工过程中，工件阳极表面微观几何轮廓由尖峰状向圆弧形过渡时发生微观几何轮廓形貌的变化，将会使得电场线的方向及疏密程度也会沿着工件阳极表面微观几何轮廓发生变化，从而使得电场强度以及电流密度也发生了相应的变化。 分析可知，尖峰状的工件阳极表面微观几何轮廓强化极间电场强度的分布不均匀性，经电化学光整后圆弧状的工件阳极表面微观几何轮廓弱化极间电场强度分布的不均匀性，在一定程度上已经变成均匀。相对于被光整成圆角型的工件阳 29 新疆大学硕士研究生学位论文 极表面微观几何轮廓而言，尖峰状的工件阳极表面微观几何轮廓更有利于改变微观电流场的发布，使得电场线在阳极微观几何轮廓的尖峰处分布更为密集，所以尖峰状的阳极微观几何轮廓更有利于提高电化学光整加工的整平能力。 当工件阳极随着电化学光整加工的进行，其表面微观几何轮廓的形状逐渐由尖峰状向圆角型转变，在转变过程中，由于圆角型的工件阳极表面微观几何轮廓的凸起部位的电场强度相对于尖峰状的表面微观几何轮廓的尖峰部位的电场强度在逐渐弱化选择性溶解，因而使得其它部位的电场强度增强，最初的电化学阳极溶解主要是阳极表面微观几何轮廓尖峰顶部的溶解现象随着电化学光整加工的进行逐渐变为阳极表面微观几何轮廓其它部位电化学阳极溶解增强的状况，随着这种溶解现象的转变使得电化学光整加工的整平能力也在逐渐下降。由此可知，尖峰状的阳极表面微观几何轮廓有利于增强电化学阳极溶解的选择性，进而提高电化学光整加工的能力。因此，保持工件阳极表面微观几何轮廓呈尖峰状是增强电化学阳极的选择性溶解，提高电化学光整加工整平能力的基本方法之一。 尖峰状的表面微观几何形貌是由大量随机排列、大小各异、高度不同的“毛刺”构成的。在电化学光整加工过程中,这种凹凸不平的表面微观几何轮廓的存在,起着很重要的作用,它可以有效地提高工件阳极表面电场线的尖峰效应，速进电流场呈现非均匀性。光整时在两极间电流场的作用下，尖峰处电流密度最大,因此尖峰处的阳极溶解速度比较快,强化选择性溶解。图3.8 所示为利用AN2SYS分析软件模拟的加工前后两种表面微观几何轮廓的场强。 最强 次强 强 弱 次弱 最弱 (a)尖峰型 (b)圆角型 [52]图3.8不同表面微观几何轮廓电场强度的对比 在电化学光整加工过程中,工件阳极表面微观几何形貌的变化引起极间电流场的重新分布,而这种电流场分布的特性导致尖峰效应的弱化。由于尖峰效应的 30 新疆大学硕士研究生学位论文 弱化，随着电化学溶解的进行,尖峰形表面微观几何形貌逐渐被圆角化,如图3.7 所示。可见由于尖峰处电场线集中，电流密度最大，因此尖峰顶部的电场强度最强，但随着光整工件阳极表面微观几何轮廓变圆弧状，因此尖峰处的场强逐渐弱化。这些就是电化学光整加工初期整平速度快，随着整平时间整平速度缓慢的原因。为此,有必要去观察阳极溶解的全过程。 3.1.4 强化机械作用 在电化学光整加工过程中适度地强化机械作用,不仅可以在光整前产生尖峰形表面微观几何形貌,而且可以实现高效的光整加工表面。由于工件阳极表面微观几何轮廓尖峰化以后可强化机械单元的作用,表面微观几何轮廓的尖峰状部位电流密度强、电场强度也集中、去除量，从而可以达到更好的光整效果。强化机械作用后,与电化学光整加工所得到的结果相比，光整前强化机械作用所得到的表面微观几何轮廓变化规律有线性关系。强化机械作用具有刮阳极钝化膜的作用,因此可以除绣。相关的实验数据分析表明。电化学光整加工过程中强化机械作用具有十分重要的意义。 (1) 电化学光整加工前的原始表面的微观几何轮廓的变化对整平速度和光整效率有一定的影响。 (2)“尖峰”状地表面微观几何形貌有利于强化选择性溶解，能够提高整平效率。 (3) 在电化学光整时适度强化机械作用,可扩展光整加工的范围。 结合上述的电化学光整加工强化机械的概念，可发现随着电化学光整加工时间尖峰状的表面微观几何轮廓变成圆弧状的表面微观几何轮廓，因此强化机械作用有利于提高电化学光整加工的正平效率。 在电化学光整加工中，适度的调整机械作用可有效地提高电化学光整加工的整平能力和光整效果。由于机械作用，使电化学阳极溶解的整平能力得到提高，并改善了光整后的阳极表面质量。由于机械作用在电化学光整加工中所起的破坏阳极表面的钝化性阳极膜的致密性和连续性以及使被圆角化了的阳极表面微观轮廓形状成为尖峰型强化尖峰效应的能力，因此不仅提高整平能力和效率，而且 31 新疆大学硕士研究生学位论文 还可提高加工精度改善所获得的工件阳极的表面质量。表面微观几何轮廓的圆角化过程，如图3.9所示。 (a)电化学光整加工前的表面微观几何轮廓 (b电化学光整加工后的表面微观几何轮廓 图3.9 电化学光整前后的表面形貌的变化 3.2 电化学光整加工前后表面微观轮廓的几何模型 为便于分析表面微观几何轮廓的电流场分布特性，首先应根据工件阳极的表面微观几何形貌特征确定适宜的几何模型。 由于受电化学光整加工前加工因素的影响，因此，零件的表面微观几何轮廓呈尖峰状，见图 3.10(a) 所示。分析图3.10(a)中所示的表面微观几何轮廓可知，在二维空间里面表面微观几何轮廓基本上呈三角状，只是高度和角度各异。由于在三维平面内的三角形可以被认为是圆锥体在该平面内的投影，如图3.10(b)所示，因此，为研究问题方便，完全可用圆锥体来代替工件阳极表面的微观几何形貌，或者说，工件阳极表面微观几何形貌是由锥高不等、锥角不同的无数个圆锥体随机排列构成的，如图3.10(c)所示。 (a)光整前的尖峰型表面形貌 (b)圆锥体 (c)工件表面 图3.10电化学光整加工前尖峰形表面微观几何轮廓 实验分析表明:经电化学光整加工后，表面微观几何形貌(轮廓)发生了变化。图3.3(b)是在中性电解液条件下，电化学光整加工后，利用扫描电子显微镜获得的试件的表面微观几何形貌。对该图的分析表明:表面微观几何形貌的尖角部位已被圆角或圆弧所替代，如图3.11(a)所示。这表明，经电化学光整加工后，尖峰状的表面微观几何轮廓被圆角化。由于圆弧或圆角可以被认为是球体在平面内的投影，如图3.11(b)所示，因此，可以认为经电化学光整加工后， 32 新疆大学硕士研究生学位论文 所获得的工件阳极表面微观几何形貌是由半径、大小各异的半球体在工件阳极表面上随机排列分布的结果，如图3.11(c)所示。 (a)圆弧形表面形貌 (b)半球体 (c)工件表面 图3.11电化学光整加工后圆弧形表面微观几何轮廓 3.3尖峰形表面微观几何轮廓电流场分布的数学模型及其边界条件的确立 静电场是由带电导体决定的，根据电动力学知识可知，金属带电导体产生的电场问题的共同点是自由电荷只出现在导体的表面上, 在空间没有自由电荷分布。产生这电场的电荷都分布于区域V的边界上，它们的作用通过边界条件反映 ,2出来。求此静电场问题的关键是求解给定边界条件的泊松方程,,，求解泊,,松方程的方法很多,比如有特解法、应用细胞神经网络法、五点差分法、基函数无网格配点法等。求解泊松方程比较复杂，因此首先需要把泊松方程转化为拉普拉斯方程。为解题方便选择分离变量法求解拉普拉斯方程。根据尖峰状表面微观几何轮廓的特点可以确定对称关系是轴对称的，因此求解电势分布的基本思路是:首先利用分离变量法的特性把拉普拉斯方程的通解表示出来, 然后根据所提出来的几何模型确定边值关系，从而解出电势分布。在拉普拉斯方程的求解问题中, 选取适当的坐标系是很重要的, 恰当而适合题意的坐标系会使问题得到简化。求解拉普拉斯方程目前常用的坐标系有球坐标系和柱坐标系。根据圆锥体的几何特性选取球坐标系求解此问题。 确定边界条件:电化学光整加工前，假设工具阳极与工件阴极之间没有电介质，工具阴极是平板，工件阳极是随机排列的圆锥体，并取其中的一个圆锥体分 U析。当在工件阳极与工具阴极之间施加电压后，工具阳极与工件阴极之间形成一电场，见图3.12(a)所示。根据电动力学知识确定两极间间隙内的边界条件 ,,,,0,U是:。 12 33 新疆大学硕士研究生学位论文 Ra-表面粗糙度，-极间间隙，、-电势， 、-内外两个圆锥体的锥角 ,,,,,1212 (a) 两极之间的电动力学模型 (b) 圆锥体的电动力学模型 (c)内锥体1 图3.12 尖峰形表面的电动力学模型 ,由几何形状的构形可知，当一个锥体的锥角为时，圆锥体就成为一平面。2 因此，可用图3.12(b)所示的同轴非共顶的双锥体分析尖峰形表面轮廓的电场分布的问题。 选择图3.12(c)中所示的内锥体1的表面作为边界，则对边界内部的区域(见图3.11(c)中所示的阴影部分)自由电荷的分布密度为零。因此拉普拉斯 2方程成立。 ,,,0 由图3.12(a)中所示的三角形ABC可知，;同时，考虑到电化rrRa,(,), Ra学光整加工前，工件阳极的表面粗糙度给定，因此，有电势的分布成,,,,() ,立，即电势的分布与锥体的锥角有关，而与无关。 1r ,,-极角，-方位角 图3.13 球坐标系示意图 o为求解拉普拉斯方程方便，建立图3.13所示的球坐标系,以顶点为原点， 34 新疆大学硕士研究生学位论文 锥轴为极轴，取球坐标系。由对称性可知，所求电势与方位角无关，只是,r, 和,的函数。 同时，考虑到，因此，轴对称情况下，在球面坐标系中，拉普拉斯,,,,() 方程可写为式(3-1) ,,,,2,,1r，,sin0,，，，， (3-1) rrrsin,,,,,, 用分离变量法解此方程，设具有形式可得式(3-2) , (3-2) ,,,rRr,,,，，，，，， 把式(3-2)代入上式得式(3-3) 2ddRdd,11r,,sin,，，，， (3-3) ,,,Rdrdrdd,sin 由于所求的电势与半径无关，因此便得式(3-4) ,r 2dd1,,,,,,,sin0，，，， (3-4) ,,,,sindd，， 因而，上式(3-4)可变为式(3-5) dd，，sin0,,,,，， (3-5) ,,dd，， 把式(3-5)积分两次，并应用积分公式可得式(3-6) dxx,，lntgC，， (3-6) sin2x, 可便得式(3-7) ,,,,，AtgBln (3-7) ，，，，2 下面由边界条件定积分常数A和B。当时，，即得式(3-8) ,,,,,,11 ,1AtgBln，,, (3-8) ，，12 ,,,当,,,时，，即得式(3-9) 22 ,2AtgBln，,, (3-9) ，，22 由以上两式解得式(3-10) ,,,12A,,, (3-10) 12lnlntgtg,，，，，22 35 新疆大学硕士研究生学位论文 ,,21,,lnlntgtg,，，，，1222B,,, 21lnlntgtg,，，，，22 于是得所求电势用式(3-11)可表示为 ,,,21,,,,,,，lnlnlntgtgtg，，，，，，，，1212222,,,，， (3-11) ,,12lnlntgtg,，，，，22 ,当时，外锥面变成无限大平面，这时上式(3-11)可化为式(3-12) ,,22 ,lntg，，2,,,,,,,，，，，，,1221 (3-12) lntg，，2 由电场强度与电势分布的关系，可获得如下的极间电场的强度表达式为(3-13) ,,E,, (3-13) ,, ,,,，，d,121,,|,,rd,1 ,,lnrtg2，，2 圆锥面上电荷量的面密度用式(3-14)可表示 ,,1,,,,,,,,,,eDeEee...，，，， (3-14)00r,,,,,,,,,2 ,,,,,，，d,0120,,|,,rd,1,, lnrtg2，，2 3.4 圆弧形表面微观几何轮廓的数学模型及其边界条件的确立 为便于研究相关问题，假设 ? 半球体的半径为a，球心在导体平面上; ba,,b? 由于两极间间隙远远大于球体半径()，因此，工具阴极a q平面可看成为一个点电荷，它位于系统对称轴上。 [53]根据题意建立如图3.15所示的坐标系，并用镜像法求解。 首先需要了解镜像法的基本概念。需要研究电流场分布的区域边界是导体或介质界面，如果选择的区域内只有一个电荷时，很难求解电流场分布，因此为不改变所研究区域的电荷分布，在研究区域的边界外一定位置假设另一个镜像电荷，用它来代替所研究的导体边界上感应电荷对外的作用。根据镜像法的基本概 36 新疆大学硕士研究生学位论文 念，可以确定边界条件，因此把复杂的泊松方程很容易转化为求解几个点电荷及镜像电荷在空间产生电流场的问题。 镜像法的理论基础—唯一性定理，因此需要说明静电问题的唯一性定理。 静电问题的唯一性定理:设有一区域V内有若干导体,图3.14 所示，区域V内给定的自由电荷密度分布为，且在区域V的边界S上电势或电势的法向,|,()xs ,,导数或给定，则区域V内电场唯一确定。写成数学表达式为;导体外|sn, ,2 ,,,,, q,,i ,,,,dss,ii在第个导体上或常数且常数或常数。 |,,|,,,|,,,nssis,in, 图 3.14 唯一性定理原理图 因为经电化学光整加工后，尖角部位被圆弧或圆角代替，为了研究方便假设用半球在导体平面上的情况来分析圆弧状的电流场。半球外面有自由电荷，区域界面是导体，在导体平面上有一个半径为a的半球，球心在导体平面上，适合用镜像法。假设有一点电荷q位于系统对称轴上，并与导体平面相距为b(b>a)在点电荷的电场作用下半球面上出现感应电荷。半球外面空间中的电场包括点电荷所激发的电场和半球面上感应电荷所激发的电场。 p解题方便，首先建立坐标系，为确定假想点电荷的位置，假设在半球体表 ,qpo面上，q的位置使三角形和三角形相似，如图3.15(a)所示。根据,qpo11 oqq对称性q在线上，q的大小满足半球面上。到球面上的电势和球面到,,011 qqqr'11,,r'q像电荷电势的和等于零。因此边界条件要求，可得。为，,0rq44',,,,rr pp,qpoq到的距离，为到的距离。由于三角形和三角形有共同的夹角,qpor11 ,poqqx和共同边，由于的位置使两个三角形相似，假设的坐标为(0,0，),11 37 新疆大学硕士研究生学位论文 2asin',raxra'根据余弦定理有以下关系，因此，。根据边界,,,,,,x,rbsinrbab, a条件要求可知。在导体平面上对感应电荷产生作用，并位于点qqq,,q11b 2,,a0,0,;对于导体平面的像电荷位于点处，。为了保证导0,0,,bqqq,,，，,,22b,, 体面电势为零，只考虑两个电荷是不够的，还应考虑对于导体平面的像电荷，qq13 2,,aa0,0,z,0ra,位于点处，。于是在，且空间，电势分布为，qqq,,,,,31bb,, 见图3.15(b)所示。 以上定义的假想点电荷来代替半球面上的感应电荷对两极间的空间内产q1 生电流场的作用。根据对称性在线上，的大小满足半球面上电势。 oqqq,,011 (a) (b) 图3.15电化学光整加工后的电动力学模型 由镜像法的基本原理可知，边界条件应满足式(3-15) qq1 (3-15) ，,0,,,,44'rr00 由式(3-15)可得式(3-16) r'q1 (3-16) ,,rq ,opq由于,opq与相似，因此，式(3-16)可写为 1 38 新疆大学硕士研究生学位论文 a。 qq,,1b 基于上述的分析，可知半球体表面电势分布为 1 (3-17) ，，,=A+A+A+A,,，，12344πε 其中 qA,122,rbrbbr2cos,,，, q1 A,2,,,,,,2222,,,,,,aaa2,,,,,,rbr2,,，,,,,,,,2bbb q2A,322,rbrbbr2cos，,，， q3A,4,,,,,,2222,,,,,,aaa2,,,,,,rbrr2cos，,，，,,,,,,2根据电势分布与电场强度的关系式，可得半球体表面的电场强度为式(3-18) bbb q,, (3-18) E,,BBBB，，-,,,,1234,,r4, 其中 --cosrb,，，,B13，， ,,22，2rbbr-2cos,,, ,,,,2aar-cos, bb,,,，，,,B23,,,,422aa2 2，rr-cos, 2bb ，rbcos,根据电荷密度与电场强度的关系式可得式(3-19) ,B33σ=-εE (3-19) 0,,22，，2rbbr2cos,,,因此半球面上电荷分布为式(3.20) ,,q,,,,,, (3-20) ，，|||CCCC,,,,，，,2,,,,rarara,,,,,01234，，aar4,,,,，rcos,其中 bb,,,,,B43,,,,39 422aa22，，rrcos, 2bb 新疆大学硕士研究生学位论文 ,,rbcos,，， C, 1，，3 ,,222rbbr，,2cos,,, ,, ,,2aa r,cos, ,,bb，，,,C, 2,,3 ,,42 2aa22rr，,cos, 2bb 半球面上的总感应电荷为式(3-21) rb，cos,,C,22qdsad'2sin,,,,,,, (3-21) 33,,0,,222rbbr，，2cos,,,22，，qba,11，，dxdx,,,,,, 33,,,,00222222,,22aababxababx，,，，22，，，，aa，，r，cos, ,,bb22，，ba,,,C,,,,q1,,4 3,,22bba，,,，，422aa22rr，，cos,以上数值计算结果可知，半球面上的总感应电荷不等于，因为导体平面上,q2bb 也有一部分感应电荷。 3.5 数学模型的分析 电势分布与电荷密度分布及电场强度是电动力学中的重要概念，及比较抽象难懂。对理解电场概念电势线或电势面作为理解电场的最直观的工具。目前数值模拟电场线或等势面的方法有多种，例如Matlab，Visual basic等。本文选择微软Office软件的Excel电子表格作为工具，完成尖峰状和圆弧状两种表面微观几何轮廓的电势分布与角度的数值模拟曲线，根据电势分布与电荷密度的关系式数值模拟两种表面微观轮廓的电荷密度分布与角度的的关系曲线。仿真模拟电荷分布与电势分布之前根据数值求解结果考虑建模方法和制作模拟曲线的步骤。 1.建模 40 新疆大学硕士研究生学位论文 根据尖峰状表面的数值求解结果，球坐标系的极角和尖角及的关系来,,r1模拟电势分布。为实现计算结果的可视化，利用Excel工具栏中的折线图表创建向导实现电势面的仿真模拟。因此可以模拟圆弧状表面的电势分布及电荷密度分布情况。 2.制作 用EXCEL软件制作模拟曲线的方法比较简单，具体制作步骤如下: (1)首先选择小正方形区域作为输入数据的区域。 (2)选择在表格左上角的Al单元格，然后单元格内输入下列方程:= ,,,LN(TAN((90-)*PI()/180/2))/LN(TAN(*PI()/180/2))，注意的是输入的必须是度数，首先把弧度数换成度数再输入。 (3)步骤(2)的输入的方程复制到选择的正方形区域其它单元格内。 (4)在选择的正方形区域下方选择一个单元格，然后单元格内设置参数。 ,5)命名步骤4的单元格为。 ( (6)最后一步选择所有正方形区域后，选择 “插入图表”，然后根据提示选择折线图类型，最后确定图表创建。 需要模拟圆弧状表面的电势分布和电荷分布，把步骤(2)中的数值方程变为: =1/SQRT((0.01)^2+(0.1)^2-2*0.01*0.1*COS(Q))+0.01/0.1*SQRT((0.01)^ 2+(0.01^2/0.1)^2-2*(0.01^2/0.1)*0.01*COS(Q))-1/SQRT((0.01)^2+(0.1)^2+ 2*0.01*0.1*COS(Q))-0.01/0.1*SQRT((0.01)^2+(0.01^2/0.1)^2-2*(0.01^2/0. 1)*0.01*COS(Q))，其它步骤同上。 3.5.1 尖峰状表面的电势分布与电荷密度分布的分析 图3.16是利用相关的数值分析软件，并依据公式(3.12-3.14)得出的电势分布与角度以的关系曲线。由于电荷密度与电流密度成正比，根据法拉第电解定律顶部的电势分布和电荷密度分布都比较大，随着夹角的增大电势或电荷密度分布在逐渐降低。由于表面微观轮廓呈尖峰型，夹角小的时候电荷密度减少有突变，因此在实验初期整平速度比较快。 41 新疆大学硕士研究生学位论文 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1电势分布(伏特) 0.5 0 510152025303540455055606570758085 角度 (a) 电势分布与角度的关系 12 10 8 6 4 2电荷分布(库伦) 0 510152025303540455055606570758085 角度 (b)电荷分布与角度的关系 图3.16尖峰状表面电荷密度分布的模拟曲线 在电化学光整加工过程中，由于工件阳极表面的微观几何轮廓是尖峰状的，能使微观电流场分布呈现非均匀性，在尖峰部位电场线分布比其它部位更为密集，即尖峰处的电场强度和电流密度大于其它部位，因此，尖峰处电化学反应速度及阳极金属溶解速度相比圆弧状而言要快的多，从而导致光整前后的电化学阳极溶解速度差异的产生。由于电化学光整加工的初期光整速度快，随着光整整平速度慢，有很小的变化，因此最后电势分布和电荷分布比较均匀分布没有明显的 42 新疆大学硕士研究生学位论文 变化。 3.5.2 圆弧状表面电荷密度分布的分析 图3.17是利用相关的数值分析软件，并依据公式(3.17-3.19)得出的圆弧状表面微观轮廓的电势分布与角度的关系和电荷密度分布与角度的关系曲线。由于电荷密度与电流密度成正比，根据法拉第电解定律圆弧形表面的电势分布和电荷密度分布都比较均匀，随着夹角的增大电势或电荷密度分布缓慢的减少。因此在光整加工过程中整平速度比较慢。 2.5 2 1.5 1 0.5电势分布(伏特) 0 0102030405060708090 角度 (a) 电势分布与角度的关系 43 新疆大学硕士研究生学位论文 8 7 6 5 4 3 2电荷分布(库伦) 1 0 5102030405060708090 角度 (b)电荷分布与角度的关系 图3.17圆弧状表面电荷密度分布的模拟曲线 在电化学光整加工过程中，由于工件阳极表面的微观几何轮廓是尖峰状的变成圆弧状表面微观几何轮廓，能使电流场分布呈现均匀性，在圆化的区域电场线分布都比较均匀，即电场强度和电流密度也被均化，因此，被圆化的部位电化学反应速度及阳极金属溶解速度没有跳跃性的变化，从而导致电化学阳极溶解速度均匀的现象产生。因此工件阳极表面凹凸处的差值在逐渐减小。由于电化学光整加工的初期光整速度快，随着光整整平速度慢，有很小的变化，因此最后电势分布和电荷分布最终没有明显的变化。 3.5.3尖峰状与圆弧状表面微观几何轮廓的电流场分布分析对比 对比上述的图3.15和图3.16显而易见，由于光整初期整平速度快，随着光整整平速度缓慢最后没有明显的变化。这结果在模拟曲线上可知，因此可以确定尖峰状表面微观几何轮廓的尖峰处的电流密度大，因此电荷密度分布也比较多，电场强度比较强，因而容易被溶解。尖峰状的表面微观几何轮廓强化机械作用有利于提高提高整平速度。 由于随着光整尖峰状表面微观几何轮廓被圆滑，圆弧状表面微观几何轮廓的电场线分布不集中，而且电势分布、电荷密度分布及电场强度没有跳跃性的变化， 44 新疆大学硕士研究生学位论文 是均匀分布的，因此圆弧状的表面微观几何轮廓弱化选择性溶解，不利于提高整平速度，尖峰状表面微观轮廓相比圆弧状表面微观轮廓，尖峰形表面微观几何轮廓强化阳极选择性溶解。 3.6本章总结 本章主要进行平行板的电化学光整实验，分析了表面微观几何轮廓的变化及对整平速度的影响，根据电化学光整加工前后的表面微观几何轮廓的提出了圆锥体和半球体两种几何模型并对电流场的分布进行数值求解，最终根据数值求解结果建立了电势分布与角度的关系曲线和电荷密度分布与角度的关系曲线，分析了尖峰型表面与圆弧状表面的电流场的分布特性。 45 新疆大学硕士研究生学位论文 4.实验验证及应用 4.1电化学光整实验原理 为了便于研究电化学光整加工过程中工件阳极表面微观几何轮廓的变化，现 000分别用尖角为30、45、60的试件和圆弧状试件来代替电化学光整加工前后的阳极表面微观几何轮廓来进行电化学光整加工实验。 光整加工实验原理:工件阳极分别使用尖角不同的三角形和圆弧形表面微观轮廓，当光整加工时，工件阳极与工具阴极分别接直流电源的正极和负极，构成极间电场;同时，在工件阳极与工具阴极之间存在约0.1mm-0.5mm的间隙，该间隙内充满具有一定流速和压力的中性电解液。在两极间电场的作用下，电解液中的产生氧化还原反应，正离子向工具阴极移动，负离子向工件阳极移动，从而形成了从工件阳极流向工具阳极的正向电流，从而构成了电流场。由于极间电流场的存在，因此工件阳极的材料将因原子失去电子形成正离子而溶于电解液中，从而实现工件阳极材料的去除，完成工件的整平，图4.1 所示。实验当中图 中2- 000工件阳极分别用尖角为30、45、60的三角形试件和圆弧状试件。 1-工具阴极，2-工件阳极，3-极间间隙，4-电源，5-泵，6，过滤网 图4.1 电化学光整实验原理 4.2实验条件 (1)检测设备: 46 新疆大学硕士研究生学位论文 ? LEO1430VP扫描电子显微镜，见图4.2(a)所示; 利用此扫描电子显微镜检测电化学光整加工前后平面试件的表面微观几何轮廓的变化。 图4.2 检测设备 本文使用扫描电子显微镜初步检测到此氧化膜的成分，图4.3 所示。成分上面的检测没有理想的结果，今后的工作需要深入的研究。 图 4.3氧化膜的成分 , 主要实验设备:可控硅整流器，立式铣床，如图4.4和所示。 (2)实验主要条件参数、材质及其加工质量状况 ?表4.2是电化学光整实验相关的条件参数。 ?实验材料:被加工工件是30度角、45度角、60度尖角及圆弧状Q235试件，工具材料为黄铜。图4.5所示为电化学光整时的工件阳极。 47 新疆大学硕士研究生学位论文 表4.1电化学光整实验条件参数 试件 30度角、45度角、60度角及圆弧状Q235试件 电极 铜棒 电解液 质量分数为20%的中性盐溶液。 电流密度 110A 极间间隙 0.2mm (3)电解液条件 依据实验经验，采用以食盐(NaCl)为主要成分的电解液，其质量百分比为15%~20%，水。 (4)电源条件 0~50使用电源是可控硅整流器，工作电压在V内可调，电流密度的最大峰110值A。 (5)极间间隙 mm内。 两极间间隙控制在0.1mm~0.2 图4.4 实验设备装置图 图4.5 尖峰状表面光整实验部分零件 4.3工艺参数对表面质量的影响 在电化学光整实验过程中影响整平速度和表面质量的因素较多量，如电解液浓度、加工间隙、光整时的电流密度的调节、加工时间等，上述这些因素对加工精度的影响以下进行说明。 48 新疆大学硕士研究生学位论文 4.3.1电解液浓度对光整效果的影响 在电化学光整加工时若不注意处理光整后的电解液，经常会出现不同程度的腐蚀现象，因此本实验采用非线性中性电解液NaCI水溶液。 实验过程中主要是通过改变电流密度来实现电解液浓度对工件阳极表面质量的影响，利用不同的电解液浓度进行光整试验得到的相应的工件表面粗糙度值如表4.2所示，由表4.2可得电解液浓度和工件表面粗糙度的关系曲线图，图4.6所示可知，只有当电解液浓度适宜时，工件阳极表面质量最好，电解液浓度过高或过低都会使得工件阳极表面质量变差，因为在电解液浓度较低的范围内，随着电解液浓度改变，电阻率的变化幅度较大;而在电解液浓度较高的范围内，随着电解液浓度改变，电阻率的变化幅度较小。随着电解液浓度的提高，电解液的电导率也随之增大，而电阻率降低，因而电流密度增大，从而使得电化学阳极的溶解速度加快，阳极表面的阳极膜难以存留，因而可获得光亮程度较好的阳极加工表面，同时提高电解液的浓度还可以提高电能的利用率和光整加工的稳定性;然而若电解液浓度过高时，则会导致电流过大，电解液的非线性特征将被破坏，此时会使工件表面发生点蚀或杂散腐蚀等现象，从而降低阳极表面的加工质量;而且电解液浓度过低时，电流密度会降低，此时为提高电流密度而施加的较高加工电压容易引起极间放电现象，从而会破坏阳极表面的光整加工质量，使得阳极表面粗糙度增大。 需要注意的是电解液浓度不要过高或者过低，电解液浓度高于25%时，电解液的非线性特性变坏。但当电解液浓度低于10%时，电解液溶液的电容率小，电阻率较大，不利于电流密度的提高。从图4.6实验曲线中可知，在同一电流密度的下条件下，电解液浓度大于10%后，电解液浓度的改变对表面粗糙度的影响并不是很明显。因此电解液浓度在15%—25%较为合适。 表4.2 电解液浓度和相应的表面粗糙度值 电解液浓度5 8 10 13 15 18 20 25 30 (%) 表面粗糙度1.6 1.3 0.9 0.7 0.4 0.2 0.15 0.4 0.7 (μm) 49 新疆大学硕士研究生学位论文 图4.6 电解液浓度和工件表面粗糙度的关系曲线 电解液浓度对工件阳极表面的光亮度有影响一定的影响。当电解液浓度过低时，电阻太大而使得电流过小，因而阳极表面将被阳极膜覆盖而处于钝化状态，导致阳极表面变暗;当电解液浓度适度增加时，电流密度增大，使得阳极表面的阳极膜逐渐溶解，阳极表面的光亮程度增加。因此选择合适的电解液密度，有利于提高阳极表面的光亮程度，改善阳极表面的电化学光整质量。 4.3.2电流密度对光整效果的影响 在通常的情况下，在一定的电流密度范围内，电化学光整时电流密度越高，加工后的表面质量越好。因为电流密度越高极化现象越严重，阳极溶解速度快，双电层的反电势也随之增大，在光整过程中电源电压一定时，限制了电流密度的继续加大。电流密度过高或者过低都会影响表面质量及正平效率。如果电流的流速不够高，电解液浓度差大到一定程度时，影响极化曲线，因此就会阻碍阳极溶解正常进行。电流密度的适用范围如下: 2icm,10~15A/(1)大面积型面、型腔加工，; 2icm,20~100A/(2)中小面积型面、型腔加工，; 2icm,150~400A/(3)中小孔、套料，; 2icm,200~500A/(4)小孔、套料，; 在电化学光整加工过程中，当电解液浓度等其它工艺条件不变的情况下，若电流密度过小，电化学光整加工效率较低，阳极表面粗糙度值较大;随着电流密度的持续增大，电流效率也急剧升高，阳极表面也逐渐变得光亮，当电流密度继 50 新疆大学硕士研究生学位论文 续增加达到一定的值时，阳极加工表面的粗糙度值达到最小，而且趋于稳定;但是若电流密度继续增加，此时阳极表面的粗糙度值会逐渐增大，使得阳极电化学光整加工表面恶化。 实验过程中主要是通过改变电流密度来实现对工件阳极表面粗糙度的影响，利用不同的电流密度进行光整试验得到的相应的工件表面粗糙度值如表4.3所示，由表4.3可得电流密度和工件表面粗糙度的关系曲线图，如图4.7所示电流密度与表面粗糙度的关系。 表4.3 电流密度和相应的表面粗糙度值 电流密度3 5 7 9 10 11 13 15 2(A/cm) 表面粗糙度1.6 1.3 0.8 0.2 0.15 0.25 0.5 0.8 (μm) 电流密度对工件阳极表面光亮程度也有不可忽略的影响，随着电流密度的增大，阳极表面光泽度也随之增加;当电流密度持续增加到一定程度时，阳极表面光泽度最好;但是随着电流密度再继续增加，阳极表面光泽度降低。由此可知，选择合适的电流密度，有利于减小阳极表面粗糙度，改善阳极表面质量，并使得阳极表面光泽度增强。 图 4.7 电流密度和表面粗糙度的关系曲线图 4.3.3加工间隙对光整效果的影响 在其它工艺条件参数不变的情况下，加工间隙对加工表面的微观几何轮廓的变化有极其重要的影响。加工间隙对阳极加工表面有着极其重要的影响，当加工 51 新疆大学硕士研究生学位论文 间隙过大时，阳极表面光整后的表面粗糙度值较大，因此阳极表面质量较差，这是因为若加工间隙过大，阳极原始表面的微观几何轮廓的凹凸程度相对于加工间隙而言较小，因而加工间隙中微观电流场分布的非均匀性并不明显，尖峰处电场线集中不明显，电流密度低，而波谷处因电场线的分散不明显度，因此阳极表面微观几何轮廓上凹凸处材料的去除量差别不大，不利于阳极表面相糙度值的降低;但是若加工间隙过小时，电流密度迅速增大，虽然此时电化学阳极溶解速度加快，但是也因阳极溶解速度太快而与过小的加工间隙不相符，导致电化学阳极溶解产物和加工产生的热量来不及从加工间隙中排出等问题的出现而致使阳极表面加工表面质量变差，极大的破坏了阳极表面的表面质量;因而只有加工间隙选择适中，才能合理的提高电流的有效利用率和阳极表面的整平效率。 表4.4 加工间隙和相应的表面粗糙度值 加工间隙0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 (mm) 表面粗糙0.25 0.15 0.2 0.3 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 度(μm) 实验过程中主要是使用不同加工间隙来实现加工间隙对工件阳极表面质量的影响，利用不同的加工间隙进行光整试验得到的相应的工件表面粗糙度值如表 4.4所示，由表4.4可得电解液浓度和工件表面粗糙度的关系曲线图，图4.8所示加工间隙与表面粗糙的关系，提高表面光泽度，改善表面微观形貌。均匀的流场和较高的流速(10m/s)能够改善小间隙中电解液的充填性能，快速更新电解液，有效排出电解产物和气泡，均化电导率分布，提高小间隙加工过程的稳定性，有助于提高表面质量;一定范围内的较小稳定加工间隙(0.2一0.4mm)，有利于提高 表面突起部位电流密度与整个加工面的平均电流密度之比)，从电流有效利用率( 而提高整平速度，改善表面质量精度;一定的电解液成分、浓度、温度和电流密度是获得表面光亮的必要条件;以上是影响脉冲电化学光整加工表面质量和生产效率的重要工艺条件参数。 52 新疆大学硕士研究生学位论文 图4.8 加工间隙和加工表面粗糙度的关系曲线 4.4实验结果分析 表4.2是分别对3种不同尖角和圆弧形表面微观几何轮廓的试件进行电化学光整后，分析加工前后质量变化的一组实验数据，图4.9是30度角和圆弧状试件在光整加工前后的对比图片。 表 4.5 电化学光整加工前后的质量 角度30度尖角 45度尖角 60度尖角 圆弧 质量(mg) 电化学光整加工前80 50 25 5 后的质量变化 0表4.5可知，在实验结束后，经相关的仪器精确测量，实验前后尖角为30 0的三角形试件高度差值为0.2mm，重量差值为80mg，60角的试件高度差值为0.1mm，重量差值为25mg，圆弧状试件的高度几乎没有变化，重量相差也仅为5mg，0030角三角形试件在电化学光整加工前后尖角的变化如图4.9(a)所示，60角三角形试件在电化学光整加工前后尖角的变化如图4.9(b)所示圆弧状试件在电化学光整加工前后的变化如图4.9(c)所示。 0(a)电化学光整加工前后30尖角的变化 53 新疆大学硕士研究生学位论文 0(b)电化学光整加工前后60三角形表面的变化 (c)电化学光整加工前后圆弧状表面的变化 图4.9电化学光整加工前后试件的对比图片 由实验数据可知，电化学光整后试件的材料有所去除、高度有所降低，符合工件阳极表面微观几何轮廓在电化学光整加工中的变化规律。经电化学光整加工后，工件阳极表面微观几何轮廓不仅只体现在材料的溶解去除及外观轮廓高度的变化上，而且还体现在阳极表面微观几何轮廓的形状特征的变化上。再由此次试 00验中尖角和圆弧形试件电化学光整前后的变化比较可知，30和60角试件的尖角在电化学光整前后发生了明显的变化，经电化学光整加工后，试件先前锐利的尖角消失了，取而代之的是平滑过渡的圆角。而圆弧形试件的变化却是极小，在高度上的变化甚至可以忽略不计。也就是说，呈尖峰型的阳极轮廓经电化学光整加工后，电化学阳极溶解速度较快，轮廓形状变化较明显;而圆弧形状的阳极轮廓经电化学光整加工后，电化学阳极溶解速度较慢，且轮廓形状变化不明显。因而在电化学光整加工中，要尽量使得阳极表面微观几何轮廓保持尖峰状，以加快电 00化学阳极溶解速度，提高光整加工效果。同时通过30和60角试件的实验结果 00比较，30角的试件的整平速度、材料去除量以及整平效果明显优于60角的试件，因而可知角度越小的尖峰轮廓整平效果越好。 通常随着电化学光整加工的进行，电化学阳极溶解速度会逐渐减小，由上述 54 新疆大学硕士研究生学位论文 实验结果的分析可知，阳极表面微观几何轮廓的尖峰型应该正逐渐被光整后的圆弧或圆角替代，因此，要保证阳极电化学光整加工的速度和光整效果，就要不断的改变阳极表面的微观几何轮廓，使其从不利于电化学光整的圆弧状变为有利于电化学光整的尖峰型。同时，还要尽量使得阳极表面微观几何轮廓的尖角变得更小更尖锐，以便保证获得更快的电化学阳极溶解速度和更好的电化学光整加工效果。而这种改变阳极表面微观几何轮廓的方法值得我们进行研究和探讨，而这种研究和探讨有利于进一步深化对电化学光整加工机理的认识。 经实验可验证，实验结果和数值模拟曲线结果很吻合，因此，可用圆锥体替代尖峰状表面的电流场分布的特性及半球体代替圆弧状表面微观几何轮廓的电流场分布的特性。 4.5电化学光整加工实验结果的应用 电化学光整加工实验结果可知，尖峰状表面微观几何轮廓强化选择性溶解及机械作用，因此光整结果能够应用到一些零件上面，比如清晰管束式换热器的内壁等。 管束式换热器的应用相当广泛，如主要用在化工、石油、能源等工业部门，本文说明的是电化学光整加工在炼油所用的管束式换热器中的应用，图4.10所示，由于在炼油过程中换热器的工作环境较差，换热器中参与热交换的腐蚀性的杂质较多，可见管束式换热器管件内表面的表面质量状况很差，如图4.11所示。因此导致管束式换热器内表面在热交换过程中易结垢，严重时甚至达到管道接近堵塞的状态，这种污垢严重破坏了换热器管件内表面质量，图4.15所示为结垢后的管件内壁。 电化学光整加工对工件阳极的原始表面质量是有一定要求，因为电化学光整加工是一种利用电化学阳极溶解现象来实现阳极材料去除的工艺方法，是零件最终的加工工序。光整加工前工件阳极表面质量太差，图4.12所示，如工件阳极表面覆盖有锈层、氧化层，因而就会降低电化学光整加工正平效率，从而导致降低电化学光整加工的表面质量，因而在电化学光整加工前要对工件阳极进行表面预处理。电化学光整加工前的换热器管件内表面。电化学光整加工后的换热器管件 55 新疆大学硕士研究生学位论文 内表面，图4.13所示。 图4.10 管束式换热器 4.11腐蚀结垢后的管束式换热器 图4.12 换热器管件内表面的结垢情况 图4.13 电化学光整后的换热器管件内表面 电化学光整加工前使用机械清洗方法进行预处理，图4.14为去除污垢后的管件内壁，此工艺主要是使用一些动力工具及相关的机器完成表面清洗的过程。机械清洗方法预处理效果好，清洗污垢的效率也高，图4.15为预处理后的管件内壁。该方法可快速有效的去除管材内壁的结焦和积垢，用此方法的主要目的是，机械清洗能够把管束式换热器内壁表面微观几何轮廓尖峰化，因而强化机械作用，有效的提高光整效率。但机械清洗后管件内壁表面上还可能存在划痕影响管材内表面的光整后的质量。 图4.14 污垢去除后的管件内表面 4.15 预处理后的管件内表面 管束式换热器管件的内表面上的污垢后表面上还存在凸凹不平的麻点，还 56 新疆大学硕士研究生学位论文 有一层附着在管件内表面上的质地较硬的氧化钝化膜。因此还需要对管束式换热器的管件内表面进行光整加工，以便提高管束式换热器管件内表面的表面质量。 为了进一步提高管束式换热器管件内表面的表面质量，延长管束式换热器的热交换效率和在线使用寿命，结合前面对电化学光整加工的实验结果分析和研究，以及管束式换热器管件内表面的具体特征，在此，使用电化学光整加工方法对管束式换热器管件内表面进行光整加工。 图4.16 电化学光整加工后的管束式换热器 电化学光整加工后，管束式换热器表面，如图4.16所示，经检测，光整后管束式换热器管件内表面的粗糙度由光整加工前的1.6μm降低到0.2μm，且光整表面的光亮程度也得到明显的提高，光整表面的反射率由加工前的30%提高到了85%左右，因此，电化学光整加工方法在管束式换热器管件内表面光整加工的实际应用中取得了较好的结果。经实践证明，按照适合的工艺参数，通过电化学光整加工方法，可较大幅度的提高管束式换热器管件内表面的表面质量，延长换热器的在线工作时间及其管件内表面结垢的时间，从而提高了管束式换热器的热交换效率。 4.7本章小结 本章主要进行不同尖角的三角形及圆弧形表面的光整试验，分析了光整前后表面微观几何轮廓的变化情况及质量变化情况。叙述了影响表面质量的工艺参数，它们本别是电解液浓度、电流密度及加工间隙。最终介绍了实验结果的应用情况。 57 新疆大学硕士研究生学位论文 5.结论及展望 电化学光整加工技术在制造业中的应用具有重大意义。经大量的实验和实际应用可知，目前国内外很多研究机构对电化学光整加工的工艺方法开展了大量的研究工作，并且在许多方面取得了显著的进展，其研究成果极大地推动了电化学光整加工的应用，使电化学光整加工成为引人注目的一个加工技术。利用电化学光整加工方法在提高零件加工精度的同时，提高零件的使用性能。因此，国内外倍受关注，并且得到日益广泛的应用。但与此同时大量的研究表明，影响电化学光整加工整平效果的因素较多，如电解液的质量百分比、电流密度等;但相关实验结果的分析也表明，在电化学光整加工的初期，整平效果提高较为显著，但随着光整加工的进行，整平效果的提高并不十分明显;同时，所获得的表面微观几何轮廓由尖峰形变为呈圆角形。显然，在小间隙条件下，表面微观几何轮廓的变化影响了极间电流场的分布。研究电流场的分布特性，能够善整平速度，提高表面质量其使用性能。 电化学光整加工技术不仅提高整平速度，而且获得的表面微观几何轮廓良好，因此，本文提出了根据阳极表面微观几何轮廓在电化学光整加工前后的变化来分析电流场的分布特性。所作的主要 工作总结 关于社区教育工作总结关于年中工作总结关于校园安全工作总结关于校园安全工作总结关于意识形态工作总结 如下: 1.对电化学光整加工工艺方法的发展状况及应用方面进行研究，了解此工艺的特点及需要研究的不足，为了提高光整加工的整平速度和表面质量提出了研究电化学光整加工前后的表面形貌的变化来分析电流场分布特性的思想。提出了研究电化学光整加工方面存在的问题。 2.总结了电化学光整加工工艺方法的理论的基础问题并做了较为深入的研究。主要对电化学光整加工整平机理方面进行研究，此研究表明，电化学光整加工过程中由于两极间的间隙小，因而工件阳极表面微观几何轮廓的电化学阳极溶解速度不均匀，从而表面微观几何轮廓凸出的部分电化学阳极溶解速度大于表面微观形貌凹处得电化学阳极溶解速度，因而引起工件阳极表面微观几何轮廓上的电化学阳极溶解具有选择性，它使工件阳极表面微观几何轮廓得到整平。根据整 58 新疆大学硕士研究生学位论文 平效果此特性总结了电化学光整加工的整平过程中工件表面微观几何轮廓是由尖峰状表面微观几何轮廓变成圆弧状表面微观几何轮廓的特点。 3. 分析光整前后的表面微观几何轮廓的变化规律，研究了表面形貌的变化对电流场分布的影响及强化机械作用。基于电化学光整加工前后表面微观几何轮廓变化的分析，本文提出了圆锥形和半球体两种几何模型，建立极间阳极表面微观几何轮廓的电流场分布特性的的数学模型，在小间隙条件下电化学阳极溶解过程中工件阳极表面微观几何轮廓的变化及其影响给出了解释，并提供了提高电化学光整加工整平效果的途径。根据选择性溶解特性可知，电化学光整加工的整平过程中，电化学阳极溶解的选择性使工件阳极的表面微观几何轮廓圆角化，它使电化学光整加工的整平能力下降。对原始质量差的工件表面实施预处理，并使其表面微观几何轮廓呈尖峰型有助于提高电化学光整加工的整平效果。实际应用当中，电化学光整加工前利用电化学机械加工使表面呈尖峰状，有利于提高光整加工速度，从而实现提高加工质量。但以后的电流场分布特性的研究需要以下的工作: 1.根据在电化学光整加工前后表面微观几何轮廓本文提出来的圆锥形和半球体模型比较简单需要数值求解工件表面上随机排列的几个圆锥体的电流场分布。 2.没有深入的研究电解液对阳极表面微观几何轮廓的影响，今后工作需要流体力学方面的研究，对研究电流场分布特性可能更有利。 创新点有以下几点: 1.基于电化学光整加工前后表面微观几何轮廓变化的分析，提出了圆锥形和半球体两种几何模型。 2.对提出来的两种数学模型进行数值求解及分析电流场的分布特性。 3.研究证明尖峰状表面微观几何轮廓使电荷密度分布极不均匀，可强化选择性溶解，提高整平速度。圆弧状表面微观几何轮廓弱化选择性溶解。 4.在实际应用当中，电化学作用与机械作用复合，借助机械作用使工件阳极表面微观几何轮廓尖峰化的效应，提高整平效果。 59 新疆大学硕士研究生学位论文 参 考 文 献 [1] 杨世春. 表面质量与光整技术[M] . 北京:机械工业出版社,1999. [2] 周锦进,方建成,徐文骥.光整加工技术的研究与发展.制造技术与机床,2004(3):7-11. [3] 周锦进.特种加工在制造技术中的地位、作用及发展前景. 95’先进制造技术发展战略 研讨会论文集, 1995(北京). [4] K.P.Rajurkar (2), D.Zhu, J.A.McGeough (1), et al. New Development in Electrochemical Machining. Annals of CIRP, 1999, 48(2):567-579. [5] 方建成,金洙吉,徐文骥等.磁场电化学磁粒复合光整加工实验研究.中国机械工 程,2001,12 (9):1033-1035. [6] T.Masuzawa, S.Sakai. Quick Finishing of WEDM Products by ECM Using a Mate— Electrode. Annals of the CIRP, 1987, 26(1): 123-126. [7] 清宫纮一.电解砥粒研磨法にょゐ镜面加工.应用机械工学,1987.2:102-108. [8] F.A.TehRani,J.Atkinson.A Study of Pulse Electrochemical Grinding.In Proceedings of 11th International Symposium on Electro-machining(ISEM).Lausanne.Swizerland,1995. [9] 木本康雄,垣野羲昭,小昌一志. 电解复合镜面加工の基础研究. Memoirs of the Osaka Institute of Technology, Senese A, 1985.29(2). [10] F.A.TehRani, J.Atkinson. Overcut in Pulsed Electrochemical Grinding, Proc Instn Mech Engrs,2000.214(4):259-269. [11] Tehrani F.A.and Atkinson,J. A Study of Pulsed Electrochemical Grinding, Proceedings of the ISEM-11(1995):543-552. [12] 万亚兰,李福援.电解机械复合光整加工机理及其数学模型.机械科学与技 术,1998,17(2): 285-287. [13] 邢彦峰,张明,侯仰海.电化学机械光整加工表面相关性分析.山东理工大学学报 (自然 科学版), 2003,17(3):23-26. [14] 张云鹏,韩光臣,张安洲,任中根. 脉冲电化学机械复合光整加工模型的建立[J]. 电加 工与模具,2003.4:19-21. [15] 周锦进等. 模具特种光整加工技术.国家级成果,项目编号:892844. [16] 周锦进.聚氯乙稀釜内壁镜面加工新工艺.中国化工文献库,1986,1(30). [17] J.Kozak, K.P.Rajurkar,R.F.Ross.Computer Simulation of Pulse Electrochemical Machining.Journal of Materials Proceesing Technology. 1991,Vol.28:149-157. [18] J.Kozak, K.P.Rajurkar,B.Wei.Modelling and Analysis of Pusle Electrochemical Machining.Journal of Engineer for Industry. August1994, Vol.116:316-317. [19] K.P.Rajurkar, B.Wei,J.Kozak.Modelling and Monitoring Interelectrode Gap in Pusle [20] J.Kozak.Mathematical Madels for Computer Simulation of Pulse Electrochemical Processes.Journal of Materials Proceesing Technology. 1998,Vol.76:170-175. [21] O.V.Krishinaiah Chetty,R.V.G.K.Murthy,V.Radhakrishnan.On Some Aspects of Surface Formation in ECM. Journal of Engineer for Industry. August 1981, Vol.103:341-348. [22] D.Clifton,A.R.Mount, G.M.Alder et al.Ultrasonic Measurement of the Inter-electrode Gap in Electrochemical Machining.Machine Tools & 60 新疆大学硕士研究生学位论文 Manufacture.2002,Vol.42:1259-1267. [23] J.J.Sun, E.J.Taylor, R.Srinivasan. MREF-ECM Process for Hard Passive Materials Surface Finishing. Journal of Materials Processing Technology, 2001, 108:356-368. [24] E.Rosset, M.Datta, D.Landolt. Pulse Polishing of Die Steels in Neutral Solutions. PLATING AND SURFACE FINISHING, JULY 1985:60-64. [25] T.Masuzawa (2), M.Kimura. Electrochemical Surface Finishing of Tungsten Carbide Alloy. Annals of the CIRP, 1991, 40 (1): 199-202. [26] De Silva.A.,MeGough.J.A.. Hybrid Electrodischarge-Electrochemical Process for Roughness and Finishining Dies and Moulds.Processdings of the ISEM-12(1998):397-406. [27] 王建业,徐家文.电解加工原理及应用.北京:国防工业出版社,2001. [28] M.Zybura-Skrabalak, A.Ruszaj. The Influence of Electrode Surface Geometrical Structure on Electrochemical Smoothing Process. International Journal of Materials Processing Technology, 2000 (107):288-292. [29] T.Masuzawa, S.Sakai. Quick Finishing of WEDM Products by ECM Using a Mate—Electrode. Annals of the CIRP, 1987, 26(1): 123-126. [30] T.Masuzawa, C. L. M. Kou, Fujino. A Combined Electrical Machining Process for Micro nozzle Fabrication. Annals of the CIRP, 1994, 43 (1): 189-192. [31] 余承业等编著. 特种加工新技术. 北京: 国防工业出版社,1995,1. [32] 唐兴伦,张之敬,王建平等.高频群脉冲电化学微小型加工中的反向电流与压力波.中国 1886. 机械工程,2004,15(21):1881- [33] 王建业. 提高电加工模具成型精度的新途径—高频、窄脉冲电流源电解加工.航空制造 技术, 2002,12:21-24. [34] 朱树敏，沈光祖. 锻模脉冲电流电解加工.电加工与模具, 1990.1:15-17 [35] 沈健,牛志强,张海岩,朱树敏. 微秒级脉冲电流电化学抛光的工艺规律研究. 电加工 与模具, 2001.6:49-51. [36] 李邦忠.基于电化学机械复合机理的大面积薄板和粗糙表面镜面光整加工技术研究: (博士学位论文).大连:大连理工大学,2004.10. [37] 庞桂兵.脉冲电化学及电化学机械齿轮光整与修形加工技术研究: (博士学位论文).大 连:大连理工大学,2005. [38]阿达依?谢尔亚孜旦.螺旋锥齿轮电化学光整加工技术基础研究(博士学位论文).大连: 大连理工大学，2007年. [39] 李洪友,王辉,张芝涛等.脉冲电化学齿轮光整加工电源设计与研究.大连理工大学学报, 2003,43(4):452-456. [40] 翟小兵.脉冲电化学光整加工技术及其应用研究:(博士学位论文).大连:大连理工大 学,2004. [41] 周锦进,庞桂兵,徐文骥等.脉冲电化学齿轮齿面光整加工实验研究.中国机械工 程,2004,15 (24):2187-2189. [42] 阿达依?谢尔亚孜旦.螺旋锥齿轮电化学光整加工技术基础研究(博士学位论文).大 连:大连理工大学，2007年. [43]朱树敏，陈远龙，等.电化学加工技术.北京:化学工业出版社，2006.7 [44] 翟小兵.脉冲电化学光整加工技术及其应用研究:(博士学位论文).大连:大连理工大 学,2004. [45] 王晓明.脉冲电化学及其复合光整加工机理和表面特性的研究:(博士学位论文).大连: 61 新疆大学硕士研究生学位论文 大连理工大学,2002. [46] 翟小兵.脉冲电化学光整加工技术及其应用研究:(博士学位论文).大连:大连理工大学,2004. [47] 刘今起.中性电解液及其对电物理加工的表面处理作用.电加工,1993, 1:12-15. [48] 阿达依?谢尔亚孜旦.螺旋锥齿轮电化学光整加工技术基础研究(博士学位论文).大连:大连理工大学，2007年. [49]周锦进，阿达依?谢尔亚孜旦，庞桂兵.电化学光整加工对表面微观几何轮廓形貌的影响.中国机械工程，2006.17 [50] 朱树敏.电化学加工技术.北京:化学工业出版社，2006.7 62 新疆大学硕士研究生学位论文 致 谢 衷心感谢何连英副教授和阿达依?谢尔亚孜旦副教授在课题研究和实验当中给予的大力支持和指导。 感谢平宗保师弟，本课题中许多实验是我们共同合作的成果，一起查阅文献，一起讨论，一起动手做实验的。感谢实验室的同学们为论文提出的宝贵意见，永远怀念和大家在一起学习生活的日子。 感谢给予我论文评审和将参加论文答辩的各位专家、教授。 感谢在两年的学习和生活中关心帮助过我的所有老师、同学和朋友。 最后特别感谢我的父母，正是他们长期以来对我生活上无微不至的关心，精神和学业上的默默支持和鼓励，使得我能够战胜生活和学习中的困难，顺利完成学业。 阿米娜?卡德尔 2011年5月于新疆大学 63 新疆大学硕士研究生学位论文 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 1 阿米娜?卡德尔，阿达依?谢尔亚孜旦，何连英，平宗宝. 电化学光整加工过 中国表面工程. 2011年第四期:主办单位:中国机程中电流场分布特性的研究. 械工程学会、广州机械科学研究院. 中文核心期刊. 64 新疆大学硕士研究生学位论文 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文知识产权权属声明 本人的学位论文是在学期间在导师指导下完成的，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为新疆大学。 本学位论文属于: 保密 ?，在 年解密后适用于本声明。 不保密?。 (请在以上方框内打“?” ) 论文作者签名: 日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日 65