微凹坑織構復合加工平臺設計與試驗研究*

黃 森，沈 浩，許 博，丁慶田，何 濤

（安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南 232001）

0 引言

近年來，隨著我國的微機電系統（MEMS）技術和微制造技術不斷提高，在航空航天、儀器儀表、國防設備等眾多領域中[1]，微小織構和微小孔都起到了至關重要的作用。Bechert D W 等[2]發現，擁有微納米結構的荷葉表面，不但可以減少灰塵的附著，而且具有超疏水性。任露泉等[3]發現，蜣螂體表上的凹坑結構，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得到啟示，在摩擦副的表面上加工出具有一定分布規律和不同尺寸形狀的微小結構能夠顯著改善磨損特性[4]，這就是表面織構技術。

表面織構技術在工業方面的應用促使了微細加工技術的進步，由于織構的尺寸和形狀都在微米級，因此表面織構的加工技術存在很多難題。表面織構的加工方法有很多種，根據其形成的基本原理以及加工方式，將這些方法分為機械加工和特種加工兩大類，其中織構的特種加工又分為兩類：一類是有實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潤滑系統，并用該系統在工作表面先加工等間距織構，再在該間距中加工了更小的織構，提高了摩擦界面的潤滑性能。張云電等[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，并設計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。于新奇等[9]利用激光加工法在密封環端面進行打孔，通過多孔端面機械密封與一般機械密封進行比較，最終發現前者能夠表現出更好的密封性。徐正揚等[10]利用當前的電解加工技術，對航天發動機的葉片型面陽極材料進行優化設計，提出了一種陰極進給方案，使得加工出來的葉片型面精度穩定在0.05 mm，達到了精度要求。張海巖等[11]利用電解加工的技術成功去除了齒輪上的微細毛刺，同時在去毛刺的過程中對齒輪的邊角進行倒圓角處理，改善齒輪表面粗糙度的同時也優化了齒輪的表面精度。目前大多數的試驗研究都表明了微小織構有能力改善摩擦表面的接觸和磨損性能[12]，然而在實際的應用中，微織構的加工成型往往決定產品質量的可靠性。因此，如何提高加工效率、增強加工的定域性、保證較高的加工精度等方面成為表面織構技術最重要的環節。

本文結合了機械加工和電化學加工的優點，設計出了微凹坑織構復合加工系統以及對實驗平臺進行搭建。先通過高速機械鉆削加工出織構凹坑，然后以高速旋轉的螺旋鉆削刀具作為旋轉工具陰極，工件為陽極，通過電化學腐蝕對機械加工微孔進行二次電解精加工，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 加工平臺總體結構

加工平臺主要由運動控制系統、高速電主軸系統、電解液循環系統組成、夾具及引電裝置、電解控制系統組成。由于采用了微凹坑織構復合加工技術，使得加工的效率和表面質量大大提高，該平臺可靈活方便地在平面表面加工出規律分布的微織構結構，具有精確可控、穩定高效、成本較低和綠色環保的特點，圖1所示為平臺原理。

圖1 微凹坑織構復合加工平臺原理

2 系統搭建

2.1 運動控制系統

該試驗平臺的運動控制系統由高精度型電動平移臺、電控整體組合臺、運動控制器組成?；谶@套運動控制系統搭建的平臺，能夠有效地利用系統軟件對多軸進行聯動控制。

2.2 高速電主軸系統

高速電主軸系統由高速電主軸及其固定夾座、變頻器組成。由于微細鉆頭的直徑都非常小，為了能夠獲得較高的切削速度，微細鉆削過程中需要一個能夠提供極高轉速的主軸系統。目前機械微細鉆削加工中常用交流高頻電動機，其轉速可以達到每分鐘幾萬甚至幾十萬轉，電主軸取代了傳統的齒輪和帶輪等傳統的傳動方式，將電動機轉子與機床主軸直接連起來，從而縮短了機床傳動鏈，實現“零傳動”。高速電主軸采用變頻器驅動運轉，通過控制變頻器的頻率可對電主軸進行無極調速，用變頻器驅動時，必須對變頻器內置參數進行正確設定，錯誤的設定也會造成高速電主軸的損壞。

2.3 電解液循環系統

由于在電解加工的過程中會產生腐蝕碎屑，過多的碎屑會在聚集在加工間隙當中，當加工間隙被阻塞時，電解液無法在進行更新，同時放電通道隔絕，阻礙了電解加工的進行，因此需要一套循環系統在加工過程中將碎屑去除。該系統包括電解槽、電解液水泵、過濾器。此系統能夠有效地過濾雜質和碎屑，實現電解液的循環。

2.4 夾具及引電裝置

夾具能夠在微坑織構的加工過程中保證工件的穩定性，該夾具用亞克力板制成，在電解槽內用螺釘固定夾具，在夾具表面鉆孔以固定要加工的金屬工件。同時設計了一種多自由度可調節式引電裝置，結構簡單，安裝方便，能夠進行多方向調節。在加工過程中對電流測量后發現無斷電現象，并且電流曲線穩定，能夠達到實驗要求。

3 平臺樣機搭建及加工試驗

3.1 平臺實物搭建

通過一系列的裝配和調試，最終完成微凹坑織構復合加工平臺的實物搭建，如圖2 所示。該平臺采用微細切削和電化學復合加工的方法加工微織構微坑，具有單件加工效率高、加工微坑深度大、加工成本低、調整微坑結構和分布參數方便快捷等諸多優點。且其可加工微坑直徑范圍大，最小可加工孔徑可達50μm。此外，更換陰極電極形式后，還可進行掩膜電化學加工，從而實現微坑群的批量加工。

圖2 微凹坑織構復合加工平臺實物

3.2 加工試驗

根據加工平臺的性能參數并結合已有研究選取相關參數，如表1所示。

表1 試驗參數

通過基于LabVIEW 的平臺控制系統，實現了設備自動控制和試驗數據采集、記錄。電解液循環系統和高速電主軸系統控制試環電解加工，高速攝像機方便觀察加工過程，實現微凹坑織構復合加工平臺的自動化運行，圖3 所示為加工工件表面拋磨處理后試驗平臺的加工過程，從圖中能夠看到在未通電0 s時，電極表面和加工試件表面沒有氣泡形成，在加工到10 s時，工具電極和加工工件表面形成較小的氣泡，隨著加工的進行，氣泡、電解液及電解后的腐蝕產物隨工具陰極旋轉而發生轉動，利用電解液循環系統能夠有效地將電解液和加工間隙中的腐蝕產物進行去除，提高了加工的穩定性。電解液以及電解過程中產生的腐蝕碎屑的密度大，而氣泡的密度小，導致了在高速電主軸的機械運轉下，氣泡被迫將做向心運動，并且在加工過程中，氣泡逐步依附在刀具表面。同時氣泡在刀具螺旋槽及浮力的作用下，將沿著刀具軸向上運動，由于電解液和氣泡之間存在一定的濃度差，當陰極刀具達到一定的轉速后，小氣泡會合并成大氣泡，最終在電極表面形成一層穩當的圓柱狀氣泡膜。

圖3 試驗平臺復合加工過程

當電極進入織構微孔內部時，由于是在機械鉆削基礎上進行二次精細加工，因此電化學反應迅速擴孔，并以很快的速度完成微孔內壁機械加工的毛刺和微裂紋層的去除，側壁間隙有所增大。且由于氣泡層不斷產生并上升運動，降低了旋轉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，使電解反應主要集中在刀具端部附近，且氣泡層的上升運動還有利于推動電解產物及雜質從加工區外排及新鮮電解液的補充，從而避免電解短路發生，提高加工穩定性。

圖4 所示為電解加工電流，通過LabVIEW 編寫電流檢測系統，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定的，在整個加工的過程中沒有出現短路和降壓的情況。最后在微凹坑織構復合加工平臺下加工出試件的凹坑織構，如圖5 所示。

圖4 電解加工電流

圖5 平臺試件微織構

3.3 檢測分析

將表面清理過的微織構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加工工件的外表面進行掃描，圖6 所示為微織構加工工件表面三維形貌儀檢測結果，由此可知階躍高度波動較小，織構陣列重復性好，凹坑的周圍磨痕較少，在電解的二次精加工下，有效地去除了由機械鉆削所產生的毛刺和裂紋，并且在加工微細織構時不會對周圍的非加工區域表面進行腐蝕破壞，該微織構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 微織構形貌檢測結果

4 結束語

本文針對目前微小織構難加工的問題，設計并搭建了微凹坑織構復合加工平臺。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，同軸開展電化學放電去毛刺、電解去應力精加工。同時通過電解液循環系統更新電解液，保護孔壁及刀具，精準控制放電區域，減小孔壁錐度，提高定域性。最后基于LabVIEW 實現多軸聯動、自動對刀加工、視覺監控、數據采集等功能，完成多樣化織構的高精度加工，通過三維形貌儀對加工后的凹坑織構進行檢測，結果表明：在微凹坑織構復合加工平臺下加工出的凹坑形狀規則，凹坑表面整潔，利用電化學加工的方法有效地去除了由機械鉆削所產生的毛刺和裂紋，且織構孔口圓柱度好，雜散腐蝕少，織構孔口質量高，為后續的加工表面的摩擦磨損試驗奠定了研究基礎。