電化學光整加工過程中電流場分布特性的研究

新疆大學碩士畢業(yè)論文新疆大學論文題目(中文)：電化學光整加工過程中電流場分布特性的研究論文題目(外文)：StudyonPropertiesofCurrentDistributionalongMicro-profileinProcessingofElectrochemicalFinishing研究生姓名：學科、專業(yè)：機械制造及其自動化研究方向：制造業(yè)信息化工程導師姓名職稱：新疆大學碩士研究生學位論文PAGE67摘要由于電化學光整加工方法具有不受零件表面硬度影響及可使零件加工表面獲得良好的微觀幾何輪廓等優(yōu)勢，因而得到迅速發(fā)展，大幅度提高了加工表面質量，在機械零件的加工中得到應用。研究可知電化學光整加工不僅可以大幅度改善零件表面加工質量，而且還可以不同程度地提高零件的加工精度。研究結果表明，電化學光整加工的整平過程是工件陽極表面微觀幾何輪廓從尖峰狀變成圓弧狀的圓角化過程，工件陽極表面微觀幾何形貌的圓角化不僅影響提高整平效果，而且也影響加工精度。電化學光整加工的整平機理是影響表面質量及加工精度的重要因素，影響整平效果的因素很多，如，電解液質量分數(shù)、電流密度等，但其中其它條件確定的情況下陽極微觀幾何輪廓的變化對整平效果的影響最明顯，相關實驗結果的分析也表明，在電化學光整加工的初期，整平效果提高較為顯著，但隨著光整加工的進行，整平效果的提高并不十分明顯；同時，所獲得的表面微觀幾何輪廓由尖峰形變?yōu)槌蕡A角形。顯然，在小間隙條件下，表面微觀幾何輪廓的變化影響了極間電流場的分布。說明電流場的分布影響著整平效果和表面質量，因此為了為改善電化學光整加工整平效果有必要研究電化學光整加工過程中電流場分布特性的。根據(jù)電化學光整加工前后的表面微觀輪廓的變化，本文在此提出圓錐體和半球體兩種表面微觀幾何形貌。從微觀幾何的角度研究了電化學光整加工整平過程中工件陽極表面微觀幾何輪廓的變化及其影響。在所提出的圓錐體和半球體表面微觀幾何形貌的基礎上，根據(jù)相關的知識建立了極間電流場的數(shù)學模型并分析了電化學光整加工過程中電流場分布特性的變化。研究結果表明，尖峰狀表面微觀幾何輪廓有利于強化電化學的選擇性溶解，有利于提高整平效果，圓弧張表面微觀幾何輪廓弱化電化學陽極選擇性溶解，不利于提高整平效率。結果驗證了電化學機械光整加工過程中，機械作用不僅具有刮膜的作用，而且還具有使表面微觀幾何輪廓尖峰化的作用。關鍵詞：電流場；特性；電化學；光整AbstractElectrochemicalfinishingtechnologywiththegoodsurfacequalitymakeitsprocessmethodhasbeenincreasinglywidelyapplication,andhasbecomeoneoftheprocessingtechnologymanufacturing,alotofresearchresultsindicatethatusingelectrochemicalfinishingtechnologynotonlyimprovespartssurfacemachiningaccuracy,butalsocaneffectivelyincreasetheuseofpartsperformance.Electrochemicalfinishingmethodgettherapiddevelopment,greatlyimprovedthemachinedsurfacequalityinmachinerypartsprocessing,gettheapplicationinmachinerypartsprocessingbecauseitdonotsufferinfluenceofpartssurfacehardness,andcanmakepartsprocessingsurfaceobtaingoodmicrogeometricprofile.Studyshowselectrochemicalfinishingnotonlycansignificantlyimprovethemachinedsurfacemachiningparts,andstillcanimprovethequalityofpartsprocessingprecisionindifferentdegree.Theresultsofthestudyshowsthat,electrochemicalfinishingthewholeprocessisaprocessofworkpieceanticathodesurfacemicrogeometricprofilefrompeakshapeintoarcshapeofthefilletprocess,workpiecesurfacemorphologyofanodegeometryofmicroscopicaffectnotonlyimproveround,butalsolevelingeffectaffectmachiningaccuracy.Theprocessingofelectrochemicallightmechanismislevelinginfluencesurfacequalityandmachiningprecisionoftheimportantfactorsthataffectlevelingeffectbymanyfactors,Suchas,electrolytequalityscore,currentdensity,etc,buttheotherconditionsuncertainanodemicrogeometricprofilechangeonlevelingeffectthemostobvious.Relatedtheanalysisofexperimentalresultsalsoindicatedthatthebeginningofthewholeprocessinginelectrochemicallight,levelingeffectincreasedsignificantly,butasthelightison,theprocessingoflevelingeffectimproveisnotobviously;meanwhile,thesurfaceobtainedbymicroscopicgeometricprofileforaroundshapepeakdeformationobviously,inthesmallgapconditions,thegeometricprofileonmicrochangeaffectscurrentdistributionexplainthecurrentdistributionaffectinglevelingeffectandsurfacequality,Therefore,inordertoimprovetheprocessinglevelingelectrochemicallighteffectisnecessarytostudythewholeprocessofelectrochemicalfinishingofcurrentfielddistributioncharacteristics.Accordingtothechangeofwholeprocessingandelectrochemicallightmicroscopicsurfaceoutline.ThispaperPutsforwardTheconeandhalfasphereTwokindsofsurfacemicrogeometricmorphology,studiedfromtheperspectiveofmicroscopicgeometryelectrochemicalfinishingthewholeprocessinglevelingprocessworkpieceanticathodesurfaceandthevariationofmicroscopicgeometricprofileinfluence.Basedonsurfacemicrostructuregeometricshapeoftheconeproposedandhalfsphereaccordingtorelevantelectrodynamicsknowledgecurrentfieldestablishedthemathematicalmodel,andanalyzesthewholeprocessofelectrochemicallightchangesinthecurrentfielddistributioncharacteristics.Theresultsofthestudyshowthat,peakshapetostrengthenmicroscopicgeometrycontoursurfaceelectrochemicaldissolution,behelpfulforimprovinglevelingeffect,arcshapesurfacemicrogeometricprofileweakeningelectrochemicalanodedissolution,isnotconducivetoimprovinglevelingefficiencyusingrelevantnumericalsimulationsoftwaresimulationpeakshapeandarcshapetwosurfacemicrogeometricprofilechargedistributionandchargedensitydistributioncurve,verifytheaboveprocesselectrochemicalmechanicallightthewholeprocessingprocess,mechanicalfunctionnotonlyhastheroleofscrapingmembrane,butalsohasmadethesurfaceofmicroscopicgeometricoutlinetheroleofpeak.Keywords:currentfield,characteristics,electrochemical,finishing目錄摘要 ⅠAbstract Ⅱ1緒論 11.1電化學光整加工的研究 11.1.1電化學光整加工方法的發(fā)展 11.1.2電化學光整加工工藝的研究與應用現(xiàn)狀 31.2選題依據(jù) 71.3電化學光整加工過程中研究電流場分布特性中存在的問題 81.4選題目的、意義及解決方法 91.4.1選題目的 91.4.2選題意義 91.4.3研究的基本思路及方法 102電化學光整加工的理論基礎 112.1電化學光整加工的基本原理 112.2電化學光整加工的整平機理 122.2.1整平機理的基礎研究 132.2.2數(shù)值求解平行板的溶解速度 152.2.3電化學光整加工的基本特性 172.3電化學光整加工實驗平臺的設計 192.3.1電源系統(tǒng) 192.3.2電解液 202.3.3陰極結構設計 212.4本章小結 223極間電流場數(shù)學模型的建立及其分析 233.1表面微觀幾何輪廓的變化對電化學光整加工的影響 233.1.1表面微觀幾何形貌的變化 243.1.2平行板的電化學光整實驗 263.1.3極間電流場的再分布對電化學光整加工的影響 313.1.4強化機械作用 313.2電化學光整加工前后表面微觀輪廓的幾何模型 323.3尖峰形表面微觀幾何輪廓電場分布的數(shù)學模型及其邊界條件的確立 333.4圓弧狀表面微觀幾何輪廓電場分布的數(shù)學模型及其邊界條件的確立 373.5數(shù)學模型的分析 403.5.1尖峰狀表面電流場分布特性的分析 413.5.2圓弧狀狀表面電流場分布特性的分析 433.5.3兩種表面微觀輪廓電流場分布分析結果的對比 443.6本章總結 454實驗驗證及應用 464.1實驗原理 464.2實驗條件 464.3工藝參數(shù)對表面質量的影響 484.3.1電解液濃度的影響 494.3.2電流密度的影響 504.3.3極間間隙的影響 514.4實驗結果分析 534.5電化學光整加工實驗結果的應用 554.6本章小結 575結論及展望 58參考文獻 60致謝 631緒論機械零件加工后的加工質量直接影響產(chǎn)品的使用性能，但對產(chǎn)品使用性能要求的不斷提高，使得目前通過機械加工所獲得的零件的加工質量難以滿足對產(chǎn)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質量方面的作用日益受到關注，并且日益顯現(xiàn)出在提高零件使用性能方面的優(yōu)勢。但與此同時，目前常用的光整加工方法（如磨削、研磨以及拋光等）也顯露出自身的缺憾。這既有光整加工機理方面的因素，也存在待光整工件方面的原因。主要體現(xiàn)在◆對產(chǎn)品使用性能要求的不斷提高，使得難加工材料（如高溫材料、鈦合金以及奧氏體不銹鋼等）的使用份額日益增加；◆零件表層的高硬度特征使得目前常用的常規(guī)光整加工方法難以發(fā)揮作用，如光整加工效率低，且易產(chǎn)生暗燒傷等缺陷；◆機械加工后獲得的零件表面微觀幾何輪廓呈“尖峰”狀，因此不利于提高零件的使用性能，如大的初磨損量以及接觸剛度保持性差等。常規(guī)光整加工方法所顯現(xiàn)的不足，使得非常規(guī)加工方法的應用日益受到關注，不僅在實踐中顯現(xiàn)了提高零件加工質量的優(yōu)勢，而且還形成了以電化學光整加工為典型代表的非常規(guī)光整加工手段或方法。雖然電化學光整加工是電化學加工方法在光整加工領域內(nèi)的應用，但由于加工目的不同，因而，不僅電化學光整加工的對象所具有的特征不同，而且還具有自身的規(guī)律，因此，國內(nèi)外相關學者和工程技術人員對電化學光整加工整平機理等方面開展了深入的研究，極大地促進了電化學光整加工的應用。1.1電化學光整加工技術的研究與應用現(xiàn)狀1.1.1電化學光整加工技術的發(fā)展情況為改善零件表面質量最初使用的加工方法是電拋光加工技術，由于電拋光工藝使用電化學陽極溶解現(xiàn)象，因此不但不受零件表面硬度，而且工具陰極設計方法簡單，因此在改善零件表面質量上發(fā)揮了重要的作用。最初是以陽極表面拋光為目的而應用的，并在此基礎上逐步演繹為采用酸性電解液的電化學拋光工藝方法[1]。在實際應用過程電化學拋光技術顯露了一些缺陷。這些不足主要表現(xiàn)在以下幾種：（1）最終的表面質量收到拋光前原始表面質量狀況的影響。（2）電拋光后表面粗糙度只能提高1－2級，可見提高程度不高。（3）電解液為酸性溶液幾乎不流動因此對設備的腐蝕和環(huán)境的污染比較大，電極之間的間隙較大[2]。由于電拋光技術存在上述的不足，因此開發(fā)了能夠彌補電拋光技術而且能夠結合機械作用與電化學作用的電化學機械復合光整加工方法。此工藝方法有效的實現(xiàn)了電化學光整加工與機械光整加工的復合[3]。電化學機械復合光整加工方法是改善零件表面質量的有效手段之一。電化學機械復合光整加工縮小了陽極與陰極之間的間隙。由于存在機械作用，工件陽極與機械單元之間存在相對運動，因此電化學機械復合光整加工的整平機理相對比較復雜[4]。實際應用當中隨著表面質量要求的提高電化學機械復合光整加工方法顯現(xiàn)出了許多自身的缺陷。由于電化學機械復合光整加工工藝方法存在以上的不足和缺點，方建成等學者研究和開發(fā)了電化學光整加工與磁粒光整加工的復合光整加工方法[5]。為提高表面質量及電化學光整加工的整平效果，日本學者T.Masuzawa等人研究開發(fā)了脈沖電化學光整加工工藝方法，此工藝方法的特點是在小間隙下、中性電解液條件下利用脈沖電流[6]。脈沖電流的間斷性及周期性特性在小間隙條件下使電化學陽極溶解獲得到改善，與電化學機械復合光整加工相比在提高加工精度上面有很大的優(yōu)勢[7]。由此可見，隨著陽極與陰極之間間隙的縮小、電流特性的變化，電化學光整加工方法在提高零件表面質量方面顯現(xiàn)了巨大優(yōu)勢，因此已發(fā)展成為綜合性光整加工技術。1.1.2電化學光整加工技術國內(nèi)外的進展及其應用現(xiàn)狀目前電化學光整加工技術的重要研究和應用的發(fā)展方向是脈沖電化學光整加工技術和電化學機械復合光整加工技術兩種。（1）電化學機械復合光整加工技術方法通過研究發(fā)現(xiàn)，國外的電化學機械復合光整加工技術的研究比較早，主要集中在歐美的一些國家和日本，對電化學機械復合加工技術方法的研究方向則主要集中在提高整平效率以和加工質量的電解磨削加工方面[8]。日本學者木本康雄等人針對電解磨削技術的陰極特點，提出了工具陰極利用貼有無紡布等粘彈性的金屬的電化學機械復合光整加工方法，從而提高了正平效率、加工質量，并且獲得了良好的表面加工精度[9]。加工大型不繡鋼鏡面板材、提高大型不繡鋼鏡面板材的生產(chǎn)效益，前畑英彥、釜田浩等日本學者深入進行大量的研究與分析了電化學機械復合光整加工技術方法的特點及根據(jù)陽極表面微觀形貌特性，并獲得了一定的成就，成果奠定了良好的加工技術基礎[10]。Tehrani.F.A等人研究了脈沖電流，用它取代恒直流電流后解決了電化學機械復合光整加工難以解決的關鍵問題。他們的研究表明：由于脈沖電流具有的周期性、間斷性等性質，因此調(diào)整了電化學陽極溶解作用與機械作用之間的相互匹配關系[11]。與此同時，電化學機械復合光整加工工藝后，可知此工藝不僅不受工件陽極表面硬度影響，而且加工后可得良好的表面形貌等特點，因此國內(nèi)眾多高校學者開展了對電化學機械復合光整加工性質的研究，并取得了一定的成績。目前，在研究電化學機械復合加工的整平機理上國內(nèi)已有學者，并建立了相應的數(shù)學模型[12]，也有些學者針對在電化學機械復合光整加工前后的工件陽極表面微觀幾何輪廓的的變化及相關的性進行了分析與研究[13]。在脈沖電化學機械復合光整加工過程中，各種工藝參數(shù)影響表面質量，因此還有學者利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡技術對脈沖電化學機械復合光整加工進行了研究，并建立了相應的神經(jīng)網(wǎng)絡模型[14]。研究電化學機械復合光整加工技術問題上，從上世紀70年代起大連理工大學光整加工課題組進行了研究并取得了一定的成就，獲得國家科技獎[15]。電化學機械復合光整加工技術上的研究取得了一定的成績，因此擴了電化學機械復合光整加工的應用范圍。（2）脈沖電化學光整加工技術由于脈沖電化學光整加工技術使用具有周期性、間段性的脈沖電流，在光整過程中工件陽極表面上發(fā)生斷續(xù)的電化學陽極溶解，因此光整初期工件陽極表面微觀輪廓呈尖峰狀，使電流場分布呈非均勻性[16]。在光整過程中工件陽極表面的尖峰處電場線集中因此在最高處形成較大的電流密度，在凹谷處電場線分散，因而形成的電流密度較??；同時工件陽極表面尖峰處的陽極鈍化膜較薄，根據(jù)法拉第電解定律可得尖峰處的電阻較小，因而容易溶解，反而陽極金屬表面凹谷處鈍化膜較厚，電阻較大，而且不容易溶解。由于以上的特性，脈沖電化學光整加工有效地提高整平速度，因而達到整平的目的。脈沖電流具有間斷性、周期性變的特性，光整過程中加快兩極間間隙的電化學特性、電流場特性，從而直接影響到電化學陽極溶解的集中蝕除能力[17]。以上特性可見，脈沖電化學光整加工在提高整平速度和加工精度上都有很大優(yōu)勢。通過研究可知，脈沖電化學光整加工技術是具有發(fā)展?jié)摿Φ墓庹夹g之一，其它加工方法相比它具有很多優(yōu)點，因而逐漸受到了很多研究機構的的重視。脈沖電化學光整加工技術的最大特點是把機械加工后的尖峰型表面變成圓弧型表面微觀形貌，光整后的零件表面粗糙度小，因而大幅度延長零件的使用周期；在一些特殊零件的光整問題上，傳統(tǒng)的光整加工技術顯現(xiàn)自身的不足，但脈沖電化學光整加工技術具有加工質量好且無工具損耗等優(yōu)勢，因此夠解決傳統(tǒng)光整加工的難題，甚至彌補傳統(tǒng)光整加工的不足。能夠提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本且勞動強度等，因此，脈沖電化學光整加工技術具有很高的研究和應用價值[18]。脈沖電化學光整加工技術采用的高電流密度有利于陽極表面加工質量的提高,縮小兩極間間隙，從而可以顯著改善加工表面的精度。此外,脈沖電流加工方法使用高頻、窄脈寬電流，提供了更多的可調(diào)參數(shù),這些參數(shù)有利于加工過程的穩(wěn)定,可顯著改善表面質量[19]。經(jīng)試驗可驗證,脈沖電流具有間斷性的性質因此脈沖電流電化學光整加工技術顯著改善整平效果從而提高零件表面加工質量,一次加工即可達到所要求的表面粗糙度,工件具有極好的光澤性,并且在改善光整加工質量的同時可顯著提高整平速度。對脈沖電化學光整加工方面，目前，日本及歐美一些國家把脈沖電化學加工工藝應用到光整加工領域當中。脈沖電化學光整加工的研究上，美國學者K.P.Pajurkar、俄羅斯學者Evgueny.I.Filatov、波蘭學者J.Kozak、英國學者H.Hardistry等首先建立了脈沖電化學光整加工的數(shù)學模型，并根據(jù)數(shù)學模型利用計算機相關的軟件模擬了脈沖電化學加工的過程，研究了脈沖電化學光整加工的特性[20]。O.V.KrishnaiahChetty與K.P.Pajurkar等學者系統(tǒng)地研究了脈沖電化學加工的表面特性，依據(jù)所建立的數(shù)學模型與模擬實驗結果，給出了加工間隙、脈沖電流、電解液等工藝參數(shù)與表面質量的關系[21]。英國學者D.Clifton等人利用超音速技術對脈沖電化學加工過程中的極間間隙實現(xiàn)了在線測量及其控制[22]。美國J.J.Sun，E.J.Taylor，R.Srinivasan等學者采用較寬的正向脈沖與較窄的負向脈沖相結合對鎳、鈦、鉬等航空航天工業(yè)中常用的難加工材料進行了光整加工，去除了放電加工后表面形成的氧化層及變質層，得到了較好的表面質量，并提高了零件的疲勞強度[23,24,25]。目前電化學光整加工的工具陰極設計比較難，工具陰極的制造成本高，因此英國學者J.A.McGeough直接采用電火花電極作為工具陰極，研發(fā)了電火花－電化學光整加工復合工藝方法[26]，獲得了均勻、平整的表面[27]。M.Zybura-Skrabalak等人論證了經(jīng)過磨削后的工具陰極表面通過合理地選擇和匹配工藝參數(shù)可直接作為工具陰極的可行性[28]。日本學者T.Masuzawa等人利用線切割廢料作為工具陰極，對經(jīng)線切割后的工件表面實施了脈沖電化學光整加工，并開發(fā)了成對式工具陽極脈沖電化學光整加工工藝方法[29]；日本學者T.Masuzawa將脈沖電化學加工用在微細軸的光整加工中，即用一條運動的金屬絲作為陰極，在陽極軸和陰極絲之間噴電解液，使軸表面產(chǎn)生電化學微腐蝕，這種方法在直徑數(shù)十微米小軸的光整加工中取得了良好的效果，達到了鏡面粗糙度[30]，圖1.1所示微細軸的脈沖電化學光整加工，圖中1為工件陽極，2為工具陰極。圖1.1脈沖電化學光整加工實例為了實現(xiàn)回轉表面在小間隙條件下的電化學光整，脈沖電化學光整加工技術利用兩電極間相對運動，并且結合簡單工具陰極幾何形狀。脈沖電化學光整加工采用簡單面、線等幾何形狀，展成或包絡出工件陽極表面，同時把它結合電極間的合理相對運動關系，實現(xiàn)對工件陽極表面的光整。相比國外，對脈沖電化學光整加工的成型加工方面研究國內(nèi)研究的比較早，而且取得了不少成果，這些研究成果顯然而然的推動了脈沖電化學光整加工在光整加工領域內(nèi)的實際應用，大幅度的促進了脈沖電化學光整加工技術的發(fā)展[31]。脈沖電流在低頻、脈寬較大的情況下接近恒直流電流，因此脈沖效應不明顯，不能充分發(fā)揮。隨著功率電子技術的發(fā)展，高頻、窄脈寬的脈沖電流成為現(xiàn)實，并在實際應用中顯現(xiàn)了優(yōu)勢。吳高陽、唐興倫等學者研究了超薄結構件的高頻群脈沖電化學加工工藝以及高頻群脈沖電化學微小型加工中的反向電流與壓力波[32]。王建業(yè)教授等學者將高頻（KHz級）、窄脈寬的脈沖電化學加工技術應用于電加工模具上，并顯著提高了電加工模具的成型精度[33]；合肥工業(yè)大學朱樹敏教授等學者研究了脈沖電流參數(shù)對電解液非線性特性的影響及其應用于鍛模加工時對鍛模加工質量的影響[34]；沈健教授等學者研究了靜液條件下的脈沖電化學拋光工藝規(guī)律，分析了工藝參數(shù)與表面粗糙度之間的關系[35]。大連理工大學針對成對電極法存在的不足，例如，對流場及溫度場條件要求高，需要背壓產(chǎn)生的容器以及夾具、難以加工大面積零件以及要求大功率電源等，研究開發(fā)了采用移動式工具陰極、開放式電解液循環(huán)系統(tǒng)的移動式工具陰極脈沖電化學光整加工工藝方法[36，37]。脈沖電化學光整加工過程中根據(jù)整平效率需要確定精確數(shù)學模型的問題，針對此問題，課題組利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡技術建立了整平效果與工藝參數(shù)之間關系的數(shù)學模型[38]。大連理工大學電化學光整加工課題組在深化對移動式脈沖電化學光整加工整平機理及其工藝特點、規(guī)律認識的基礎上，積極開展了移動式脈沖電化學光整加工的應用研究，并取得了可喜的成績[39]，圖1.2所示為金屬針布在移動式陰極脈沖電化學光整加工前后的對比。大連理工大學光整加工課題組以上的成績對以后的研究工作帶來了一定的優(yōu)勢，提高了脈沖電化學光整加工整平機理及工藝特點的認識，為擴展脈沖電化學光整加工的應用范圍創(chuàng)造了有利條件。（a）光整前（b）光整后圖1.2金屬針布在移動式陰極脈沖電化學光整加工前后的對比[40]由此可見，雖然國內(nèi)外有關脈沖電化學加工技術的研究已經(jīng)取得了一定的成績，如，對電化學機械復合光整加工而言，如何匹配電化學陽極溶解作用與機械作用等；比如雖然采用移動式工具陰極可有效改善流場以及溫度場等條件，從而可提高脈沖電化學光整加工的整平效果并且也可使簡化工具陰極的設計與制造，但是目前大多研究成果是采用要求較高、制作麻煩的成對式電極的加工方法進行研究所取得的，因此，如何根據(jù)工件的實際情況進行移動式工具陰極的設計也是目前面臨的一個尚未解決的難題。但如何根據(jù)電化學光整加工對象的微觀幾何形貌結構特點，研究電流場分布特性規(guī)律也是面臨的難點問題之一。1.2存在的問題大量的實驗和研究表明，電化學光整加工工藝上獲得良好的整平效果的前提條件是，保證光整過程中產(chǎn)生比較穩(wěn)定、均勻的極間電流場，也需要及時排出電化學陽極溶解產(chǎn)物。光整過程中的要有電解液的流速和壓力控制不當，會使加工過程中產(chǎn)生黑色氧化膜，直接影響光整加工質量。要想使極間電流場改善表面質量，那么必須要保證兩極間間隙的穩(wěn)定與均勻，而工件陽極的表面微觀幾何輪廓的變化始終影響電流場的分布特性。為改善電流場需要分析工件陽極的表面微觀形貌，根據(jù)表面微觀幾何輪廓的變化數(shù)值模擬極間間隙內(nèi)的電荷密度分布、電勢分布、電場強度分布等重要因素。由于工件陽極表面微觀幾何形貌比較復雜，選擇合適的幾何模型上面需要研究。根據(jù)幾何模型確定數(shù)值求解問題上缺少研究，因此數(shù)值模擬電流場分布特性上面還沒有適當?shù)哪M曲線。1.3選題依據(jù)由于目前各種零件如螺旋錐齒輪等，由于生產(chǎn)工藝的原因導致表面質量較差，極大的縮短了工作周期，因此為提高加工質量、延長其在線工作時間對零件進行電化學光整加工處理的研究是有必要的。電化學光整加工是一門涉及電化學，電動力學，材料學，機電控制，計算機技術等多學科交叉的綜合性的制造技術。目前在促進我國制造業(yè)的發(fā)展中有一定的成果，這些研究成果在實際生產(chǎn)當中開始應用，會提高產(chǎn)品使用性能和壽命，得到可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，因此增強國際市場競爭力。由于電化學光整加工以獨特的整平機理，在提高加工質量方面顯現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢，因而在航空、航天，醫(yī)療器械以及模具等行業(yè)中的應用受到了關注。目前，國內(nèi)外很多研究機構對電化學光整加工的工藝方法開展了大量的研究工作，并且在許多方面取得了顯著的進展，其研究成果極大地推動了電化學光整加工的應用。電化學光整加工是指一種利用電化學陽極溶解現(xiàn)象，實現(xiàn)去除材料的零件終加工工藝方法，是大多數(shù)零件的最終加工工序。大量的研究表明，影響電化學光整加工整平效果的因素較多，如電解液的質量百分比、電流密度等；但相關實驗結果的分析也表明，在電化學光整加工的初期，整平效果提高較為顯著，但隨著光整加工的進行，整平效果的提高并不十分明顯；同時，所獲得的表面微觀幾何輪廓由尖峰形變?yōu)槌蕡A角形。顯然，在小間隙條件下，表面微觀幾何輪廓的變化影響了極間電流場的分布。說明電流場的分布影響著整平效果和表面質量，因此為了提高電化學光整加工的整平速度和表面質量程度，有必要研究及分析電化學光整加工過程中電流場的分布特性。1.4選題目的、意義及解決方法1.4.1選題目的雖然電化學光整加工是電化學陽極溶解現(xiàn)象在光整加工領域的應用，但由于加工目的不同，因此，電化學光整加工方法不僅在工藝實施方面，而且在整平機理等方面有其自身的規(guī)律和特點。大量的研究表明，影響電化學光整加工整平效果的因素較多，如電解液的質量百分比、電流密度等；但相關實驗結果分析表明，在電化學光整加工的初期，整平效果提高較為顯著，但隨著光整加工的進行，整平效果的提高并不十分明顯；同時，所獲得的表面微觀幾何輪廓由尖峰形變?yōu)槌蕡A角形。顯然，在小間隙條件下，表面微觀幾何輪廓的變化影響了極間電流場的分布。因此，本文基于表面微觀幾何輪廓的變化，探討極間電流場分布特性的變化，旨在為提高電化學光整加工的整平速度的提高提供理論依據(jù)。1.4.2選題意義由于電化學光整加工過程中表面微觀幾何輪廓的變化影響電流場的分布特性的主要因素之一，因此研究電流場問題具有十分重要的意義，主要體現(xiàn)為：電化學光整加工過程中電流場分布特性的研究和解決，將提高電化學光整加工技術的整平速度和加工質量。通過研究電化學光整加工過程中的電流場，可為以后的電化學光整加工工藝的發(fā)展及應用提供理論依據(jù)。電化學光整加工過程中電流場分布特性的研究，將有助于研究工件陽極表面微觀幾何輪廓的變化規(guī)律，從而提供一種研究電流場的新的思路方向。通過對電化學光整加工方法及加工過程中的電流場問題的的研究，不僅可深化對電化學光整加工整平機理的認識，而且有助于提高整平效率。還可拓展電化學光整加工技術的應用范圍。1.4.3研究的基本思路及方法為對電化學光整機工過程中電流場分布特性進行深入的研究，針對電化學光整加工過程中電流場分布特性研究面臨的難點問題，結合電化學光整加工技術的特性及目前的研究與應用現(xiàn)狀，確定研究電流場分布特性的基本思路及方法如下：首先，以法拉第電解定律為基礎，研究工件陽極表面微觀幾何輪廓的變化規(guī)律，初步確定尖峰狀工件陽極表面微觀幾何輪廓變呈圓弧狀的變化規(guī)律。其次，根據(jù)表面微觀幾何輪廓的變化規(guī)律，建立適合電化學光整加工過程中表面微觀幾何輪廓變化的數(shù)學模型，并對此數(shù)學模型進行分析，研究在電化學光整加工的過程中工件陽極表面微觀幾何輪廓的變化對電化學光整加工整平機理的影響及分析改善電化學光整加工整平效果的方法。然后，對提出來的數(shù)學模型進行數(shù)值求解電勢分布，電場強度及電荷密度分布，對此進行分析。最后，對不同表面微觀幾何輪廓的試件進行試驗，驗證數(shù)值模擬結果及本文提出來的數(shù)學模型的準確性。流程圖1.3所示基本思路及方法。圖1.3研究思路流程圖2電化學光整加工的理論基礎在電化學光整加工過程中，電流場分布特性的研究主要按照靜電場理論來分析，除了靜電場理論本章旨在對電化學加工基本原理，整平機理特性及其電化學光整加工系統(tǒng)的設計等進行一些探索。2.1電化學光整加工的基本原理電化學光整加工方法是一種利用電化學陽極溶解現(xiàn)象，實現(xiàn)去除材料的零件終加工工藝方法[41]。圖2.1所示為其基本工作原理示意圖。當光整加工時，工件陽極與工具陰極分別接直流電源或脈沖電源的正極和負極；同時，在工件陽極與工具陰極之間存在約0.1mm-0.5mm的間隙，該間隙內(nèi)充滿具有一定流速和壓力的中性電解液。由于有電流通過極間間隙內(nèi)的電解液，因而在極間間隙內(nèi)產(chǎn)生電流場。極間電流場的存在，遵守法拉第電解定律，工件陽極的材料將因失去電子形成正離子而溶于電解液中，從而實現(xiàn)工件陽極材料的去除，完成工件的整平。圖2.1電化學光整加工基本工作原理示意圖電化學光整加工工藝與傳統(tǒng)的電化學拋光（ElectrochemicalPolishing）工藝加工特點基本相同，但由于加工原理與目的不同，因此這兩種加工技術在應用上有自身的規(guī)律。它們的區(qū)別是電化學光整加工技術使電化學陽極溶解現(xiàn)象也發(fā)生了很大的變化，最主要是整平機理有差別。相同點是電化學拋光與電化學光整加工技術都以改善正平效率為主。表2.1所示兩種加工技術的對比?？梢婋娀瘜W光整加工技術有更好的整平效果。表2.1兩種加工工藝的對比極間間隙電解液電解液狀態(tài)表面質量主要特點電化學拋光大酸性靜態(tài)提高幅度有限美觀性，光亮性電化學光整加工小中性動態(tài)大幅度提高提高加工精度圖2.2所示為應用電化學拋光技術加工的實例，圖2.3所示為應用電化學光整加工技術加工的實例?？梢?，電化學光整加工大幅度提高表面光澤度。圖2.2電化學拋光應用的實例圖2.3電化學光整加工應用的實例2.2電化學光整加工的整平原理由于電化學光整加工工藝具有去除功能和整平功能，因此能夠改善工件陽極表面質量。去除功能的主要目的是去除前道機械加工工藝工序所產(chǎn)生的變質層、毛刺等[42]；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陽極表面，相比電化學光整加工的去除功能，在機械基礎零件表面質量的提高問題上整平功能具有更打大的優(yōu)勢和現(xiàn)實意義。因此，本文主要從電化學光整加工的整平功能展開相關的研究。由于電化學光整加工技術是零件最終一道加工工序，是一種非接觸式、非傳統(tǒng)的加工方法，因此電化學光整加工主要整平收到一些磨削、車削等機械加工后的零部件及設備，因此光整前的表面微觀幾何輪廓大部分呈尖峰狀。通過大量分析表明，電化學光整加工后工件陽極表面微觀幾何輪廓被圓化，導致工件陽極表面粗糙度大幅度降低。因此可以從工件陽極表面微觀幾何輪廓的變化入手研究電化學光整加工的整平機理。經(jīng)機械加工方法陽極工件表面是由無數(shù)個凹凸和高低不同的山峰狀表面形貌組成，由于這種表面特征使電化學陽極溶解速度不一樣，在工件陽極表面上尖峰處和凹谷處的電化學溶解速度不同，因此實現(xiàn)整平。由此可知，陽極表面微觀幾何輪廓凹凸處的電化學陽極溶解速度不一致的結果實現(xiàn)電化學光整加工陽極整平。對于造成陽極溶解速度不一致的原因，目前對電化學光整加工整平機理的解釋大多利用尖峰效應和成膜效應來給予解釋[43]。電化學光整加工的過程中的尖端效應是指，光整時由于電場線主要集中在尖峰部位，因而工件陽極的溶解主要集中在工件陽極表面微觀幾何形貌的尖峰部位，因此工件陽極表面微觀形貌尖峰部位優(yōu)先溶解。這種溶解結果導致尖峰處的電化學陽極溶解速度比較快，從而工件陽極表面高點得到整平。尖峰效應觀點認為，在電化學加工過程中，由于工件陽極表面的微觀幾何輪廓凸凹不平，使微觀電場分布呈現(xiàn)非均勻性，在凸起的尖峰部位電力線分布較微觀幾何輪廓其它部位更為密集，即尖峰處的電場強度和電流密度大于其它部位，因此，尖峰處電化學反應速度及陽極金屬溶解速度相對于凹谷部位而言要快的多，從而導致電化學陽極溶解速度差異現(xiàn)象的產(chǎn)生。隨著電化學光整加工的進行，工件陽極表面凹凸處的差值在逐漸減小，最終減小了工件陽極的表面粗糙度，改善了其表面質量，達到了光整加工的目的。光整時產(chǎn)生電化學陽極溶解現(xiàn)象，此時在工件陽極表面上會生成一層超飽和析出的金屬鹽膜，這種膜不僅密度大而且其電阻率也比電解液要大的多。而在電化學光整加工的過程中尖峰處的陽極電化學溶解速度遠遠大于凹谷處的陽極電化學溶解速度，也正是這種陽極電化學的溶解速度差，使得工件陽極表面微觀幾何輪廓得以整平。由于工件陽極凸凹不平的微觀幾何輪廓使得電化學陽極溶解具有了選擇性和優(yōu)先性，使得工件陽極表面的粗糙度值減小，進而實現(xiàn)了工件陽極表面微觀幾何輪廓的電化學光整。2.2.1整平機理的基礎研究事實上在電化學光整加工過程中的陽極整平可分為宏觀整平和微觀光整[44]。宏觀整平的結果是降低了工件陽極的表面粗糙度值但是表面反射率并不高；微觀光整的結果是不僅使工件陽極的表面粗糙度值降低而且使得陽極表面變得光亮，極大的提高了表面反射率。下面對兩種結果進行一一說明。1.宏觀整平現(xiàn)象宏觀整平是利用陽極表面凸凹不平的微觀幾何輪廓與陰極表面的位置差所引起的電位差進而形成的電流密度差，使得陽極表面微觀幾何輪廓的凸出部分的電化學陽極溶解速度比凹谷部分要快，從而降低陽極表面微觀幾何輪廓的高度，達到整平工件表面的目的。從理論上講宏觀整平可看作是因陽極表面微觀幾何輪廓的凹凸不平導致極間間隙中電力線分布不均勻所引起的，極間電流場分布越不均勻，陽極表面的整平速度就越快。電化學光整加工中的陽極宏觀整平作用是由極間電流場中的電流分布來控制，其整平速度受陽極表面輪廓的幾何形狀和常規(guī)的電化學光整實驗條件條件所影響。經(jīng)電化學光整加工后陽極原始表面的粗糙度減小，因此電阻也相應變小、電流密度增大，根據(jù)法拉第定律，此處陽極金屬的電化學溶解速度就快；反之，波谷處離陰極工作面較遠，因此極間間隙也就相對較大，故此處陽極金屬的電化學溶解速度就慢。宏觀整平的結果是使工件陽極表面變得平整但不一定光亮，即降低了工件陽極的表面粗糙度值但是表面反射率并不高。2.微觀整平現(xiàn)象（光亮作用）電化學光整加工中的微觀光整作用即是通過利用表面動力學使得陽極光亮的現(xiàn)象。其中高電位和傳質控制是使得陽極變的光亮的有利因素。目前理論研究及實踐已證明：要獲得陽極光亮的表面就要將進行電化學光整加工中的電流密度控制在極限電流密度以上，若是在極限電流密度以下進行電化學光整加工得到的將會是腐蝕的陽極表面。微觀光整的結果是不僅使工件陽極的表面粗糙度值降低而且使得陽極表面變得光亮，極大的提高了表面反射率。綜上所述，工具陰極與工件陽極之間的間隙以及工件陽極表面的微觀幾何輪廓都是影響電化學光整加工的主要因素，若極間間隙過大，電流密度變小，則由工件陽極表面微觀幾何輪廓的變化所引起的尖峰效應和成膜效應就難以起到作用，導致工件陽極表面微觀輪廓上各部位的電化學溶解速度基本相同，整平效果較差。只有當極間間隙適當時（一般為0.2mm），工件陽極表面凸凹不平的微觀幾何輪廓能夠影響電流密度的大小及其分布，因此加工表面受尖峰效應和成膜效應的影響，使得工件陽極表面微觀幾何輪廓的尖峰處電化學溶解速度比較快，降低了工件陽極表面的粗糙度，實現(xiàn)了工件陽極的表面光整。同時，由于間隙變小因而電流密度增大，在其它電化學光整條件參數(shù)合適的情況下實現(xiàn)電化學光整加工中的微觀光整，即提高陽極表面光亮性。但是極間間隙很小時，由于受機械加工的影響工具陰極表面的微觀輪廓也是凸凹不平，因此工具陰極的表面微觀幾何輪廓也是影響光整加工效率的一個重要因素，對此，需要做專門的研究和探討。2.2.2數(shù)值求解平行板的溶解速度要進一步深化電化學光整加工整平機理的認識，有必要對平行板進行電化學光整試驗，需要了解陽極溶解速度，因此進行數(shù)值求解。光整加工過程中電化學陽極溶解所遵循的基本規(guī)律為法拉第電解定律[45]，該定律反映了陽極表面上發(fā)生電化學反應的物量和電量之間的關系。該定律如式2-1所示：（2-1）式中：—反應的物量（g）；—極間間隙中通過的電量(A.s)；—電流強度（A）；—電流導通時間（s）；—質量電化學當量（g/(A·s)）。在實際使用中并不方便，可通過體積來進行表述，故引入公式2-2，即：（2-2）在式子2.2中，ρ表示了參與反應的陽極材料的密度(g/m3);v表示了陽極材料體積(cm3):ω表示了體積電化學當量(cm3/A·s)).公式（2-1）和（2-2）式中，都是在假定工件陽極表面只有金屬溶解現(xiàn)象發(fā)生的條件下得到的，是一種理想狀態(tài)。在實際操作中，這一假定的理想狀態(tài)是很難實現(xiàn)的，比如陽極金屬可能會以幾個化合價的形式溶解，而理論計算中所采用的化合價較之于實際溶解的化合價可能不同，將會導致理論上的計算與實際結果有出入。對于此，可用電流效率來解釋，這樣式子（2-1）和（2-2）可分別用（2-3）和（2-4）表述：（2.3）（2.4）在公式2.3和2.4中：η—電流效率(%)，它表示了陽極材料的實際去除量同理論去除量之間的差異。其中η越大，表示陽極材料的實際去除量就越大;反之η越小，陽極材料的實際去除量也越小。假設平板電化學光整加工平板的表面平整、光滑，極間間隙的數(shù)值為，兩平板的相對面積均為，在極間間隙中的電解液的電導率為k(O-1.cm-1)，則可得極間間隙中電解液電阻為；在陰陽極上施加的外電壓為，其中陽極電位為，陰極電位為，因而實際電壓為,則可得電流的表達式如式子2-5所示：1、2—陰極7、8—陽極3、6—電流線5—溶解速度方向4—陽極表面外法線圖2.4平行板電化學陽極溶解模型[49]由于陽極和陰極的電極電位分別是和，因此，產(chǎn)生電流的實際電壓應是。則可得電流I的表達式如式子2-5所示：（2-5）由（2-4）和（2-5）式得（2-6）：（2-6）若電化學陽極溶解速度為，其方向與電力線方向相反，經(jīng)一段時間的光整加工后，陽極電化學溶解的體積可用下式2-7來表示。并結合式子2-4也可通過電流密度來表示如式子2-8所示，其中電流密度的方向與電流線方向相同。（2-7）將（2-7）式代入（2-6）式并結合式子2-4也可通過電流密度來表示如式子2.8所示，其中電流密度的方向與電流線方向相同。（2-8）子式2-8中，表示為常數(shù)，由式（2-4）及（2-7）所得到的式（2-9）在分析問題時也會顯得較為方便。（2-9）見圖2-4所示，子式2-9中，表示為電流密度矢量（A/cm2），其方向與電流線方向相同。由上述兩式可知，在陽極和陰極分別為兩個相互平行的平板金屬電化學光整加工中，與電流密度大小成正比，但是，受極間流場、溫度場以及電化學陽極溶解產(chǎn)物的排出等因素的影響，并非極間間隙越小、電流密度越大就越好。通過本次平板電化學光整加工實驗可知，要取得較好的電化學光整加工效果，對于極間間隙和電流密度等因素的數(shù)值都存在一個適宜的范圍。2.2.3電化學光整加工的基本特性隨著光整加工技術的發(fā)展和快速變化，電化學光整加工工藝也有了一定的成果，但光整過程中的電化學特性，極化特性，電流場特性及陽極溶解特性等基本性質對表面質量的影響還是不小，因此需要更進一步的研究才能使理論與實際應用更深入更完整。1.電化學光整加工的電化學特性電化學陽極溶解遵循法拉第電解定律，先把工件陽極和工具陰極分別接上電源正極和負極，然后連接電源，此時工件陽極和工具陰極之間產(chǎn)生電場，充滿有一定流速和壓力的電解液以后，電解液在電流作用下，電極與電解液界面上發(fā)生交換電子的反應，即電化學反應。電解液中的正離子向陰極移動，在陰極上得到電子而進行還原反應。在陽極表面失去電子而進行氧化反應。溶液中正離子的定向移動稱為電荷遷移。在陽、陰電極表面發(fā)生得失電子的化學反應稱為電化學反應。電解液中各種離子的運動形式如圖2.5所示。圖2.5電化學原理2.電化學光整加工的電流場特性由前面的分析可知，在電化學光整加工過程中，變化最為明顯的即為工件陽極表面微觀幾何輪廓由尖峰狀向圓角形的過渡，電而流場分布特性是影響工件陽極表面微觀幾何輪廓的形貌的主要原因。3.兩極間的間隙特性兩極間的間隙對陽極加工表面質量有著極其重要的影響。當間隙過大時，陽極原始表面的微觀幾何輪廓的凹凸程度相對于加工間隙而言較小，因而加工間隙中微觀電流場分布的非均勻性并不明顯工件陽極表面光整后的表面粗糙度值較大，因此陽極表面質量較差。當工件陽極與工具陰極之間的間隙過小時，電流密度迅速增大，雖然此時電化學陽極溶解速度加快，但是也因陽極溶解速度太快而與過小的加工間隙不相符，導致電化學陽極溶解產(chǎn)物和加工產(chǎn)生的熱量來不及從加工間隙中排出等問題的出現(xiàn)而致使陽極表面加工表面質量變差，嚴重時甚至在陽極光整表面上留下較深的痕跡，極大的破壞了陽極表面的表面質量；因而只有加工間隙選擇適中，才能合理的提高電流的有效利用率和陽極表面的整平效率。4.電化學光整加工的陽極溶解特性研究及分析可得，電化學光整加工的陽極溶解特性有以下幾種變化規(guī)律。主要是：電化學光整加工能擴大陽極鈍化溶解的范圍，有效地降低表面粗糙度，提高了表面質量。由于降低表面的陽極極化程度，隨著陽極溶解范圍的逐漸擴大，陽極表面加工精度能逐步改善。電化學光整加工過程中電流密度分布特性影響陽極溶解的過程，陽極溶解降低極化曲線的斜率，有利于提高精度。2.3電化學光整加工實驗平臺的設計電化學光整加工工藝是機械加工后的、改善加工零件表面質量為目的的最后一道加工工序，它由三個基本要素組成，它們分別是：電極系統(tǒng)、電解液系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)。其中電極系統(tǒng)由工件陽極和工具陰極構成。電化學光整加工過程中電源系統(tǒng)、電解液及陰極結構設計等被認為是陽極整平的關鍵因素。它們對光整整平效率及表面質量的影響最大。因此，以下對三種系統(tǒng)進行說明。2.3.1電源系統(tǒng)電源是電化學陽極溶解現(xiàn)象有效利用的各類應用工藝形式的核心設備，其作用是速進金屬陽極加速溶解并建立使帶電離子定向運動所需要的電場。電源的類型、波形、電壓、穩(wěn)壓精度等直接影響電化學陽極溶解過程，因此，電源的設計與研究一直是關注的焦點之一。本實驗使用可控硅整流器，如圖2.6所示。在恒直流電源條件下，極間間隙較小使極間間隙內(nèi)的電解液流祖增加、電解產(chǎn)物不易排出，最終導致極間電解液流場及溫度場惡化，因此降低表面質量精度。為此，提出了采用脈沖電源進行電化學光整加工方法。研究發(fā)現(xiàn)，由于脈沖電源采用較窄的脈沖寬度和較大的脈沖間隔能夠加強對陽極極化過程的優(yōu)化作用，雙電層的反向放電電流有助于速進陽極表面活化狀態(tài)的恢復。因此，脈沖電源的使用可顯著提高工件陽極的加工質量。圖2.6實驗平臺相比一般直流電源的光整加工脈沖電化學光整加工具有較高的電流效率,較窄的脈沖寬度和較高的脈沖頻率，以上脈沖電源的特性特性有利于提高整平速度及光整效率。因此，對脈沖電流作用進一步研究，研究超高頻沖、組合脈沖電源及其應用是今后的研究熱點。2.3.2電解液系統(tǒng)電解液是各種電化學陽極溶解應用形式的基本構成要素之一，是產(chǎn)生電化學陽極溶解的載體。因此，電解液的研究與應用受到廣泛的關注。電化學光整加工對電解液的要求比較高，正確地選用電解液是提高光整效率的基本條件。電解液是與工件陽極及工具陰極組成進行電化學光整。最重要的特點是排除電解產(chǎn)物、及時帶走光整過程中所產(chǎn)生的熱量，因而確保正常的加工。另一個特點是推動陽極溶解的正常進行。隨著電化學光整加工技術的發(fā)展對電解液的要求比較高，如：電化學特性、物理特性、穩(wěn)定性及實用性等方面有一定的要求。其中穩(wěn)定性方面的要求要求是不要用污染環(huán)境的電解液，最大程度的避免對設備的腐蝕。電化學光整加工時使用非線性電解液使電流效率平穩(wěn)、腐蝕性小、加工后不會出現(xiàn)化學腐蝕,適用條件參數(shù)范圍廣。在進行電化學光整加工之前,應該充分考慮電解液的個因素，如電解液的流速、壓力、溫度、過濾等問題。為不讓把加工產(chǎn)生的金屬毛刺和電化學產(chǎn)物進入加工區(qū)可使用尼龍絲網(wǎng)過濾電解液。2.3.3電極系統(tǒng)選擇合適的陰極形狀有利于提高陽極電化學光整速度和光整加工效果。經(jīng)研究表明，相對于靜止的工具陰極而言，運動的工具陰極更容易使陽極在電化學光整中獲得較好的表面質量[46]。這是因為通過工具陰極的運動，可使得極間間隙內(nèi)的流場和溫度場等條件得到改善，并可保證在小間隙加工的情況下，將電化學陽極溶解產(chǎn)物順利排出，而且通過陰極的運動可避免陰陽極相對靜止靜止時，陰極表面微觀幾何輪廓對光整效果的影響，并能充分有效利用高點的尖峰效應，由此可提高陽極表面的光整速度及質量。當工具陰極相對于工件陽極運動時，可減小工具陰極工作面的幾何尺寸，使得陰極的制作簡單化，而且還可使得電解液的在光整加工時的流動面積和流動長度減小。這樣能夠比較容易獲得穩(wěn)定、均勻的極間流場和極間溫度場。由于電極的表面質量直接影響工件陽極的加工表面質量,因此要求電極表面必須平整，引電接觸良好,防止燒傷工件等。圖2.6所示為有缺陷的平板表面狀況，圖2.7所示為光整后良好的平板表面狀況。通過工具陰極的移動改變電化學光整加工條件時，陰極表面微觀幾何輪廓的影響也是不可忽視的因素。由于工具陰極的表面微觀幾何輪廓凹凸不平，因而其表面微觀輪廓對電化學光整加工效果的影響有所不同，也就是凸起的波峰部位對陽極表面光整效果的影響較大，而凹進去的波谷部位對陽極表面光整效果的影響則較?。欢耶敼ぜ枠O表面微觀輪廓中的中的波峰與工具陰極表面微觀輪廓中的波峰相對時，電化學陽極的溶解速度將明顯加快，而當工具陰極和工件陽極之間存在相對運動時，工具陰極表面微觀幾何輪廓上的波峰與工件陽極表面微觀幾何輪廓上的波峰相對或相遇的概率將顯著增加，也就是說，當工具陰極與工件陽極之間存在相對運動時，將有利與改善電化學光整加工后的工件陽極的表面質量。2.4本章小結本章主要介紹了電化學光整加工的基本原理、整平機理，針對平行板的實驗設計了實驗平臺，分別是電源系統(tǒng)，電解液系統(tǒng)及電極系統(tǒng)。并且數(shù)值求解了平行板的溶解速度，敘述了電化學光整加工的基本特性，分別是電化學特性、電流場特性、兩極間的間隙特性及陽極溶解特性等。3極間電流場數(shù)學模型的建立及其分析電化學光整加工前后工件表面微觀幾何形貌發(fā)生了顯著變化,這種變化規(guī)律的研究對研究研究電流場分布特性中非常重要[47]。在電化學光整加工過程中,工件陽極表面微觀幾何輪廓的變化影響整平速度,因此可知也對電流場的分布規(guī)律產(chǎn)生一定的影響。本文根據(jù)電化學光整加工過程中工件表面微觀幾何形貌的變化分析電化學光整加工過程中的電流場分布特性的影響。數(shù)值模擬電化學光整加工前后的電荷密度分布、電勢分布及電場強度分布情況。本章以電化學光整加工前后工件陽極表面微觀幾何輪廓的變化作為切入點，研究隨著光整工件陽極表面微觀輪廓從尖峰狀微觀幾何輪廓變成圓弧狀表面微觀幾何形貌的過程來分析陽極整平機理，并通過對工件陽極與工具陰極之間間隙內(nèi)電流場分布規(guī)律的分析研究及仿真模擬，探討如何改善電化學光整加工的整平效果和表面質量。建立數(shù)學模型之前需要分析電化學光整加工前后的表面微觀幾何輪廓的變化，根據(jù)表面形貌特性提出相應的幾何模型，最后對此進行研究。3.1表面微觀幾何輪廓的變化對整平速度的影響根據(jù)被加工零件的表面幾何特征，工件陽極表面微觀幾何輪廓特征可以分為宏觀幾何特征和微觀幾何特征，從表面粗糙度來分析和研究電化學光整加工過程中表面微觀幾何輪廓的變化是可行的。宏觀幾何特征和微觀幾何特征都是光整加工所關心的，但相對于表面波度，電化學光整加工更關心的是表面微觀幾何輪廓的變化。由前面所提到的內(nèi)容可知，隨著電化學光整加工進行，陽極表面微觀幾何輪廓的高度在降低，而且微觀幾何形貌也在由尖峰狀向高原型或波浪型轉變，這些微觀輪廓的變化會導致尖峰效應的影響降低，從而電化學光整加工的整平能力在下降。表面粗糙度快速下降的區(qū)域，隨著電化學光整加工的進行，電化學光整加工的整平能力也在不斷下降。由電化學光整加工的光整時間和工件陽極表面粗糙度所構成的關系曲線可以看到，圖3.1所示，在一定的光整加工條件下，工件陽極的電化學整平作用也存在一個“極限表面粗糙度”[48]。其中，橫坐標為電化學光整加工整平的時間，單位為（）；為工件陽極表面粗糙度值，單位為（μm）。1—1Cr18Ni9Ti2—45＃鋼3—Q235圖3.1整平時間對表面粗糙度Ra的影響為驗證上面數(shù)值關系和關系曲線，進行以下實驗。將一組材料分別為1Cr18Ni9Ti、Q235和45#鋼的金屬分別進行電化學光整加工，實驗條件如表1示，其整平加工時間與工件陽極表面粗糙度Ra之間的關系曲線如圖3.1所示。表3.1光整實驗條件試件材質1Cr18Ni9Ti、Q235和45#鋼電極銅電解液質量分數(shù)為18%—20%的中性鹽溶液。電流強度100—150A極間間隙0.2mm由于工件陽極表面微觀幾何輪廓的高度減小所引起的極間間隙Δ的微量變化也會對電化學光整加工的的光整能力產(chǎn)生一定的影響，因此，有必要研究在電化學光整加工過程中工件陽極表面微觀幾何輪廓的變化對電流場分布的影響。3.1.1陽極表面微觀幾何形貌的變化由于光整前受機械加工方法刀具、磨粒等因素的影響，所獲得的零件表面微觀幾何輪廓都是尖峰型的表面微觀幾何輪廓[49]。電化學光整加工后，工件陽極表面微觀幾何輪廓明顯的被圓化，這種非尖峰狀的微觀幾何輪廓是表面質量更好的波浪型或高原型。采用車削等機械加工方法所獲得的某零件表面微觀幾何形貌，如圖3.2所示，此圖可見，受到機械加工后表面微觀幾何形貌一般為尖峰狀的表面微觀幾何輪廓。機械加工后的表面微觀幾何形貌一定程度上難以滿足表面質量要求，從而導致縮短使用壽命。對光整前后的表面微觀幾何輪廓的研究極其重要。為了進一步提高電化學光整過程中的陽極表面微觀幾何輪廓的變化對整平速度的影響，對平板進行電化學光整實驗，觀察電化學光整加工前后的陽極表面微觀幾何輪廓的變化。（a）車削加工后的表面形貌（b）機械加工后的表面形貌(c)機械加工后的表面形貌(d)機械加工后的表面形貌圖3.2機械加工前的表面微觀形貌[50]機械加工后，工件研究表面微觀幾何輪廓有明顯的尖峰狀，見圖3.2所示。經(jīng)電化學光整整平后，由于電流場的尖峰效應，尖端部分的電場線集中，電流密度增大，因此工件陽極表面微觀幾何輪廓發(fā)生了明顯的變化，呈圓角形或圓弧形，見圖3.3（b）中的箭頭所指處。而凹谷處由于電場線分散而形成的電流密度小，所以電化學陽極溶解速度慢，這種電化學陽極溶解速度差使得工件表面微觀輪廓高度降低，從而減小了工件表面的粗糙度，實現(xiàn)了工件陽極的表面光整。因此，工件陽極表面的微觀幾何輪廓在電化學光整加工過程中是在變化的，同時這種變化又對電化學光整產(chǎn)生了極為重要的影響。(a)機械加工后的表面微觀輪廓（b）電化學光整后的表面微觀輪廓圖3.3電化學光整加工前后表面微觀幾何輪廓的變化3.1.2平行板的電化學光整試驗在本次試驗中，所需實驗物品及實驗條件如表3.2所示，調(diào)整陰極和陽極之間的間隙使其保持0.2mm，并保證陰極和陽極之間的間隙中充滿電解液，并將陰極和陽極分別與電源的正負極相連接，在光整加工的同時，要通過泵施加一定壓力，使得極間間隙中的電解液具有一定的流速，以便改善極間電流場的分布，并使得陽極電解產(chǎn)物及時從極間間隙中排出，從而改善陽極電化學光整加工質量。電化學光整加工前后的工件陽極表面對比，如圖3.4所示。，圖3.5所示為電化學光整加工前后的表面微觀幾何輪廓的變化。圖3.5是電化學光整加工前后實測的一工件陽極表面微觀幾何輪廓的變化。由此圖可知，經(jīng)電化學光整加工工件陽極表面微觀幾何輪廓發(fā)生了明顯的變化。經(jīng)電化學光整加工后，尖峰明顯消失，取而代之的表面微觀幾何輪廓的主要特征是平滑的凸處及各凹處之間的光滑過渡。圖3.5表明，經(jīng)電化學光整加工后，尖角部位被圓弧或圓角代替。（a）電化學光整前的工件表面（b）電化學光整后的工件表面圖3.4電化學光整前后的工件表面表3.2實驗條件參數(shù)試件材料為Q235平板試件電極材料為青銅的平面電解液質量分數(shù)為18%—20%的中性鹽溶液。電流密度100—150A極間間隙0.2mm電化學光整加工前，由于試件受機械摩擦，因此表面微觀幾何輪廓是尖峰狀的表面微觀幾何輪廓，圖3.5(a)所示，它是光整前使用掃描電子顯微鏡把表面微觀幾何輪廓分別放大兩千倍后得到的圖片。圖3.5（b）所示為，光整前使用掃描電子顯微鏡把表面微觀幾何輪廓分別放大1萬倍后得到的表面微觀幾何輪廓。從圖3.6（a）可見，光整前的表面微觀幾何輪廓放大2千倍后陽極表面形貌沒有明顯的尖峰狀形貌，只能見明顯的摩擦刮痕，沒有凹凸差異不明顯。放大1萬倍后的電化學光整加工前表面微觀幾何輪廓又很明顯的凹凸不平，粗糙度很高，光澤度也很低，顯然很大程度上影響表面質量,圖3.6（b）所示。（a）光整前放大兩千倍后（b）光整前放大1萬倍后圖3.5電化學光整加工前的表面微觀幾何輪廓（a）光整后放大兩千倍后（b）光整后放大1萬倍后圖3.6電化學光整加工后的表面微觀幾何輪廓電化學光整加工后，由于尖峰效應表面微觀幾何輪廓的尖角部位明顯的圓滑，而且尖峰型表面微觀幾何輪廓強化選擇性溶解，因此表面微觀幾何輪廓上凹凸不平的程度降低，光澤度提高，圖3.6所示。它是光整后使用掃描電子顯微鏡把表面微觀幾何輪廓分別放大兩千倍和1萬倍得到的圖片。把光整后的表面微觀幾何輪廓放大2千倍后發(fā)現(xiàn)，表面質量有所提高，但沒有明顯的圓弧狀表面形貌，觀察到的整平效果不明顯。放大1萬倍后發(fā)現(xiàn)有明顯的圓弧狀形貌，有一定度光亮度，因為光整后表面上有一層鈍化膜，影響表面質量。鈍化膜的成分比較復雜，在此問題的研究面目前沒有成果。因此,完全有理由認為：電化學光整加工的整平過程就是表面微觀幾何輪廓的被圓化或者說圓角化的過程。3.1.3極間電流場的再分布對電化學光整加工的影響電化學光整加工時工件陽極和工具陰極之間充滿了高速流動的、有一定壓力的中性電解液。接通電源以后工件陽極與工具陰極之間產(chǎn)生電場，流通電解液后兩極間間隙內(nèi)電流通過，因此在兩極間間隙中形成了一個電流場。電化學光整加工前沒有電解液流動，因此研究的是電場問題。研究電場的物理結構特點及有關電場參數(shù)的分布。按照電場存在的不同形式，一般將電場分為三種：靜電場、導電媒質中的電場、有電流通過的導電媒質周圍介質中的電場。光整加工間隙中電解液中存在的電場正是屬于電媒質中的電場。并可仿照靜電場的分析方法對其進行分析、研究[51]。由于電流場的分布影響電化學溶解速度，并影響光工件陽極的表面微觀幾何輪廓的變化。因此研究電流場分布特性有利于提高整平效果。分析可知，電化學光整加工過程中工件陽極表面微觀幾何輪廓從尖峰狀變成圓弧狀，而工件陽極表面微觀幾何輪廓的形貌是影響電流場分布特性的主要原因。光整時電解液保持一定方向的高速、壓力。為解題方便需要把三維電流場變成二維的電流場，根據(jù)工件陽極與工具陰極的幾何形狀可發(fā)現(xiàn)工具陰極與工件陽極之間的間隙相對于工具陰極可以被認為是無限大，因而兩極間的電流場問題可按照二維電流場問題來處理，有關極間二維電流場分布的模型如圖3.7所示。(a)尖峰型表面微觀幾何輪廓(b)圓角型表面微觀幾何輪廓1-電源2-工具陰極3-工件陽極4-電解液流動方向5-工具陰極表面外法線圖3.7極間二維電流場模型根據(jù)法拉第電解定律可知，工件陽極的陽極溶解速度大小與極間間隙中電流密度的大小成正比，如果不考慮電解液的流場問題，那么在電化學光整加工過程中用電場線和等勢面的疏密程度來描述極間電流密度的大小和方向，而且極間間隙內(nèi)的電場線是沿著電極表面的法線方向分布，所以電場線分布的疏密程度將會影響電場強度，從而對電流密度產(chǎn)生影響。由上述分析可知，在電化學光整加工過程中，工件陽極表面微觀幾何輪廓由尖峰狀向圓弧形過渡時發(fā)生微觀幾何輪廓形貌的變化，將會使得電場線的方向及疏密程度也會沿著工件陽極表面微觀幾何輪廓發(fā)生變化，從而使得電場強度以及電流密度也發(fā)生了相應的變化。分析可知，尖峰狀的工件陽極表面微觀幾何輪廓強化極間電場強度的分布不均勻性，經(jīng)電化學光整后圓弧狀的工件陽極表面微觀幾何輪廓弱化極間電場強度分布的不均勻性，在一定程度上已經(jīng)變成均勻。相對于被光整成圓角型的工件陽極表面微觀幾何輪廓而言，