殷钢冷却板冷却微流道电火花加工研究 毕业论文.doc

殷钢冷却板冷却微流道电火花加工研究 殷钢冷却板冷却微流道电火花加工研究electrical discharge machining of the microgrooves on invar cooling plate学 院（系）： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2012年5月27日 摘 要殷钢，属于铁镍合金的一种，因其形变随温度变化极小，故可作为高发热量高精密仪器的散热元件。针对某种大口径水冷式仪器冷却板的制造要求，根据水冷式腔镜换热效率和结构稳定性对冷却微流道的形状、尺寸、排列方式、加工精度及表面质量的要求，提出了采用叠加组合紫铜板、铣削紫铜电极进行微细电火花加工以及采用锯片铣刀进行微细铣削加工殷钢冷却板冷却微流道的技术方案。使用组合紫铜版电极、铣削紫铜块电极对殷钢表面的微流道进行电火花加工试验，分析殷钢电火花加工特性，并通过分析加工后殷钢外形整体形貌、材料去除率、表面质量、侧面间隙、电极损耗速度等，结果表明，组合式紫铜板电极不适合殷钢冷却板微流道的微细电火花加工，而铣削紫铜块电极可以作为殷钢冷却板微流道电火花加工的工具电极。使用锯片铣刀交叉微铣削殷钢冷却板微流道，第一次铣削的微槽口形貌较好，没有“飞边”现象，但是交叉铣削时，由于槽壁的刚度较差，会产生严重的“飞边”现象。考虑到电火花加工时工具电极磨损严重，价格高，提出了先铣削后电火花加工的方法，经试验，该方法得到的微槽形貌、精度均能够满足要求，从而得出结论利用铣削与电火花组合加工的方法进行微流道的加工。关键词：电火花加工；殷钢；微流道；高能散热元件- ii -殷钢冷却板冷却微流道电火花加工研究electrical discharge machining (edm) of the microgrooves on invar cooling plateabstract invar is one of iron-nickel alloys. because of its low thermal expansion, it can be used as a cooling element of the high heat of high-precision instruments. for the requirements for some kind oflarge-caliberwater-cooled cooling plate, according to the requirements of the cooling micro-flow channel shape, size, the way of the arrangement the machining accuracy and surface quality of the water-cooled mirrors heat exchanger efficiency and structural stability,the paper introduces the electrode for edm by combination copper plates, milling copper electrode for edm to manufacture cooled micro channel on invar cooling plate as well as using blade cutter for fine milling the cooled micro channel on invar cooling plates. use a combination electrode of the copper version and milling the copper electrode for edm test on the surface of the invar cooling plate, and analyze the electrical discharge machining characteristics of invar and overall morphology of the invar shape, the material removal rate, surface quality, side of the gap, electrode wear rate. the results show that the combinedcopper plate electrode is not suitable for micro-flow channel for cooling plate of invar edm, milling copperblockelectrodecan be used as the tool electrode for the cooling plate of invar micro fluidic channels. using blade cutter to mill the micro-flow channel on the invar cooling plate crossing, the morphology of the first milling is good, there is no “flash” phenomenon, but the second cross-milling, due to the poor stiffness of the groove edge, has serious “flash” phenomenon. taking in to account the edm tool electrodes serious wearing, high prices of edm, we propose the method of the milling-edm test. the micro-grooves topography and accuracy can meet the requirements. then we conclude that the method of using milling and edm combination is the one to manufacture the micro-flow channel on the invar.key words：edm; invar; micro-flow channel; high-energy cooling components- v -目 录摘 要iabstractii1绪论11.1研究的背景与意义11.1.1研究的背景11.1.2研究的意义及主要工作11.2殷钢的性质及应用21.2.1殷钢的性质31.1.2殷钢的发展历史及应用前景51.3电火花加工技术61.3.1电火花加工技术简介61.3.2电火花加工技术的发展趋势92 电火花加工试验102.1殷钢加工试样制备102.2工具电极的制备方法132.2.1铜板叠加式组合电极132.2.2一体式紫铜工具电极162.2.3工具电极的选择172.3电火花加工172.3.1电火花加工试验172.3.2交叉加工试验192.4本章小结213 试验结果223.1电极的检测及分析223.1.1工具电极外观变化223.1.2工具电极微观形貌及检测223.2工件的检测及分析253.2.1电火花加工工件检测253.2.2交叉加工工件检测283.3本章小结304.技术经济分析31结论32参考文献33致 谢34殷钢冷却板冷却微流道电火花加工研究1绪论1.1研究的背景与意义1.1.1研究的背景某军工仪器的反射镜在正常工作时发热量极大，由于绝大多数材料都有热胀冷缩的特点，因此该仪器如果应用普通材料，势必会受到热胀冷缩的影响，其精度将大大降低，甚至不能正常工作，所以开发该仪器的主要工作放在了寻找形变受温度变化影响极小的特殊材料和仪器的散热问题上。殷钢，由于其热膨胀系数极小，甚至在特定温度段内其形状不发生变化，为了突出殷钢的该特性，人们把体积、外形不随温度而变化的现象叫做“殷钢效应”，可见殷钢体积的热稳定性很好。因此，研究人员就把殷钢应用到了仪器的散热部分。该仪器采用水冷式散热，而在水冷系统中，液体水流经的沟槽越细，温升越小，散热效果越好。所以，就要研究如何在殷钢冷却板上加工出微流道。1.1.2研究的意义及主要工作殷钢在该军工大口径水冷仪器的散热中起到至关重要的作用，该仪器采用水冷系统，殷钢的低热膨胀率使其在保证仪器高能量高精度的前提下拥有良好地散热效果。而在水冷系统中，液体水流经的沟槽越细，温升越小，散热效果越好。因此，研究殷钢的电火花加工有着深远的意义。殷钢冷却板冷却微流道的电火花加工的研究，对该军工仪器的有效散热起着至关重要的作用。该项目处于试验阶段，在实验室做试验时，只需要在小块的殷钢试样上加工出1mm宽、1mm深的沟槽即可，没必要使用与原散热板1：1大小的殷钢板。试验中所使用的殷钢块体体积尺寸约为755520mm。试验所用的原材料为大块殷钢（约50015080mm），表面凹凸不平、异常粗糙、且已被氧化，不能直接使用，需要进行进一步的加工才能用于试验。该项目所进行的加工试验有： 铜板组合电极的制备； 铣削制备紫铜棒电极； 殷钢试样的制备； 紫铜棒电极电火花加工殷钢试样； 片铣刀垂直交叉铣削殷钢试样； 殷钢试样先铣削再电火花加工； 电火花加工前殷钢试样、工具电极表面形貌的观察测量； 电火花加工后殷钢试样、工具电极表面形貌的观察测量。仪器上用到的殷钢冷却板的形貌，其外形的示意图如图1.1所示。实际该殷钢散热板的尺寸为20020010mm，其表面上为宽1mm、深1mm、间隔1mm的垂直交叉的沟槽。图1.1 殷钢冷却板示意图1.2殷钢的性质及应用随着科学技术，尤其是电子产品的快速进步、发展，航空航天和其他先进科学技术领域对材料的性能提出了更多、更高、更严格的要求，以满足科技发展的要求。其中低热膨胀系数的合金在现代化制造中尤其重要。殷钢就是这样一种材料，对其加工特性做进一步的研究有着重要的现实意义。1898年，瑞士物理学家夏尔爱德华纪尧姆（c. e. guillaume）为了寻找一种不随温度变化而发生形变的金属材料来制造大地测量仪时发现了殷钢1。他在测试镍含量在30%-60%的镍铁合金时发现当镍的含量为36%时合金的热膨胀系数最小，这种fcc面心立方体晶格结构的特殊合金在冶炼过程中有不寻常的机械和磁特性，因其形状不随温度变化而被命名为殷钢（invar steel的音译）。1.2.1殷钢的性质殷钢，属于铁镍合金，含铁63.8%，镍36%，碳0.2%，这种合金材料最大的特点是形变随温度变化很小，适合做变形随温度变化有严格要求的工具。与殷钢有类似特点的材料还有：殷钢35ni-65fe，超殷钢32ni-64fe-4co，不锈殷钢37fe-32co-11cr，非晶合金83fe-17b等。其中，最典型的为invar36，在前沿科技（如精密仪器、航空航天）中应用最广2,3。invar36的各化学成分及含量如表1.1所示4。表1.1 invar36的化学成分（%：质量份数）cpssimnnife0.050.020.020.20.20.635.037.0余量在大气温度范围（-60-80）内，殷钢invar36合金线性热膨胀系数非常之低。依照yb133-69,在保护气氛或者真空中加热殷钢invar36合金至850-900并且保温60分钟，之后以小于等于300/h的速度冷却至200以下并移出保温炉，得到invar36合金的平均线膨胀系数20-1001.810-6/5。殷钢invar36在不同温度范围内的平均热膨胀系数见表1.26。表1.2 不同温度范围中殷钢invar36合金的平均热膨胀系数温度范围（）平均线膨胀系数（10-6/）温度范围（）平均线膨胀系数（10-6/）20-601.8202503.620-401.8203005.220-201.6203506.52001.6204007.820501.1204508.9201001.4205009.7201501.92055010.4202002.52060011.0图1.1显示了殷钢的热膨胀系数随组成成分的变化7，从图中也可看出随着ni含量的变化，膨胀系数曲线有一个明显的“低谷”，而随着ni含量的变多或者变少都会引起殷钢热膨胀系数明显的变化。图1.1 殷钢的热膨胀系数成分曲线图1.2示出了殷钢invar36膨胀系数温度曲线。在室温下，含ni量35.4%的热膨胀系数值很小很稳定，但当温度升高到一定范围时，膨胀系数将显著增加，温度为230左右时，随着温度的升高，值迅速升高。相比之下，纯ni和其他几种不同ni百分含量的金属的热膨胀系数在图1.2中一并给出。由比较图可以看出，在常温和低温条件下，殷钢invar36的热膨胀系数不仅小，而且相对稳定。图1.2 几种feni合金及纯ni的热膨胀系数温度曲线常见的奥氏体殷钢invar36材料伸长率和断面收缩率都较高，但硬度相对较低，弹性模量比常见的各种钢都要小，室温下，与灰口铸铁ht300的水平相当，如表1.3所示8。表1.3 invar36合金的力学性能抗拉强度b（kg/mm2）屈服点s（kg/mm2）伸长率（%）面缩率（%）维氏硬度（hv）弹性模量e（gpa）40602842304550701041501411.1.2殷钢的发展历史及应用前景因为殷钢材料具有热膨胀系数低、塑性良好、性能稳定等优点，其应用领域正在逐步扩大。由过去单纯的应用在精密测量仪器逐渐向电子行业和特殊领域扩展。自从殷钢invar36及其同族铁镍合金问世以来，因其具有低热膨胀系数而得到了广泛的应用，应用范围也在迅速的发展。殷钢invar36最早被用于测量仪用薄带、细丝以及座钟的钟摆等9-12。上个世纪20年代，铁镍合金取代铂用作与玻璃封接的引丝，从而大大降低了成本。除此之外，铁镍合金还被广泛应用于灯泡、校对量规用的测量仪器、恒温器中作控温用的热双金属片、无线电电子管和机器零件等。白炽灯泡封接头的引线也是用镀铜铁镍合金（又被叫做杜镁丝）做的。第二次世界大战极大地刺激了对殷钢的需求。铁镍合金在真空管以及电子行业的其它产品的发展中的需求日益增加。到上世纪50年代和60年代，铁镍合金的使用量更是不断增加，应用范围涉及发动机空机器、电视机温度补偿弹簧、断路器中热双金属片的被动层以及空调机等方面。在半导体器件和微处理器中的引线通孔、封装和盖罩封接中被用作封接合金。上世纪80年代到90年代热双金属市场继续扩大。由于殷钢在所发现金属及合金中热膨胀率是最小的，其非常适合应用于油轮、液化天然气（lng）的储罐。用传统奥氏体不锈钢来做这种材料时，为了吸收输送管道在极低温度中的热收缩，管道必须设计成特殊的回路结构。殷钢在极低温度下的热膨胀系数仅为奥氏体不锈钢的1/10，因此用殷钢来作为输送管道的材料就不需要这样的设计，可以极大地节省建设费用。近年来，invar合金在高分辨率阴极射线管（显像管）的荫罩中发挥出其潜力。在欧洲和日本，学者和科学家们利用殷钢合金解决了荫罩的“穹面效应”。在美国，科学家们将殷钢合金与高热膨胀系数的合金组合制造出的挠曲弹簧片，用作荫罩彩色荧光粉重新定位的装置。殷钢在现代科技中的应用还包括精密激光设备和光学测量系统及波导管中的结构元件、显微镜、天文望远镜中巨大透镜的支撑系统和需要安装透镜的各种各样的科学仪器当中。在航空航天工业中，已经成功利用殷钢模具压铸复合材料部件。尤其在新一代飞机用零件中，必须保证先进的复合材料在中等温度下凝固时与模具保持很狭窄的尺寸公差，殷钢的优点使其成为不可或缺的材料。1.3电火花加工技术电火花加工又叫放电加工、电蚀加工。因为在加工过程中有火花出现，所以在我国叫做电火花加工，而日本、美国、英国称之为放电加工，俄罗斯人把它叫做电蚀加工。它利用两电极间脉冲放电时产生局部、瞬时的高能量来腐蚀工件，从而达到去除材料的目的，完成所需要的加工。它在学术中属于电物理加工范畴。电火花加工技术属于特种加工技术13。1.3.1电火花加工技术简介电火花加工在性质上是一种完全不同于传统机械加工的新工艺、新技术。传统的机械加工方法是利用相对硬度比被加工零件硬的刀具与被加工零件之间的相对运动，从而去除多余材料来达到加工工件的目的。但随着科学技术的进步和工业生产的发展，具有高熔点、高强度、高硬度、高粘性、高脆性、高韧性、高纯度的性能的新材料的不断出现，越来越多的工件具有各种复杂结构且需要特殊方法进行加工，仍然单独采用传统的机械加工方法，有时是难以加工或根本就无法加工的。因此，人们不仅要进一步发展和完善机械加工方法，还需要努力寻求新的加工方法13。电火花加工方法能够满足工业生产和科技发展的需要，且在现实应用中显示出其很多优异的性能，因而得到了迅速发展和日益广泛的应用。电火花加工技术（electrical discharge machining，简称edm）是在上世纪40年代逐渐兴起的一个新工艺、新技术。由前苏联学者拉扎连科夫妇于1943年发明13。随着脉冲电源和控制系统的改进，电火花加工得到了迅速的发展。科学技术在不断的发展，新材料的加工要求也在不断提高，尤其是微电子技术、计算机技术、数控技术的飞速发展，以及新的高硬度、高韧性、高强度和其他难加工材料的不断涌现，电火花加工技术的发展进程得到了实质性的进展，并逐步走向成熟。如今，电火花加工技术被广泛应用于国防、航空航天技术、高精密机械以及模具制造等国家的支柱产业中。由于电火花加工的原理独特，可以完成各种难加工材料、一些具有复杂曲面零件的加工以及一些特殊或者极端要求的加工。在现代化制造业里，电火花加工已经成为一种无可替代的先进加工方法14。在特种加工里，电火花加工是最常用的加工方法之一。在电火花的整个加工过程中，高压脉冲放电击穿距离极近的两电极之间的绝缘介质，火花放电产生的高能量腐蚀去除两电极上的材料，但一次放电的材料去除量是微乎其微的，通过微观去除的不断积累，实现整个零件的加工。电火花加工的优点有以下几点：（1）适合于难切削材料的加工；（2）可以加工特殊及复杂形状的零件；（3）易于实现加工过程自动化；（4）可以改进结构设计，改善结构的工艺性等15。电火花加工的原理是利用刀具和工件（正、负电极）之间的电火花脉冲放电腐蚀去除多余的金属，以达到零件加工要求预定的大小、形状和表面质量。放电腐蚀现象早在20世纪初就被人们发现。例如，插头或电器开关的接触点，在打开、接触时，往往会产生电火花，接触面被烧灼，从而变得粗糙，进而被烧灼成坑。长期以来，电火花腐蚀被人们一直认为是有害的，人们不断的研究产生电腐蚀的原因，并尝试通过一定的手段来减轻和避免电腐蚀的产生。但是事情都是一分为二的，利害、优缺点之间是可以相互转化的。只要掌握其中的规律，在某些情况下，事情可以从坏的转变为好的，对人们有害的事物同样可以转变为对人们有利的。研究结果表明，电火花腐蚀产生的主要原因是：放电过程中产生大量的热量，使电极达到非常高的温度从而可以使任何的金属局部熔化、气化从而产生放电坑。这样，人们在想办法避免电火花腐蚀金属的同时，开始研究如何利用该腐蚀用于金属材料的加工。要达到这一目的，必须创造以下条件，解决下列问题16：（1）必须使工件被加工表面与工具电极之间一直保持一定的放电间隙，随着加工条件的变化，间隙也要相应的变化，但通常为0.020.1mm。当放电间隙过大时，机床加在正负电极之间的电压将不能够击穿工作介质，因而也将不会产生电火花，使加工不能够进行；当放电间隙过小时，很可能造成短路，也不能产生电火花，影响加工的进行。所以，电火花加工机床必须有相应的工具电极自动进给装置和调节装置，以使在加工过程中能够让电极和工件之间有最利于加工的距离。（2）让机床加在正负电极上的工作电压为脉冲电压，这样在整个加工过程中，可以使放电加工进行一段时间、停歇一段时间。这样可以把放电产生的高能量聚集在放电点，在能量扩散之前完成工件材料的去除；否则，持续放电，只能使大面积的温升，使工件材料熔化、烧伤，该加工只能用于焊接或者切割，而无法完成电火花材料去除加工。（3）火花放电必须在煤油、皂化液、去离子水等有一定绝缘性能的液体介质中进行。只有介质具有较高的绝缘强度，才有利于产生脉冲性的火花放电。液体介质还负责把火花放电过程中产生的碳黑、金属小屑、小气泡等电蚀产物从放电间隙中排出去，液体介质还对电极和工件表面有冷却的作用。电火花加工过程理论上可以分为四个阶段，电火花加工去除材料就是这四个阶段周而复始的叠加过程15。（1）极间介质的击穿与放电工具电极与工件之间在脉冲电压的作用下将形成一个电场，电场强度随着两电极间电压的升高或极间距离的减小而增大。两电极间的电场强度并非均匀，这是因为工具电极和工件的微观表面是凹凸不平的，而且两电极间的距离有非常小。液体介质中带电粒子在电场的作用下迅速聚集于电场强度最大处，使极间电场更不均匀，当阴极表面某处的场强超过106v/cm时，就会产生场致电子发射，由阴极表面逸出电子。电子在电场作用下向阳极高速运动并碰撞介质中的中性粒子，产生碰撞电离，形成带正电的粒子和带负点的电子，碰撞电离持续发生并迅速增多，使介质击穿而放电，该过程非常迅速，一般为10-710-8s，间隙电阻迅速从绝缘状况降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速增大。由于放电通道直径很小，所以通道中的电流密度高达105106a/cm2。（2）能量的转换、分布与传递极间介质一旦被击穿，脉冲电源将瞬时释放能量，把电能转化为热能、磁能、动能、声能、光能等。其中大部分电能转化为热能，使两电极放电点和通道本身温度迅速上升，该处局部产生熔化或气化，通道中的介质也气化或者热分解；还有一部分热量在传导、辐射过程中消耗掉。（3）电极材料的抛出脉冲放电初期，放电点的局部金属材料在瞬时高温的作用下气化和熔化。短促的气化会产生非常大的热爆炸力，被加热至熔化状态的材料被挤出或溅出。在脉冲放电的初始阶段或者脉冲放电持续时间短时，这种热爆炸力抛出效应显著。而整个脉冲放电期间，主要是电动力和流体动力在起主要作用。放电过程中产生的气泡压力很大，放电结束后，气泡温度停止上升，但是气泡在介质液体的惯性作用下继续增大，从而泡内的压力急剧降低，甚至会降到大气压以下，形成局部真空，使溶解在过热和熔化材料中的气体析出，熔化的高温材料本身在低压下继续沸腾。熔融金属材料及其蒸汽在压力骤降的情况下从小坑中再次沸腾飞溅而被抛出。（4）极间介质的消电离一次脉冲放电结束后，有一段时间间隔，使间隙介质消电离，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，而顺利的按照两极相对电阻率最小或最近处形成下一击穿放电通道。这一脉冲间隔时间的选择，不仅要考虑介质本身消电离所需的时间，还要考虑电蚀产物排离出放电区域的难易程度。电火花加工的原理决定了其具有一定的局限性，如：只能用于加工金属等导电材料，加工速度一般较慢，存在电极损耗，最小角部半径有限制，加工后的表面由无数小凹坑组成，粗、中加工时较毛糙，且表面有一薄薄的变质层。1.3.2电火花加工技术的发展趋势随着科技的发展，人们对材料以及加工质量的要求也越来越高，电火花加工技术作为一种特种加工在未来的加工制造中所起的作用将会越来越重要，其加工质量会随着科技的进步而不断提高，新的科技也将会在电火花加工当中应用的越来越多。目前，电火花加工主要分为以下几种加工：（1）微细电火花加工；（2）电火花线切割加工；（3）混粉电火花加工；（4）空气中放电电火花加工；（5）电火花铣削加工；（6）电火花表面改性和堆积加工；（7）特殊材料（如：超硬材料、半导体材料、绝缘材料）的电火花加工；（8）电火花复合加工；（9）高速电火花小孔加工等14。随着产品性能、精度、材料、信息、技术、网络的发展，电火花加工技术向着更深层次、更高水平的方向发展，发展的总体趋势表现在以下几个方面：（1）多轴联动化；（2）微细化；（3）高效化；（4）多元化；（5）绿色化；（6）复合化17。2 电火花加工试验2.1殷钢加工试样制备企业给学校机械工程学院现代制造研究所提供的试验用的殷钢为大块体，且表面粗糙，氧化严重，无法用以试验用，因此必须经过一定的严格的处理才能被用于实验室的微精密电火花加工试验用。加工试样的制备步骤包括切割、粘接、研磨、清洗等四步。（1）切割从大块状的殷钢体上切割下755520mm的殷钢小块体。考虑到加工费用的问题，利用锯片对大块殷钢进行切割，之后又使用砂轮对殷钢小块体的两面进行磨削，而不用电火花线切割，虽然线切割制造试样的表面精度高，且两个7555mm的表面平行度好。经加工下来的殷钢小块体经过后期的进一步加工处理同样能够达到试验要求的精度，因此不用电火花线切割也是可以的。（2）粘接用锯片切割下来的殷钢块体要经过进一步的研磨才能符合试验要求的精度。而本试验采用手工研磨，所用设备为现代制造研究所超净实验室的旋转摆动重力式研磨抛光机（如图2.1所示）。由于殷钢试样体积较小、质量较轻，且非回转型块体，为方便研磨，需要把试样粘贴在圆盘试验块上，以利于试验操作，所用粘贴剂为石蜡。 图2.1 旋转摆动重力式研磨抛光机（3）研磨现代制造研究所超净实验室的旋转摆动重力式研磨抛光机主旋转盘的最大转速为400rpm，试验中所用的转速为120rpm，辅以试样自转驱动，用自来水冷却并冲洗研磨中磨下来的金属粉末以及砂纸的沙粒。研磨的目的是为了去除钳工切割时导致的深的划痕，同时使殷钢块体的试验加工表面达到一定的表面粗糙度，以适合电火花加工。本试验研磨时所用的湿磨砂质粒度号从小到大为400#、600#、800#、1000#。为防止将殷钢块体加工表面磨黑，应严格控制每次研磨的时间。研磨次数、每次研磨时间见表2.1所示。表2.1 殷钢研磨时间及次数砂纸号粒度400#600#800#1000#研磨时间（s）1201206030研磨次数3322（4）清洗研磨完的殷钢试样仍然粘在圆柱试验块上，为使其脱离试验块，先在电磁炉上加热整个粘接体（加热时，让圆盘试验块在下，防止划伤磨好的殷钢表面），当粘接剂石蜡熔化后，用镊子将殷钢试样从圆盘上取下，接着用试纸吸试样上的石蜡，重复三次，再用酒精棉擦拭，重复几次，直到试样被清洗干净为止，最后用水冲洗，高压气枪吹干。（整个过程中试样及试验块温度很高，应时刻注意避免烫伤）将研磨完成的殷钢试样（图2.2）拿到超净实验室的olympus mx40型金相显微镜（见图2.3）下观察，该金相显微镜具有明、暗场模式，能实现501000倍放大，并具有外接设备，能实现图像采集和保存功能，用该显微镜观察试样表面形貌，拍照并保存照片，其表面微观形貌如图2.4所示，但是在观察时发现殷钢表面偶尔会有一些微小的“空洞”（如图2.5所示），分析为在铸造加工殷钢时由于排气措施不合理，造成了殷钢内部溶有气体，从而造成了孔洞缺陷（图中的形状不规则的黑色部分），由于这样的缺陷很少、且面积很小，对整个电火花加工结果的影响极小，故可以忽略不计。显微镜下观察在磨完的表面上有错综复杂的微观划痕，表明整个研磨过程均匀、平稳。（后来，用超净实验室的平面度仪测量得到研磨后的殷钢表面平面度为3.342m，用zygo newview5022型表面轮廓仪测得研磨后殷钢表面的粗糙度为0.136m）图2.2 研磨完成的殷钢试样图2.3 olympus mx40型金相显微镜图2.4 研磨后殷钢表面形貌图2.5 殷钢内部的气孔缺陷2.2工具电极的制备方法2.2.1铜板叠加式组合电极1.试验用紫铜板紫铜是一种常用的电极材料，试验中用电解制铜板作为制备工具电极的原材料。所用铜板的参数见表2.1。表2.1 铜板的规格厚度（mm）平行度（m）表面粗糙度（m）1206把大铜板用切割机切成两种小铜板以备叠加时用（大小铜棒经过钳工加工，以便其形貌更好，更适合电火花精密加工），两种小铜板的规格分别为：a厚1mm、长50mm、宽50mm；b厚1mm、长50mm、宽49mm。之后，在两种铜板上钻9mm的孔，各尺寸参数如图2.6铜板尺寸参数所示。图2.6 铜板尺寸参数（单位：mm）2.组合电极用铜板夹为了将所切得的铜板组合到一起，必须之作一个夹子，使铜板能够稳定地固定在上面。该夹子必须导电良好，上面还得有能够连接到电火花加工机床上的部件。综合以上要求，选用厚0.5mm的45号钢制作一个“l”形的铜板夹，其上有固定用孔和连接用孔。其中固定铜板的孔位9mm的通孔，连接机床用的孔位为6mm的螺纹孔，铜板夹的宽度为45mm。“l”形铜板夹尺寸参数如图2.7所示。图2.7 铜板夹尺寸参数铜板夹的实体效果图如图2.8所示图2.8 铜板夹实体效果图3.装配组合电极将已加工好的两种铜板（大、小铜板各12片）相间用螺栓、螺母、垫片紧固在铜板夹上，并旋拧上一段带螺纹的钢棒（用螺栓加工而成），用以连接到电火花加工机床上用。为保证各个铜板间接触良好、导电良好，紧固螺栓、螺母应拧紧，从而使铜板的原变形得以恢复，能够更好的导电。制备好的组合电极效果图如图2.9所示。图2.9 制备好的铜板叠加电极效果图2.2.2一体式紫铜工具电极1.试验用紫铜棒将直径为50mm形状规整的紫铜棒垂直于轴线切割成厚为2728mm的圆柱，再在车床上车削两个端面，使两端面完全垂直于轴线，接着再半精车、精车其中一个端面，使其表面粗糙度达到6m以下，以待再处理用作电火花加工的加工工具电极表面。经过各个车削过程，铜棒的厚度减小到25mm左右，加工好的紫铜柱体进入下一个加工阶段。2.铣削加工沟槽将加工好的高精度紫铜柱体在科德数控vgw210型加工中心（如图2.10所示）铣削出宽为1mm，深为1mm，间隔为1mm的沟槽。所用锯片铣刀参数如表2.2所示。表2.2 锯片铣刀参数材料外径（mm）内径（mm）厚度（mm）齿数硬质合金yg85012.7160图2.10 科德数控vgw210型加工中心加工完成的工具电极如图2.11所示。图2.11 铜棒工具电极2.2.3工具电极的选择铜板组合式工具电极，按要求加工完成后电火花加工精度高，但是电极的制作费时、费钱，而铣削铜棒制作的工具电极，虽然精度相比于组合电极要差，但是完全能够满足加工要求，其表面的铣削毛刺在电火花加工时会被熔化掉。综合考虑选择铣削一体式工具电极。2.3电火花加工2.3.1电火花加工试验紫铜电极电火花加工试验是利用锯片铣刀铣削紫铜棒得到的工具电极电火花加工研磨好的殷钢试样。电火花加工用的机床为现代制造技术研究所的日本沙迪克c32型镜面电火花成型加工机床，如图2.12所示。图2.12 沙迪克c32型镜面电火花成型加工机床该机床的工作参数及要求如表2.3所示。表2.3 沙迪克c32型镜面电火花成型加工机床工作参数及要求工作台尺寸（长宽）mm工作液槽内尺寸（长宽高）mm最大加工工件重量kg工作台行程（xy）mmz轴行程mm最大电极重量kg45030060045426050300200150（+100手动）20进行电火花加工时，采用的紫铜工具电极质量约为0.5kg，所要加工的殷钢工件外形尺寸为755520mm，重量约为0.9kg，整个加工过程工作台无x、y方向的运动，只有z方向上1mm的进给运动。沙迪克c32型镜面电火花成型加工机床的工作参数完全能够满足我们需要的加工。分别把紫铜工具电极和殷钢试样固定在机床头和工作台上，然后对工作台和电极精细调整，就能够加工了。沙迪克的工作控制电脑里安装有“专家系统”，该系统只需要让工作人员输入加工用电极类型材料、工件材料、xyz方向的进给、放电间隙、加工后表面粗糙度阈值等参数，其会根据这些参数自动生成加工代码、计算进给速度和加工时间、自主选择放电电流和工作电压，能够免去繁琐的编程和计算，最终的加工质量能完全满足要求。加工殷钢选择的完成表面粗糙度为6m，放电间隙为30m。整个电火花加工花费约6个小时。加工完成后的殷钢整体形貌如图2.13所示。图2.13 殷钢电火花加工后的整体形貌2.3.2交叉加工试验为了达到工厂要求的最终要求，对研磨好的殷钢试样进行了交叉加工试验，该试验一共进行了两组：（a）先用锯片铣刀沿试样的长（即75mm方向）方向（定为x方向）铣削经过研磨的殷钢试样，再用锯片铣刀沿与x方向垂直的方向（定为y方向）继续铣殷钢试样；（b）用锯片铣刀铣削x方向，再利用制备好的紫铜电极电火花加工y方向。（1）a方案利用科德数控vgw210型加工中心（如图2.11所示）沿殷钢试样的x方向铣削加工。所用锯片铣刀参数如表2.2所示，铣削加工的槽宽为1mm，间隔1mm，槽深1mm，贯通铣削加工，整个面都加工，使被加工表面布满沟槽。加工完x方向的沟槽后，控制加工中心工作台旋转90，用原锯片铣刀沿y方向加工，铣削槽宽仍为1mm，间隔1mm，槽深1mm，加工完成的殷钢试样如图2.14所示。图2.14 交叉铣削加工后的殷钢试样（2）b方案前期加工工作与a方案相同，利用锯片铣刀沿殷钢的x方向铣削加工，然后在沙迪克c32型电火花加工机床上利用制备好的紫铜电极电火花加工y方向，加工完成的殷钢试样如同2.15所示。图2.15 先铣削再电火花加工殷钢试样2.4本章小结本章对电火花加工和铣削加工的方法进行试验，并且分析其各自的优缺点，得到最佳的微流道加工方法，最终采用先铣削加工后电火花加工的方法，这样不仅加工速度快、费用低，而且加工得到的工件完全能够满足要求。而在选择工具电极时，综合分析了加工时间、加工费用等方面的因素，最终选择铣削一体式工具电极进行电火花加工。3 试验结果3.1电极的检测及分析3.1.1工具电极外观变化电火花加工试验后，从外观上看能明显感觉到试验前后紫铜电极的变化。电火花加工试验前紫铜颜色接近本色，呈现应有的紫黄色，如图3.1a所示。而加工后紫铜电极颜色发黑，如图3.1b所示。经分析，紫铜工具电极发黑的原因是在电火花加工过程中，电极损耗、烧伤、氧化，从而导致颜色上发生明显的变化。图3.1a 电火花加工前紫铜电极外观图 图3.2b 电火花加工后紫铜电极外观3.1.2工具电极微观形貌及检测为了观察经电火花加工后，工具电极的微观形貌，需在显微镜下进一步观察。试验所采用的显微镜为现代制造技术研究所的olympus mx40型金相显微镜，观察紫铜电极。沟槽底部的图像如图3.3所示，从图中可以看出，沟槽底部有很多平行的直线划痕，这是在铣削加工紫铜工具电极时留下的痕迹，经电火花加工试验后，表面外观没有变化，表明沟槽底部未参加加工过程。这样能够很好的保证所加工的殷钢试样的棱的顶部保持原来研磨后的精度，有利于产品的安装精度及工作精度。棱的顶部的图像如图3.4所示，图中可以看到，棱的顶部由大量熔点组成，这是因为在电火花加工的整个过程中，紫铜工具电极的主要工作部位是棱的顶面，又电火花加工的主要原理是放电产生高能，温度升高，使金属熔化、气化，因此棱顶面会有大量熔点。图3.3 电火花加工后电极沟槽底部微观形貌图3.4 电火花加工后棱顶部微观形貌为了对工具电极加工后的微观表面有更清晰的观察，又采用实验室里日本kenece公司的vhx-600e型超景深三维显微镜（如图3.5）对其进行观察，图像如图3.6所示，表面形貌更清晰些。图3.5 vhx-600e型超景深三维显微镜图3.6 试验后铜电极棱的微观表面形貌又使用了美国zygo公司的newview5022型表面轮廓仪对（图3.7）其表面粗糙度及为尺寸进行了观察，得第一次电火花加工试验用到的紫铜一体式工具电极表面粗糙度为0.693m，槽深1.084m，棱宽0.576mm，但是利用olympus mx40型金相显微镜测量的棱宽度为0.718mm，差距很大，究其原因是zygo newview5022型表面轮廓仪的测量原理造成的，其测量不到的有一定倾斜角度的面机器视为无数据，从而会造成一定误差，因此olympus mx40型金相显微镜的测量结果为正确的试验测量结果；第二次交叉试验用到的紫铜工具电极的槽底宽为1.029mm，槽上口宽1.118mm，棱宽0.889m。图3.7 newview5022型表面轮廓仪3.2工件的检测及分析3.2.1电火花加工工件检测首先把电火花加工完成的殷钢试样拿到超净实验室用olympus mx40型金相显微镜进行观察。观察并拍照其微观形貌，试样的棱如图3.8所示，从图中可以看出，棱的顶部表面几乎全部为研磨过后的形貌，电火花加工未加工到，偶尔会有个别点被电火花加工烧灼掉，经分析得到，这些烧灼点是由于紫铜工具电极沟槽表面不平造成的；加工试样的槽底如图3.9所示，从图中可以看出，试样槽底是由大量的电火花加工时的烧灼点组成，这是由电火花加工去除工件材料的原理所决定的；加工试样的棱的边沿部分如图3.10所示，从图中可以看出，棱的边沿被烧灼掉了，而棱的上表面保持研磨后的形貌，这是因为在整个电火花加工过程中，工具电极的侧面一直处于工作状态，侧面会被烧灼掉，烧灼的程度与放电间隙的大小及加工速度密切相关。由于整个加工过程由上而下进行，所以先加工到的地方加工时间持续较长，材料会比较多的被去除掉，以此类推，越靠下的位置处于加工时段的时间越短，从而得到的殷钢试样上的沟槽为梯形的（最终观察殷钢试样可以验证这一结论）。图3.8 电火花加工试样棱的外观 图3.9 电火花加工试样槽底形貌 图3.10 电火花加工试样棱的边沿为进一步观察殷钢试样槽底的形貌，又继续在vhx-600e型超景深三维显微镜下观察电火花加工得到的殷钢试样的形貌，得到如图3.11所示的结果，从图中可以看到，微流道底部是由大量的熔点组成，这是由于电火花加工去除材料的原理决定的。图3.11 殷钢试样微流道底部的微观形貌为进一步测量电火花加工后殷钢试样的形貌参数，在zygo newview5022型表面轮廓仪上进行观察测量，所得结果如图3.12所示。从图中可以看出，电火花加工所得到的微流道的底部的表面粗糙度为0.708m，表面是比较精细的。槽的深度为811.738m，槽宽1.096m。图3.12 zygo测量微流道表面粗糙度3.2.2交叉加工工件检测由于交叉加工试验采用了两种方法，因此对这两种方法依次进行检测。a利用锯片铣刀依次铣削加工出相互垂直的微流道利用锯片铣刀一次铣削出微流道的殷钢试样在olympus mx40型晶相显微镜下进行观察，所得图像如图3.13所示。从图中可以看出，铣削得到的试样的棱的上表面边缘部分十分平整，且没有飞边出现，这说明，直接利用铣刀一次铣削微流道的方法是可行的。图3.13 进行一次铣削后的殷钢试样外观由于项目公司需要的工件是相互交叉的微流道殷钢冷却板，因此还需要继续对其进行加工。在一次加工得到的微流道的垂直方向继续铣削，得到的结果宏观形貌如图2.14所示。将其在olympus mx40型晶相显微镜下继续观察得到如图3.15所示的结果。从图中明显可以看到其“飞边”严重，这是由于一次铣削加工后，厚度约为1mm的棱刚性较低，在高速铣削时，铣刀会粘连殷钢，从而造成飞边现象。 图3.15 显微镜下观察交叉铣削的试样如此严重的飞边现象在精密仪器中是不允许存在的，因为“飞边”的存在会影响冷却板的后续加工，因此需要想办法改进。b先铣削后电火花垂直方向加工微流道由a中可以得到，一次铣削得到的微流道棱的边缘部分是比较平整的，且电火花加工得到的试样棱的边缘也比较平整，因此就可以利用先铣削加工后电火花垂直方向加工的方法。得到的加工试样整体形貌如图3.16所示。在olympus mx40型晶相显微镜下观察得到的图像如图3.17所示。从图中可以看出，如此加工得到的“小方块”已经没有“飞边”等缺陷了，能够满足冷却板后续的加工要求了，这说明利用铣削与电火花混合加工的方法来制殷钢水冷冷却板的方法是可行的。图3.16 先铣削后电火花加工得到的试样的整体形貌图3.17 先铣削后电火花加工得到的试样微观形貌3.3本章小结本章讨论了电火花加工、铣削加工以及组合加工得到的试样的精度、形貌等和工具电极、锯片铣刀磨损等方面的因素，最终确定了殷钢冷却板微流道的加工方法。对殷钢试样先进性铣削加工，这时得到的殷钢沟槽边缘整齐，无毛刺、飞边等现象，再对其进行电火花加工，得到的交叉微流道完全能够满足要求，这样既节省时间，又节省成本。电火花加工