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新疆大学论文题目(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)：StudyonPropertiesofCurrentDistributionalongMicro-profileinProcessingofElectrochemicalFinishing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：新疆大学硕士研究生学位论文PAGE67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目录摘要 ⅠAbstract Ⅱ1绪论 11.1电化学光整加工的研究 11.1.1电化学光整加工方法的发展 11.1.2电化学光整加工工艺的研究与应用现状 31.2选题依据 71.3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 81.4选题目的、意义及解决方法 91.4.1选题目的 91.4.2选题意义 91.4.3研究的基本思路及方法 102电化学光整加工的理论基础 112.1电化学光整加工的基本原理 112.2电化学光整加工的整平机理 122.2.1整平机理的基础研究 132.2.2数值求解平行板的溶解速度 152.2.3电化学光整加工的基本特性 172.3电化学光整加工实验平台的设计 192.3.1电源系统 192.3.2电解液 202.3.3阴极结构设计 212.4本章小结 223极间电流场数学模型的建立及其分析 233.1表面微观几何轮廓的变化对电化学光整加工的影响 233.1.1表面微观几何形貌的变化 243.1.2平行板的电化学光整实验 263.1.3极间电流场的再分布对电化学光整加工的影响 313.1.4强化机械作用 313.2电化学光整加工前后表面微观轮廓的几何模型 323.3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 333.4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 373.5数学模型的分析 403.5.1尖峰状表面电流场分布特性的分析 413.5.2圆弧状状表面电流场分布特性的分析 433.5.3两种表面微观轮廓电流场分布分析结果的对比 443.6本章总结 454实验验证及应用 464.1实验原理 464.2实验条件 464.3工艺参数对表面质量的影响 484.3.1电解液浓度的影响 494.3.2电流密度的影响 504.3.3极间间隙的影响 514.4实验结果分析 534.5电化学光整加工实验结果的应用 554.6本章小结 575结论及展望 58参考文献 60致谢 631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（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法[1]。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，电极之间的间隙较大[2]。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。此工艺方法有效的实现了电化学光整加工与机械光整加工的复合[3]。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较复杂[4]。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工方法[5]。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下、中性电解液条件下利用脉冲电流[6]。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[7]。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。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[8]。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，并且获得了良好的表面加工精度[9]。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，成果奠定了良好的加工技术基础[10]。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作用之间的相互匹配关系[11]。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，并建立了相应的数学模型[12]，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面微观几何轮廓的的变化及相关的性进行了分析与研究[13]。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型[14]。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[15]。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微观轮廓呈尖峰状，使电流场分布呈非均匀性[16]。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[17]。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[18]。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的稳定,可显著改善表面质量[19]。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的特性[20]。O.V.KrishnaiahChetty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，给出了加工间隙、脉冲电流、电解液等工艺参数与表面质量的关系[21]。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控制[22]。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，并提高了零件的疲劳强度[23,24,25]。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－电化学光整加工复合工艺方法[26]，获得了均匀、平整的表面[27]。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作为工具阴极的可行性[28]。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，并开发了成对式工具阳极脉冲电化学光整加工工艺方法[29]；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光整加工中取得了良好的效果，达到了镜面粗糙度[30]，图1.1所示微细轴的脉冲电化学光整加工，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[31]。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电加工模具上，并显著提高了电加工模具的成型精度[33]；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的影响及其应用于锻模加工时对锻模加工质量的影响[34]；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系[35]。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脉冲电化学光整加工工艺方法[36，37]。脉冲电化学光整加工过程中根据整平效率需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整平效果与工艺参数之间关系的数学模型[38]。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[40]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终加工工艺方法[41]。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（ElectrochemicalPolishing）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。表2.1两种加工工艺的对比极间间隙电解液电解液状态表面质量主要特点电化学抛光大酸性静态提高幅度有限美观性，光亮性电化学光整加工小中性动态大幅度提高提高加工精度图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、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解释大多利用尖峰效应和成膜效应来给予解释[43]。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[44]。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，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阳极溶解所遵循的基本规律为法拉第电解定律[45]，该定律反映了阳极表面上发生电化学反应的物量和电量之间的关系。该定律如式2-1所示：（2-1）式中：—反应的物量（g）；—极间间隙中通过的电量(A.s)；—电流强度（A）；—电流导通时间（s）；—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：（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表示了阳极材料体积(cm3):ω表示了体积电化学当量(cm3/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）（2.4）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-1.cm-1)，则可得极间间隙中电解液电阻为；在阴阳极上施加的外电压为，其中阳极电位为，阴极电位为，因而实际电压为,则可得电流的表达式如式子2-5所示：1、2—阴极7、8—阳极3、6—电流线5—溶解速度方向4—阳极表面外法线图2.4平行板电化学阳极溶解模型[49]由于阳极和阴极的电极电位分别是和，因此，产生电流的实际电压应是。则可得电流I的表达式如式子2-5所示：（2-5）由（2-4）和（2-5）式得（2-6）：（2-6）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）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。（2-8）子式2-8中，表示为常数，由式（2-4）及（2-7）所得到的式（2-9）在分析问题时也会显得较为方便。（2-9）见图2-4所示，子式2-9中，表示为电流密度矢量（A/cm2），其方向与电流线方向相同。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。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。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整中获得较好的表面质量[46]。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。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。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,这种变化规律的研究对研究研究电流场分布特性中非常重要[47]。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，工件阳极的电化学整平作用也存在一个“极限表面粗糙度”[48]。其中，横坐标为电化学光整加工整平的时间，单位为（）；为工件阳极表面粗糙度值，单位为（μm）。1—1Cr18Ni9Ti2—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观几何轮廓都是尖峰型的表面微观几何轮廓[49]。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。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图3.2机械加工前的表面微观形貌[50]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。(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。（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。并可仿照静电场的分析方法对其进行分析、研究[51]。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极表面微观几何轮廓而言，