電化學(xué)機(jī)械拋光顆粒型復(fù)合材料仿真及實(shí)驗(yàn)研究*

李遠(yuǎn)波 劉國躍 郭鐘寧 王賀賓 劉江文

（①廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006;②廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

以陶瓷（連續(xù)長纖維、短纖維及顆粒）為增強(qiáng)材料，輕合金如鋁、鎂、鈦等為基體材料制成的金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix Composites，MMCs）具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐磨損、耐高溫等優(yōu)異性能，在材料科學(xué)及工程應(yīng)用領(lǐng)域受到了極大的重視。近年來，金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域已從最初的航空航天飛行器的結(jié)構(gòu)件、武器系統(tǒng)發(fā)展到汽車、電子甚至體育娛樂等領(lǐng)域，更由于其可設(shè)計(jì)性，金屬基復(fù)合材料越來越被認(rèn)為是具有很大實(shí)用價(jià)值的先進(jìn)材料［1－4］。顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料（PRMMCs）由于其增強(qiáng)顆粒一般以Al2O3、SiC、ZrO2、MgO、Si3N4、SiO2、WC 和 B4C 等為主，這些材料的硬度和強(qiáng)度都很高，因此，采用傳統(tǒng)加工方法對(duì)其進(jìn)行加工時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重，加工效率低，加工精度不高。同時(shí)，其基體材料一般為鋁，采用磨削時(shí)，砂輪堵塞現(xiàn)象比較嚴(yán)重［5］。

電解加工是特種加工中一種常見的加工工藝，是利用金屬陽極電化學(xué)溶解原理來去除材料的制造技術(shù)，具有加工速度快、表面質(zhì)量好、能加工任何材質(zhì)的金屬材料、無宏觀機(jī)械切削力、工具陰極無損耗等優(yōu)點(diǎn)［6］。但由于其屬于非接觸式的加工，在加工過程中，工具電極不能接觸工件陽極，當(dāng)存在無法電解的物質(zhì)時(shí)，電解加工則無法直接去除。PRMMCs內(nèi)的增強(qiáng)項(xiàng)顆粒一般是不導(dǎo)電的材料，因此單純的電解無法加工PRMMCs。電化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工復(fù)合了電解加工和機(jī)械加工，在加工過程中，一般以電解蝕除材料為主，機(jī)械加工主要起到刮除陽極鈍化膜的作用。但機(jī)械作用實(shí)際上具備直接去除材料的能力。在本文的理論模型中，電解作為去除PRMMCs基體材料的主要方式，而機(jī)械磨削的主要作是刮去不導(dǎo)電顆粒和鈍化膜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PRMMCs的高效、低耗的加工。

1 單顆粒模型電場分析

1．1 不同參數(shù)分析

使用電解機(jī)械復(fù)合的工藝加工PRMMCs與加工其他金屬的最大不同在于，PRMMCs中存在不導(dǎo)電顆粒。因此，電解作用對(duì)這些不導(dǎo)電顆粒加工會(huì)造成怎樣的影響，是電解機(jī)械復(fù)合工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)PRMMCs有效加工的關(guān)鍵之處。對(duì)此，本文采用有限元方法分析單個(gè)顆粒周圍的在各種電參數(shù)下的電場的變化而推測電解加工對(duì)顆粒的影響，從而推測對(duì)表面粗糙度的影響。

有限元電場分析主要針對(duì)電解液/工件界面上的強(qiáng)化項(xiàng)顆粒，因此，在分析的過程中，邊界條件（電壓）加載在電解液/工件和電解液/工具電極兩個(gè)界面上。在實(shí)際的加工過程中，電解液是流動(dòng)的，工具電極與工件陽極之間的間隙也是在不斷變化。對(duì)有限元來講，較難建立一個(gè)準(zhǔn)確的模型。但主要分析集中在對(duì)顆粒周圍電場的變化，所以，本文取電解液為靜態(tài)，極間間隙固定即動(dòng)態(tài)過程作為暫時(shí)狀態(tài)，分析在暫態(tài)下的顆粒周圍電場從而推測一般情況下的變化。由此建立單顆粒簡化模型如圖1所示，假定極間間隙為h，將電解液簡化為方形，顆粒也假定為方形L×L。分析參數(shù)主要包括:極間間隙h、顆粒大小d、顆粒脫出、極間電壓。其中，模型一般參數(shù)設(shè)定為:電解液液塊的尺寸為0.2 mm×0.2 mm;電阻率為400 Ω/m，顆粒0.02 mm×hmm，極間電壓為20 V。分析過程中，只改變所分析的參數(shù)。

對(duì)照?qǐng)D1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，電場最強(qiáng)的地方在X=d的位置，這表示不導(dǎo)電顆粒與基體材料過渡的地方首先被電解，即顆粒的邊緣最先脫出金屬基體?？紤]到強(qiáng)化顆粒不電解也不溶于電解在顆粒邊緣處的粗糙度值最大，而如果完全脫出的話，則在顆粒脫出形成部位粗糙度值最大，如圖3所示。而從電場強(qiáng)度的分布曲線來看，隨X的增加，電場強(qiáng)度從最大值逐漸變小直到相等。這表明在顆粒周圍會(huì)形成一個(gè)環(huán)顆粒的凹坑，凹坑隨著離顆粒距離的增大而變淺（圖3）。

對(duì)比不同極間間隙的曲線B、C（圖2），發(fā)現(xiàn)隨極間間隙的增大，曲線尖峰右移且峰值變小，但當(dāng)X達(dá)到一定值后兩曲線重合。這有可能使得環(huán)顆粒凹坑的dp值增大，但也會(huì)減小ds/dp的比值，即減緩凹坑由淺到深的變化趨勢。而加工電壓（圖2中A、B曲線）的變化，曲線則只是平行變化。從電化學(xué)作用與機(jī)械磨削作用配合的角度來考慮，增大極間間隙，降低加工電壓都會(huì)減弱電化學(xué)作用，機(jī)械的刮痕和磨痕也會(huì)增加，整體的加工表面的粗糙度值可能會(huì)增大。

隨著顆粒的增大（圖2中C、D曲線），曲線峰值增大而向X軸正方向移動(dòng)。這表明隨著顆粒的增大，顆粒周圍的電場強(qiáng)度差異加劇會(huì)使得顆粒周圍的凹坑的深度與其他區(qū)域基體材料電解的深度的差異會(huì)加大，這樣可能會(huì)加劇加工表面粗糙度值的增大。同時(shí)，尺寸大的顆粒脫出后留下的顆粒凹坑也大，使得加工表面粗糙度變差。因此，較大的極間間隙、強(qiáng)化相顆粒都會(huì)使得表面粗糙度變差。較高加工電壓會(huì)加強(qiáng)電化學(xué)作用強(qiáng)度，可以更好地消除機(jī)械磨削的機(jī)械損傷、刮痕，但加強(qiáng)電化學(xué)同時(shí)也加快顆粒脫出的速度，這會(huì)加劇加工表面的微觀不平度。所以，對(duì)加工電壓必須根據(jù)加工的不同需要進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)需要較高的加工效率時(shí)，可采用較高的加工電壓，同時(shí)輔以加強(qiáng)機(jī)械磨削作用;而如果需要較好的表面質(zhì)量，則可降低加工電壓，同時(shí)采用強(qiáng)鈍化性質(zhì)的電解液，并同時(shí)降低機(jī)械磨削的強(qiáng)度，這樣可得到機(jī)械損傷較小而粗糙度好的表面。

1．2 顆粒脫出過程電場分析

圖4為處于不同位置顆粒電解模型以及對(duì)應(yīng)的X軸上電場分布曲線。對(duì)比曲線A/B/C（圖4），曲線的尖峰處于顆粒邊緣附近，且峰值在不斷地下降。這表明:隨著顆粒的脫出，顆粒周圍基體金屬材料電化學(xué)溶解速度的差異性逐漸減小，即環(huán)顆粒凹坑的形成速度會(huì)隨著顆粒的脫出而降低。根據(jù)這一點(diǎn)可以推測，顆粒脫出基體材料到一定階段后，即使此時(shí)其周圍的基體材料并不多，與基體材料的連接強(qiáng)度很弱但并不會(huì)直接脫落。而如果此時(shí)施加一定外力，顆粒能夠很容易直接脫落。因此，在電化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工PRMMCs的過程中，機(jī)械作用要參與到非導(dǎo)電顆粒的去除過程。

2 復(fù)合工具的設(shè)計(jì)與加工過程分析

基于前面單顆粒模型的分析，我們設(shè)想電解作用在復(fù)合加工過程主要起到去除基體材料的作用，而機(jī)械作用則起到刮除工件表面露出程度較大的顆粒以及鈍化膜。由于顆粒的尺寸很?。?0 μm左右），為避免對(duì)工件造成大的機(jī)械損傷，因此磨料尺寸需要與顆粒尺寸相近。而電化學(xué)加工過程中，為便于電解液進(jìn)入到極間間隙，極間間隙不能夠太小。因此，本文設(shè)計(jì)了嵌片式復(fù)合工具，磨料嵌片與基體之間絕緣，可以通過調(diào)整嵌片與基體之間的徑差來調(diào)整極間間隙。具體加工示意圖如圖5所示。

本文使用ANSYS建立了嵌片式的示意圖的有限元模型（圖6），其中芯部基體半徑為20 mm，極間間隙為0.2 mm。邊界條件加載在復(fù)合工具的基體（U=20 V）與電解液塊的下邊（U=0 V）上。圖7a為不同嵌片位置下的X軸上的電場強(qiáng)度曲線，而圖7b為對(duì)應(yīng)的嵌片位置。從不同嵌片位置的電場曲線對(duì)比來看，隨嵌片進(jìn)入到加工區(qū)域（θ=0°），電場強(qiáng)度曲線以X=0兩側(cè)對(duì)稱，電場強(qiáng)度曲線峰值在X=0的位置，在X=0的左側(cè)的電場強(qiáng)度要大于右側(cè);θ=22.5°位置，電場強(qiáng)度曲線峰值在X=0的位置，在X=0的左側(cè)的電場強(qiáng)度要大于右側(cè);θ=45°位置，嵌片完全進(jìn)入電解液中，峰值不再出現(xiàn)在X=0的位置，同時(shí)曲線整體下移;θ=67.5°的位置，與θ=22.5°位置的電場曲線趨勢相反，在X=0的右側(cè)的電場強(qiáng)度要大于左側(cè)。如果將電場強(qiáng)度的一定值設(shè)定為電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的條件之一，那么可以推測在X=0的兩側(cè)都會(huì)產(chǎn)生不同程度的電解。這也就是說在已加工表面也會(huì)有顆粒脫出，為了刮除已加工表面的露出表面較多的顆粒，我們在復(fù)合加工后增加了一次反向的無進(jìn)給光整磨削加工。

3 復(fù)合拋光實(shí)驗(yàn)

在采用本文所設(shè)計(jì)的復(fù)合工具以及工藝的基礎(chǔ)上，我們對(duì)鋁基復(fù)合材料（含20%的Al2O3顆粒）進(jìn)行了復(fù)合拋光實(shí)驗(yàn)，取得較好的拋光效果，表面粗糙度穩(wěn)定在0.5 μm左右。

圖8、9分別為其中的電壓、極間間隙參數(shù)實(shí)驗(yàn)的表面粗糙度曲線以及加工表面放大圖（80倍），工件的原始粗糙度為2.5 μm左右，實(shí)驗(yàn)使用了5%的Na3PO4作為電解液。從不同電壓、極間間隙下的放大圖片（圖8b與圖9b）來看，隨著電壓、極間間隙的增加，加工表面的凹坑數(shù)目增加，表面粗糙度變差，這與前面單顆粒模型的分析是一致的。但這也說明一點(diǎn)，所使用的電解液產(chǎn)生的鈍化膜并不能很好地保護(hù)已加工表面。

4 結(jié)語

本文建立了單顆粒電解模型與嵌片式工具的有限元模型，通過分析發(fā)現(xiàn)小的極間間隙、適當(dāng)加工電壓以及工藝流程能夠達(dá)到相對(duì)好的表面效果。使用電化學(xué)－機(jī)械復(fù)合加工+機(jī)械反磨光整的工藝對(duì)PRMMCs進(jìn)行了初步拋光實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過合理的工藝流程，恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)及適當(dāng)?shù)碾娊庖号浞胶蜐舛?，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氧化鋁增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的有效拋光，在一次復(fù)合拋光后表面粗糙度Ra達(dá)到0.5 μm。

［1］李建輝，李春峰，雷廷權(quán)．金屬基復(fù)合材料成形加工研究進(jìn)展［J］．材料科學(xué)與工藝，2002，10（2）:201 －202．

［2］吳利英，高建軍，靳武剛．金屬基復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用［J］．化工新型材料，2002，30（10）:32－35．

［3］陳劍鋒，武高輝，孫東立，等．金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制［J］．航空材料學(xué)報(bào)，2002，22（2）:49 －52．

［4］李鳳平．金屬基復(fù)合材料的發(fā)展與研究現(xiàn)狀［J］．玻璃鋼/復(fù)合材料，2004（1）:48－52．

［5］鄭建新，劉傳紹，趙波，等．顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的加工現(xiàn)狀．焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)［J］，2003，22（2）:121－125．

［6］朱荻．國外電解加工的研究進(jìn)展［J］．電加工與模具，2000（1）．