李遠波 劉國躍 郭鐘寧 王賀賓 劉江文

（①廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州 510006;②廣州大學(xué)機械與電氣工程學(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)計性，金屬基復(fù)合材料越來越被認為是具有很大實用價值的先進材料［1－4］。顆粒增強型金屬基復(fù)合材料（PRMMCs）由于其增強顆粒一般以Al2O3、SiC、ZrO2、MgO、Si3N4、SiO2、WC 和 B4C 等為主，這些材料的硬度和強度都很高，因此，采用傳統(tǒng)加工方法對其進行加工時，刀具磨損嚴重，加工效率低，加工精度不高。同時，其基體材料一般為鋁，采用磨削時，砂輪堵塞現(xiàn)象比較嚴重［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、無宏觀機械切削力、工具陰極無損耗等優(yōu)點［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，電解加工則無法直接去除。PRMMCs內(nèi)的增強項顆粒一般是不導(dǎo)電的材料，因此單純的電解無法加工PRMMCs。電化學(xué)機械復(fù)合加工復(fù)合了電解加工和機械加工，在加工過程中，一般以電解蝕除材料為主，機械加工主要起到刮除陽極鈍化膜的作用。但機械作用實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，而機械磨削的主要作是刮去不導(dǎo)電顆粒和鈍化膜，從而實現(xiàn)對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，電解作用對這些不導(dǎo)電顆粒加工會造成怎樣的影響，是電解機械復(fù)合工藝實現(xiàn)對PRMMCs有效加工的關(guān)鍵之處。對此，本文采用有限元方法分析單個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顆粒的影響，從而推測對表面粗糙度的影響。

有限元電場分析主要針對電解液/工件界面上的強化項顆粒，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/工具電極兩個界面上。在實際的加工過程中，電解液是流動的，工具電極與工件陽極之間的間隙也是在不斷變化。對有限元來講，較難建立一個準確的模型。但主要分析集中在對顆粒周圍電場的變化，所以，本文取電解液為靜態(tài)，極間間隙固定即動態(tài)過程作為暫時狀態(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)。

對照圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，電場最強的地方在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。而從電場強度的分布曲線來看，隨X的增加，電場強度從最大值逐漸變小直到相等。這表明在顆粒周圍會形成一個環(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，降低加工電壓都會減弱電化學(xué)作用，機械的刮痕和磨痕也會增加，整體的加工表面的粗糙度值可能會增大。

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。這表明隨著顆粒的增大，顆粒周圍的電場強度差異加劇會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加大，這樣可能會加劇加工表面粗糙度值的增大。同時，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、強化相顆粒都會使得表面粗糙度變差。較高加工電壓會加強電化學(xué)作用強度，可以更好地消除機械磨削的機械損傷、刮痕，但加強電化學(xué)同時也加快顆粒脫出的速度，這會加劇加工表面的微觀不平度。所以，對加工電壓必須根據(jù)加工的不同需要進行調(diào)整。當(dāng)需要較高的加工效率時，可采用較高的加工電壓，同時輔以加強機械磨削作用;而如果需要較好的表面質(zhì)量，則可降低加工電壓，同時采用強鈍化性質(zhì)的電解液，并同時降低機械磨削的強度，這樣可得到機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應(yīng)的X軸上電場分布曲線。對比曲線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隨著顆粒的脫出而降低。根據(jù)這一點可以推測，顆粒脫出基體材料到一定階段后，即使此時其周圍的基體材料并不多，與基體材料的連接強度很弱但并不會直接脫落。而如果此時施加一定外力，顆粒能夠很容易直接脫落。因此，在電化學(xué)機械復(fù)合加工PRMMCs的過程中，機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。由于顆粒的尺寸很小（20 μm左右），為避免對工件造成大的機械損傷，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，為便于電解液進入到極間間隙，極間間隙不能夠太小。因此，本文設(shè)計了嵌片式復(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軸上的電場強度曲線，而圖7b為對應(yīng)的嵌片位置。從不同嵌片位置的電場曲線對比來看，隨嵌片進入到加工區(qū)域（θ=0°），電場強度曲線以X=0兩側(cè)對稱，電場強度曲線峰值在X=0的位置，在X=0的左側(cè)的電場強度要大于右側(cè);θ=22.5°位置，電場強度曲線峰值在X=0的位置，在X=0的左側(cè)的電場強度要大于右側(cè);θ=45°位置，嵌片完全進入電解液中，峰值不再出現(xiàn)在X=0的位置，同時曲線整體下移;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)的電場強度要大于左側(cè)。如果將電場強度的一定值設(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)都會產(chǎn)生不同程度的電解。這也就是說在已加工表面也會有顆粒脫出，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給光整磨削加工。

3 復(fù)合拋光實驗

在采用本文所設(shè)計的復(fù)合工具以及工藝的基礎(chǔ)上，我們對鋁基復(fù)合材料（含20%的Al2O3顆粒）進行了復(fù)合拋光實驗，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)實驗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，實驗使用了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，所使用的電解液產(chǎn)生的鈍化膜并不能很好地保護已加工表面。

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到相對好的表面效果。使用電化學(xué)－機械復(fù)合加工+機械反磨光整的工藝對PRMMCs進行了初步拋光實驗研究。實驗發(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)碾娊庖号浞胶蜐舛龋軌驅(qū)崿F(xiàn)對氧化鋁增強鋁基復(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)合材料的強化機制［J］．航空材料學(xué)報，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．顆粒增強金屬基復(fù)合材料的加工現(xiàn)狀．焦作工學(xué)院學(xué)報［J］，2003，22（2）:121－125．

［6］朱荻．國外電解加工的研究進展［J］．電加工與模具，2000（1）．