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1、基于电化学光整加工的机械密封工作面磨损基于电化学光整加工的机械密封工作面磨损特性的研究特性的研究 Research on Wear Characteristics of Mechanical Seal face obtained by Electrochemical Finishing 答答 辩辩 人：人：古丽孜依娜古丽孜依娜马哈孜马哈孜专专 业：业：机机 械械 工工 程程指指 导导 教教 师：师：阿达依阿达依谢尔亚孜旦（副教授）谢尔亚孜旦（副教授）主要内容主要内容选题目的及意义选题目的及意义电化学光整加工机理的研究电化学光整加工机理的研究 表面微观形貌对磨损特性影响的实验研究表面微观形貌对磨
2、损特性影响的实验研究分析及比较不同表面微观形貌对摩擦摩擦特性的影响分析及比较不同表面微观形貌对摩擦摩擦特性的影响 结论与展望结论与展望 2352411 1选题目的及意义选题目的及意义1.11.1选题目的选题目的 机机械械密密封封是是流流体体机机械械和和动动力力机机械械的的主主要要部部件件。机机械械密密封封工工作作面面的的磨磨损损影影响响着着整整个个机机械械密密封封的的工工作作性性能能，目目前前大大多多数数机机械械密密封封的的失失效效基基本本上上是是表表面面磨磨损损而而引引起起。因因此此，减减少少磨磨损损以以及及提提高高润润滑滑性性能能的的各各种种手手段段或或方方法法倍倍受受关关注注，通通过过采
3、采用用各各种种表表面面加加工工方方法法改改造造密密封封端端面面的的表表面面微微观观形形貌貌可可以以提提高高机机械械密密封封的的密密封封性性能能、降降低低磨磨损损、延延长长使使用用寿寿命命。目目前前零零部部件件表表面面的的加加工工多多采采用用超超精精研研磨磨，加加工工后后的的表表面面微微观观形形貌貌为为尖尖峰峰形形状状，表表面面存存在在磨磨料料的的切切削痕迹，磨损量大。削痕迹，磨损量大。图图1-11-1机械密封机构机械密封机构研究对象研究对象1.21.2选题的意义选题的意义(1)(1)研研制制电电化化学学光光整整加加工工的的机机械械密密封封摩摩擦擦副副,对对于于保保护护环环境境、节节省省能能源源
4、有有重要的意义。重要的意义。(2)(2)研研究究电电化化学学光光整整加加工工表表面面的的微微观观形形貌貌及及其其对对磨磨损损特特性性的的影影响响是是实实现现零零泄泄漏漏、非非接接触触式式的的高高性性能能机机械械密密封封的的要要求求。促促进进表表面面形形貌貌结结构构特特点点对对摩摩擦、磨损和润滑的影响研究领域的发展。擦、磨损和润滑的影响研究领域的发展。激光和电火花表面微造型技术是利用热能在工件表面上加工出各种形激光和电火花表面微造型技术是利用热能在工件表面上加工出各种形状的动压槽，而这种动压槽在表面的运动过程中形成动压效应，从而达到状的动压槽，而这种动压槽在表面的运动过程中形成动压效应，从而达到
5、降低磨损的目的，降低磨损的目的，但是，加工表面易被融化导致表面有变质层和热裂纹的但是，加工表面易被融化导致表面有变质层和热裂纹的缺陷。缺陷。而电化学光整加工的表面微观形貌却有利于改善表面润滑性能和磨而电化学光整加工的表面微观形貌却有利于改善表面润滑性能和磨损状况。因此，本文提出了基于电化学光整加工的机械密封工作面磨损特损状况。因此，本文提出了基于电化学光整加工的机械密封工作面磨损特性的研究。性的研究。本本文文以以机机械械密密封封摩摩擦擦副副表表面面作作为为研研究究对对象象，采采用用电电化化学学光光整整加加工工方方法法加加工工工工件件表表面面，深深入入研研究究电电化化学学光光整整加加工工前前后后
6、的的表表面面微微观观形形貌貌对对密密封封性性能能和和磨磨损损特特性性的的影影响响。本本文文的的关关键键问问题题和和技技术术难难点点是是如如何何同同时时获获得得机机械械密封端面理想的表面质量和所要求的表面微观形貌。密封端面理想的表面质量和所要求的表面微观形貌。1.31.3本文的研究思路及主要研究工作本文的研究思路及主要研究工作基本研究内容基本研究内容2.2.电化学光整加工电化学光整加工的基本理论的基本理论2.2.1 1电化学光整加工整平机理电化学光整加工整平机理 机机械械加加工工后后的的工工件件表表面面微微观观几几何何轮轮廓廓呈呈现现出出高高低低不不平平的的尖尖峰峰状状，因因为为工工件件阳阳极极
7、表表面面微微观观轮轮廓廓的的高高低低不不平平，电电化化学学阳阳极极溶溶解解速速度度存存在在差差异异，工工件件阳阳极极尖尖峰峰处处电电化化学学溶溶解解速速度度高高于于凹凹坑坑处处电电化化学学溶溶解解速速度度，经经过过一一段段时时间间后后，工工件件阳阳极极表表面面微微观观轮轮廓廓的的高高度度值值降降低低，变变为为圆圆弧弧形，由此能对工件阳极表面加以整平。形，由此能对工件阳极表面加以整平。图图2-12-1所示电化学光整前后工件表所示电化学光整前后工件表面微观轮廓面微观轮廓2.2电化学光整加工的影响因素电化学光整加工的影响因素 图图2-2 2-2 电流密度和表面粗糙度的关系电流密度和表面粗糙度的关系
8、图图2-4 2-4 加工加工间间隙和表面粗糙度的关系隙和表面粗糙度的关系图图2-3 2-3 电解液浓度和表面粗糙度的关系电解液浓度和表面粗糙度的关系 在在电电化化学学光光整整加加工工过过程程中中有有时时会会有有电电火火花花出出现现，此此时时工工件件的的表表面面质质量量受受到到比比较较严严重重的的破破坏坏，其其表表面面如如图图2-52-5所所示示，产产生生这这种种现现象象的的主主要要原原因因有有两两个：个：（1 1）短路短路（2 2）极间间隙过小）极间间隙过小图图2-5 2-5 被破坏的工件阳极和工具阴极表面被破坏的工件阳极和工具阴极表面 3.3.表面微观形貌对摩擦磨损特性的影响及其实验研究表面
9、微观形貌对摩擦磨损特性的影响及其实验研究 3.13.1实验目的及设计实验目的及设计 观观察察工工件件阳阳极极表表面面微微观观轮轮廓廓在在电电化化学学光光整整加加工工前前后后的的变变化化，研研究究表表面面微微观观形形貌貌对对摩摩擦擦磨磨损损特特性性的的影影响响，提提出出改改善善摩摩擦擦副副表表面面磨磨损损状状况况的的方方案。案。3.1.13.1.1电化学光整加工实验平台的建立电化学光整加工实验平台的建立 按按照照电电化化学学光光整整加加工工的的设设备备条条件件和和工工作作原原理理，在在普普通通车车床床的的基基础础上上，增增加加供供电电系系统统、供供液液系系统统。实实验验过过程程中中自自行行研研制
10、制供供电电系系统统，把把加加工工用用的的脉脉冲冲电电流流传传输输给给工工件件，同同时时要要保保证证车车床床与与工工件件之之间间的的绝绝缘缘性性，以以防防发发生生意外。意外。磨磨损损试试验验的的上上试试样样尺尺寸寸为为7 7 mmmm7 7 mmmm32 32 mmmm的的方方块块摩摩擦擦副副 ，下下试试样样为为外外直径为直径为40mm40mm，内径为，内径为16.1 mm 16.1 mm 的圆环摩擦副，如图的圆环摩擦副，如图3-13-1（a a）、（）、（b b）所示。）所示。（a a）磨损试验的上试样磨损试验的上试样 （b b）磨损试验的下试样）磨损试验的下试样 图图3-2 3-2 三坐标测
11、量仪三坐标测量仪 图图3-3 3-3 测量过程测量过程 通通过过在在各各种种精精密密机机床床上上加加工工出出所所需需要要的的标标准准试试件件，经经过过热热处处理理方方式式达达到到实实验验要要求求的的试试件件硬硬度度。热热处处理理加加工工所所用用的的设设备备和和硬硬度度测测量量仪仪器器如如图图3-43-4，3-53-5所所示示，热热处处理理后后的的试试件件如如图图3-63-6所所示示，试试件件的的热热处处理理条条件件如如下下表表1 1所述：所述：表表1 1 试件的热处理条件试件的热处理条件试件材料试件材料热处理方式热处理方式热处理温度热处理温度（）热处理时间（热处理时间（minmin）硬度（硬度
12、（HRCHRC）45#45#钢钢淬火淬火840 840 1 h1 h5757图图3-43-4热处理设备热处理设备 图图3-53-5硬度测量仪硬度测量仪 图图3-63-6热处理后的试件热处理后的试件 图图3-83-8电光天平电光天平磨损实验磨损实验 摩摩擦擦磨磨损损实实验验分分别别在在电电化化学学光光整整加加工工前前后后的的摩摩擦擦副副表表面面上上进进行行，摩摩擦擦形形式式为为销销-盘盘式式干干滑滑动动摩摩擦擦。磨磨损损前前后后的的试试件件用用精精度度0.1mg0.1mg的的电电光光天天平平称称重重，3-83-8如图所示。如图所示。图图3-7 3-7 摩擦磨损实验装置图摩擦磨损实验装置图 一一般
13、般摩摩擦擦副副表表面面质质量量较较差差，工工件件长长期期与与空空气气接接触触，在在其其表表面面会会形形成成一一层层氧氧化化膜膜甚甚至至会会形形成成锈锈层层，出出现现麻麻点点，如如图图3-93-9所所示示。工工件件阳阳极极表表面面的的锈锈层层或或氧氧化化膜膜严严重重影影响响导导电电率率，降降低低加加工工过过程程中中的的电电流流密密度度，从从而而降降低低电电化化学学光整加工效率和阳极表面质量。光整加工效率和阳极表面质量。图图3-93-9表面锈层的阳极初始表面表面锈层的阳极初始表面 试试件件是是表表面面预预处处理理过过的的摩摩擦擦副副，在在本本次次试试验验中中，所所需需实实验验物物品品及及实实验验条
14、件如下表条件如下表2 2所述：所述：工件阳极工件阳极材料为材料为4545号钢的圆环和长方体摩擦副试件号钢的圆环和长方体摩擦副试件工具阴极工具阴极材料为铜的长方体材料为铜的长方体 电解电解液浓度液浓度电解液浓度为电解液浓度为18%18%20%20%的中性盐溶液的中性盐溶液 电流电流电流电流100100150A150A，电压，电压10V10V 极间间隙极间间隙0.2mm0.2mm图图3-103-10光整加工前的阳极表面光整加工前的阳极表面 图图3-113-11工具阴极形状和实际工作面工具阴极形状和实际工作面 电化学光整加工试验将选用电化学光整加工试验将选用C620C620型号的普通车床。其实验原理
15、及实验型号的普通车床。其实验原理及实验平台图如图平台图如图3-123-12所示。所示。表表2 2电化学光整加工实验条件电化学光整加工实验条件实验对象实验对象1 1电源电源 2 2工具阴极工具阴极 3 3工件阳极工件阳极 4 4流量阀流量阀 5 5泵泵 6 6电解液电解液 7 7过滤网过滤网图图3-123-12电化学光整加工原理及实验平台电化学光整加工原理及实验平台加工间隙加工间隙图图3-13 3-13 阴极与阳极的相对位置阴极与阳极的相对位置 电电化化学学光光整整加加工工前前的的阳阳极极表表面面微微观观轮轮廓廓是是尖尖峰峰形形状状，如如图图3-3-1414（a a）所所示示。加加工工后后的的阳
16、阳极极表表面面微微观观几几何何轮轮廓廓呈呈现现出出不不易易结结垢垢的的圆圆弧弧形形状状，如如图图3-143-14（b b）所所示示。这这种种表表面面的的粗粗糙糙度度值值和和粗粗糙糙峰峰所所承承受受的的单单位载荷小，工件表面的抗磨损性能好。位载荷小，工件表面的抗磨损性能好。a a）电化学光整加工前）电化学光整加工前b b）电化学光整加工后）电化学光整加工后 有关表面微观形貌的观察在有关表面微观形貌的观察在LED-1430VPLED-1430VP型扫描电子显微镜上完成，将型扫描电子显微镜上完成，将电化学光整加工前后的工件表面电化学光整加工前后的工件表面形貌及形貌及磨损特性进行分析。磨损特性进行分析。图图3-143-14电化学光整加工前后的试件表面及其微观轮廓电化学光整加工前后的试件表面及其微观轮廓4.4.分析及比较不同表面微观形貌对摩擦磨损特性的影响分析及比较不同表面微观形貌对摩擦磨损特性的影响 在在同同样样的的表表面面粗粗糙糙度度情情况况下下，不不同同的的表表面面加加工工方方法法形形成成不不同同的的微微凸凸体体形形状状以以及及分分布布特特征征，如如图图4-14-1所所示示。因因此此，不不
