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 机械密封是流体机械和动力机械的主要部件。机械密封工作面的磨机械密封是流体机械和动力机械的主要部件。机械密封工作面的磨损影响着整个机械密封的工作性能，损影响着整个机械密封的工作性能，目前大多数机械密封的失效基本上是目前大多数机械密封的失效基本上是表面磨损而引起。表面磨损而引起。因此，减少磨损以及提高润滑性能的各种手段或方法倍因此，减少磨损以及提高润滑性能的各种手段或方法倍受关注，受关注，
3、通过采用各种表面加工方法改造密封端面的表面微观形貌可以提通过采用各种表面加工方法改造密封端面的表面微观形貌可以提高机械密封的密封性能、降低磨损、延长使用寿命。高机械密封的密封性能、降低磨损、延长使用寿命。目前零部件表面的加目前零部件表面的加工多采用超精研磨，加工后的表面微观形貌为尖峰形状，表面存在磨料的工多采用超精研磨，加工后的表面微观形貌为尖峰形状，表面存在磨料的切削痕迹，磨损量大。切削痕迹，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)研制电化学光整加工的机械密封摩擦副研制电化学光整加工的机械密封摩擦副,对于保护环境、节省能源
4、有对于保护环境、节省能源有重要的意义。重要的意义。(2)(2)研究电化学光整加工表面的微观形貌及其对磨损特性的影响是实现零研究电化学光整加工表面的微观形貌及其对磨损特性的影响是实现零泄漏、非接触式的高性能机械密封的要求。促进表面形貌结构特点对摩泄漏、非接触式的高性能机械密封的要求。促进表面形貌结构特点对摩擦、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
5、程中形成动压效应，从而达到降低磨损的目的，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。本文以机械密封摩擦副表面作为研究对象，采用电化学光整加工方法本文以机械密封摩擦副表面作为研究对象，采用电化学光整加工方法加工工件表面，深入研究电化学光整加工前后的表面微观
6、形貌对密封性加工工件表面，深入研究电化学光整加工前后的表面微观形貌对密封性能和磨损特性的影响。本文的关键问题和技术难点是如何同时获得机械能和磨损特性的影响。本文的关键问题和技术难点是如何同时获得机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.电化学光整加工的基本理论电化学光整加工的基本理论2.12.1电化学光整加工整平机理电化学光整加工整平机理 机械加工后的工件表面微观几何轮廓呈现出高低不平的尖峰状，机械加工后的工件表面微观几何轮廓呈现出高低不平的
7、尖峰状，因为工件阳极表面微观轮廓的高低不平，电化学阳极溶解速度存在因为工件阳极表面微观轮廓的高低不平，电化学阳极溶解速度存在差异，工件差异，工件阳极尖峰处电化学溶解速度高于凹坑处电化学溶解速度，阳极尖峰处电化学溶解速度高于凹坑处电化学溶解速度，经过一段时间后，工件阳极表面微观轮廓的高度值降低，变为圆弧经过一段时间后，工件阳极表面微观轮廓的高度值降低，变为圆弧形，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
8、面粗糙度的关系电流密度和表面粗糙度的关系 图图2-4 2-4 加工间隙和表面粗糙度的关系加工间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 在电化学光整加工过程中有时会有电火花出现，此时工件的表面质量在电化学光整加工过程中有时会有电火花出现，此时工件的表面质量受到比较严重的破坏，其表面如图受到比较严重的破坏，其表面如图2-52-5所示，产生这种现象的主要原因有所示，产生这种现象的主要原因有两个：两个：（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.
9、表面微观形貌对摩擦磨损特性的影响及其实验研究表面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 观察工件阳极表面微观轮廓在电化学光整加工前后的变化，研究表观察工件阳极表面微观轮廓在电化学光整加工前后的变化，研究表面微观形貌对摩擦磨损特性的影响，提出改善摩擦副表面磨损状况的方面微观形貌对摩擦磨损特性的影响，提出改善摩擦副表面磨损状况的方案。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 按照电化学光整加工的设备条件和工作原理，在普通车床的基础上，按照电化学光整加工的设备条件和工作原理，在普通车床的基础上，增加供电系统、供液系统
10、。实验过程中自行研制供电系统，把加工用的增加供电系统、供液系统。实验过程中自行研制供电系统，把加工用的脉冲电流传输给工件，同时要保证车床与工件之间的绝缘性，以防发生脉冲电流传输给工件，同时要保证车床与工件之间的绝缘性，以防发生意外。意外。磨损试验的上试样尺寸为磨损试验的上试样尺寸为7 mm7 mm7 mm7 mm32 mm32 mm的方块摩擦副的方块摩擦副 ，下试样为外，下试样为外直径为直径为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
11、b）磨损试验的下试样）磨损试验的下试样 图图3-2 3-2 三坐标测量仪三坐标测量仪 图图3-3 3-3 测量过程测量过程 通过在各种精密机床上加工出所需要的标准试件，经过热处理方式通过在各种精密机床上加工出所需要的标准试件，经过热处理方式达到实验要求的试件硬度。热处理加工所用的设备和硬度测量仪器如图达到实验要求的试件硬度。热处理加工所用的设备和硬度测量仪器如图3-43-4，3-53-5所示，热处理后的试件如图所示，热处理后的试件如图3-63-6所示，试件的热处理条件如下所示，试件的热处理条件如下表表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
12、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（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 摩擦磨损实验分别在电化学光整加工前后的摩擦副表面上进行，摩擦摩擦磨损实验分别在电化学光整加工前后的摩擦副表面上进行，摩擦形式为销形式为销-盘式干滑动摩擦。磨损前后的试件用精度盘式干滑动摩擦。磨损前后的试件用精度0.1mg0.1mg的电光天平称重，的电光天平称重，3-83-
13、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 一般摩擦副表面质量较差，工件长期与空气接触，在其表面会形成一一般摩擦副表面质量较差，工件长期与空气接触，在其表面会形成一层氧化膜甚至会形成锈层，出现麻点，如图层氧化膜甚至会形成锈层，出现麻点，如图3-93-9所示。工件阳极表面的锈所示。工件阳极表面的锈层或氧化膜严重影响导电率，降低加工过程中的电流密度，从而降低电化层或氧化膜严重影响导电率，降低加工过程中的电流密度，从而降低电化学光整加工效率和阳极表面质量。学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 试件是表面预处理过
14、的摩擦副，在本次试验中，所需实验物品及实验试件是表面预处理过的摩擦副，在本次试验中，所需实验物品及实验条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100150A100150A，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
15、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11电源电源 22工具阴极工具阴极 33工件阳极工件阳极 44流量阀流量阀 55泵泵 66电解液电解液 77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 电化学光整加工前的阳极表面微观轮廓是尖峰形状，电化学光整加工前
16、的阳极表面微观轮廓是尖峰形状，如图如图3-143-14（a a）所示。加工后的阳极表面微观几何轮廓呈现出不易结垢的圆弧形状，如所示。加工后的阳极表面微观几何轮廓呈现出不易结垢的圆弧形状，如图图3-143-14（b b）所示。这种表面的）所示。这种表面的粗糙度值和粗糙峰所承受的单位载荷小，粗糙度值和粗糙峰所承受的单位载荷小，工件表面的抗磨损性能好。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
17、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 在同样的表面粗糙度情况下，不同的表面加工方法形成不同的微凸体在同样的表面粗糙度情况下，不同的表面加工方法形成不同的微凸体形状以及分布特征，如图形状以及分布特征，如图4-14-1所示。因此，不同表面所示。因此，不同表面微观轮廓微观轮廓的接触性质极的接触性质极其对磨损特性的影响也有差别。其对磨损特性
18、的影响也有差别。图图4-14-1具有相同粗糙度具有相同粗糙度Ra的不同表面轮廓的不同表面轮廓 图图4-2 LEO1430VP4-2 LEO1430VP扫描电子显微镜扫描电子显微镜4.14.1分析及对比分析及对比电化学光整加工前后的电化学光整加工前后的摩擦副表面摩擦副表面微观形貌微观形貌（1 1）从）从3-14a3-14a、b b图中发现：图（图中发现：图（a a）中表面磨痕逐渐变宽、变深，磨损表）中表面磨痕逐渐变宽、变深，磨损表面充满磨屑。而图（面充满磨屑。而图（b b）中，）中，试样表面形成完整、致密、磨屑面积少。试样表面形成完整、致密、磨屑面积少。（2 2）电化学光整加工前的表面缺陷很大，
19、经过电化学光整加工后，工件表）电化学光整加工前的表面缺陷很大，经过电化学光整加工后，工件表面的界面轮廓有所改善，表面变得光滑。面的界面轮廓有所改善，表面变得光滑。4.24.2电化学光整加工前后的试样表面磨损的比较电化学光整加工前后的试样表面磨损的比较 根据电化学光整加工前后的根据电化学光整加工前后的试件试件表面表面微观形貌微观形貌在相同转速、在相同转速、80N80N载荷，载荷，不同时间条件下进行干滑动摩擦磨损实验所得出的数据可做出如下不同时间条件下进行干滑动摩擦磨损实验所得出的数据可做出如下4-34-3（a a）、（）、（b b）曲线图：）曲线图：a a）加工前的表面磨损量）加工前的表面磨损量
20、b b）加工后的表面磨损量）加工后的表面磨损量 经过实验研究可知，电化学光整加工前的工件表面摩擦系数大于加工经过实验研究可知，电化学光整加工前的工件表面摩擦系数大于加工后的表面摩擦系数，这是因为，电化学光整加工的圆弧形表面形貌有利于后的表面摩擦系数，这是因为，电化学光整加工的圆弧形表面形貌有利于储存润滑油，从而表面得到润滑，降低摩擦系数。储存润滑油，从而表面得到润滑，降低摩擦系数。通过对如上两幅图显示的不同表面形貌的试样磨损量进行对比，可以发现：通过对如上两幅图显示的不同表面形貌的试样磨损量进行对比，可以发现：(1)(1)试样在不同时间内初始时间的磨损量比较大，后面就逐渐平缓。因此，试样在不同
21、时间内初始时间的磨损量比较大，后面就逐渐平缓。因此，可以推测，在可以推测，在“跑合跑合”期间，随时间的延长，试样的磨损量逐渐增大。期间，随时间的延长，试样的磨损量逐渐增大。“跑合跑合”结束以后，磨损量基本趋于稳定。结束以后，磨损量基本趋于稳定。(2)(2)随着时间的延长和载荷的增加，表面温度升高，表面形貌变粗糙，从随着时间的延长和载荷的增加，表面温度升高，表面形貌变粗糙，从而影响工件的摩擦行为，表面磨损量不断增加，但是增幅减小。而影响工件的摩擦行为，表面磨损量不断增加，但是增幅减小。图图4-44-4电化学光整加工前后表面的磨损状况比较电化学光整加工前后表面的磨损状况比较 在粗糙度相同的情况下，
22、机械加工的尖峰应力集中严重，而电化学在粗糙度相同的情况下，机械加工的尖峰应力集中严重，而电化学光整加工表面则没有这种缺陷。由图光整加工表面则没有这种缺陷。由图4-64-6可以看出，无论是初磨损还是正可以看出，无论是初磨损还是正常磨损机械加工表面的磨损都远远大于电化学光整加工表面的磨损。常磨损机械加工表面的磨损都远远大于电化学光整加工表面的磨损。结论结论电化学加工方法又是获得较好的复杂形状和有利于促进油膜形成的电化学加工方法又是获得较好的复杂形状和有利于促进油膜形成的有效加工方法，是一种新型、有效的机械密封工作面加工方法。有效加工方法，是一种新型、有效的机械密封工作面加工方法。本文研究了电化学光
23、整加工的机械密封表面形貌对磨损特性的影响，本文研究了电化学光整加工的机械密封表面形貌对磨损特性的影响，同时分析表面形貌对密封性能的影响。同时分析表面形貌对密封性能的影响。经实验和实践充分表明，将电化学光整加工技术应用于机械密封工经实验和实践充分表明，将电化学光整加工技术应用于机械密封工作面的加工上，不仅能够大幅度提高机械密封表面的表面质量，而且也作面的加工上，不仅能够大幅度提高机械密封表面的表面质量，而且也使得机械密封表面获得较规则的、不易磨损的表面微观几何轮廓，为机使得机械密封表面获得较规则的、不易磨损的表面微观几何轮廓，为机械密封密封性的提高提供了技术支持。械密封密封性的提高提供了技术支持
24、。大量的实验研究证明，利用电化学光整加工方法可大幅度提高机械大量的实验研究证明，利用电化学光整加工方法可大幅度提高机械密封表面的表面质量，从而改善了机械密封的密封性能和延长了使用寿密封表面的表面质量，从而改善了机械密封的密封性能和延长了使用寿命。本文研的核心研究成果有命。本文研的核心研究成果有:展望展望电化学光整加工工艺系统是一个相当复杂的系统，在实际电化学光整加工工艺系统是一个相当复杂的系统，在实际生产过程中还存在许多问题有待解决生产过程中还存在许多问题有待解决。今后需要进一步深入研究今后需要进一步深入研究和完善机械密封表面的电化学光和完善机械密封表面的电化学光整加工工艺。整加工工艺。往后的
25、研究工作中进一步拓展电化学光整加工方法在机械往后的研究工作中进一步拓展电化学光整加工方法在机械密封动压槽加工的应用范围。密封动压槽加工的应用范围。研究生期间发表论文研究生期间发表论文11基于表面微观几何形貌对摩擦磨损特性的影响研究（已基于表面微观几何形貌对摩擦磨损特性的影响研究（已投稿）投稿）致谢谢 特别感谢两年的研究生学习阶段给予我许多帮助和指特别感谢两年的研究生学习阶段给予我许多帮助和指导的阿达依导的阿达依谢尔亚孜旦老师，感谢所有帮助过我的老师谢尔亚孜旦老师，感谢所有帮助过我的老师们和同学们，感谢家人一直以来对我的关心和支持。感谢们和同学们，感谢家人一直以来对我的关心和支持。感谢今天来参加答辩的所有老师和专家、同学们。今天来参加答辩的所有老师和专家、同学们。感谢国家自然科学基金项目（项目编号：感谢国家自然科学基金项目（项目编号：5096501750965017）和西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室开放项目和西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室开放项目（项目编号：（项目编号：201011201011）本课题的资助本课题的资助。
