微细电火花线切割加工(Micro Wire Electrical Discharge Machining,简称 MWEDM)以其独特有效的精细加工方式,在微机电系统(MEMS)制造领域发挥了重要作用。微细电火花线切割加工表面质量直接影响零件的使用性能和工作寿命。截止到目前,国内外针对微细电火花线切割加工的研究主要集中在脉冲电源、电极丝损耗、切割工艺、控制系统等方面。对表面结构和表面特性的研究尚未建立系统的评价体系,对表面特有的摩擦磨损、耐腐蚀等功能特性的研究尚未系统地开展。因此,对表面质量研究的不足必然会影响这一技术的发展和应用。本文从理论分析和实验的角度,首先研究微细电火花线切割加工表面质量,以此为基础,开展表面功能特性研究,建立表面微观形貌与功能特性之间的关系并对其进行评价。本文从数学形态学角度,研究微细电火花线切割加工表面的几何结构。通过扫描电镜和原子力显微镜分析,发现表面是由近于半椭球的圆滑凸峰和凹坑相间分布构成,凸峰和凹坑的体积、所占面积基本相同;建立放电的物理模型,分析表面形成凸峰与凹坑的热载荷机制,凸峰与凹坑在加工表面所占的比例、峰的高度、坑的深度随放电能量的变化规律;根据微细电火花线切割的加工机理,建立表面微观形貌数学模型,通过仿真证实研究方法的正确性;基于功率谱密度函数、表面谱距、表面高度分布函数研究了微细电火花线切割加工表面形貌的统计特性,结果表明:幅度分布近似符合高斯分布,各向同性,均一性好。根据微细电火花线切割加工过程以热载荷为主的特点,重点研究表面变质层、显微硬度和残余应力等机械性能。分析表面变质层的组成、金相组织、变质层厚度随放电能量的变化规律,测试从表面变质层到基体的显微硬度和残余应力。研究表明:表面变质层由熔化凝固层(也称白层)和热影响层组成,层内存在残余拉应力,因而工件表面产生微裂纹,白层的显微硬度高。研究点接触和面接触两种摩擦类型分别在干摩擦和油润滑状态下的摩擦磨损过程,得到了载荷、频率(速度)和时间对摩擦磨损性能的影响规律,建立摩擦表面粘着效应、犁沟效应和混合润滑模型,推导摩擦系数和磨损量的计算公式。研究表明:微细电火花线切割加工表面比超精磨削加工表面具有更低摩擦系数、更低的磨损率以及更高的磨损寿命。通过不同状态下摩擦磨损行为的研究,发现在干摩擦状态下,以粘着、变形的磨损形式为主;在润滑状态下,具有微凸体接触、边界润滑和流体润滑的混合摩擦机制。基于摩擦磨损机理,研究不同载荷下,三维表面粗糙度的幅度参数、功能参数和混合参数在摩擦磨损过程中的变化规律;幅度参数中,表面的算术平均偏差Sa与摩擦系数和磨损率相关性最好;功能参数中,表面承载指数Sbi、中心液体滞留指数Sci可作为控制表面支撑性能和润滑性能的主要参数;表面粗糙度参数Sa、Sbi、Sci三个参数联合使用,可作为评价微细电火花线切割加工表面耐磨性能的重要指标;根据表面特有的几何结构,计算并分析采用高斯曲率Sgc表征三维半球体凸峰曲率变化的准确性以及在摩擦磨损过程中Sgc的变化趋势;根据与摩擦磨损的相关程度和表征的全面性,提出微细电火花线切割加工表面的评价参数体系。采用电化学方法对微细电火花线切割加工表面和磨削加工表面耐腐蚀性能进行对比研究。发现微细电火花线切割加工的耐腐蚀性能比磨削加工好;磨削加工表面的粗糙度值越低则越耐腐蚀,但是微细电火花线切割加工随着放电能量增加,耐腐蚀性越好,但达到一定能量之后,耐腐蚀性逐步变差。不同工件材料对应有最佳的放电能量。采用层次分析方法,对微细电火花线切割加工表面进行完整性研究。建立微细电火花线切割加工表面完整性层次分析结构,研究表面粗糙度参数和表面性能指标对表面完整性的影响,表明微细电火花线切割加工表面的完整性良好。