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脉冲电化学去毛刺工艺 |
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作者：佛山科学技术学院 安军 来源：《工具技术》 |
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摘要：介绍了脉冲电化学去毛刺工艺的加工机理及工艺要点(工具阴极、脉冲电源、电解液等)，并给出了加工实例。
1 引言
机械零件在制造加工过程中产生的毛刺不仅直接影响零件本身的精度和外观质量，还会影响整个产品的使用性能和寿命。此外，由于去毛刺工序要花费工时和费用，因此将直接影响产品的成本和价格，成为降低生产成本的障碍之一，全世界每年花费在去毛刺方面的费用约为100亿美元。目前，国外已从系统工程的角度来研究毛刺问题，并成立了“世界去毛刺协会”(Worldwide Burr Technology Committee，WBTC)，大力实施“毛刺工程”(Burr Engineering)。去毛刺工艺属于表面光整加工范畴，目前主要采用刮刀、油石、砂布、钢丝刷轮、滚磨、振动、喷沙和撞击等手工或机械方式以及化学、高温、水射流、磨粒挤压、电化学、脉冲电化学等非机械方式去除毛刺(航空业还采用机器人打磨等方式去毛刺)，这些不同的去毛刺方法各有利弊。去毛刺一般为零件的最终精加工工序，因此在去除毛刺的同时还必须保证零件具有良好的表面质量，其加工效果与选用的去毛刺工艺方法密切相关。
2 脉冲电化学去毛刺加工机理
脉冲电化学去毛刺是一种符合“绿色制造”要求的先进去毛刺工艺。该工艺采用脉冲电源代替直流电源，并在非线性电解液中进行加工；加工时，工件接脉冲电源的正极，与毛刺部位相对应的工具电极接脉冲电源的负极，工件阳极与工具阴极之间保持较小的加工间隙，且工具阴极无进给。该工艺具有以下特点：①由于加工所用电解液为中性无机盐水溶液，因此不会污染环境；②由于脉冲电流的间隙作用和压力波的搅拌作用改善了加工间隙内的电场和流场条件，降低了对电解液流动特性的要求，因此有利于获得稳定、理想的加工过程；③由于在加工过程中无切削力，不会形成附加应力和表面变质层，因此可改善加工表面微观几何形貌以及零件的物理、化学和机械性能。
图1 脉冲电化学去毛刺加工的基本原理
脉冲电化学去毛刺加工的基本原理如图1所示。工件接脉冲电源的正极，工具电极接脉冲电源的负极，工具阴极与工件毛刺部位对应放置。加工时，首先在加工间隙内加入电解液，然后接通脉冲电源，此时工件阳极表面将发生氧化反应，工具阴极则将发生还原反应。工件阳极的基本电化学反应式为
M-ne→Mn+
Mn++n(OH)→Fe(OH)n↓
工具(阴极)的基本电化学反应式为
2H++2e→H2↓
加工时，在工件阳极附近形成一层很薄的氧化膜，可在工件阳极与电解液之间起到隔离作用。该氧化膜具有较高的电阻和较小的电导率，可阻止工件阳极表面进一步溶解，对工件阳极具有一定保护作用。在电解液的快速冲刷作用下，工件阳极表面凹陷处的氧化膜因不易扩散而较厚；工件阳极表面凸出处(如毛刺、微观凸出部位等)的氧化膜因容易扩散而较薄。由于氧化膜的分布不均匀，使毛刺等凸出部位始终与新鲜的电解液接触，因此毛刺部位的金属溶解速度远大于阳极表面的其它部位，从而使毛刺被迅速溶解、去除。
在阳极溶解过程中，根据电化学加工基本规律(法拉第电解定律)可推导出金属阳极(工件)沿进给方向的深度蚀除速度va(mm/min)为
va=hwi
式中：h——电流效率
w——被电解物质的体积电化学当量(mm3/A·h)
i——电流密度(A/cm2)
当电解液的成分、浓度、加工温度等参数确定后，阳极某点的蚀除速度主要取决于通过该点的电流密度i。
根据电场理论可知，在零件表面毛刺等凸出部位电荷较集中，在表面凹陷处电荷则较少。由于电力线分布不均匀，凸出部位的电力线分布密集，电流密度高，金属去除较多(见图2)；凹陷部位的电力线分布相对稀疏，电流密度较低，金属去除较少。由于毛刺处通过的电流密度远大于工件阳极表面的其它部位，因此毛刺被迅速溶解。
图2 电力线分布示意图
综上所述，由于氧化膜分布不均匀，工件阳极表面毛刺等凸出部位氧化膜较薄，可始终与新鲜电解液保持接触，因此电化学反应速度快；由于电力线分布不均匀，工件阳极表面毛刺等凸出部位电力线分布密集，电流密度大，蚀除速度较快。因此，脉冲电化学去毛刺加工可达到迅速去除、溶解毛刺并形成光滑圆角的目的。通过合理采用工具阴极遮蔽技术，可有选择地去除毛刺，不会影响工件阳极表面原有的尺寸精度和表面质量。
3 脉冲电化学去毛刺工艺要点
影响脉冲电化学去毛刺加工效果的工艺因素较多，如工具阴极的合理设计、脉冲电源的参数选择、电解液的成分、浓度、压力和流速、极间间隙、电流密度、加工时间、流场特性等。
1) 工具阴极
工具阴极应根据具体毛刺情况进行合理设计，设计时应注意应用遮蔽技术，以保证在高效去除毛刺的同时保护工件阳极表面其它非毛刺部位的原有精度和表面质量。此外，还应满足脉冲电化学加工的基本原则，即使电解液快速、均匀地冲刷加工部分，保证流场分布均匀、合理。由于电极表面质量直接影响去除毛刺部位的表面质量，因此要求工具阴极表面平整、光滑。
2) 脉冲电源
理论研究和加工实践表明，采用脉冲电源代替直流电源进行去毛刺加工，可有效提高加工精度和表面质量。在加工中，一般采用较窄的脉冲宽度和较高的脉冲频率进行加工。由于脉冲电流的间隙作用和阶跃变化，使加工间隙中的电解液发生振荡，产生压力波，压力波的搅拌作用可改善加工间隙中电解液的流动条件，加速更新间隙中的电解液，消除加工间隙中电解液电导率分布的不均匀性，从而提高加工精度，改善表面粗糙度。此外，由于电解液的周期性更新，使间隙内的电化学产物(阳极去除的金属、阴极析出的氢气和产生的焦耳热等)可及时、充分地排除。脉冲电源参数应根据加工条件合理选择。
3) 电解液
电解液成分是影响加工质量的主要因素。以中性无机盐为主要成分的非线性电解液具有适用范围广、易于控制、杂散腐蚀小、加工表面质量好、对环境无污染等特点。加工时，应根据毛刺的大小确定电解液的具体成分，同时合理设计电解液的流向、流速及压力，以便将去除的毛刺迅速冲离加工间隙，以免造成短路。
4) 其它工艺因素
合理选择阴、阳极之间的间隙有利于提高蚀除速度和加工精度，改善加工表面质量。电流密度和加工时间的选择也十分重要，电流密度过大会加剧杂散腐蚀，电流密度过小则会降低加工效率，延长加工时间，而加工时间过长会加剧晶界腐蚀。在满足毛刺去除效率的前提下，加工时间主要应根据加工圆角的大小来确定。
4 应用实例
脉冲电化学去毛刺工艺已成功运用于喷油嘴内孔、液压阀体内孔、活塞套、轴承保持架以及纺机分梳辊用金属针布等零件的去毛刺加工，去除毛刺的效果良好，形成了要求的光滑圆弧，且获得了较好的表面质量。
喷油嘴内孔去毛刺
喷油嘴内孔孔径一般为0.25～0.5mm，去毛刺工艺装置见图3。采用正交试验法得出优选工艺参数为：电解液为浓度约12%的硝酸钠溶液，加工间歇0.1mm，脉冲宽度200μs，脉冲频率1000Hz，加工电流5A，加工电压15V，加工时间6s。加工后成功去除了喷油嘴内孔毛刺，并形成了约R0.1mm圆角，加工表面粗糙度达到Ra1.6μm。
图3 喷油嘴内孔去毛刺示意图
金属针布去毛刺
纺织机械中的分梳辊用金属针布外形如图4所示。由于该零件为低刚度薄壁零件，采用机加工方法去毛刺较困难。采用脉冲电化学去毛刺时，优化工艺参数为：电解液为浓度约10%的硝酸钠溶液，加工间隙0.2mm，脉冲周期1ms，脉冲间隔0.5ms，加工电流5A，加工电压10V，加工时间5s。去毛刺效果及加工表面质量良好。
图4 金属针布外形
由于电解液具有一定腐蚀作用，因此脉冲电化学去毛刺加工后应采用超声波清洗等方法及时清洗工件，也可采用硝酸钠和亚硝酸钠水溶液进行防腐处理。
脉冲电化学去毛刺工艺设备简单、操作方便、应用范围广(尤其适用于薄壁件和刚性较差的零件)、加工效率高，具有良好的应用前景。 (end)
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(4/16/2008) |
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