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电化学去毛刺工艺
摘要: 介绍了脉冲电化学去毛刺工艺加工机理及工艺关键点(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毛刺不仅直接影响零件本身精度和外观质量, 还会影响整个产品使用性能和寿命。另外, 因为去毛刺工序要花费工时和费用, 所以将直接影响产品成本和价格, 成为降低生产成本障碍之一, 全世界每年花费在去毛刺方面费用约为100亿美元。现在, 国外已从系统工程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围, 现在关键采取刮刀、 油石、 砂布、 钢丝刷轮、 滚磨、 振动、 喷沙和撞击等手工或机械方法以及化学、 高温、 水射流、 磨粒挤压、 电化学、 脉冲电化学等非机械方法去除毛刺(航空业还采取机器人打磨等方法去毛刺), 这些不一样去毛刺方法各有利弊。去毛刺通常为零件最终精加工工序, 所以在去除毛刺同时还必需确保零件含有良好表面质量, 其加工效果与选择去毛刺工艺方法亲密相关。
2 脉冲电化学去毛刺加工机理
脉冲电化学去毛刺是一个符合“绿色制造”要求优异去毛刺工艺。该工艺采取脉冲电源替换直流电源, 并在非线性电解液中进行加工; 加工时, 工件接脉冲电源正极, 与毛刺部位相对应工具电极接脉冲电源负极, 工件阳极与工具阴极之间保持较小加工间隙, 且工具阴极无进给。该工艺含有以下特点: ①因为加工所用电解液为中性无机盐水溶液, 所以不会污染环境; ②因为脉冲电流间隙作用和压力波搅拌作用改善了加工间隙内电场和流场条件, 降低了对电解液流动特征要求, 所以有利于取得稳定、 理想加工过程; ③因为在加工过程中无切削力, 不会形成附加应力和表面变质层, 所以可改善加工表面微观几何形貌以及零件物理、 化学和机械性能。

图1 脉冲电化学去毛刺加工基础原理
脉冲电化学去毛刺加工基础原理如图1所表示。工件接脉冲电源正极, 工具电极接脉冲电源负极, 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。工件阳极基础电化学反应式为
M-ne→Mn+
Mn++n(OH)→Fe(OH)n↓
工具(阴极)基础电化学反应式为
2H++2e→H2↓
加工时, 在工件阳极周围形成一层很薄氧化膜, 可在工件阳极与电解液之间起到隔离作用。该氧化膜含有较高电阻和较小电导率, 可阻止工件阳极表面深入溶解, 对工件阳极含有一定保护作用。在电解液快速冲刷作用下, 工件阳极表面凹陷处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)氧化膜因轻易扩散而较薄。因为氧化膜分布不均匀, 使毛刺等凸出部位一直与新鲜电解液接触, 所以毛刺部位金属溶解速度远大于阳极表面其它部位, 从而使毛刺被快速溶解、 去除。
在阳极溶解过程中, 依据电化学加工基础规律(法拉第电解定律)可推导出金属阳极(工件)沿进给方向深度蚀除速度va(mm/min)为
va=hwi
式中: h——电流效率
w——被电解物质体积电化学当量(mm3/A·h)
i——电流密度(A/cm2)
当电解液成份、 浓度、 加工温度等参数确定后, 阳极某点蚀除速度关键取决于经过该点电流密度i。
依据电场理论可知, 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。因为电力线分布不均匀, 凸出部位电力线分布密集, 电流密度高, 金属去除较多(见图2); 凹陷部位电力线分布相对稀疏, 电流密度较低, 金属去除较少。因为毛刺处经过电流密度远大于工件阳极表面其它部位, 所以毛刺被快速溶解。

图2 电力线分布示意图
总而言之, 因为氧化膜分布不均匀, 工件阳极表面毛刺等凸出部位氧化膜较薄, 可一直与新鲜电解液保持接触, 所以电化学反应速度快; 因为电力线分布不均匀, 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。所以, 脉冲电化学去毛刺加工可达成快速去除、 溶解毛刺并形成光滑圆角目。经过合理采取工具阴极遮蔽技术, 可有选择地去除毛刺, 不会影响工件阳极表面原有尺寸精度和表面质量。
3 脉冲电化学去毛刺工艺关键点
影响脉冲电化学去毛刺加工效果工艺原因较多, 如工具阴极合理设计、 脉冲电源参数选择、 电解液成份、 浓度、 压力和流速、 极间间隙、 电流密度、 加工时间、 流场特征等。
1) 工具阴极
工具阴极应依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, 以确保在高效去除毛刺同时保护工件阳极表面其它非毛刺部位原有精度和表面质量。另外, 还应满足脉冲电化学加工基础标准, 即使电解液快速、 均匀地冲刷加工部分, 确保流场分布均匀合理。因为电极表面质量直接影响去除毛刺部位表面质量所以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, 采取脉冲电源替换直流电源进行去毛刺加工, 可有效提升加工精度和表面质量。在加工中, 通常采取较窄脉冲宽度和较高脉冲频率进行加工。因为脉冲电流间隙作用和阶跃改变, 使加工间隙中电解液发生振荡, 产生压力波, 压力波搅拌作用可改善加工间隙中电解液流动条件, 加速更新间隙中电解液, 消除加工间隙中电解液电导率分布不均匀性, 从而提升加工精度, 改善表面粗糙度。另外, 因为电解液周期性更新, 使间隙内电化学产物(阳极去除金属、 阴极析出氢气和产生焦耳热等)可立刻、 充足地排除。脉冲电源参数应依据加工条件合理选择。
3) 电解液
电解液成份是影响加工质量关键原因。以中性无机盐为关键成份非线性电解液含有适用范围广、 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, 应依据毛刺大小确定电解液具体成份, 同时合理设计电解液流向、 流速及压力, 方便将去除毛刺快速冲离加工间隙, 以免造成短路。
4) 其它工艺原因
合理选择阴、 阳极之间间隙有利于提升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选择也十分关键, 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前提下, 加工时间关键应依据加工圆角大小来确定。
4 应用实例
脉冲电化学去毛刺工艺已成功利用于喷油嘴内孔、 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去毛刺加工, 去除毛刺效果良好, 形成了要求光滑圆弧, 且取得了很好表面质量。
喷油嘴内孔去毛刺
喷油嘴内孔孔径通常为0.25～0.5mm, 去毛刺工艺装置见图3。采取正交试验法得出优选工艺参数为: 电解液为浓度约12%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, 加工表面粗糙度达成Ra1.6µm。

图3 喷油嘴内孔去毛刺示意图
金属针布去毛刺

纺织机械中分梳辊用金属针布外形如图4所表示。因为该零件为低刚度薄壁零件, 采取机加工方法去毛刺较困难。采取脉冲电化学去毛刺时, 优化工艺参数为: 电解液为浓度约10%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
因为电解液含有一定腐蚀作用, 所以脉冲电化学去毛刺加工后应采取超声波清洗等方法立刻清洗工件, 也可采取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(尤其适适用于薄壁件和刚性较差零件)、 加工效率高, 含有良好应用前景。
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