電化學(xué)去毛刺工藝

1、電化學(xué)去毛刺工藝摘要：介紹了脈沖電化學(xué)去毛刺工藝的加工機(jī)理及工藝要點(diǎn)(工具陰極、脈沖電源、電解液等)，并給出了加工實(shí)例。1引言機(jī)械零件在制造加工過程中產(chǎn)生的毛刺不僅直接影響零件本身的精度和外觀質(zhì)量，還會(huì)影響 整個(gè)產(chǎn)品的使用性能和壽命。此外，由于去毛刺工序要花費(fèi)工時(shí)和費(fèi)用，因此將直接影響產(chǎn) 品的成本和價(jià)格，成為降低生產(chǎn)成本的障礙之一，全世界每年花費(fèi)在去毛刺方面的費(fèi)用約為 100億美元。目前，國(guó)外已從系統(tǒng)工程的角度來研究毛刺問題，并成立了世界去毛刺協(xié)會(huì)” (Worldwide Burr Tech nolog y Committee，WBTC)，大力實(shí)施 毛刺工程” (Burr Engineerin

2、g)。去毛刺工藝屬于表面光整加工范疇，目前主要采用刮刀、油石、砂布、鋼絲 刷輪、滾磨、振動(dòng)、噴沙和撞擊等手工或機(jī)械方式以及化學(xué)、高溫、水射流、磨粒擠壓、電 化學(xué)、脈沖電化學(xué)等非機(jī)械方式去除毛刺(航空業(yè)還采用機(jī)器人打磨等方式去毛刺)，這些不 同的去毛刺方法各有利弊。去毛刺一般為零件的最終精加工工序，因此在去除毛刺的同時(shí)還 必須保證零件具有良好的表面質(zhì)量，其加工效果與選用的去毛刺工藝方法密切相關(guān)。2脈沖電化學(xué)去毛刺加工機(jī)理脈沖電化學(xué)去毛刺是一種符合 綠色制造”要求的先進(jìn)去毛刺工藝。該工藝采用脈沖電源代替 直流電源，并在非線性電解液中進(jìn)行加工；加工時(shí)，工件接脈沖電源的正極，與毛刺部位相 對(duì)應(yīng)的工具電

3、極接脈沖電源的負(fù)極，工件陽(yáng)極與工具陰極之間保持較小的加工間隙，且工具 陰極無進(jìn)給。該工藝具有以下特點(diǎn)：由于加工所用電解液為中性無機(jī)鹽水溶液，因此不會(huì) 污染環(huán)境；由于脈沖電流的間隙作用和壓力波的攪拌作用改善了加工間隙內(nèi)的電場(chǎng)和流場(chǎng) 條件，降低了對(duì)電解液流動(dòng)特性的要求，因此有利于獲得穩(wěn)定、理想的加工過程；由于在 加工過程中無切削力，不會(huì)形成附加應(yīng)力和表面變質(zhì)層，因此可改善加工表面微觀幾何形貌 以及零件的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。圖1脈沖電化學(xué)去毛刺加工的基本原理脈沖電化學(xué)去毛刺加工的基本原理如圖 1所示。工件接脈沖電源的正極，工具電極接脈 沖電源的負(fù)極，工具陰極與工件毛刺部位對(duì)應(yīng)放置。加工時(shí)，首先在加

4、工間隙內(nèi)加入電解液， 然后接通脈沖電源，此時(shí)工件陽(yáng)極表面將發(fā)生氧化反應(yīng)，工具陰極則將發(fā)生還原反應(yīng)。工件 陽(yáng)極的基本電化學(xué)反應(yīng)式為M-n eMMn+n(OH) Fe(OH) n J工具(陰極)的基本電化學(xué)反應(yīng)式為+I2H +2efH 2 J加工時(shí)，在工件陽(yáng)極附近形成一層很薄的氧化膜，可在工件陽(yáng)極與電解液之間起到隔離 作用。該氧化膜具有較高的電阻和較小的電導(dǎo)率，可阻止工件陽(yáng)極表面進(jìn)一步溶解，對(duì)工件 陽(yáng)極具有一定保護(hù)作用。在電解液的快速?zèng)_刷作用下，工件陽(yáng)極表面凹陷處的氧化膜因不易 擴(kuò)散而較厚；工件陽(yáng)極表面凸出處（如毛刺、微觀凸出部位等）的氧化膜因容易擴(kuò)散而較薄。 由于氧化膜的分布不均勻，使毛刺等凸出

5、部位始終與新鮮的電解液接觸，因此毛刺部位的金 屬溶解速度遠(yuǎn)大于陽(yáng)極表面的其它部位，從而使毛刺被迅速溶解、去除。在陽(yáng)極溶解過程中，根據(jù)電化學(xué)加工基本規(guī)律（法拉第電解定律）可推導(dǎo)出金屬陽(yáng)極（工件）沿進(jìn) 給方向的深度蝕除速度va（mm/min）為Va=hwi式中：h電流效率3w被電解物質(zhì)的體積電化學(xué)當(dāng)量（mm /A h）i電流密度（A/cm2）當(dāng)電解液的成分、濃度、加工溫度等參數(shù)確定后，陽(yáng)極某點(diǎn)的蝕除速度主要取決于通過該點(diǎn) 的電流密度io根據(jù)電場(chǎng)理論可知，在零件表面毛刺等凸出部位電荷較集中，在表面凹陷處電荷則較少。由 于電力線分布不均勻，凸出部位的電力線分布密集，電流密度高，金屬去除較多（見圖2）;

6、凹陷部位的電力線分布相對(duì)稀疏，電流密度較低，金屬去除較少。由于毛刺處通過的電流密度 遠(yuǎn)大于工件陽(yáng)極表面的其它部位，因此毛刺被迅速溶解。電力線綜上所述，由于氧化膜分布不均勻，工件陽(yáng)極表面毛刺等凸出部位氧化膜較薄，可始終 與新鮮電解液保持接觸，因此電化學(xué)反應(yīng)速度快；由于電力線分布不均勻，工件陽(yáng)極表面毛 刺等凸出部位電力線分布密集，電流密度大，蝕除速度較快。因此，脈沖電化學(xué)去毛刺加工 可達(dá)到迅速去除、溶解毛刺并形成光滑圓角的目的。通過合理采用工具陰極遮蔽技術(shù)，可有 選擇地去除毛刺，不會(huì)影響工件陽(yáng)極表面原有的尺寸精度和表面質(zhì)量。3脈沖電化學(xué)去毛刺工藝要點(diǎn)影響脈沖電化學(xué)去毛刺加工效果的工藝因素較多，如工

7、具陰極的合理設(shè)計(jì)、脈沖電源的參數(shù) 選擇、電解液的成分、濃度、壓力和流速、極間間隙、電流密度、加工時(shí)間、流場(chǎng)特性等。1）工具陰極工具陰極應(yīng)根據(jù)具體毛刺情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意應(yīng)用遮蔽技術(shù)，以保證在高效去 除毛刺的同時(shí)保護(hù)工件陽(yáng)極表面其它非毛刺部位的原有精度和表面質(zhì)量。此外，還應(yīng)滿足脈 沖電化學(xué)加工的基本原則，即使電解液快速、均勻地沖刷加工部分，保證流場(chǎng)分布均勻合理。 由于電極表面質(zhì)量直接影響去除毛刺部位的表面質(zhì)量因此要求工具陰極表面平整、光滑。2）脈沖電源理論研究和加工實(shí)踐表明，采用脈沖電源代替直流電源進(jìn)行去毛刺加工，可有效提高加工精 度和表面質(zhì)量。在加工中，一般米用較窄的脈沖寬度和較高的

8、脈沖頻率進(jìn)行加工。由于脈沖 電流的間隙作用和階躍變化，使加工間隙中的電解液發(fā)生振蕩，產(chǎn)生壓力波，壓力波的攪拌 作用可改善加工間隙中電解液的流動(dòng)條件，加速更新間隙中的電解液，消除加工間隙中電解 液電導(dǎo)率分布的不均勻性，從而提高加工精度，改善表面粗糙度。此外，由于電解液的周期 性更新，使間隙內(nèi)的電化學(xué)產(chǎn)物（陽(yáng)極去除的金屬、陰極析出的氫氣和產(chǎn)生的焦耳熱等）可及時(shí)、充分地排除。脈沖電源參數(shù)應(yīng)根據(jù)加工條件合理選擇。3）電解液電解液成分是影響加工質(zhì)量的主要因素。以中性無機(jī)鹽為主要成分的非線性電解液具有適用 范圍廣、易于控制、雜散腐蝕小、加工表面質(zhì)量好、對(duì)環(huán)境無污染等特點(diǎn)。加工時(shí)，應(yīng)根據(jù) 毛刺的大小確定電解

9、液的具體成分，同時(shí)合理設(shè)計(jì)電解液的流向、流速及壓力，以便將去除 的毛刺迅速?zèng)_離加工間隙，以免造成短路。4）其它工藝因素合理選擇陰、陽(yáng)極之間的間隙有利于提高蝕除速度和加工精度，改善加工表面質(zhì)量。電流密 度和加工時(shí)間的選擇也十分重要，電流密度過大會(huì)加劇雜散腐蝕，電流密度過小則會(huì)降低加 工效率，延長(zhǎng)加工時(shí)間，而加工時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)加劇晶界腐蝕。在滿足毛刺去除效率的前提下， 加工時(shí)間主要應(yīng)根據(jù)加工圓角的大小來確定。4應(yīng)用實(shí)例脈沖電化學(xué)去毛刺工藝已成功運(yùn)用于噴油嘴內(nèi)孔、液壓閥體內(nèi)孔、活塞套、軸承保持架以及 紡機(jī)分梳輥用金屬針布等零件的去毛刺加工，去除毛刺的效果良好，形成了要求的光滑圓弧， 且獲得了較好的表面質(zhì)

10、量。噴油嘴內(nèi)孔去毛刺噴油嘴內(nèi)孔孔徑一般為0.250.5mm，去毛刺工藝裝置見圖3。采用正交試驗(yàn)法得出優(yōu)選工 藝參數(shù)為：電解液為濃度約12%的硝酸鈉溶液，加工間歇0.1mm，脈沖寬度200s，脈沖頻 率1000Hz，加工電流5A，加工電壓15V，加工時(shí)間6s。加工后成功去除了噴油嘴內(nèi)孔毛刺， 并形成了約R0.1mm圓角，加工表面粗糙度達(dá)到 Ra1.6m。圖3噴油嘴內(nèi)孔去毛刺示意圖金屬針布去毛刺紡織機(jī)械中的分梳輥用金屬針布外形如圖 4所示。由于該零件為低剛度薄壁零件，采用機(jī)加 工方法去毛刺較困難。采用脈沖電化學(xué)去毛刺時(shí)，優(yōu)化工藝參數(shù)為：電解液為濃度約10%的硝酸鈉溶液，加工間隙0.2mm，脈沖周期

11、1ms，脈沖間隔0.5ms，加工電流5A，加工電壓 10V，加工時(shí)間5s。去毛刺效果及加工表面質(zhì)量良好。由于電解液具有一定腐蝕作用，因此脈沖電化學(xué)去毛刺加工后應(yīng)采用超聲波清洗等方法 及時(shí)清洗工件，也可采用硝酸鈉和亞硝酸鈉水溶液進(jìn)行防腐處理。脈沖電化學(xué)去毛刺工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、應(yīng)用范圍廣（尤其適用于薄壁件和剛性較差的零件）、加工效率高，具有良好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：1張惠生；機(jī)械零件去毛刺工藝的現(xiàn)狀與發(fā)展J；北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)；2001年04期2皮啟德;熱能去毛刺鋅合金鈍化件的前處理J;材料保護(hù);2000年08期3徐慶仁；劉淑敏；;國(guó)外去毛刺技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和動(dòng)向J;國(guó)外導(dǎo)彈與航天運(yùn)載器；1991年01期4 徐家文，王建業(yè)，田繼安;21世紀(jì)初電解加工的發(fā)展和應(yīng)用J;電加工與模具；2001年06期5諸躍進(jìn);復(fù)合超聲振動(dòng)的脈沖電流電解去毛刺試驗(yàn)研究J;電加工與模具；2011年06期6張海巖，沈健，陳