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脈沖電化學去毛刺工藝

閱讀：2757 發(fā)布時間：2009-2-10

機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，還會影響整個產(chǎn)品的使用性能和壽命。此外，由于去毛刺工序要花費工時和費用，因此將直接影響產(chǎn)品的成本和價格，成為降低生產(chǎn)成本的障礙之一，*每年花費在去毛刺方面的費用約為100億美元。目前，國外已從系統(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”（Worldwide Burr Technology Committee，WBTC），大力實施“毛刺工程”（Burr Engineering）。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、噴沙和撞擊等手工或機械方式以及化學、高溫、水射流、磨粒擠壓、電化學、脈沖電化學等非機械方式去除毛刺（航空業(yè)還采用機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zui終精加工工序，因此在去除毛刺的同時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。

2 脈沖電化學去毛刺加工機理

脈沖電化學去毛刺是一種符合“綠色制造”要求的*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行加工；加工時，工件接脈沖電源的正極，與毛刺部位相對應的工具電極接脈沖電源的負極，工件陽極與工具陰極之間保持較小的加工間隙，且工具陰極無進給。該工藝具有以下特點：①由于加工所用電解液為中性無機鹽水溶液，因此不會污染環(huán)境；②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)的電場和流場條件，降低了對電解液流動特性的要求，因此有利于獲得穩(wěn)定、理想的加工過程；③由于在加工過程中無切削力，不會形成附加應力和表面變質(zhì)層，因此可改善加工表面微觀幾何形貌以及零件的物理、化學和機械性能。

脈沖電化學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極，工具陰極與工件毛刺部位對應放置。加工時，首先在加工間隙內(nèi)加入電解液，然后接通脈沖電源，此時工件陽極表面將發(fā)生氧化反應，工具陰極則將發(fā)生還原反應。工件陽極的基本電化學反應式為 M-ne→Mⁿ⁺
Mⁿ⁺+n（OH）→Fe（OH）_n↓

工具（陰極）的基本電化學反應式為 2H⁺+2e→H₂↓

圖1 脈沖電化學去毛刺加工的基本原理

圖2 電力線分布示意圖

加工時，在工件陽極附近形成一層很薄的氧化膜，可在工件陽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率，可阻止工件陽極表面進一步溶解，對工件陽有一定保護作用。在電解液的快速沖刷作用下，工件陽極表面凹陷處的氧化膜因不易擴散而較厚；工件陽極表面凸出處（如毛刺、微觀凸出部位等）的氧化膜因容易擴散而較薄。由于氧化膜的分布不均勻，使毛刺等凸出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大于陽極表面的其它部位，從而使毛刺被迅速溶解、去除。

在陽極溶解過程中，根據(jù)電化學加工基本規(guī)律（法拉第電解定律）可推導出金屬陽極（工件）沿進給方向的深度蝕除速度v_a（mm/min）為 v_a=hwi式中：h——電流效率

w——被電解物質(zhì)的體積電化學當量（mm³/A·h）

i——電流密度（A/cm²）

當電解液的成分、濃度、加工溫度等參數(shù)確定后，陽極某點的蝕除速度主要取決于通過該點的電流密度i。

根據(jù)電場理論可知，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）；凹陷部位的電力線分布相對稀疏，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大于工件陽極表面的其它部位，因此毛刺被迅速溶解。

綜上所述，由于氧化膜分布不均勻，工件陽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，因此電化學反應速度快；由于電力線分布不均勻，工件陽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，脈沖電化學去毛刺加工可達到迅速去除、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，可有選擇地去除毛刺，不會影響工件陽極表面原有的尺寸精度和表面質(zhì)量。

3 脈沖電化學去毛刺工藝要點

影響脈沖電化學去毛刺加工效果的工藝因素較多，如工具陰極的合理設計、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、加工時間、流場特性等。

工具陰極

脈沖電源

電解液

其它工藝因素

工具陰極應根據(jù)具體毛刺情況進行合理設計，設計時應注意應用遮蔽技術，以保證在去除毛刺的同時保護工件陽極表面其它非毛刺部位的原有精度和表面質(zhì)量。此外，還應滿足脈沖電化學加工的基本原則，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。

理論研究和加工實踐表明，采用脈沖電源代替直流電源進行去毛刺加工，可有效提高加工精度和表面質(zhì)量。在加工中，一般采用較窄的脈沖寬度和較高的脈沖頻率進行加工。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)的電化學產(chǎn)物（陽極去除的金屬、陰極析出的氫氣和產(chǎn)生的焦耳熱等）可及時、充分地排除。脈沖電源參數(shù)應根據(jù)加工條件合理選擇。

電解液成分是影響加工質(zhì)量的主要因素。以中性無機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、對環(huán)境無污染等特點。加工時，應根據(jù)毛刺的大小確定電解液的具體成分，同時合理設計電解液的流向、流速及壓力，以便將去除的毛刺迅速沖離加工間隙，以免造成短路。

合理選擇陰、陽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。電流密度和加工時間的選擇也十分重要，電流密度過大會加劇雜散腐蝕，電流密度過小則會降低加工效率，延長加工時間，而加工時間過長會加劇晶界腐蝕。在滿足毛刺去除效率的前提下，加工時間主要應根據(jù)加工圓角的大小來確定。

圖3 噴油嘴內(nèi)孔去毛刺示意圖

圖4 金屬針布外形

4 應用實例

脈沖電化學去毛刺工藝已成功運用于噴油嘴內(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)量。

噴油嘴內(nèi)孔去毛刺

金屬針布去毛刺

紡織機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，采用機加工方法去毛刺較困難。采用脈沖電化學去毛刺時，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1ms，脈沖間隔0.5ms，加工電流，加工電壓10V，加工時間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，因此脈沖電化學去毛刺加工后應采用超聲波清洗等方法及時清洗工件，也可采用硝酸鈉和*水溶液進行防腐處理。

脈沖電化學去毛刺工藝設備簡單、操作方便、應用范圍廣（尤其適用于薄壁件和剛性較差的零件）、加工效率高，具有良好的應用前景。

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2 脈沖電化學去毛刺加工機理

3 脈沖電化學去毛刺工藝要點

4 應用實例

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