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電化學(xué)（電解）去毛刺的基本原理

電化學(xué)去毛刺的基本原理是利用金屬在電解工作液中產(chǎn)生陽極溶解的電化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。如下圖所示：



以工件為陽極，工具電極為陰極，當(dāng)強(qiáng)迫使電解液通過工件上的毛刺和特殊設(shè)計(jì)的工具電極之間十分狹小的間隙同時(shí)，短時(shí)間加以電解電壓，這時(shí)在工件的毛刺或棱邊部分電流zui集中，電流密度也zui大，因而使毛刺很快被溶除，棱角也被倒圓。

在電化學(xué)去毛刺的過程中，工件和工具電極二者是相對(duì)固定不動(dòng)的，即屬于固定式工具陰極的電化學(xué)加工方法。適合去除高硬度、高韌性金屬零件的毛刺，可以在工件的特定部位進(jìn)行限定加工,對(duì)于手工難以處理、可達(dá)性差的復(fù)雜內(nèi)腔部位，尤其是交叉孔相貫線的毛刺。

脈沖電化學(xué)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(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)的工具電極接脈沖電源的負(fù)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(jìn)給。該工藝具有以下特點(diǎn)：①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；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(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；③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。

脈沖電化學(xué)去毛刺加工的基本原理。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)，首先在加工間隙內(nèi)加入電解液，然后接通脈沖電源，此時(shí)工件陽極表面將發(fā)生氧化反應(yīng)，工具陰極則將發(fā)生還原反應(yīng)。工件陽極的基本電化學(xué)反應(yīng)式為

M-ne→Mn+

Mn++n（OH）→Fe（OH）n↓

工具（陰極）的基本電化學(xué)反應(yīng)式為

2H++2e→H2↓

加工時(shí)，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(dǎo)率，可阻止工件陽極表面進(jìn)一步溶解，對(duì)工件陽有一定保護(hù)作用。在電解液的快速?zèng)_刷作用下，工件陽極表面凹陷處的氧化膜因不易擴(kuò)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(kuò)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(yuǎn)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(xué)加工基本規(guī)律（法拉第電解定律）可推導(dǎo)出金屬陽極（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

w——被電解物質(zhì)的體積電化學(xué)當(dāng)量（mm3/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，陽極某點(diǎn)的蝕除速度主要取決于通過該點(diǎn)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；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(xué)反應(yīng)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，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)影響工件陽極表面原有的尺寸精度和表面質(zhì)量。

3 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、流場特性等。

o 工具陰極

o 脈沖電源

o 電解液

o 其它工藝因素

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)，以保證在去除毛刺的同時(shí)保護(hù)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(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(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，一般采用較窄的脈沖寬度和較高的脈沖頻率進(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。

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。

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(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，延長加工時(shí)間，而加工時(shí)間過長會(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)量。

o 噴油嘴內(nèi)孔去毛刺

o 金屬針布去毛刺

噴油嘴內(nèi)孔孔徑一般為0.25~0.5mm，去毛刺工藝裝置。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200ms，脈沖頻率1000Hz，加工電流，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Ra1.6um。

紡織機(jī)械中的分梳輥用金屬針布外形。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1ms，脈沖間隔0.5ms，加工電流，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*水溶液進(jìn)行防腐處理。

DJK6032電化學(xué)去毛刺機(jī)床主要由機(jī)床主機(jī)、電源電控系統(tǒng)、電解工作液系統(tǒng)、電極夾具等組成。

主機(jī)

DJK6032電化學(xué)去毛刺機(jī)床主機(jī)采用全防腐鋼板焊接結(jié)構(gòu)，工作區(qū)域?yàn)槿讳P鋼制成，用花崗巖制成工作臺(tái)置于機(jī)床床身上，耐腐蝕，絕緣性好。床身兩側(cè)為主柱，立柱支撐固定橫梁，橫梁上安置主軸部件和氣控箱。

主軸部件也采用全防腐結(jié)構(gòu)，用氣控驅(qū)動(dòng)，上下滑動(dòng)采用雙導(dǎo)柱形式。

在加工區(qū)域后側(cè)為電解工作液進(jìn)回液口。進(jìn)液口通過軟管與電解工作液槽連通，回液口通過回液管使工作腔內(nèi)的工作液回入電解液系統(tǒng)內(nèi)。

在加工區(qū)域后上方備有空氣抽風(fēng)口，可與廠房通風(fēng)管相聯(lián)接，以消除加工過程中由于電解工作液的流動(dòng)可能產(chǎn)生的霧氣。

主要技術(shù)參數(shù)和規(guī)格：

1、工作臺(tái)尺寸：600mm×320mm

2、主軸行程：200mm

3、主軸至工作臺(tái)zui大距離：450mm

4、壓縮空氣（現(xiàn)場提供）：0.6 Mp

電源及控制系統(tǒng)

DJK6032電化學(xué)去毛刺機(jī)床的電氣系統(tǒng)分為直流電源和控制系統(tǒng)二部分。

電化學(xué)去毛刺電源：

電化學(xué)去毛刺加工電源采用晶閘管整流電源。電源電壓可調(diào)，電流實(shí)現(xiàn)分檔定值控制。電源的輸出具有穩(wěn)壓運(yùn)行性能，還具有過流、短路等保護(hù)功能。

本機(jī)床配置電解電源主要參數(shù)：

電源輸出額定電壓：DC24V

電源zui大輸出電流：600A（根據(jù)工件去毛刺面積和工位數(shù)來選電流大小）

電源調(diào)壓范圍：DC 6—24V

控制系統(tǒng):

控制系統(tǒng)由可編程控制器、機(jī)床電器、短路檢測電路等組成。

可編程控制器用于手動(dòng)操作和自動(dòng)循環(huán)的控制。手動(dòng)操作是壓緊導(dǎo)電塊移動(dòng)、主泵開關(guān)、短路檢測、過濾啟動(dòng)等按鈕開關(guān)來接通和斷開各控制的工作方式。自動(dòng)循環(huán)是機(jī)床處在原位時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)執(zhí)行一個(gè)周期操作。操作完后機(jī)床停在原位上。

機(jī)床電器是由控制電氣系統(tǒng)的電源和溫度檢測組成。電氣系統(tǒng)的電源控制由急停按鈕，帶鎖開關(guān)，準(zhǔn)備按鈕控制。

溫度檢測系統(tǒng)由探頭、控制儀組成。當(dāng)探頭（傳感器）受工作液變化而變化，溫度信號(hào)由探頭送控制儀并顯示。

考慮到電解加工時(shí)可能造成的零件與電極間的短路燒傷，機(jī)床在加工前采用短路檢測電路對(duì)零件進(jìn)行檢測和顯示。當(dāng)檢測到電極與零件發(fā)生短路時(shí)短路檢測電路將切斷加工。

電解液系統(tǒng)

電解液槽由不銹鋼焊接而成，輸液主泵采用泵業(yè)制造公司丹麥格蘭富（GRUNDFOS）生產(chǎn)的 SPK 型浸入式不銹鋼泵。

電解液在長期使用后，其中所含的金屬氫氧化物和其它雜質(zhì)不斷增加，這將使電解液的粘度增大，影響電解液在加工間隙內(nèi)的流動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生短路，造成工件和電極的損壞。本系統(tǒng)對(duì)電解液進(jìn)行粗、精兩道過濾。粗過濾采用全防腐的紙帶過濾機(jī)過濾，以去除電解液中的雜質(zhì)和大顆粒蝕除產(chǎn)物。精過濾采用濾芯過濾，由于蝕除產(chǎn)物——金屬氫氧化物顆粒細(xì)微，須定期對(duì)過濾器及濾芯進(jìn)行清洗和更換。

主要技術(shù)參數(shù)：

（1） 外形尺寸：1750×1050×700mm³

（2） 液槽容積：1.2 m³

（3） 主泵流量：4000L/H

（4） 主泵揚(yáng)程：47m

（5） 主泵功率：AC380V  50HZ  1．1KW

工具電極夾具單元及對(duì)工件的要求

工具電極夾具采用固定式陰極結(jié)構(gòu)，每套電極夾具根據(jù)工件去毛刺部位的具體去毛刺結(jié)構(gòu)及要求，專門設(shè)計(jì)制造。

陽極和陰極（即工件和電極）之間的金屬接觸會(huì)出現(xiàn)短路，導(dǎo)致電極和工件的損壞。因此有必要對(duì)工件上毛刺的大小和方向作如下規(guī)定：

1、毛刺須與電極插入方向平行；

2、毛刺長度不大于 0.8mm（特殊情況需方允許時(shí)特殊處理）；

3、毛刺厚度zui大為 0.15mm。

4、去毛刺部位的位置度誤差不能超過0.2mm，位置度誤差過大時(shí)只能采用大于去毛刺部位大小的電極加工，擴(kuò)大加工范圍（在工藝允許時(shí)）。

如果由于前道工序非正常切削加工，而使工件產(chǎn)生超過上述要求的飛邊毛刺時(shí)，應(yīng)當(dāng)調(diào)整切削加工工序，使產(chǎn)生的毛刺符合上述要求，或用手工工具將毛刺飛邊預(yù)先去除后，方可進(jìn)行加工。

吸附在工件上的脫落的切屑以及污物也會(huì)造成加工時(shí)的短路故障、加工缺陷以及不良的導(dǎo)電接觸，因此，工件必須經(jīng)過前道清洗后才能進(jìn)行加工。

工件去毛刺加工后，零件表面粘附有電解液，須進(jìn)行清洗并作工序間暫時(shí)性防銹處理。

去毛刺工序的前后清洗由需方負(fù)責(zé)。

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