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蘇州中航長風(fēng)數(shù)控科技有限公司

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簡析電解去毛刺中脈沖的加工工藝
點(diǎn)擊次數(shù):5072 更新時間:2010-06-23

             簡析電解去毛刺中脈沖的加工工藝

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(fèi)工時和費(fèi)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(fèi)在去毛刺方面的費(fèi)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(shí)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(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(guān)。

1. 脈沖電解去毛刺加工機(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,工件接脈沖電源的正極,與毛刺部位相對應(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(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應(yīng)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(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

圖1 脈沖電化學(xué)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(dǎo)率,可阻止工件陽極表面進(jìn)一步溶解,對工件陽有一定保護(hù)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(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(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(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,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,不會影響工件陽極表面原有的尺寸精度和表面質(zhì)量。

2. 脈沖電解去毛刺工藝要點(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(yīng)根據(jù)具體毛刺情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)時應(yīng)注意應(yīng)用遮蔽技術(shù),以保證在去除毛刺的同時保護(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、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、對環(huán)境無污染等特點(diǎn)。加工時,應(yīng)根據(jù)毛刺的大小確定電解液的具體成分,同時合理設(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(yīng)根據(jù)加工圓角的大小來確定。

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