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| 簡析電解去毛刺中脈沖的加工工藝 |
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點擊次數(shù)：5409 更新時間：2010-06-23 |
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簡析電解去毛刺中脈沖的加工工藝 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(xué)、高溫、水射流、磨粒擠壓、電化學(xué)、脈沖電化學(xué)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(guān)。1. 脈沖電解去毛刺加工機理脈沖電化學(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：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(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(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(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、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。 - 工具陰極應(yīng)根據(jù)具體毛刺情況進(jìn)行合理設(shè)計，設(shè)計時應(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(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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