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杆類零件表麵電化學機械複合光整加工的研究

2014-3-13 來（lái）源：作者：山東理（lǐ）工大學機械工程學院張海雲, 侯

引言

在杆類（lèi）機械零件中, 例如液壓件的閥（fá）杆、活塞杆、抽（chōu）油機的抽油杆, 除要（yào）求尺寸精度較高外, 主要要求具有較光潔的表麵質量和非常低的表麵粗糙度,這類零件（jiàn）的加工（gōng）方法現有超精磨削、珩磨或研磨、砂帶磨削（xuē）、機械拋光和電拋光等。但實踐證明, 利用（yòng）以上加工方法所獲得的產品的壽命是發達國家的（de）同類產品的1/2。通過分析發現, 超精（jīng）磨（mó）削可提高零件的尺寸精度、形狀精度、降低表麵（miàn）粗糙度, 但加工成本高, 生產效率低, 表麵易於出現燒傷。研磨（mó）加工生產效率更低, 不能滿足大批量生產的要求, 砂帶磨削、機械拋光和電（diàn）拋光等工（gōng）藝方法, 在降低零件表麵粗糙度的同時, 都會不（bú）同程度地降低零件的原有尺寸和形狀精度。針對上述問（wèn）題, 作者利用電化學複合（hé）光整方法, 進（jìn）行實驗研究, 並取得較好的效果。

1.電化學機械（xiè）複合光整加工基本原理（lǐ）電化（huà）學機械光整加（jiā）工是電化學和機械珩磨雙（shuāng）重作用的複合加工（gōng）形式, 其加（jiā）工的（de）基本原是以電（diàn）化學溶解為基礎, 利用機械（xiè）珩（héng）磨的（de）作（zuò）用刮（guā）除工件表麵鈍化膜而去除金屬, 它與普通機械（xiè）珩磨之間最（zuì）明顯的區別是增加（jiā）了直流電解（jiě）係統。在加工過程中, 工件（jiàn）接電源的陽極並繞軸線回轉, 工件一側設有陰極, 陰極與工件之間保持一定的間（jiān）隙約0.1~1mm, 其間通（tōng）以適當的電解液（yè）, 機械珩磨工具頭上的磨條以一（yī）定的壓力與（yǔ）工件相接觸。當接通直流電源後, 在一定的（de）電流密度下, 工件表麵發生陽極溶解並逐漸形成鈍化（huà）膜, 鈍化膜阻礙了電化（huà）學溶解（jiě）的進一步進行, 機（jī）械珩磨就起到了（le）刮除氧化膜的作用。與電解加工所不同的是, 表麵氧化膜的去除不是靠活性離子或強力（lì）衝刷, 而是通過專門設計（jì）的（de）機械工具的刮除作用實現的, 進（jìn）而實現有選（xuǎn）擇（zé）性地去除金屬的目的, 如圖（tú）1 所示。

由於工件的原始狀態是由機械加工完成的（de）, 所（suǒ）以其表麵（miàn）上留有切削加（jiā）工造成的（de）尖峰狀突起的（de）凹穀, 當工（gōng）件（jiàn）與工具接通電源（yuán）以後, 使微（wēi）觀電場分布成（chéng）非均勻性, 尖端處電場最強（qiáng）, 又由於尖（jiān）端處與工件的距離（lí）最近, 所以更加劇了電場分布的（de）不均勻性, 這使（shǐ）得尖端（duān）處電流密度較大, 根（gēn）據電解加工理論, 電解（jiě）過程中溶解速度（dù）與電流（liú）密（mì）度（dù）成（chéng）正比, 所以尖端處（chù）電（diàn）化學反應速度較快, 金屬溶（róng）解速度也較快。在凹穀處, 電化學（xué）反應速度則相對較慢, 所以（yǐ）溶解也就相對較慢, 這（zhè）就使得在工件的整個表麵上, 溶解速度呈現出不均勻性（xìng）,尖端處的氧化膜很快被機械複合珩磨工具（jù）頭(以下（xià）簡稱工具頭) 刮（guā）除, 高點處從而露出（chū）新的金屬表麵繼續受（shòu）到電化學溶解－成膜－刮除（chú）的作用, 使得該部位的材料被不斷地（dì）去除, 而表麵的微觀低點或凹陷部位（wèi）則由於電解溶解的緩慢和氧化膜不能被及時（shí）刮除而受到保護, 或者說隻能以低得多的速度被去除加工, 這一過程（chéng）的連續進行, 使得（dé）工件的（de）表麵得以整平, 如圖（tú）2所示。

2 光整加工設備的（de）設計

加工設備（bèi）主要由機床、直（zhí）流電源、工作液（yè）循環係統和計算機（jī）控（kòng）製係統等4部分組成。為降低成本, 增加實用（yòng）性, 機床由CM6140車床進行數控改造而成, 進給運動改由計算機（jī）控製,反應式步進電機驅動, 並以帶有測力裝置和數顯表的電化（huà）學機械複合（hé）工具頭取代小（xiǎo）刀架, 將原主軸改造為帶有集流裝置、與床身絕緣隔離的複式主軸。所有對加工（gōng）穩定性有較大影響的工藝參數均（jun1）得（dé）到有效監控,主軸正反轉、液體泵、直流（liú）電源的啟動和停止（zhǐ）, 以及整個加工過程中的工具頭（tóu）運動、轉向等均由計算機控製, 工作效率高, 操作簡便, 整個（gè）加工過程實現自動化。

2.1 設備改進

設備（bèi）由一台精（jīng）密CM6140 *1 500車床改進而成, 這樣可以最大限度（dù）地利（lì）用通（tōng）用設備, 工件具有較高的回轉（zhuǎn）運動精度, 導軌與主軸（zhóu）軸線具有較小的平行度誤差, 製造成（chéng）本低, 以（yǐ）電化學機械複合（hé）工具頭（tóu）取代原機床刀架。

(1) 電（diàn）化學機械光整工具（jù）頭

電化學機械（xiè）光整（zhěng）工具頭是（shì）實現杆件光整（zhěng）加工的關鍵部件, 要求其工作可靠, 結構緊湊（còu）, 便於操作, 操作者（zhě）可（kě）以直視加工區域。夾（jiá）心式電化學機械複合（hé）工具頭工作原理如圖1所示。

夾心式電化學機械光整工具取代小刀架, 安裝於小拖板上, 可隨小拖板前後運動, 也可與小（xiǎo）拖板一起（qǐ）隨大溜板左右運動, 它可同時完成電化學作用和機械珩磨（mó）作用。工作中, 繞軸線回轉的工（gōng）件接直（zhí）流電源正極（jí）, 複（fù）合工具頭上（shàng）的陰極與直流電源負極相接（jiē）,通電（diàn）後, 兩者之間形成一電（diàn）化學反應區（qū）, 調節直流電源輸出電壓可以控製陰極工作表麵的平均電流密度,進而控製電（diàn）化學反應速度。陰極用黃銅製造, 上麵開有電解液噴孔, 陰極與工件之間留（liú）有一定間隙, 通過電解液噴孔將鈍性電解液噴入加工區, 從加工區出來的電解液流入水槽, 經沉澱過濾後, 循環使用。陰極上下兩邊是鑲有用於機械珩磨的軟磨條, 軟磨條硬度、磨（mó）粒粒度等（děng）則根據具體的加（jiā）工要（yào）求（qiú）確定, 在彈簧力的作（zuò）用（yòng）下, 軟磨條以適當（dāng）的壓（yā）力壓在工件表麵上,由彈性元件、位移傳感器、數顯表等組成（chéng）的測力係統對珩磨作用力進行在線監（jiān）測。

夾心式電化學機械（xiè）光整工具頭中（zhōng）采用的是軟珩磨條, 它由高（gāo）溫氧（yǎng）化鋁(Al₂O₃) 或碳（tàn）化矽（guī）(SiC) 磨料使用陶瓷結合劑經高溫燒結而成, 由於其結合劑成分比較特殊, 磨條硬度較低, 使（shǐ）其略帶彈性, 易於使磨條（tiáo）與工件接觸均勻, 吸振性能好, 另（lìng）外, 結合劑的（de）黏度較低, 磨粒（lì）易（yì）於（yú）脫落（luò）, 磨條自（zì）銳（ruì）性能好（hǎo）。

( 2) 複式主軸

加工過程中, 車床主軸上的撥盤帶動工件做勻（yún）速回轉運動, 通過集流裝置使工件與直流電源正極相連, 為（wéi）避免工作過程中整機帶電, 以自（zì）行研製的複（fù）式主軸取代原機床主軸（zhóu）, 實現了帶電工件與床身的絕緣隔離。

( 3) 步進（jìn）電機（jī）驅動

由於整個加工過程由多次走（zǒu）刀組成, 加工中工具頭需多次換向。為操作簡便, 提高加工效率, 將進給運動（dòng）改為步（bù）進電機驅動, 以便（biàn）於（yú）計算機（jī）控製。綜合考慮性能與價格的關係（xì）後, 決定采用帶有齒輪減速器的反應式步進（jìn）電（diàn）機, 減速器輸出軸與絲（sī）杠間采用聯軸（zhóu）器連接。

2.2 直流電源（yuán）

直流電源的作用是為電化學反（fǎn）應提供電（diàn）能, 目前一般采（cǎi）用矽整流設備, 因為性能（néng）非常可（kě）靠安全。考慮到工件材質不同和電化學工作液不同, 所需的工作電（diàn）壓也不同, 電源輸出電壓設定在0~ 24V範圍內連續可調。考慮（lǜ）到工件批量或大（dà）批量生產, 為保證直流電源能（néng）夠長時間、高負荷連續運行, 采取了循環水連續冷卻方式。

2.3 工作液及循（xún）環係統

電化學工作液成分、質量（liàng）、份數決定了電化學溶解（jiě）速度及鈍化膜的厚度、強度、形（xíng）成速（sù）度等, 為保證隻有工（gōng）件表麵微觀高點處的金屬發生電化學溶解, 微（wēi）觀低點處的（de）金屬受（shòu）到鈍化膜保護, 在陽極（jí）電化學溶解的同時, 必須快速形成鈍化膜（mó）。經大量的實驗研究,確定電化學工作液采用以NaNO₃ 為主、添加（jiā）少量致鈍（dùn）劑的鈍性工作液, 獲得了令人滿意的加工質量和加工（gōng）效（xiào）率, 同時也防止了（le）工作液對於加工（gōng）設備的腐蝕。應用於45^#優質碳素結構鋼的電化學工作液配比關係如（rú）表1所示

工作（zuò）液循環係統由耐蝕泵、節流元件、水槽、防（fáng）濺（jiàn）罩等組（zǔ）成。耐（nài）蝕泵（bèng）提供電化學工作液循環動力, 其額定流量（liàng）和揚程根據工具頭尺寸而定。節流元件（jiàn）用於（yú）調節工作液壓力、流量, 以（yǐ）滿（mǎn）足不同情（qíng）況（kuàng）的需要。水槽（cáo）由沉澱槽和儲存槽（cáo）兩部分組成, 兩槽互通, 中間用過濾網隔開, 由（yóu）加工區域（yù）流回的工作液首先流入沉澱（diàn）槽, FE（OH)³在此沉澱分離, 工作液流入儲存槽, 供循環使（shǐ）用。防濺（jiàn）罩用在加工區域, 防（fáng）止工作液因工件旋轉而四處飛濺。

2.4 計算機控製係統

主軸（zhóu）正反轉, 液體泵、直流電源的啟動和停止,以及整個加工過程（chéng）中的工具（jù）頭運動速度、位置、轉向等均由計算（suàn）機（jī）統一控製, 作者（zhě）選用了南京江南機床數控工程公司生（shēng）產（chǎn）的JN-15T 型控（kòng）製係統, 該係統控製功能全麵, 擁有（yǒu）兩路用於步進電機的脈衝輸出, 用於電動刀架的T 收信功能(本裝置不用（yòng）) , 以（yǐ）及用（yòng）於（yú）各類電器（qì）啟停（tíng）的開關量輸（shū）出。JN-15T 型（xíng）控製（zhì）係統自身帶有功率放大器, 可（kě）以直接驅（qū）動步進電機, 但開關量輸（shū）出僅為24V 直流脈衝信號, 需要通過繼電器（qì）、交流接觸器等完成各類（lèi）電器的控製, 使整個加工過（guò）程實現了自動化加工（gōng）。

3. 實驗結果與分析（xī）

作者運用電化學機械光整加工設備對用45^#鋼製成的活塞杆進行了光整加工, 利用英國產TALYSURF-6 型（xíng）輪（lún）廓儀對其表麵微觀幾何形貌進行了詳細檢測, 並對檢測結果進行了深入的分析研究。

3.1 活塞杆實驗檢測條件。

工件材質為優質碳素結構鋼, 加工電流密（mì）度為5A / CM², 陽極與陰（yīn）極間的間距為0.8mm, 珩磨條粒度為W14, 原始表麵為精磨加（jiā）工表麵。表麵粗糙度截取長度l= 0.25, 評定長度為5l。表麵波紋度截取長度l= 2.5, 評定長度為5l。精磨表麵和（hé）電化（huà）學機械光整加工表麵輪廓⁵如圖3所示, 水平方向放大（dà）倍數為100, 鉛錘方向（xiàng）放大倍數為（wéi）3 000。全部垂直於加工痕跡方（fāng）向測量。

4 結論

夾心式電化學機械光整加工裝置結構緊湊, 易於操作（zuò）。加工（gōng）過程中, 可以通過選定磨粒粒（lì）度和珩磨壓力對機械珩磨力（lì）度進行調節, 控製表麵輪廓高度分布。采用（yòng）複式主軸, 實現了帶正電的工件與機床（chuáng）的可靠絕緣, 電解液流量充（chōng）足、可調, 可迅速帶（dài）走電化學（xué）產物, 加速電化學反應, 這一（yī）切均使（shǐ）得加工過程的可控性和（hé）可調性增加, 提高了加工效（xiào）率。電（diàn）化學機械光整加工可以大幅度消除表麵低（dī）周期波動, 使表麵輪廓高度分布範圍縮小, 表麵輪廓高度（dù）特性參數（shù）大幅度降（jiàng）低, 當機械珩磨使用粒（lì）度為W3的精密軟磨（mó）條時, 可以得到