杆（gǎn）類零件表麵電化學機械複合光整加工的研究
2014-3-13 來源（yuán）： 作者：山東理工大學機械工程學院 張海雲, 侯
引言
在杆類機械零件中, 例如（rú）液壓件（jiàn）的閥杆、活（huó）塞杆、抽油機（jī）的抽油杆, 除（chú）要求尺寸精度較高外, 主要要（yào）求具有較光潔的表（biǎo）麵質量和非常低的表麵（miàn）粗糙度,這（zhè）類零件的加（jiā）工（gōng）方法（fǎ）現有超（chāo）精磨削、珩磨或研磨、砂帶磨削、機械拋光（guāng）和電拋光等。但實踐證明, 利（lì）用以上加工方法所獲得的產品的壽命是發達國家的同類產品的1/2。通過分析發現, 超精磨削可提高零件（jiàn）的尺寸精度、形狀精度、降低表麵粗糙度, 但加工（gōng）成本高, 生（shēng）產效率低, 表麵易（yì）於出現（xiàn）燒傷。研磨加工生產效率更低, 不能滿足（zú）大批量生產的要求, 砂帶磨削、機械拋光和電拋光等（děng）工藝方（fāng）法, 在降低零件表麵粗糙度的同時, 都會不同程度地降低零件的原有尺寸（cùn）和形狀精度（dù）。針對上述問題, 作者利用（yòng）電化學複合光整方法, 進行實驗研究, 並（bìng）取得較好的效果。
1.電化學機械複合光整加工基本原理電化（huà）學機械光整加工是電化學（xué）和機械珩磨雙重作（zuò）用的複合加工形式, 其加工（gōng）的基本原 是以（yǐ）電化學溶解為基礎, 利用機械珩磨的作用刮除工（gōng）件表麵鈍化膜而去除金屬, 它與普（pǔ）通機械（xiè）珩磨之間最明顯的區別是增加了直流（liú）電解係統。在加工過程中, 工件接電（diàn）源的陽極（jí）並繞軸線回（huí）轉, 工件一側設有陰極, 陰極與工件之間保持一定的間隙約0.1~1mm, 其間通以適當的電解（jiě）液, 機械珩磨工（gōng）具頭上的磨條以一定（dìng）的壓力與（yǔ）工件相接觸。當接通直流（liú）電源後, 在一定的電流密度下, 工件（jiàn）表麵發生陽極溶解並逐（zhú）漸形成（chéng）鈍化膜, 鈍化膜阻（zǔ）礙（ài）了電化學溶解的進一步進行, 機械珩磨就起到了刮除氧化膜的作用。與（yǔ）電解加工（gōng）所不（bú）同的是, 表麵（miàn）氧（yǎng）化膜的去除不是靠活性離子或強力衝刷, 而是通過專門（mén）設計（jì）的機械工具的刮除（chú）作用實（shí）現的, 進而實現有（yǒu）選擇性地去除金屬（shǔ）的目的, 如圖1 所示。
由於工件的原始狀態是（shì）由（yóu）機械加（jiā）工完成的, 所以其（qí）表（biǎo）麵上留有（yǒu）切削加工造成的尖峰（fēng）狀突起的凹穀, 當（dāng）工件（jiàn）與工具接通電源以後, 使微觀電場分布成非均勻性, 尖端處電場最強, 又由於（yú）尖端處與工件的距離最近, 所以更加（jiā）劇了電場分布的不均勻性, 這使得尖（jiān）端處電流密度較大, 根據電解加工理論, 電（diàn）解過（guò）程中溶解速度與電流密（mì）度成正比, 所以尖端處電化學反應速度較快, 金屬溶（róng）解速度也較快。在凹穀處, 電化學反應速度則（zé）相對較慢, 所以（yǐ）溶解也就相對較慢, 這就（jiù）使得在工件的整個表麵上, 溶解速度呈現出不均（jun1）勻性,尖端處的氧化膜很快被機械複合（hé）珩（héng）磨工具（jù）頭(以下（xià）簡稱工具頭) 刮除, 高點處從而露出新的金屬（shǔ）表麵繼續受（shòu）到（dào）電化（huà）學（xué）溶解－成膜（mó）－刮除的作用, 使得該部位的材料被不斷地去除, 而表麵的微觀低點或凹陷部位則由於（yú）電解溶解的緩慢和氧（yǎng）化膜不能被及時刮除而（ér）受到（dào）保護, 或者說隻能以（yǐ）低得多的速度（dù）被去除加工, 這一過程的連續進行, 使得工件的表麵得以整平, 如圖2所示。
2 光（guāng）整加工設備的設計
加工設備主（zhǔ）要由（yóu）機床、直（zhí）流電源、工作液循環係統和計算（suàn）機控（kòng）製係統（tǒng）等4部分組成。為降低成本, 增加實（shí）用性, 機床由CM6140車床進行數控改造而成, 進給運動（dòng）改（gǎi）由計算機控製,反（fǎn）應式步進電機驅動, 並以帶有測力裝置和數顯表的電化學機械複合工具（jù）頭取代小刀架, 將原主軸改（gǎi）造為帶有集流裝置、與（yǔ）床身絕緣隔離的複式主軸。所有對（duì）加工穩定性有較大影響的（de）工藝參（cān）數均得到有效監控,主軸正反（fǎn）轉、液體泵、直流（liú）電（diàn）源的啟（qǐ）動和停（tíng）止, 以及整個加工過程中的工具頭運動、轉向等均由計算機控製, 工作效率高, 操作簡便, 整個加工過程（chéng）實現自動化。
2.1 設備改進
設備由一台精密（mì）CM6140 *1 500車床改進而成, 這樣可以最大限（xiàn）度（dù）地利（lì）用通用設備, 工（gōng）件具有較高的回轉運動精度, 導軌與主軸軸線具有較（jiào）小的平行度誤差, 製（zhì）造成本低, 以電化學機械（xiè）複合工具頭取代原（yuán）機床刀架。
(1) 電化學機械光整工具頭
電化（huà）學機械光整工具頭是實現杆件光（guāng）整加工的關鍵部件, 要求其工作可靠, 結構緊湊, 便於操作（zuò）, 操作者可以直視加（jiā）工（gōng）區域。夾心式電化學機械複合工具頭工作原理（lǐ）如圖1所示。
夾心式電化學機（jī）械光（guāng）整工（gōng）具 取（qǔ）代小刀架, 安裝於小拖板（bǎn）上, 可隨小拖板（bǎn）前後運動, 也可與小拖板一起隨大溜板左右運動, 它可同時完成電化學作用和機械珩磨作（zuò）用。工作中, 繞軸（zhóu）線回轉的工（gōng）件接直流電源正極, 複合工具頭上（shàng）的（de）陰極與直流電源負極相接,通（tōng）電後, 兩者之間形成一電化學反應區, 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,進而控製電化學反應速度。陰極（jí）用黃銅製造, 上麵開有電解液噴（pēn）孔（kǒng）, 陰極與工件之間留有一定間隙, 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（jiě）液流（liú）入水槽, 經沉澱過（guò）濾後, 循（xún）環使用。陰極上下兩邊（biān）是鑲有用於（yú）機械珩磨的軟磨條, 軟磨條硬度、磨粒粒度等則根據具體的加工要求（qiú）確定, 在彈簧力的作用下, 軟磨條以適當的壓力壓（yā）在工件表麵（miàn）上,由彈性元件、位移傳感器（qì）、數顯表等組成的測力係統對珩磨作用力進行在線監測。
夾心式電化（huà）學（xué）機械（xiè）光整工具頭中采用的是軟珩磨條, 它由高溫氧化鋁（lǚ）(Al₂O₃) 或碳化矽(SiC) 磨料使用陶瓷結合劑（jì）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, 使其略帶彈性, 易於使磨條與工件接（jiē）觸均（jun1）勻（yún）, 吸振性能好, 另（lìng）外, 結合劑的（de）黏（nián）度較低, 磨粒易（yì）於脫落, 磨條自銳性（xìng）能好。
( 2) 複式（shì）主軸
加（jiā）工過程中, 車床主軸上的撥盤帶動工件做勻速回（huí）轉運（yùn）動, 通過集流裝置使工（gōng）件與直流電源正極（jí）相連, 為避免工作過程中整機帶電, 以自（zì）行研製的複式主軸取代原機床主軸, 實現了帶電工件與（yǔ）床身的絕緣（yuán）隔離。
( 3) 步進電機驅（qū）動
由於整（zhěng）個加工過程由多次走刀組成, 加工中工具頭需多次換向。為操作簡便, 提高加工效率, 將進給運動改（gǎi）為步（bù）進電機驅動, 以便於計算機控製。綜合（hé）考慮性能與價格的關係後, 決定采用帶有齒輪減（jiǎn）速器的反（fǎn）應式步（bù）進電機, 減速器輸出軸與（yǔ）絲杠間采用聯軸器連接。
2.2 直流電源
直流電（diàn）源的作用是為電化學反應提供電能, 目（mù）前一般采用矽整流設備, 因為（wéi）性能非常可靠安（ān）全。考慮（lǜ）到工件材質不同和電化學工作液不同, 所需的（de）工作電壓也不同, 電源輸出電（diàn）壓設定在0~ 24V範圍內連（lián）續可調。考慮到工件批量或大批量生（shēng）產, 為保證直流電源能夠（gòu）長時間、高負荷連續運行, 采取了（le）循環水連續冷卻方式。
2.3 工作液及（jí）循環係統
電化學工作（zuò）液成分、質量、份數決定了電化學溶解速度及鈍化膜的厚度、強度、形成速度等, 為保證隻有工件表麵微觀高點處的（de）金屬（shǔ）發生電（diàn）化學溶解, 微觀低點處的金（jīn）屬受到鈍化膜保護, 在陽極電化學溶解的同時, 必須快速形（xíng）成鈍化膜（mó）。經大量的實驗研究,確定電化學工作（zuò）液采用以NaNO3 為主、添加少量致鈍劑的鈍性工作液, 獲得了令人滿意的加（jiā）工質量和加工效率, 同時也防（fáng）止了工作液對於加工設備的腐蝕。應用於45#優質碳素結構鋼的電化學工作液配（pèi）比關係（xì）如表1所示
工作液循環係（xì）統由耐蝕泵、節流元件、水槽、防濺罩等組成。耐蝕泵提供電化學工作液循環動力, 其額定流量和揚程根據工具頭尺寸而定。節流元件用於調節工作液壓力、流量, 以滿足不同情況的需要。水（shuǐ）槽由沉澱槽和儲存槽兩部分組（zǔ）成, 兩槽互通, 中間用過濾網隔（gé）開, 由（yóu）加工區域流回的工作液首先（xiān）流入沉澱槽, FE（OH)3在此（cǐ）沉澱分離, 工作液流入（rù）儲存槽, 供循環使用。防濺罩（zhào）用在加工區域, 防止工（gōng）作液因工件旋（xuán）轉而四處飛（fēi）濺。
2.4 計算機控製係統（tǒng）
主軸正反轉, 液體泵（bèng）、直（zhí）流電源的啟動和停止,以及整（zhěng）個加工過程中的工具頭運動速度、位置、轉向等均由計算機統一控製, 作者（zhě）選用了南京江南（nán）機床數控工程公司生產的JN-15T 型控製係統, 該係統控製功能（néng）全麵, 擁有（yǒu）兩路用於步進電機的（de）脈衝輸出, 用於電動刀架的T 收信功能(本裝置不（bú）用) , 以及（jí）用於各類電器啟停的開關量（liàng）輸出。JN-15T 型控製係統自身帶有功率放大器, 可以直接驅動步進電機, 但開關量輸出僅為24V 直流脈衝（chōng）信號, 需要（yào）通過繼電器、交流接觸器等完成各類電器的控製, 使整個加工過程（chéng）實現了自動化（huà）加工。
3. 實驗（yàn）結果與分析
作者運用電化學機械光（guāng）整加工設備對用45#鋼製成的活塞杆進行（háng）了光（guāng）整加（jiā）工, 利用（yòng）英國產TALYSURF-6 型輪廓儀對其表麵微觀幾（jǐ）何形貌進行了詳細檢（jiǎn）測, 並對檢測結果進行了深入的分析（xī）研（yán）究。
3.1 活（huó）塞杆實驗檢測條件。
工件材質為（wéi） 優質碳素結構鋼, 加工電流密度為5A / CM2, 陽極與陰極間的間（jiān）距（jù）為0.8mm, 珩磨條粒度為W14, 原始表麵為精磨加工表麵（miàn）。表麵粗糙度截取長度l= 0.25, 評定（dìng）長度為（wéi）5l。表麵波紋度截取長度l= 2.5, 評定長度為5l。精磨表麵和電化學機械光整加工表麵輪廓5如圖（tú）3所示, 水平方向放大倍數為100, 鉛錘（chuí）方向放大倍數為3 000。全（quán）部垂直於加工痕跡方向測量。
4 結論
夾心（xīn）式電（diàn）化學機械（xiè）光整加工裝置結構緊湊, 易於操作。加工過程中, 可以（yǐ）通過選定磨粒粒度和珩（héng）磨壓力（lì）對機械珩磨力度進行調（diào）節, 控製表麵輪廓高（gāo）度分布。采用複式主軸, 實現了帶（dài）正電的工件（jiàn）與機床的可靠絕（jué）緣, 電解（jiě）液流量充足、可調, 可迅速帶走電化學產物, 加速電化學反應, 這一切均使得加（jiā）工過程的可控（kòng）性和可調性（xìng）增加, 提高了（le）加工效率。電化學機械光整加工可以大幅度（dù）消除表麵低周（zhōu）期波動, 使表麵輪廓高度分布範圍縮小, 表（biǎo）麵輪廓高度特（tè）性參（cān）數大幅度降低, 當機（jī）械珩磨使用粒（lì）度為W3的精密軟磨條時, 可以得到
的超精表麵。表麵輪廓波動（dòng）平均間距減小, 波紋細密性提高, 光整表麵高度分布呈負偏態、尖（jiān）峰分布, 而非Gauss分布, 對耐磨性、精度保持性有利。電化學機械光整（zhěng）表麵的波紋度（dù）遠小於精（jīng）磨表麵, 並且前者與（yǔ）後者的波紋度參（cān）數之比, 小於對應的粗糙度參數之比。
的超精表麵。表麵輪廓波動（dòng）平均間距減小, 波紋細密性提高, 光整表麵高度分布呈負偏態、尖（jiān）峰分布, 而非Gauss分布, 對耐磨性、精度保持性有利。電化學機械光整（zhěng）表麵的波紋度（dù）遠小於精（jīng）磨表麵, 並且前者與（yǔ）後者的波紋度參（cān）數之比, 小於對應的粗糙度參數之比。 投稿箱：
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