杆類零件表麵電化學機械（xiè）複合光整加工的研（yán）究
2014-3-13 來源： 作者：山東理工大學機械工程學（xué）院 張海（hǎi）雲, 侯
引（yǐn）言
在杆類機械零件中, 例如（rú）液壓件的閥杆、活塞杆、抽油機的抽油杆, 除要求尺寸精度較高外, 主要要求（qiú）具（jù）有較光潔的表麵質量和非常低的（de）表麵（miàn）粗糙度（dù）,這類零（líng）件的加工方法現有超精磨削、珩磨或研磨、砂帶磨（mó）削（xuē）、機械拋光和（hé）電拋光等。但實踐證明, 利用以（yǐ）上加工方法所獲得的產品的（de）壽命是發達國家的同類產品的（de）1/2。通過分析發現, 超精磨削可提高（gāo）零件的尺寸精度、形狀精度、降低表麵粗糙度, 但加工成本高, 生產效率低, 表麵易於出現燒傷。研磨加工生產效率更低, 不能滿足大批量（liàng）生產的要求, 砂（shā）帶磨削、機械拋光和電拋光等工藝方法, 在降低零件表麵粗糙度的同（tóng）時, 都會不同程度地降低零件（jiàn）的原有尺寸和形狀精（jīng）度。針（zhēn）對上述問（wèn）題, 作（zuò）者利用電化學複合光整（zhěng）方法, 進行實驗研究, 並取得較好的效果。
1.電（diàn）化學機械複合（hé）光整加工基本（běn）原理電化學機械光整加工是（shì）電化學和機械珩磨雙重作用的複（fù）合加（jiā）工形式, 其加工的基本原 是以電化學溶（róng）解為基礎, 利用機械珩磨的作用刮除工件表麵鈍化膜而去除金（jīn）屬, 它與普通機械珩磨之間最明顯的區別是增加了直流電解（jiě）係統。在加工過程中, 工件接電源的陽極並繞軸線（xiàn）回轉, 工件一側設有陰極, 陰極與工件之間保持一定的（de）間隙約（yuē）0.1~1mm, 其間（jiān）通以適當的電（diàn）解液, 機（jī）械（xiè）珩（héng）磨（mó）工（gōng）具頭上的磨條以一定的壓力與工件相接觸。當接通直流電源後, 在一定的（de）電流密度下, 工件表麵發生（shēng）陽極溶解並逐漸形成鈍化膜, 鈍化（huà）膜阻礙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）電解加工所不同的是, 表麵氧化（huà）膜的去（qù）除不是靠（kào）活性離子或強力衝刷, 而是通過專門設計的機械工具的刮除作用實現的, 進而實現有選（xuǎn）擇性地去除金屬的目的, 如圖1 所示（shì）。
由於工件（jiàn）的原始狀態是由機（jī）械加工（gōng）完成的, 所以其表（biǎo）麵上（shàng）留有切削（xuē）加工造成（chéng）的尖峰狀突起的凹穀, 當（dāng）工件（jiàn）與工具接通電源以後, 使微觀電場分布（bù）成非均（jun1）勻性, 尖端處電場最強, 又由於尖端（duān）處與工件的距離最近, 所以更加劇了電場分布的（de）不均勻性, 這使得尖端處（chù）電流密度（dù）較大, 根據電解加工理論, 電解過程中溶解速度與電流密（mì）度成正比, 所以尖端處電化（huà）學反應速度（dù）較快（kuài）, 金（jīn）屬溶（róng）解速度也較快。在凹穀處, 電化（huà）學反應速度則（zé）相對較慢, 所以溶解也就相對較（jiào）慢, 這就使得在工件的整個表麵（miàn）上, 溶解速（sù）度（dù）呈現出不均勻性,尖端處的氧化（huà）膜很快被機械複合珩磨工具頭(以下簡（jiǎn）稱工具頭) 刮除, 高點處從而露出新的金屬表麵繼續受（shòu）到電化學溶解（jiě）－成膜－刮除的作（zuò）用, 使得該部位的材料被不斷地（dì）去除, 而表麵的（de）微觀低點或凹陷部位則由於電解溶解的緩慢和氧化膜不能被及時刮除（chú）而受到保護, 或（huò）者說隻能（néng）以（yǐ）低得多的速度被（bèi）去除加工, 這一過程的連（lián）續進行, 使得工件（jiàn）的表麵得以整平, 如圖2所示。
2 光整加工設備的設（shè）計
加工設備主要由機床、直（zhí）流電源、工（gōng）作液循環係統和計算（suàn）機控（kòng）製係統等4部分組成。為降低成（chéng）本, 增加實用（yòng）性, 機床（chuáng）由CM6140車床進（jìn）行數控改造而成, 進給運動改由計算機控製,反應式步進電機驅動, 並以帶有測力裝置（zhì）和數顯表的電化學機械複合工具頭取代小刀架, 將原主軸改造為帶有集流裝置、與床身絕（jué）緣（yuán）隔離的複式主（zhǔ）軸。所有對加工穩定性有（yǒu）較大（dà）影響的工藝參數均（jun1）得到有效監控,主軸正反轉、液體泵、直流電源的啟動和停止, 以及整個加工過程中的工具（jù）頭運動、轉向等均由計算（suàn）機控製, 工（gōng）作效率高, 操作簡（jiǎn）便（biàn）, 整個加工過程實（shí）現自動化。
2.1 設備（bèi）改進
設備由一台精密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（yòng）設備, 工件具有較高的回轉（zhuǎn）運動精度, 導軌（guǐ）與主軸軸線具有（yǒu）較小的平行度誤差, 製造成本低, 以電化學機械複合工具頭取代原機床（chuáng）刀架。
(1) 電化學機械光整工具頭
電化學機（jī）械（xiè）光整工具頭是（shì）實現杆（gǎn）件光整加工的關鍵部件, 要求（qiú）其工作可靠, 結構緊湊, 便於操作, 操作者可以直視（shì）加工區域（yù）。夾（jiá）心式電化學機械複合工具（jù）頭工作原理如圖1所示。
夾心式電化學機械光整工（gōng）具 取代小刀架, 安裝於（yú）小拖板上, 可隨小拖（tuō）板前後運動, 也可與小拖板（bǎn）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（héng）磨（mó）作用。工作中, 繞（rào）軸（zhóu）線回轉的工件接直流電源正極（jí）, 複合（hé）工具頭上的陰極（jí）與直流電源負極相接,通（tōng）電後, 兩者之間形成一電化（huà）學反應區, 調節直流電源輸出電（diàn）壓可以控製陰極工（gōng）作表麵的平均電（diàn）流（liú）密度,進而控製電化學反應速度。陰極用黃銅製造, 上麵開有電解（jiě）液噴（pēn）孔, 陰極與工件之間留有一定間隙, 通過電解液噴孔將（jiāng）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（jí）上下兩邊是鑲有（yǒu）用於機（jī）械珩磨的軟磨條, 軟磨條硬（yìng）度、磨粒粒度等則根據（jù）具體的加工要求確定, 在彈簧力的作用下, 軟（ruǎn）磨條以適當的壓力壓在工件表（biǎo）麵（miàn）上,由彈性（xìng）元件、位移傳感器、數顯表（biǎo）等組（zǔ）成的（de）測力係統對珩磨作用（yòng）力進行在線監測。
夾心式（shì）電化學機（jī）械光整工具頭中采用的是軟珩磨條, 它由高溫氧化鋁(Al₂O₃) 或碳化矽(SiC) 磨（mó）料使用陶瓷結合劑經高溫燒（shāo）結而成（chéng）, 由於其結（jié）合劑成分比較特殊, 磨條硬度較（jiào）低, 使其（qí）略帶彈性, 易於使（shǐ）磨條與工件接觸均勻, 吸振（zhèn）性能好, 另外, 結合劑的黏度（dù）較低, 磨粒易於脫落, 磨條自銳性能好。
( 2) 複式主軸
加（jiā）工過程中, 車床主（zhǔ）軸上的撥盤帶動工件做勻速回轉運動, 通過集流裝置使工件與直流電源正極相連, 為避免（miǎn）工作過程中整機帶電, 以自行研製的複式主軸取代原機床主軸, 實現了帶電工件與床身的絕緣隔離。
( 3) 步進電機（jī）驅動
由於（yú）整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, 將進給運動改為步進電機驅動, 以便於（yú）計算（suàn）機控製。綜合考慮性能與價格的（de）關係後, 決定采用（yòng）帶有齒輪（lún）減速器的反應式步（bù）進電機, 減速（sù）器輸出軸與絲杠間采用聯軸器連（lián）接（jiē）。
2.2 直流電源
直流電源的作用是為電化學反應提供電能（néng）, 目前一般采用矽（guī）整流設備, 因為性能非常（cháng）可靠安（ān）全。考慮到（dào）工件（jiàn）材質不同和電化學工作（zuò）液不同, 所需的工作電壓也不同, 電源輸出電壓設定在0~ 24V範圍內連續可調。考（kǎo）慮到工（gōng）件批量或大批量生產, 為保證直流電源能（néng）夠長時間、高負荷連（lián）續運行, 采取了循（xún）環水連續冷（lěng）卻方式。
2.3 工作液及循環係統
電化學工作（zuò）液成分、質（zhì）量、份數決定了電化學溶解速度及鈍化膜（mó）的厚度、強度、形成速度等, 為保證隻有（yǒu）工件表麵微觀高點處的金（jīn）屬發生電化學溶解（jiě）, 微觀低（dī）點處的金屬受到鈍（dùn）化膜保護, 在陽極電化學溶解的同時, 必須快速形成鈍化膜。經大量的實驗研究,確定電化學工作液（yè）采用以NaNO3 為主、添加少量致鈍（dùn）劑的鈍性工作液, 獲（huò）得了（le）令人滿意的（de）加（jiā）工質量和加工效（xiào）率, 同時也防止了工作液（yè）對於加工設（shè）備的腐蝕（shí）。應用於45#優質碳素結構鋼的電化學（xué）工作液配比關係如表1所示
工作液（yè）循（xún）環係統由耐蝕（shí）泵、節流元件、水槽、防濺罩等組（zǔ）成。耐（nài）蝕泵提（tí）供電化學工作液循（xún）環動力, 其額定（dìng）流量（liàng）和（hé）揚（yáng）程根據（jù）工具頭尺寸而定。節流元件用於調節工作（zuò）液壓力（lì）、流量, 以滿足不同情況的需（xū）要。水（shuǐ）槽由沉澱槽和儲存槽兩部分組（zǔ）成, 兩槽（cáo）互通（tōng）, 中間用過濾網隔開, 由加工（gōng）區域（yù）流回的工作液首（shǒu）先流入沉澱槽, FE（OH)3在此沉澱分離, 工作液流（liú）入儲存槽, 供循環使用。防濺罩用在加工區域, 防止工作液因工件（jiàn）旋轉而四處飛濺。
2.4 計算機控製係統
主軸正反轉, 液體泵、直流電源的啟動和停止（zhǐ）,以及整個加工過程中的工具頭（tóu）運動速度、位置、轉向等均由計算機統一控製, 作者選用了南京江南機（jī）床數控工程公（gōng）司生（shēng）產的JN-15T 型控製係統, 該（gāi）係統控製功能全麵, 擁有兩路用（yòng）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（bú）用) , 以（yǐ）及用於（yú）各類電器啟停的開關量輸出（chū）。JN-15T 型控（kòng）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（guān）量輸（shū）出僅為24V 直流脈衝信號, 需要通過繼電器、交流接觸器等完成各類電（diàn）器的控（kòng）製, 使整個加工（gōng）過程實（shí）現了自動化（huà）加工。
3. 實驗結果與分析
作（zuò）者（zhě）運用電化（huà）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 型輪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（guǒ）進行了深入（rù）的分析研究。
3.1 活塞杆實驗檢測條件。
工件（jiàn）材質為 優質碳（tàn）素結構鋼, 加工電流密度為（wéi）5A / CM2, 陽極與陰極間的間距為0.8mm, 珩磨條粒度為W14, 原（yuán）始表麵為精（jīng）磨加工表麵。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（dù）l= 2.5, 評定長度為5l。精磨表麵和電化學機（jī）械光整加工（gōng）表麵（miàn）輪廓（kuò）5如圖3所示, 水平方向放（fàng）大倍數為100, 鉛錘方向放大（dà）倍數（shù）為3 000。全部垂直（zhí）於加工痕跡方向測（cè）量。
4 結論
夾心式電化學機械光整加工裝置結（jié）構緊湊, 易於操作。加工過程中, 可以通（tōng）過選定磨粒粒度和珩磨壓（yā）力對機械珩磨力度進（jìn）行調節, 控製（zhì）表麵輪廓高度分布（bù）。采用複式主軸, 實（shí）現了帶正電的工件與機床的可靠絕（jué）緣, 電解液流量充足、可調, 可迅速帶走電化學產物, 加速電化學反應, 這一切均使得加工過程的可控性和可調性增加, 提高了加工（gōng）效率。電化學機械光整加工可（kě）以大幅度消除表麵低周期（qī）波動, 使表麵輪廓高度分布範圍縮小, 表麵輪廓高度特性參數大幅度降低, 當機械珩磨使用（yòng）粒（lì）度為W3的精密軟磨條時, 可以得到
的超精（jīng）表麵。表麵輪廓波動平均（jun1）間（jiān）距（jù）減（jiǎn）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。電化學機械光整表麵的波紋度遠小於精磨表麵, 並（bìng）且前者與後者的波紋度參（cān）數之比, 小於對應的粗糙度參數之比。
的超精（jīng）表麵。表麵輪廓波動平均（jun1）間（jiān）距（jù）減（jiǎn）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。電化學機械光整表麵的波紋度遠小於精磨表麵, 並（bìng）且前者與後者的波紋度參（cān）數之比, 小於對應的粗糙度參數之比。 投稿箱：
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