杆類零件表麵電化學機械複合光整加工的研究
2014-3-13 來源： 作者：山東理工大學機械工程學院 張海雲, 侯
引言
在（zài）杆類機械零件中, 例如液壓件的閥杆、活塞杆、抽（chōu）油機的抽油杆, 除要求尺寸精度較高外（wài）, 主要要求具有較（jiào）光潔（jié）的表麵質量和非常（cháng）低的表麵粗糙度,這類零件的加工方法現有超精磨削、珩磨或研磨、砂帶磨削、機械拋光和電拋光等。但實踐證明, 利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（xuē）可提高零件的尺（chǐ）寸精度、形狀精（jīng）度、降低表麵粗（cū）糙（cāo）度, 但加工成本（běn）高, 生（shēng）產效率低, 表麵（miàn）易於出現燒傷。研磨加工生產效率更低（dī）, 不能滿足大批量生產的要求, 砂帶磨（mó）削、機械（xiè）拋光和電拋光等工（gōng）藝方法, 在降低零件表麵粗糙度的同時（shí）, 都會（huì）不同程度地降低零件的原有尺（chǐ）寸（cùn）和形狀精度。針對上述問題, 作者利用電化學複合光整方法, 進行實驗研究, 並取得較好的效果。
1.電化學機械複合（hé）光整加工基本原理電化學機械光整加工是（shì）電化學（xué）和機械珩磨（mó）雙重作用的複合加工形式, 其加工的基本原 是以電化學溶解為基礎, 利用機械（xiè）珩磨的作用刮除工件表麵鈍化膜而去除金屬（shǔ）, 它（tā）與普通機（jī）械珩磨之間最明顯的區別是（shì）增加了直流電解係統。在加工過程中, 工件接（jiē）電源的陽極並繞軸線回轉（zhuǎn）, 工件一（yī）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（diàn）解液, 機械珩磨工具頭上的磨條（tiáo）以一定的壓（yā）力與工件相接觸。當接通直流電（diàn）源後, 在一定的電流密度下, 工件表（biǎo）麵發生陽極溶解並逐漸形成鈍化膜, 鈍化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（mó）的作用。與電（diàn）解加工所不同的是, 表麵氧化膜的去（qù）除不是靠（kào）活性離子或強（qiáng）力衝刷, 而是通過（guò）專門設計（jì）的機械工具的刮除作用實現的, 進而（ér）實現有選擇性地去除金屬的（de）目的, 如（rú）圖1 所示。
由於工件的原始狀態是由機（jī）械加工完成的, 所以其表麵上留有切削加工造成（chéng）的尖峰狀突起的凹穀（gǔ）, 當工件與工具接（jiē）通電源（yuán）以後（hòu）, 使微觀電場（chǎng）分布成非均勻性, 尖端處電場最強, 又由於尖端處與工件的距（jù）離（lí）最近, 所以更（gèng）加劇了電場分布（bù）的不均勻性, 這使得尖端處電流密度較大（dà）, 根據電解加工理論, 電解過程（chéng）中溶解速度與電流密度成正（zhèng）比, 所以（yǐ）尖（jiān）端（duān）處電化學反應速度較快, 金屬溶解速度也較快。在凹穀處, 電化學反應速（sù）度則相對較慢, 所以溶（róng）解也就相（xiàng）對（duì）較慢（màn）, 這（zhè）就使得在工件的整個表麵上, 溶解速度呈（chéng）現（xiàn）出不（bú）均勻性,尖端處的氧化膜很（hěn）快被機械複合（hé）珩磨工具頭(以下簡稱工（gōng）具頭) 刮除, 高點處從而露出新的金屬表麵繼續受到電化學溶解－成膜－刮除的作用, 使得（dé）該部位的材料被不斷地去（qù）除, 而（ér）表麵的微觀低點或凹陷部位則由於電解溶解的緩慢和氧化（huà）膜不能被及時刮除而受到保護, 或（huò）者說隻（zhī）能以低得多的速度被去除加工, 這一過程的連（lián）續進行, 使得工件的表麵得以整平, 如圖2所示（shì）。
2 光整加工設（shè）備的設計（jì）
加（jiā）工（gōng）設備主（zhǔ）要由機床、直流電源、工作（zuò）液（yè）循環係統和計算機（jī）控製係統等4部分組成。為降（jiàng）低成本, 增加實用性, 機床由CM6140車床進行數控改造而成, 進給運動改由計算機控製,反應式步進電機驅動, 並以帶有（yǒu）測力（lì）裝置和（hé）數顯表的電化學機械複合工具頭取代小刀（dāo）架, 將原主軸改（gǎi）造為帶有集（jí）流裝置、與床身絕緣隔離的複式主軸。所有對加工穩定性（xìng）有較大影響的工藝參數（shù）均得到（dào）有效監控,主軸正反轉、液體泵、直流電（diàn）源的啟動和停止, 以及整個加工（gōng）過程中的工具（jù）頭運動、轉向等均由計算機控製, 工作效率高, 操作簡便, 整個加工過程實現自動化。
2.1 設備改進
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（dì）利（lì）用通用設備, 工件具有較高的回轉運動（dòng）精度, 導軌與主軸軸線（xiàn）具有較小的平行（háng）度誤（wù）差, 製造成本低, 以電化學機械複合工具頭取代原（yuán）機床刀架。
(1) 電化學機械光整工具（jù）頭
電化學（xué）機械光（guāng）整工（gōng）具頭是實現杆件光整加工的關鍵部件, 要求其（qí）工（gōng）作可靠, 結構緊湊（còu）, 便於操（cāo）作, 操作者可以直視加工區域（yù）。夾心（xīn）式電（diàn）化（huà）學機械複合工具頭工作原理如（rú）圖（tú）1所示。
夾（jiá）心式電（diàn）化學機械光整工具 取代（dài）小刀架, 安裝於小拖板上, 可隨小拖板前後運動, 也可與小拖板一起隨大溜板（bǎn）左右運（yùn）動（dòng）, 它（tā）可（kě）同時完成電（diàn）化學作用和機械珩磨作用。工作中, 繞軸線回轉的工（gōng）件接直流電源（yuán）正極, 複合工具頭上的陰極與直流電源負（fù）極相接,通電後, 兩者之間形成一電化學反應區, 調節直流電源輸出（chū）電壓可以控製陰極工作表麵的平均電流（liú）密度,進而控製電化學反應速度（dù）。陰（yīn）極用黃銅製造, 上麵開有電解液噴孔, 陰極與（yǔ）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液流（liú）入水槽, 經沉澱過濾後, 循環使（shǐ）用。陰極（jí）上下兩邊是鑲（xiāng）有用於機械珩磨的軟磨條, 軟磨條硬度、磨粒粒度（dù）等則（zé）根（gēn）據具體的加工要求（qiú）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麵上,由彈性元件、位移傳（chuán）感器（qì）、數顯表等組成的測力係統對（duì）珩磨作用力進行在（zài）線監測。
夾心式電化學機械光整工具頭中（zhōng）采用的是軟珩（héng）磨條, 它（tā）由高溫氧（yǎng）化鋁(Al₂O₃) 或碳化矽(SiC) 磨料使用陶瓷結合劑經高（gāo）溫燒結而成, 由於其結合劑成分（fèn）比較（jiào）特（tè）殊, 磨條硬度較低, 使其略帶彈性, 易於使（shǐ）磨條與（yǔ）工件接觸均勻, 吸振性能好, 另外, 結（jié）合劑的黏度較低, 磨粒易於脫落（luò）, 磨（mó）條自銳性能好。
( 2) 複式（shì）主軸
加工（gōng）過程中, 車床主軸上的撥盤帶動工件做勻速回轉運動, 通過集流裝（zhuāng）置使工件與直流電源正（zhèng）極相連, 為避免工作過程中整（zhěng）機帶電, 以自（zì）行研製的複式主軸取代原機床主軸, 實現了帶電工件與床（chuáng）身的絕緣隔離。
( 3) 步進（jìn）電機驅動
由於整個（gè）加工過程由多次走刀組成, 加工中工具頭需多（duō）次換（huàn）向。為操作簡便, 提高加工（gōng）效率, 將進給運動改為步進電機驅（qū）動, 以（yǐ）便於（yú）計算機控製。綜合考慮性能（néng）與價格（gé）的關係後, 決定（dìng）采用帶有齒（chǐ）輪減速器的反應式步進電機, 減速器（qì）輸（shū）出軸與絲（sī）杠間采（cǎi）用聯軸器連接。
2.2 直流電源
直流電源的作用是為電化學反應提供電能, 目（mù）前（qián）一般采用矽整流設（shè）備, 因為性（xìng）能非（fēi）常（cháng）可（kě）靠安全。考慮（lǜ）到工件材質不同和電化學工作液不同, 所（suǒ）需的工作（zuò）電壓也不（bú）同, 電（diàn）源輸出電（diàn）壓設定在0~ 24V範圍（wéi）內連（lián）續可調。考慮到工件批量或（huò）大批量生產, 為（wéi）保證直流電源能夠長時間、高負荷連續運行（háng）, 采取了循環水連續冷卻方式（shì）。
2.3 工作液及循環係統
電化學工作液成分、質量、份數（shù）決定了電化學溶解速（sù）度（dù）及（jí）鈍化膜的厚度（dù）、強度（dù）、形成速度等, 為保證隻有工件表麵微觀高點處的金屬發生電化學溶解, 微觀低點處的金屬受到（dào）鈍（dùn）化膜保護, 在陽極電化（huà）學溶解的同時, 必須快速形成鈍（dùn）化膜。經大（dà）量的實驗研究,確定電化學工作液采用以NaNO3 為（wéi）主、添加少量致鈍劑的鈍性工作液（yè）, 獲得（dé）了令人滿意的加工質量和加工效率, 同時也（yě）防止了工作液（yè）對於加工設備的腐蝕。應用於45#優質碳素結構鋼的（de）電化學工作液配比關係如表1所示
工作液循環係統（tǒng）由耐蝕（shí）泵、節流元件、水（shuǐ）槽、防濺罩等組成。耐（nài）蝕泵提供電化學工作液循環動力, 其額定流量和揚程根據（jù）工具（jù）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。水槽由沉澱槽和儲（chǔ）存槽兩部分組成, 兩（liǎng）槽互通, 中間用過濾網隔開, 由（yóu）加工區域流回的（de）工作液首先流入沉澱槽, FE（OH)3在此沉澱分離, 工作液流入儲存槽, 供循環使用。防濺罩用（yòng）在加工區域, 防止工作液因工件旋轉而四處飛濺。
2.4 計（jì）算（suàn）機控製係統
主軸正反轉, 液體泵、直流電（diàn）源（yuán）的啟動和停止,以及整個加工（gōng）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）選用了南京江南機床數控（kòng）工程公（gōng）司生（shēng）產的JN-15T 型控製係統, 該係統控製功能全麵, 擁有兩路用於步進電機的脈衝輸出, 用於電動刀（dāo）架（jià）的T 收信功能(本裝置不用) , 以及（jí）用於（yú）各類電器（qì）啟停的（de）開關量輸出。JN-15T 型控製係統自身帶有功率放大器（qì）, 可以直接驅動步進電機, 但開關量輸出僅為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器的控製, 使整個（gè）加工過（guò）程實現了自動化加工。
3. 實驗結果與分（fèn）析
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）輪廓儀對其表麵微觀幾何形貌進行了詳細檢測, 並（bìng）對檢測結果進行了深入的分析研究（jiū）。
3.1 活（huó）塞杆實驗檢測（cè）條件。
工（gōng）件材質（zhì）為 優質碳素結構鋼, 加工電流密度為5A / CM2, 陽極與（yǔ）陰極間的間距（jù）為0.8mm, 珩磨條（tiáo）粒度為W14, 原始（shǐ）表麵為精磨加工表麵。表麵粗糙度截（jié）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。精磨表麵和電（diàn）化（huà）學機械光整加（jiā）工表麵輪廓5如圖3所示（shì）, 水平方向放大倍數為100, 鉛錘方向放大倍數為（wéi）3 000。全部垂直於加工痕跡方向測量。
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。加工（gōng）過程中, 可（kě）以通過選定（dìng）磨粒粒度和珩磨壓（yā）力對機械珩磨力度進行調節, 控製表麵輪廓高（gāo）度分布（bù）。采用複式主（zhǔ）軸（zhóu）, 實現了帶正電的工（gōng）件與機床的可靠絕緣, 電解液流量充足、可（kě）調, 可迅速（sù）帶走電化學產物, 加速電化學反應（yīng）, 這一切均使得加工過程的可控性和可調性（xìng）增加, 提高了加工效率（lǜ）。電（diàn）化學機（jī）械光整加工可以大幅度消除表麵低周期波動, 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, 當機械珩磨使用粒度為W3的精密軟磨條（tiáo）時, 可（kě）以得到
的超精表麵。表麵輪廓波動平均間距減小, 波紋細密性提高, 光整（zhěng）表麵高度分布呈負偏態、尖（jiān）峰分（fèn）布（bù）, 而非Gauss分布, 對耐磨性、精度保持性有利。電化學機械（xiè）光整表麵的波紋（wén）度遠小於精（jīng）磨表麵, 並且前者與後者的波紋度參數之（zhī）比, 小於對應的粗糙度參數之比。
的超精表麵。表麵輪廓波動平均間距減小, 波紋細密性提高, 光整（zhěng）表麵高度分布呈負偏態、尖（jiān）峰分（fèn）布（bù）, 而非Gauss分布, 對耐磨性、精度保持性有利。電化學機械（xiè）光整表麵的波紋（wén）度遠小於精（jīng）磨表麵, 並且前者與後者的波紋度參數之（zhī）比, 小於對應的粗糙度參數之比。 投稿箱：
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