電化學去毛刺設備加工原理簡述

電化學去毛刺設備加工原理簡述
      電化學去毛刺設備作為電化學加工一種特殊的應用形式，它對加工工件無機械作用力，容易實現自動化或半自動化，適合去除高硬度、高韌性金屬零件的毛刺，可以在工件的特定部位進行限定加工。
　　一、脈沖電化學去毛刺加工機理
　　脈沖電化學去毛刺是一種符合“綠色制造”要求的先進去毛刺工藝。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行加工；加工時，工件接脈沖電源的正極，與毛刺部位相對應的工具電極接脈沖電源的負極，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，不會形成附加應力和表面變質層，因此可改善加工表面微觀幾何形貌以及零件的物理、化學和機械性能。
　　二、脈沖電化學去毛刺加工的基本原理：工件接脈沖電源的正極，工具電極接脈沖電源的負極，工具陰極與工件毛刺部位對應放置。加工時，首先在加工間隙內加入電解液，然后接通脈沖電源，此時工件陽極表面將發生氧化反應，工具陰極則將發生還原反應。工件陽極的基本電化學反應式為
　　M-ne→Mn+
　　Mn++n(OH)→Fe(OH)n↓
　　工具(陰極)的基本電化學反應式為
　　2H++2e→H2↓
　　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率，可阻止工件陽極表面進一步溶解，對工件陽極具有一定保護作用。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，根據電化學加工基本規律(法拉第電解定律)可推導出金屬陽極(工件)沿進給方向的深度蝕除速度va(mm/min)為
　　va=hwi
　　式中：h——電流效率
　　w——被電解物質的體積電化學當量(mm3/A·h)
　　i——電流密度(A/cm2)
　　當電解液的成分、濃度、加工溫度等參數確定后，陽極某點的蝕除速度主要取決于通過該點的電流密度。
　　根據電場理論可知，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，因此電化學反應速度快；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，脈沖電化學去毛刺加工可達到迅速去除、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，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量。
　　三、脈沖電化學去毛刺工藝要點
　　影響脈沖電化學去毛刺加工效果的工藝因素較多，如工具陰極的合理設計、脈沖電源的參數選擇、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。
　　工具陰極應根據具體毛刺情況進行合理設計，設計時應注意應用遮蔽技術，以保證在高效去除毛刺的同時保護工件陽極表面其它非毛刺部位的原有精度和表面質量。此外，還應滿足脈沖電化學加工的基本原則，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。由于電極表面質量直接影響去除毛刺部位的表面質量，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行去毛刺加工，可有效提高加工精度和表面質量。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生振蕩，產生壓力波，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，使間隙內的電化學產物(陽極去除的金屬、陰極析出的氫氣和產生的焦耳熱等)可及時、充分地排除。脈沖電源參數應根據加工條件合理選擇。
　　電解液成分是影響加工質量的主要因素。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、加工表面質量好、對環境無污染等特點。加工時，應根據毛刺的大小確定電解液的具體成分，同時合理設計電解液的流向、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，加工時間主要應根據加工圓角的大小來確定。
　　四、電化學去毛刺設備應用實例
　　脈沖電化學去毛刺工藝已成功運用于噴油嘴內孔、液壓閥體內孔、活塞套、軸承保持架以及紡機分梳輥用金屬針布等零件的去毛刺加工，去除毛刺的效果良好，形成了要求的光滑圓弧，且獲得了較好的表面質量。
　　噴油嘴內孔孔徑一般為0.25～0.5mm，去毛刺工藝裝置見圖3。采用正交試驗法得出優選工藝參數為：電解液為濃度約12%的硝酸鈉溶液，加工間歇0.1mm，脈沖寬度200µs，脈沖頻率1000Hz，加工電流5A，加工電壓15V，加工時間6s。加工后成功去除了噴油嘴內孔毛刺，并形成了約R0.1mm圓角，加工表面粗糙度達到Ra1.6µm。
　　紡織機械中的分梳輥用金屬針布外形如圖4所示。由于該零件為低剛度薄壁零件，采用機加工方法去毛刺較困難。采用脈沖電化學去毛刺時，優化工藝參數為：電解液為濃度約10%的硝酸鈉溶液，加工間隙0.2mm，脈沖周期1ms，脈沖間隔0.5ms，加工電流5A，加工電壓10V，加工時間5s。去毛刺效果及加工表面質量良好。
　　由于電解液具有一定腐蝕作用，因此脈沖電化學去毛刺加工后應采用超聲波清洗等方法及時清洗工件，也可采用硝酸鈉和亞硝酸鈉水溶液進行防腐處理。
　　脈沖電化學去毛刺工藝設備簡單、操作方便、應用范圍廣(尤其適用于薄壁件和剛性較差的零件)、加工效率高，具有良好的應用前景。電化學去毛刺設備己有系列化產品，在汽車發動機、通用工程機械、航空航天、氣動液壓等眾多行業得到廣泛應用，是電化學加工機床中生產批量較大，應用領域較廣的重要裝備

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