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脈沖電化學(xué)去毛刺工藝
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機(jī)械零件在制造加工過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺不僅直接影響零件本身的精度和外觀質(zhì)量，還會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)品的使用性能和壽命。此外，由于去毛刺工序要花費(fèi)工時(shí)和費(fèi)用，因此將直接影響產(chǎn)品的成本和價(jià)格，成為降低生產(chǎn)成本的障礙之一，全世界每年花費(fèi)在去毛刺方面的費(fèi)用約為100億美元。目前，國(guó)外已從系統(tǒng)工程的角度來(lái)研究毛刺問(wèn)題，并成立了“世界去毛刺協(xié)會(huì)”(WorldwideBurrTechnologyCommittee，WBTC)，大力實(shí)施“毛刺工程”(BurrEngineering)。去毛刺工藝屬于表面光整加工范疇，目前主要采用刮刀、油石、砂布、鋼絲刷輪、滾磨、振動(dòng)、噴沙和撞擊等手工或機(jī)械方式以及化學(xué)、高溫、水射流、磨粒擠壓、電化學(xué)、脈沖電化學(xué)等非機(jī)械方式去除毛刺(航空業(yè)還采用機(jī)器人打磨等方式去毛刺)，這些不同的去毛刺方法各有利弊。去毛刺一般為零件的最終精加工工序，因此在去除毛刺的同時(shí)還必須保證零件具有良好的表面質(zhì)量，其加工效果與選用的去毛刺工藝方法密切相關(guān)。

2脈沖電化學(xué)去毛刺加工機(jī)理

脈沖電化學(xué)去毛刺是一種符合“綠色制造”要求的先進(jìn)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(jìn)行加工；加工時(shí)，工件接脈沖電源的正極，與毛刺部位相對(duì)應(yīng)的工具電極接脈沖電源的負(fù)極，工件陽(yáng)極與工具陰極之間保持較小的加工間隙，且工具陰極無(wú)進(jìn)給。該工藝具有以下特點(diǎn)：①由于加工所用電解液為中性無(wú)機(jī)鹽水溶液，因此不會(huì)污染環(huán)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(nèi)的電場(chǎng)和流場(chǎng)條件，降低了對(duì)電解液流動(dòng)特性的要求，因此有利于獲得穩(wěn)定、理想的加工過(guò)程；③由于在加工過(guò)程中無(wú)切削力，不會(huì)形成附加應(yīng)力和表面變質(zhì)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(xué)和機(jī)械性能。

脈沖電化學(xué)去毛刺加工的基本原理如圖1所示。工件接脈沖電源的正極，工具電極接脈沖電源的負(fù)極，工具陰極與工件毛刺部位對(duì)應(yīng)放置。加工時(shí)，首先在加工間隙內(nèi)加入電解液，然后接通脈沖電源，此時(shí)工件陽(yáng)極表面將發(fā)生氧化反應(yīng)，工具陰極則將發(fā)生還原反應(yīng)。工件陽(yáng)極的基本電化學(xué)反應(yīng)式為

M-ne→Mn
Mn n(OH)→Fe(OH)n↓

工具(陰極)的基本電化學(xué)反應(yīng)式為

2H 2e→H2↓

圖1脈沖電化學(xué)去毛刺加工的基本原理

圖2電力線分布示意圖

加工時(shí)，在工件陽(yáng)極附近形成一層很薄的氧化膜，可在工件陽(yáng)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(dǎo)率，可阻止工件陽(yáng)極表面進(jìn)一步溶解，對(duì)工件陽(yáng)極具有一定保護(hù)作用。在電解液的快速?zèng)_刷作用下，工件陽(yáng)極表面凹陷處的氧化膜因不易擴(kuò)散而較厚；工件陽(yáng)極表面凸出處(如毛刺、微觀凸出部位等)的氧化膜因容易擴(kuò)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(yuǎn)大于陽(yáng)極表面的其它部位，從而使毛刺被迅速溶解、去除。

在陽(yáng)極溶解過(guò)程中，根據(jù)電化學(xué)加工基本規(guī)律(法拉第電解定律)可推導(dǎo)出金屬陽(yáng)極(工件)沿進(jìn)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(zhì)的體積電化學(xué)當(dāng)量(mm3/A·h)

i——電流密度(A/cm2)

當(dāng)電解液的成分、濃度、加工溫度等參數(shù)確定后，陽(yáng)極某點(diǎn)的蝕除速度主要取決于通過(guò)該點(diǎn)的電流密度i。

根據(jù)電場(chǎng)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(jiàn)圖2)；凹陷部位的電力線分布相對(duì)稀疏，電流密度較低，金屬去除較少。由于毛刺處通過(guò)的電流密度遠(yuǎn)大于工件陽(yáng)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(yáng)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(xué)反應(yīng)速度快；由于電力線分布不均勻，工件陽(yáng)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(xué)去毛刺加工可達(dá)到迅速去除、溶解毛刺并形成光滑圓角的目的。通過(guò)合理采用工具陰極遮蔽技術(shù)，可有選擇地去除毛刺，不會(huì)影響工件陽(yáng)極表面原有的尺寸精度和表面質(zhì)量。

3脈沖電化學(xué)去毛刺工藝要點(diǎn)

影響脈沖電化學(xué)去毛刺加工效果的工藝因素較多，如工具陰極的合理設(shè)計(jì)、脈沖電源的參數(shù)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(shí)間、流場(chǎng)特性等。

o工具陰極

o脈沖電源

o電解液

o其它工藝因素

工具陰極應(yīng)根據(jù)具體毛刺情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意應(yīng)用遮蔽技術(shù)，以保證在高效去除毛刺的同時(shí)保護(hù)工件陽(yáng)極表面其它非毛刺部位的原有精度和表面質(zhì)量。此外，還應(yīng)滿(mǎn)足脈沖電化學(xué)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(chǎng)分布均勻、合理。由于電極表面質(zhì)量直接影響去除毛刺部位的表面質(zhì)量，因此要求工具陰極表面平整、光滑。

理論研究和加工實(shí)踐表明，采用脈沖電源代替直流電源進(jìn)行去毛刺加工，可有效提高加工精度和表面質(zhì)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(jìn)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(fā)生振蕩，產(chǎn)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(dòng)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(dǎo)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(nèi)的電化學(xué)產(chǎn)物(陽(yáng)極去除的金屬、陰極析出的氫氣和產(chǎn)生的焦耳熱等)可及時(shí)、充分地排除。脈沖電源參數(shù)應(yīng)根據(jù)加工條件合理選擇。

電解液成分是影響加工質(zhì)量的主要因素。以中性無(wú)機(jī)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(zhì)量好、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等特點(diǎn)。加工時(shí)，應(yīng)根據(jù)毛刺的大小確定電解液的具體成分，同時(shí)合理設(shè)計(jì)電解液的流向、流速及壓力，以便將去除的毛刺迅速?zèng)_離加工間隙，以免造成短路。

合理選擇陰、陽(yáng)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(zhì)量。電流密度和加工時(shí)間的選擇也十分重要，電流密度過(guò)大會(huì)加劇雜散腐蝕，電流密度過(guò)小則會(huì)降低加工效率，延長(zhǎng)加工時(shí)間，而加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)加劇晶界腐蝕。在滿(mǎn)足毛刺去除效率的前提下，加工時(shí)間主要應(yīng)根據(jù)加工圓角的大小來(lái)確定。

圖3噴油嘴內(nèi)孔去毛刺示意圖

圖4金屬針布外形

4應(yīng)用實(shí)例

脈沖電化學(xué)去毛刺工藝已成功運(yùn)用于噴油嘴內(nèi)孔、液壓閥體內(nèi)孔、活塞套、軸承保持架以及紡機(jī)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(zhì)量。

o噴油嘴內(nèi)孔去毛刺

o金屬針布去毛刺

噴油嘴內(nèi)孔孔徑一般為0.25～0.5mm，去毛刺工藝裝置見(jiàn)圖3。采用正交試驗(yàn)法得出優(yōu)選工藝參數(shù)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(shí)間6s。加工后成功去除了噴油嘴內(nèi)孔毛刺，并形成了約R0.1mm圓角，加工表面粗糙度達(dá)到Ra1.6µm。

紡織機(jī)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(jī)加工方法去毛刺較困難。采用脈沖電化學(xué)去毛刺時(shí)，優(yōu)化工藝參數(shù)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(shí)間5s。去毛刺效果及加工表面質(zhì)量良好。

由于電解液具有一定腐蝕作用，因此脈沖電化學(xué)去毛刺加工后應(yīng)采用超聲波清洗等方法及時(shí)清洗工件，也可采用硝酸鈉和亞硝酸鈉水溶液進(jìn)行防腐處理。

脈沖電化學(xué)去毛刺工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、應(yīng)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(yīng)用前景。

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