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涂附磨具电解复合抛光技术研究 学科：机械制造及其自动化 研究生签字：安 指导教师签字： 亏孑q 摘要j 电解机械复合抛光技术，充分利用电化学加工表面质量好、表面粗糙度低、加工效 率高的长处，是一种利用电化学的阳极溶解和磨粒的机械刮削作用相结合的复合加工工 艺。电解复合抛光技术主要应用到一些运用机械加工方法无法达到预期效果的加工过程 中。 本文介绍了电解砂光复合抛光新工艺。试验中用p 2 0 模具钢作为试验工件，加工参 数主要包括加工时间、砂纸粒度、加工电压、电解液成分及其浓度等，这些因素可能是影 响加工效果的主要因素。通过各单因素试验，发现电解液浓度对其抛光效果的影响较小， 而电解液成分影响较大。为了更好的得出各个加工参数对抛光效果的影响作用，安排了正 交试验。从中得出加工时间以及砂纸粒度对加工质量影响很大。加工时间越长，去除量越 大，当加工到一定时间，表面粗糙度将不再下降，如果继续加工，抛光表面将遭到破坏： 砂纸粒度越细，电解反应越强烈，金属去除量越大，所得到的表面质量也越好，表面粗糙 度低。 通过对电解液产物的分析，我们发现，电解复合抛光过程中，砂纸的机械切削作用 不仅可以去除凸起部分的阳极钝化膜，还对工件表面凸起部位有较强的机械切削作用，同 时使这部分金属活化，以较大的概率被电解蚀除，由此获得较高的抛光效率。 在试验中我们还对电解液进行了回收利用，主要运用了射流泵原理将电解液吸回到 电解液槽，经过净化后循环利用。用这种工艺，被加工工件的表面粗糙度值可加工到心 0 0 2 5 岬。 关键词：电解机械复合抛光；砂纸；表面粗糙度；去除量 i n v e s t i g a t i o no ft h ec o m p o u n d e l e c t r o m e c h a n i c a lp r o c e s sb y t h ea b r a s i v ep a p e ra n de l e c t r o l y s i sp o l i s h i n g d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n s t u d e n ts i g n a t u r e ：加肺9 j s u p e w l 5 0 。s l g n a u r e ：复_ 狮切嘞缈 a b s t r a c t t h ec o m p o u n de l e c t r o - m e c h a n i c a lt e c h n i q u ei st h ep r o c e s sw h i c hc o m p o u n d st h em e t a l c u t t i n gp r o c e s sa n dt h em e t a lr e m o v i n gb yt h ee l e c t r o - c h e m i s t r yp r o c e s s i tc a ng a i n aw e l l s u r f a c eq u a l i t y ，l o w e rs u r f a c er o u g h n e s s , h i g h e re f f i c i e n c y t h i sp r o c e s sm a i nd e p e n d so n m e c h a n i c a lm a c h i n i n gb ya b r a s i v ep a p e ra n de l e c t r o - c h e m i s t r ys o l u t i o np r o c e s si nw h i c ht h e w o r kp i e c ei sa sa l la n o d e t h i sp r o c e s sc a nb eu s e dt oo b t a i nh i g h e rq u a l i t yt h a nm e c h a n i c a l p o l i s h i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e w p o l i s h i n gp r o c e s s w eu s et h ep 2 0m o u l ds t e e la sw o r kp i e c e i nt h i se x p e r i m e n t t h ep r o c e s sp a r a m e t e r si n c l u d em a c h i n i n gt i m e ，a b r a s i v eg r a n u l a r i t y , m a c h i n i n gv o l t a g e ，e l e c t r o l y t ee l e m e n ta n dc o n s i s t e n c yc t c t h e s ea r es o m em a i nf a c t o r sw h i c h m a yb ea f f e c t e dt h ef i n i s h i n gs u r f a c e t h ee l e c t r o l y t ec o n s i s t e n c yh a sal i t t l ea f f e c t i o no nt h e f i n i s h i n gs u r f a c e b u tt h ee l e c t r o l y t ee l e m e n tw i t ht h ep r o c e s s s o m eo r t h o g o n a lt e s t sh a v e b e e n d o n ei no r d e rt os h o we v e r yp r o c e s sp a r a m e t e r sf u n c t i o n ；i ts h o w st h a tb o t ht h em a c h i n i n g t i m ea n dt h ea b r a s i v eg r a n u l a r i t yp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec o m p o u n de l e c t r o m e c h a n i c a l p o l i s h i n g m a c h i n i n gt i m ei sl o n g e r , t h em e t a lr e m o v i n g i sm o r e 1 f t h em a c h i n i n gt i m ei sm o r e t h a nt h ec e r t a i nl e n g t h ，t h es u r f a c er o u g h n e s sc o u l dn o tb er e d u c e d ；t h ew o r kp i e c es u r f a c e c o u l db ed e s t r o y e d i nt h i se x p e r i m e n t a t i o n ，w ef i n dt h a tt h em i n u t eg r a n u l a r i t ya b r a s i v ep a p e r b r i n g st h em o r ei n t e n s i t ye l e c t r o l y s i sr e a c t i o n ；a tt h es a m et i m ei tc a ng a i n sab e t t e rf i n i s h i n g s u r f a c e ，l o w e rs u r f a c er o u g h n e s sv o l u m e d e t e c t i n gt h eu s e de l e c t r o l y t e ，i ts h o w s t h a tt h ea b r a s i v ep a p e rn o to n l yc u t st h e p a s s i v a t i o nf i l m ，b u ta l s ot h ep i n n a c l eo f t h e w o r kp i e c es u r f a c e ，s ot h a tt h em e t a lo nt h e p i n n a c l ec a nb ea c t i v a t e da n db er e m o v e di nh i g h e rp r o b a b i l i t y , t h eh i g h e re f f i c i e n c yc a n b e o b t a i n e dw i t ht h i sp r o c e s s i nt h i se x p e r i m e n t ，w ed e s i g n e da n dm a d eak i n do f t h ej e tp u m pt or e c y c l et h ee l e c t r o l y t e b e t w e e nt h ew o r k i n gf i e l da n dt h ee l e c t r o l y t et a n k ，a n dt op u r i f yu s e de l e c t r o l y t e t h ew o r k p i e c es u r f a c er o u g h i l e s sv o l u m ec a nb eo 0 2 5 p mb yt h i sn e wp r o c e s s k e yw o r d s ：t h ec o m p o u n de l e c t r o m e c h a n i c a lp o l i s h i n g ；a b r a s i v ep a p e r ；s u r f a c er o u g h n e s s ； m e t a lr e m o v i n g 主要符号表 反射率 表面粗糙度 电子 阳极溶解或析出的金属质量 溶解或析出的金属高度 通过两相界面的电量 元素的质量电化学当量 电流强度 电流密度 法拉第常数 物质的摩尔质量 阳极溶解金属的体积 金属的密度 元素的体积电化学当量 金属比重 两极间电解液的电阻 阳极压降 欧姆压降 阴极压降 超电压或过电位 平衡电位 极化后的电极电位 电极反应的对称系数 极化率 法拉第常数 磨条振摆的频率 取样长度 评定长度 工件表面变形在法线方向的量值 对应表面轮廓变化频率为k ，和k ，的幅值 加工开始t = o 时的幅值 加工前表面的状态 州吃。m工q七，f聊矿p缈d r ee埘纯妒足，厂，=4厶 l ，k s 变化频率 q 工件表面金属去除量 形磨料粒度基本尺寸 2 学位论文独创性声明 学位论文独创性声噗 秉承学校严谨豹学菇与饶蠢豹辩学邋德，本入声臻掰釜交豹学位论文楚我令人在导鄹 搬导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方箨，学位论文不毽含其缝久已经发表袋撰写建豹研究藏架，不镪含本人已率滚学位或德 人己申请学位或其他用途使用过的成果。与我一i 司工作的同志对本研究所做的任何贡献均 巴在论文孛幸# 了翳确豹滋甥荠表示了致落。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日期： 皮轰 。孑7 冶磁 伽7 。s 纠 6 1 坪莎鼢 l 堂垡丝茎垫望兰壑兰塑 l - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l l 目_ _ _ - - _ _ i i _ _ _ _ - - 。_ _ _ _ _ _ _ - _ _ l _ _ _ _ _ _ - - 。一。 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间， 学位论文工作的知识产权属西安工业大学。本人保证毕业离校后，使甩学位论文工作成果 或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍为西安工业大学。大学有权保留送交的学位 论文的复印件，允许学位论文被查阕和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复印手段保存学位论文。 学位论文作者签名： 指导老师签名： 安躲 勿彩 日期：1 ，d 叼7 f z 、彦) 1 绪论 1 绪论 近几年来，随着科学技术的飞速发展，对于机械零件的各方面性能提出了越来越高的 要求，不但要求它们具有极高的尺寸精度和形位公差，同时还要求它们具有极高的表面质 量。面对越来越高的要求及越来越复杂的零件，出现了越来越多的光整加工方法，以满足 现代工业的需求。 1 1 光整加工技术及其重要作用 光整加工是指精加工以后，从工件上切除极薄的材料，用以降低工件表面的粗糙度或 强化其表面的加工方法。光整加工在被加工对象表面质量得到大幅度提高的同时，实现精 度的稳定甚至提高加工精度等级的一种技术，是先进制造技术的一个重要组成部分。其主 要功能有：减小和细化零件表面粗糙度，去除划痕、微观裂纹等表面缺陷，提高和改善零 件表面质量：提高零件表面物理力学性能，改善零件表面应力分布状态，提高零件使用性 能和寿命：改善零件表面的光泽度和光亮程度，提高零件表面清洁程度；去除毛刺、倒圆、 倒角等，保证表面之间光滑过渡，提高零件的装配工艺性。光整加工的工艺不同，零件的 表面质量也不同，相应地零件的使用寿命也不同，如表1 1 所示。从表1 1 中可知，机械 光整加工的微观表面形貌为尖峰状，此时的摩擦系数大，在摩擦时容易磨损，初磨损量大， 精度保持性差。同时由于磨具的强力挤压，尖点金属产生塑性流动而被挤入微观凹坑内， 掩盖了真实的表面形貌。使用一段时间以后由于疲劳磨损而剥离，使表面质量更差；而非 传统及复合光整加工的微观表面形貌为波浪或圆弧凹坑，摩擦系数小，初磨损量小，轮廓 支撑长度率高，精度保持性好，耐磨、耐腐蚀、耐疲劳性能得到显著提高。 表1 1 不同光整加工方法微观表面形貌与使用性能关系 目前光整加工按照加工机理的不同，可以被划分为以下两大类。一类是以切削加工原 理为主的单纯机械作用光整加工方法，即采用固结磨料、游离磨料的手工研磨和抛光，传 统机械光整加工( 磨削、研磨、抛光和超精加工) 等：另一类是以化学或电化学溶解加工、 3 两安t 业大学硕+ 学位论文 高能加工、以及多种加工原理复合的光整加工方法，即复合非传统光整加工( 电化学机械 抛光、电化学超声波研磨、电火花超声波研磨、电化学机械光整n i 、电火花电化学抛光、 磁场电化学光整加工，其他复合光整加工) 等。 传统光整加工技术由于开发较早，技术比较成熟，应用也较为普通，其内容主要包括 镜面磨削、超精研、研磨以及抛光等。传统光整加工可以加工出非常光洁的表面。譬如， 镜面磨削加工过程就是最终利用w 1 4 w 5 微细磨料和加有石磨填料的树脂砂轮，经过更 为精细的修整后，可以精磨出表面粗糙度达到r 。0 0 1 岬的光滑表面，这种加工常用于具 有较好加工刚度的圆柱面镜面磨削。研磨加工是目前用以获得最高级加工精度、最光洁表 面质量的主要手段之一，目前已能达到亚微米级( 0 1 o 0 1 p l r n ) 的加工精度和如o 0 1 岬 的表面粗糙度，许多检验用的标准量块就是用这种加工方法进行光整加工的1 2 1 。 非传统光整加工方法近年来才逐渐受到重视，并得到不断较快的发展，其内容主要包 括化学抛光、电化学抛光、脉冲电化学光整加工、电化学机械光整加工以及超声波加工等。 在非传统光整加工技术中，化学抛光和电化学抛光在适当的加工条件下，也能获得较低的 表面粗糙度值，有资料记载，化学或电化学抛光的零件表面粗糙度可以达到r 。一 i z ”。 单面和双面精磨技术等光整加工技术的研究与开发，也推动了在平面类零件表面镜面加工 技术的发展【”j 。 然而，上述以镜面磨削、研磨加工等传统光整加工为代表的镜面加工方法，一般情况 下均要求加工机床需要具备较高的运动精度和加工精度，或被加工零件需要具有较大的刚 度和精确的型面精度，对磨科和磨具的要求也很高。当然对工人技术的熟练程度也有很高 的要求。 无论是手工作业还是机械加工，与非传统光整加工技术相比，上述所涉及的传统光整 加工方法都需要多道工序才能完成，各工序间必须更换磨料，同时还必须对前道工序留下 的磨料清理干净，工作量大，效率低。当遇到工具无法触及的异型件、细长管，加工难度 更大，有时甚至无法加工。当遇到大型零件的光整加工，工作量更大，效率更低，难以实 现自动化，很难满足生产的需要。因此，我们急需开发新型的光整加工工艺技术来解决所 面临的这个难题。 综上所述，传统的机械光整加工方法主要有精细磨削、珩磨、研磨、抛光、超精加工 等，但我国这些工艺所能达到的水平与国外相比，相差甚远，因此无法满足高表面质量的 要求，造成零件使用性能和寿命降低。究其原因，根源在于我国的机械行业在大批量生产 方式的、高效率的光整加工方法的研究显得太少，全面地、综合地对机床设备、磨具、工 作液、加工工艺等方面的研究同发达国家相比均有较大差距。由于表面质量所引起的问题， 6 两安f ：业人学硕十学位论文 严重阻碍了企业生产和经济效益的提高，甚至有的零件不得不以高价进口来解决问题，给 企业、国家带来了沉重的负担。因此，我们必须从国情出发，认清楚当前我国工业底子薄， 技术基础差的落后现状，深入研究和开发适合国情和具有特色的光整加工新工艺，来解决 我国镜面加工技术所面临的困境。 近年来，为适应零件光整加工技术的生产需求，国内外科技工作者开展了广泛的研究 和探索，特别是针对非传统光整加工技术进行了许多有益的研究，涌现出许多新的光整加 工工艺方法。这些工艺方法能有效地降低零件表面粗糙度值，并具有较好的表面质量特性， 它们被运用于如齿轮齿面、轴承滚道、活塞杆等典型基础类零件表面的光整加工，提高了 机器设备的综合使用性能，使加工效率、表面质量以及工艺的自动化程度得到了大幅度提 高，其中最具有代表性的是基于电化学机械复合机理的镜面光整加工技术的研究与开发 【2 4 _ 3 l l 。 1 3 电解机械复合光整加工技术现状 抛光技术，又称镜面加工，其加工变形层很小，没有擦痕的一种加工工艺。抛光 不仅增加工件的美观，而且能够改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨性及获得特殊性能。抛 光的质量对工件的使用性能有直接的影响。抛光主要有机械抛光、化学抛光、电解复合 抛光等。 电化学机械复合抛光是利用电化学光整加工作用及其与磨削加工、研磨加工等传统 的机械加工作用或与超声波加工、磁粒研磨加工等非传统机械加工作用的复合，创新出 的一种零件表面的光整加工工艺技术。电化学机械抛光由于其自身特殊的加工机理而所 具有的特点和优势，针对手工作业、机械光整加工中存在的问题，完全有可能提出有效 可行的解决方案，基于该技术开发的光整加工工艺还可以加工任何强度、硬度、韧性、 脆性的金属材料，并且可以进行超精加工和镜面光整加工。因此，各国研究人员都在该 领域开展了相关的研究，以期通过研究来提高零件光整加工后的表面质量、加工精度以 及加工的效率，并试图提高加工工艺过程的自动化水平。根据文献显示，日本、欧美等 国的学者在该技术研究领域发表了大量的研究文章，国内的大连理工大学、哈尔滨工业 大学、南京航空航天大学等院校也相继开展了大量的研究工作，取得了一些重要的研究 成果。 日本同立造船的前烟英彦应用电解复合镜面研磨法加工金属表面，取得了很好的效 果，并对这种复合光整加工方法的工艺特性、表面特性进行了研列3 3 舶j 。该研究成果曾 经被应用于不锈钢镜面板的生产制造技术中，为后来不锈钢镜面板的大批量生产奠定了 技术基础。 同本学者清宫绒一研究了电解研磨法镜面加工的原理和工艺特性，并将此种工艺应用 到自由曲面的光整加工中，给出了平面、内圆面、自由曲面的加工实例 3 7 - 3 9 l 。推动了新型 模具型腔电化学机械光整加工技术的进一步研究和开发。 7 西安r 业大学硕十学位论文 日本东京大学的酒井茂纪和增浞隆久教授首先应用成对电极法对放电加工面进行脉 冲电化学光整加工。证实脉冲电化学加工可以显著提高电火花加工后的表面质量和加工效 率。并把这一成果应用到电化学机械光整n i 技术中，开发了基于电化学一电火花复合光 整加工的机床i “。 瑞典学者f a d a i e t e h r a n i ，a 在电化学机械加工过程中，采用脉冲电流代替直流电流。 结果表明，脉冲电流中的脉宽、脉间的不同组合可使机械去除和电化学去除之间的比例大 范围可调，因而给过程控制和参数优化带来很大便利【4 l 】。 美国学者j d s u n 针对模具中镍基合金、钛合金等材料存在难以光整加工的问题，开 发了正反向电场相结合的脉冲电化学机械光整加工技术，提高了模具钢的光整加工表面质 量【4 2 l 。 国内学者在针对电化学机械光整加工技术机理研究的同时，进行了大量实用技术的应 用研究，并提出了许多新型的复合加工工艺方法。 模具型腔复合光整加工工艺的研究针对目前模具光整加工中难以实现高精度、高效率 加工的实际问题，提出了一种新型的电化学机械复合光整加工模式一电化学超精密研磨技 术。此技术对模具型腔高效镜面加工的试验表明，选配适当工艺参数进行光整加工，可以 获得表面粗糙度如o 0 2 5 p m 镜面，效率较普通研磨提高1 0 倍以上【4 h 们。 电化学磁力研磨是一种新型的电化学机械自动化光整加工方法。该方法对电化学磁 力研磨加工的原理及特点以及磁性磨料的制备技术进行了深入研究，并对磁场场强、场 强梯度、磁极分布等研磨参数以及工件与磨粒相对运动方式对研磨质量的影响进行了讨 论。结合该技术的工艺特点在异型管件的内外壁抛光、大型复杂曲面的镜面抛光等应用 领域进行了工艺及其设备的研究，还开发了相应的自动化加工机床。同时报告了国内外 磁力研磨技术研究及工业应用的现状 4 7 - 5 2 1 。 在针对电化学机械镜面光整加工电解液的研究中，通过加入既保持其精度又能提高 其蚀除速度的添加剂和i n a f 等光亮剂组成电解液。使得被加工零件在极短时间内，可 获得十分光洁的镜面。研究结果指出，通过合理的电解液选择，可以有效地提高电化学 机械镜面光整加工的效率和表面质量，并有利于提高工艺实施的自动化加工水平1 5 ”。 随着脉冲电化学光整加工新概念的提出，脉冲电化学机械光整加工的研究也逐渐得到 重视。在针对脉冲电化学机械光整加工的研究中，研究内容包括了脉冲电化学机械光整加 工机理、高频窄脉宽脉冲电源技术、非线性电解液的研究等。研究表明，通过脉冲电流的 加入，电化学机械光整加工的机理发生了向好的方向转变，使得该工艺技术在对比较粗糙 的原始加工表面的适应性得到明显增强，加工效率也得到大幅度提高i 斗5 5 l 。 从上述研究成果和发表的文献可以看出，电化学机械光整加工技术自诞生之日起， 经历了一个较长的发展历程，所涉及的内容也比较广泛。如今该技术在加工机理、电源 形式、电解液成分、复合模式及其自动化研究方面都有了较大的发展，在许多的领域得 到了较好的应用。 8 两安i ：业大学硕十学位论文 然而，随着镜面零件的普及和应用，需要镜面光整n i 技术应用的场合也越来越多， 被加工零件个体的具体情况也是多种多样。由于在电化学机械光整加工技术的开发过程 中，无论是具体工艺条件的选择还是工艺装备的设计都具有较强的加工针对性，在许多场 合下，现行的生产工艺技术已经不能满足实际生产的需求。 对于机械抛光，主要靠切削、材料表面塑性变形去掉被抛光面的凸起部而得到平滑面。 劳动强度大，效率低，而且对于一些经过特殊处理的表面无法进行机械抛光。 电化学抛光是利用金属阳极电化学溶解的原理对金属表面进行腐蚀抛光，电化学抛光 工件、阴极之间间隙较大，它具有工具无损耗、不受材料硬度限制、效率高的优点，但对 金属成分和组织均匀性敏感，尤其是对硬质合金等材料的抛光比较困难。 磁场电化学抛光与机械抛光、电化学机械复合抛光相比，虽然更容易实现自由曲面的 自动化加工，但是其最致命的缺点是生产效率低，而且还受到磁粒制造水平的制约。 电解机械复合抛光技术，充分利用电化学加工表面质量好、表面粗糙度低、加工效率 高，以及机械加工精度高的长处，是一种利用电化学的阳极溶解和磨料的机械刮削作用相 结合的复合加工工艺。此工艺的特点有：表面微观几何形貌理想，加工表面层具有良好的 物理力学性能，无金相组织变化，无加工硬化，加工生产率高，加工范围广，加工成本低， 工艺装备简单，操作维修方便，污染少等特点，因而受到了人们的普遍重视。 1 4 选题背景、研究内容及意义 依据市场的需求和对电解复合抛光加工工艺以及加工机理进行进一步探讨的基础上， 提出本课题。 1 4 1 课题的来源及意义 ： 本论文课题是院重点学科建设，主要研究涂附磨具对工件的电解复合抛光工艺及对其 加工机理的初步探讨。 本课题研究的意义就在于开发一种新工艺，并对这种加工机理进行初步探讨。电解复 合抛光技术主要应用于机械n t 无法达到光整目的的工件表面。在后续的研究过程中，我 们还将开发角磨机、砂袋机等电解复合光整加工的方法，本文对电解复合抛光工艺及其加 工机理进行分析，对后续研究有一定的借鉴参考作用。 1 4 2 本文的主要内容 砂纸磨削是涂附磨具磨削的一种形式。本文主要是利用水砂纸对工件进行电解复合抛 光工艺及其机理的研究。 研究电解复合抛光过程中，各单因素即电解液成分、加工时间、加工电压及砂纸粒 度对工件表面加工效果的影响。再采用正交试验设计的方法对影响工件表面加工质量的工 艺参数进行试验，了解各个因素对工件加工指标的影响。这里的加工指标是指加工后的表 面粗糙度。 9 西安t ：业大学硕十学忙论文 优化工艺参数。对试验数据进行回归分析，建立表面粗糙度与加工时阳j 及砂纸粒度 之间的数学模型，拟合出其实用经验公式，并对其进行验证试验。从而优化工艺参数。 初步探讨n i 机理。根据对试验数据及试验现象的分析，进一步探讨其加工机理。 i o 两安f ：业人学硕十学位论文 2 电化学机械复合光整加工基本原理 电化学抛光( e l e c t r o c h e m i c a lp o l i s h i n g ) 或电解抛光( e l e c t r o l y t i cp o l i s h i n g ) ，即将会 属当作阳极并放置在特殊的电解液中通电，电解后会属表面会因腐蚀溶解而获得平滑化及 光亮化的抛光面。这种抛光方法虽然起源于2 0 世纪初，但真正在工业上得到大规模应用， 还是2 0 世纪3 0 5 0 年代以后的事。与机械抛光法相比，电化学抛光有很多优点。许多机 械抛光法无法进行的复杂零件，电解抛光法却可以进行。机械抛光是利用物理手段通过切 削、变形和磨耗而使表面平滑或光亮，这样会引起会属结晶破坏、变质而产生塑性变形层 或贝尔层( b e i l b yl a y e r ) ，以及因局部加热而产生组织变化层。因此，机械抛光不仅会在 金属表面造成扭曲或组织性、构造性的不规范，而且会在金属表面留下研磨材料或油脂等 异物，必须进行特种除腊处理，才能获得光亮清洁的表面。表2 1 是电解抛光同机械抛光 法的比较。 表2 1电解抛光同机械抛光法的比较 电解抛光法机械抛光法 通过电化学溶解的方法使金属表面平滑或光亮 部分材料表面有氧化膜形成 抛光面的耐蚀性好，光亮面持续的时间长 基本材料的组成与结构对抛光效果影响较人 抛光后会残留大的凹凸出和条纹 改变材质和抛光条件易获得哑光或橘皮表面 形状复杂、细小的零件及薄极易于抛光 速度快，产量大，生产率高，以自动化生产 大件物品抛光难 适于软质合金的抛光 抛光材料的消耗少 抛光面无应力，不会夹杂磨料 通过切削、变形和磨耗使金属表面平滑或光亮 表面会形成冷作硬化的变形层( b e i l b yl a y e r ) 耐蚀性差，光亮持续时间短 基体材料对抛光效果的影响很小 不留凹凸处和条纹 无法获得哑光与橘皮状表面 难以抛光这些零件 速度慢，产量小，生产率低，难自动化 大件物品易抛光 软质合金抛光难 抛光材料消耗多 抛光面有戍力，会夹杂抛光磨料 2 1 电化学机械复合光整加工机理 当两金属片接上电源并插入任何电解质溶液中，即形成通路，导线和溶液中均有电流 流过。然而金属导线和溶液是两类不同的导体。金属导体是靠自由电子在外电场的作用下 按一定方向移动而导电的，是电子导电，也称第一类导体；电解质溶液靠离子移动而导电 的，是离子导体，也称第二类导体。当两类导体构成通路时，在金属片和溶液的界面上， 必定有交换电子的反应，如果所接的是直流电源，则溶液中的离子作定向移动，正离子移 向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应。负离子移向阳极，在阳极表面失掉电子而进 行氧化反应( 也可能是金属原子失去电子而成为正离子进入溶液) 。溶液中正负离子的定向 移动称为电荷的迁移。发生在第一类导体和第二类导体界面上的有得失电子的反应即为电 西安f 。业人学硕十学位论文 化学反应。利用这种电化学反应作用为基础对会属进行加工的方法即为电化学加工。 电化学机械复合光整加工利用了会届表面的电化学光整加工原理和机械加工原理的 复合而创新出来的一种新型光整加工技术，它与普通机械加工之间最明显的区别是增加 了直流电解系统，与电解加工所不同的是，金属表面氧化膜的去除不是靠活性离子或强 力冲刷，而是通过专门设计的机械工具的刮除作用实现的，进而实现对工件表面的整平 作用。由于其独特的加工机理、显著的效率和表面质量特性，自诞生以来，一直受到众 多科技工作者的关注。 在加工铁基金属的过程中，工件表面因电化学作用而发生氧化反应，金属原子失去电 子进入溶液，并进一步与溶液中的氢氧根离子化合，生成f e ( o h ) 】的沉淀物而离开反应 系统，其溶解速度服从法拉第电解定律，阳极的电化学反应式为： ，0 2 p ，毒2 + n 2 + + 2 d 一寸f e ( o h ) 2 上 4 f e ( o h ) 2 + 2 月j d + 0 ：一4 f e ( o h ) 3 山 ( 2 1 ) 在工具阴极，正的氢离子被吸引到阴极表面，从电源得到电子而析出氢气，电化学反 应： 2 h + + 2 e 一个 ( 2 2 ) 电化学光整加工和机械加工的复合形式可以是多种多样的，现行的电化学机械光整加 工复合形式比较常见的有电解磨削、电化学研磨加工、磁粒电化学光整加工以及针对模具 型腔电化学机械光整加工等，它们或是基于回转体的光整加工，或是基于平面的光整加工， 或是基于曲面的加工。不管复合形式如何变化，其基本的加工机理是相同的，如图2 1 所 示为最初开发模具型腔电化学机械光整加工的一种基本结构形式。在图2 1 中，工件和工 具电极被同时放胃于充满电解液的电解槽中，被加工工件接直流电源的正极，称为阳极， 工具电极接直流电源的负极，称为阴极。电解液通过循环泵不断地被填充到阴阳极之间的 间隙中，工具电极相对于工件作往复运动。 图2 1 电化学机械光整加工的基本组成 下图2 2 中表述了电化学机械光整加工技术的复合加工机理。如图2 2 所示，当加工 1 2 两安1 ：业人学硕十学位论文 进行时，阴阳极日j 有电流通过，在一定的电流参数和合适的电解液成分条件下，工件阳极 的会属表面会发生电化学钝化溶解而生成钝化膜，该钝化膜的产生阻止了电化学作用对金 属基体的进一步溶解。然而，随着工具电极油石条在工件表面的往复作用，覆盖在工件表 面微观高点的钝化膜被清除，新鲜的金属表面被重新露出并进一步溶解，又重新生成新的 钝化膜层，而微观表面的低点部位的金属基体由于钝化膜层的持续保护而没有被进一步溶 解。每当工件表面形成钝化膜时，油石条的往复机械运动就会将金属微观表面的高点膜层 刮去，又持续的被电化学溶解，如此循环往复，使得被加工表面高点被不断去除，低点被 保护，工件表面最终得到光整加工。 机械除膜前机械除摸盾 图2 2 电化学机械光整加工机理【5 6 】 从电化学机械光整加工的机理可以看出，电化学机械光整加工过程实质上工件阳极表 面的钝化膜形成与去除过程。它包括了三方面的内容，这三个方面的内容是工件金属阳极 表面的电化学钝化溶解成膜过程、机械抛光刮膜过程以及电化学钝化溶解作用与机械抛光 刮膜作用之间的复合模式。在实际应用中，机械与电化学作用的重要性是均衡的，匹配恰 当，对于提高加工质量和加工效率均是至关重要的。机械刮除作用过慢，钝化膜残留过多， 会影响电化学作用的发挥：而机械刮除作用过强，也会带来机械加工的缺陷，如表面划伤、 工具磨损过快等，达不到光整加工的目的。所以，恰当控制电化学作用和机械刮除作用的 速度，使电化学溶解一成膜作用和机械刮膜一活化作用达到良好的匹配，可以在获得高质 量表面的同时，获得较高的生产率。 下面将针对这三方面的内容所涉及到的基本原理和方法做详细的分析和研究。 2 2 电化学溶解基本原理 阳极电化学钝化溶解过程是电化学机械光整加工技术的主要研究内容之一，它直接关 系到电化学机械光整加工的适用能力和加工效率。阳极电化学钝化溶解过程的研究是揭示 电化学机械光整加工技术工艺特性和表面特性的技术基础，本节将就金属零件表面钝化溶 解过程的电化学基本原理和由此而产生的钝化膜的性质和特性展开研究。 2 2 1 法拉第定律 电化学溶解加工时，工件阳极和工具阴极之间充满电解液，当两极间接上电源后， 1 3 两安j ：业人学硕十学侍论文 电极和电解液中有电流通过，在电流作用下电极与溶液两相界面上发生电化学反应， 溶液中各种离子的运动形式如图2 3 所示。在工件阳 极的电化学反应中，阳极若为铁、镍、铜、锌、铝等 任何一种化学性较活泼的金属时，则这些会属的原子 会放出电子而呈离子状态，持续不断地转移至4 溶液中， 发生阳极溶解，如电极反应式( 2 3 ) 中m ”为阳极金 属上发生电化学氧化反应而溶解下来的金属离子。阳 极若为惰性金属( 例如铂等) 则在阳极上会由于溶液 中负离子的放电而析出某一种元素的物质，如反应式 ( 2 4 ) 中n 为溶液中的负离子在阳极上失去电子而析 出的物质。 电蠢方向 直疆电一 瓣 图2 3 电解池中离子自迂移 m n e m ”( 2 3 ) n ”一m e n( 2 4 ) 在工具阴极上，若溶液中的金属离子达到一定的浓度，会吸收电子并以金属形式析出， 如反应式( 2 5 ) 中p ”为溶液中的金属离子，在阴极上得到电子而沉积出金属p 。而在化 学性活泼的金属( 钾、钠等) 和碱土金属( 铍、镁、钙、锶、钡等) 盐类溶液中，则有氢气在 阴极表面析出，如反应式( 2 6 ) 。 p ”+ n e - - 9 , p( 2 5 ) 2 h + 一所8 一日2 t ( 2 6 ) 金属发生阳极溶解时，其溶解量和通过电解液的电量存在着一定的关系，这种关系 符合法拉第定律。法拉第定律包括以下两个内容： 在电极的两相界面处( 如金属溶液界面处) 发生电化学反应物质的量与通过其界面 上的电量成正比( 法拉第第一定律) ； 当相同的电量通过不同的电解质溶液时，在电极上析出或溶解的物质量与其化学当 量成正比，与该物质的本性无关( 法拉第第二定律) 。 如果阳极只发生确定原子价的金属溶解而没有析出其他物质，且如果各个加工工艺 参数稳定时，根据法拉第第一定律，电解时电极上溶解或析出的物质的量( 质量或体积) ， 与电解电流和电解时间成正比，即与电量成正比，应该有如下表达式： 重量去除量m = k q = k l t i ( 2 7 ) 尺寸变化量l 2 o j r j 式中：m 一阳极溶解或析出的金属质量( g ) ； 卜溶解或析出的金属高度( p r o ) ； q 一通过两相界面的电量( a 8 或a m i n ) ； k 一每单位电量溶解的元素质量，称为元素的质量电化学当量 1 4 两安1 ：业人学硕+ 学位论文 ( g a s 或a m i n ) ： r 一工件材料的体积电化学当量( n u n 3 ( a m i n ) ) ： 卜电流强度( a ) ： i m 电流密度( a c m 2 ) ； t _ 一电流通过的时f j ( s 或r a i n ) 。 根据法拉第第二定律，电极上溶解或析出一克当量物质在两相界面上得失量的计算 ( 同时也为实验所证实) ，对任何物质这一特定的电量均为常数，以字母f 表示此电量， 称为法拉第常数。 f 9 6 5 0 0 ( a s m 0 1 ) 1 6 0 8 3 ( a r a i n t 0 0 1 ) 根据法拉第常数的定义，即阳极溶解i m o i 金属的电量为f ：而对于原子价为n ( 更 确切地讲，应该是参与电极反应的离子价，或在电极反应中得失电子数) 、相对原子质量 为a 的元素，其l m o l 质量为a n ( g ) ；则据式( 2 7 ) 可写作 由此可以得到元素的电化学当量： a ：= k f 疗 七： r f 对于零件加工而言，人们更关心的是工件几何量的变化。由式( 2 7 ) 容易得到阳极 溶解金属的体积为 矿：生生：生，r ：脚t ( 2 9 ) pp 。 式中v 一阳极溶解金属的体积( c m 3 ) ； p 金属的密度( g c m 3 ) ； 一单位电量溶解的元素体积，即元素的体积电化当量( c m 3 a s 或c m 3 a r a i n ) ， 可得 缈：鱼：( 2 1 0 ) 缈一 l z 1 u ， pn f p 部分金属的体积电化当量口值见表2 2 1 5 7 i 。 表2 2 部分金属的体积电化当量 1 5 西安r 业大学硕十学位论文 从关系式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可以计算出金属阳极溶解量的理论值。例如，铁( f e ) 若以 2 价状态溶解，其克当量a n = 5 5 8 5 2 = 2 7 9 3 ( g ) 。当电流为1 0 0 a 时，按比重d = 7 8 6 ( g e m ) 计算，可算出阳极溶解的理论速度为1 0 4 2 ( g h ) 或o 2 2 ( c m 3 m i n ) 。尽管法拉第定律是自然 界最严格的定律之一，它不因物质品种、性质、反应条件而改变，但在实际加工过程中， 电化学反应的产物少于( 有时也可能多于) 理论计算值主要由于以下原因： 电极反应未按逾期的模式进行，同时发生了其他的反应，即卧反应。例如氯碱工业 的阳极反应为析出c l 反应，但有时同时发生析出d ，反应，使析出c z ，电流效率降低。 由于次级反应的发生，消耗了反应产物。 由于电化学反应或机械作业等其他原因导致产物的消耗或产物的生成。 2 2 2 电极电位与电极极化 2 t nd u 、 、 当 3 、 | 出 、 如前所述，在实际的电化学加工过程中，不仅由于阳 极有气体的析出，消耗了部分的电量，而且由于不同阳极 金属的电极电位差别，外加电能并非完全用于阳极的溶解。 也就是说，# t - 自n 在两电极上的极间电压u 并不等于电解液 欧姆压降瓜，即u 取( 其中1 为阴阳极问的通过电流。 r 为两极间电解液的电阻) 。这是因为还必须计入金属固体 l 一阳极；2 一阴极：e 一阳极压降与电解液两相界面存在的电位差所形成的反电动势，金属。 图2 4 电位分布和溶液界面上的电位差称为该金属的极电位( 如图2 4 所示) 。 因此，如以e 。和e c 分别表示阳极和阴极的电极电位，则： u = 乞一e + 【， ( 2 1 1 ) 其中 u 。= i ru 。一欧姆压降e 一阴极压降 任何一种金属插入含该金属离子水溶液中，在金属溶液界面上都会形成一定的电荷 分布，从而形成一定的电位差，这个电位差就称之为该会属的电极电位。我们就以铁插在 氯化亚铁( 分子式f e c l 2 ) 水溶液中为例，当金属铁和水溶液相接触时，金属表面上的铁 离子和极性很强的水分子结合成水化铁离子，具有脱离金属基体进入溶液的趋势，氯化亚 铁中的铁离子也有沉积到金属上，加入晶体的趋势。由于铁离子在晶体中比在溶液中具有 的能级高，较不稳定，因此，前者的趋势比后者要强，通过两相的界面( 金属溶液) 进 入溶液的铁离子较多。即：f e f e 2 + + 2 e 。本来金属铁和氯化亚铁水溶液都是呈电中性， 但当f e 2 + 离子进入溶液，即金属铁溶解时，把自由电子留在金属上，就使得金属表面带负 电，而溶液中由于出现了这些多余的离子而带正电。随着f e 2 + 离子溶解的数目不断增加， 金属上的负电荷和溶液中的正电荷就越来越多，这样，由于金属表面负电荷的吸引和溶液 中正电荷的排斥，使得f e 2 + 离子继续溶解变得困难，溶解速度逐渐降低，相反地，溶液中 f e 2 + 离子沉淀到金属上去却变得容易，沉积速度逐渐提高。最后，当溶液中的金属原予溶 解的( 氧化反应) 速度与离子沉积( 还原反应) 的速度相当时，在界面上建立起了动平衡反应 1 6 两安j ：业人学硕十学何论文 式。 e 三些竺兰凡2 + + 2 2 e ，r f 磊云产心一十 从金属表面进入溶液的f e 2 + 数目和从溶液沉积到金属表面的f e 2 + 离子数相等，因此， 在界面两侧电荷的数目就保持稳定，在金属表面就存在有一定数量的多余电子，而在邻近 金属表面的溶液中也有同样电荷的离子，带正电荷的离子由于金属表面负电荷的吸引，不 能均匀散布在溶液中，而是聚集在金属表面的 附近，于是，在界面上就形成了一定的正负电 荷分布，如图2 5 所示。图中所示金属溶液界 面上的这种相对稳定的正负电荷的双电层分布 之自j 存在一定的电位差，这个电位差就是电极 电位。在电极电位形成过程中，不同金属或同 一种金属在不同溶液中形成的双电层是不相同 的，因此双电层的电位差，也就是不同电极的 电极电位值不相同，而且双电层的极性也可能 縻蘑 ( a ) ( b ) 图2 5 双电层结构示意图 不一样。一般情况下，对于化学性能比较活泼的金属( 如铁) ，其表面带负电，溶液界面 带