（机械电子工程专业论文）纺织机械针布非传统加工工艺研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 纺织业在我国国民经济发展中一直占据着重要地位，针布作为纺织机械重要的分梳 元件，其性能直接影响梳理效果，从而影响成纱质量。随着我国加入w t o ，纺织企业 参与国际竞争，产品质量的竞争也将格外激烈。但是国产针布普遍存在的问题是齿侧有 毛刺，棱边尖锐，表面质量差；齿尖硬度低，耐磨性差，使用寿命短。 为了提高齿尖硬度，国内目前主要在各种高碳低合金材料的选择试验和淬火工艺上 作研究，因受化学、物理性能的限制，在进一步提高硬度上进展不大。因此，寻找能大 幅度提高齿尖硬度并较国外材质成本低廉的符合我国国情的新型针布表面处理工艺势 在必行。用激光淬火，容易实现自动控制，硬化均匀；现在国产大功率激光管质量可靠， 在机加工行业耐磨零件表面处理上技术己成熟，鉴于此本文采用激光淬火来提高针布硬 度从而提高其耐磨性。实验研究表明激光淬火可以大幅度提高齿尖硬度，满足厂家要求， 工艺过程简单、操作容易。 目前我国针布主要采用机械光整，但由于针布形状复杂，尺寸小，用机械光整存在 很多问题，得不到理想的表面质量，造成其使用性能和寿命降低，产品质量与国外相比 相差甚远，仍需大量进口。另外，由于金属的塑性，采用机械方法不能彻底去除针布毛 刺，生产效率也较低。所以要提高产品质量，还需改进加工工艺。本文在进行大量工艺 实验的基础上，对脉冲电化学光整进行了深入研究，将其应用到针布表面光整中。实验 研究表明脉冲电化学光整可以彻底去除毛刺，并使针布的整个工作部分成为完整的圆 角，同时提高了针布两侧面的表面质量。 受经纬纺机股份有限公司榆次分公司的委托，针对目前针布加工现状，本文进行了 针布非传统加工工艺的实验研究。结合激光淬火及脉冲电化学工艺特点，以正交试验法 经过反复试验研究了主要工艺参数对针布加工效果的影响，确定工艺参数的合适范围， 提高工艺稳定性。 本文的工作说明采用激光淬火提高针布硬度及脉冲电化学光整针布表面完全可行 有效，具有重要的现实意义及良好的应用前景。 关键词：硬度；去毛刺；激光淬火；脉冲电化学光整 纺织机械针布非传统加工工艺研究 r e s e a r c ho nn o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n ga b o u tc a r dc l o t h i n go f t e x t i l e m a c h i n e r y a b s t r a c t t h et e x t i l ei n d u s t r yh a sb e e np l a y i n g8 , 1 1i m p o r t a n tr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m y a sa l l i m p o r t a n tc a r d i n gp a r t , t h ep e r f o r m a n c eo fc a r dc l o t h i n gg r e a t l ya f f e c t st h ec a r d i n ge f f e c ta n d i nt u r na f f e c t st h eq u a l i t yo fs p i n n i n g w i t l lc h i n a sa c c e s s i o nt 0t h ew t o t e x t i l ee n t e r p r i s e s h a v et op a r t i c i p a t ei nt h ei n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i o n sa n dt h ec o m p e t i t i o n so fp r o d u c t i o n q u a l i t yw i l lb ef i e r c e ra n df i e r c e r h o w e v e r ，t h ep r o d u c t i o nq u a l i t yo fd o m e s t i cc a r dc l o t h i n g i sp o o r ，s u c ha st o om a n yb u r r so ni t ss u r f a c ea n de d g e s ，s h a r pe d g e s ，b a ds u r f a c eq u a l i t y ，l o w h a r d n e s s ，b a dw e a r - r e s i s t a n ta b i l i t ya n dv e r ys h o r tl i f e t oi m p r o v et h eh a r d n e s so fc a r dc l o t h i n g ，p e o p l el a ye m p h a s e so nt h er e s e a r c ho f q u e n c h e ra n dt h ee x p e r i m e n t so fs e l e c t i n gh i g h - c a r b o na n d ，l o w - a l l o ym a t e r i a la tt h ep r e s e n t t i m e d u et ot h er e s t r i c t i o n so fc h e m i c a la n dp h y s i c a lp e r f o r m a n c e s ，t h e r ei sn o tm u c h i m p r o v e m e n to nt h ef u r t h e ri m p r o v i n gh a r d n e s so fc a r dc l o t h i n g t h e r e f o r e i t si m p e r a t i v et o f i n dan e wp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt op r o c e s st h es u r f u c eo fc a r dc l o t h i n gw h i c hm a yg r e a t l y i m p r o v et h ec a r dc l o t h i n g sh a r d n e s s t h en e wp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ys h o u l dh a v el o w e rc o s t c o m p a r e dw i t i lf o r e i g nt e c h n o l o g ya n db ec o n s i s t e n tw i t ht h en a t i o n a lc o n d i t i o n so fc h i n a l a s e rq u e n c h i n gi se a s yt ob ea u t o m a t i c a l l yc o n t r o l l e da n dt h eh a r d n e s so f t h em a t e r i a li se a s y t ob eh o m o g e n e o u s m o r e o v e r t h eq u a l i t yo fh i g h - p o w e rl a s e rg e n e r a t o ri sr e l i a b l ea n dt h e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya p p l i e dt ow e a r - r e s i s t a n tp a r t s s 1 d 破i nt h em a c h i n i n gi n d u s t r yh a s b e e nw e l ls t u d i e d s ol a s e rq u e n c h i n gi sa p p l i e dt oi m p r o v et h eh a r d n e s sa n dw e a r - r e s i s t a n t a b i l i t yo nt h es u r f a c eo fc a r dc l o t h i n gi nt h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e ss h o wt h a tl a s e r q u e n c h i n gm a yi m p r o v ec a r dc l o t h i n g h a r d n e s sg r e a t l y ，m e e t sw i t ht h er e q u k e m e n uo f e n t e r p r i s e sa n dt h ep r o c e s s i n gi ss i m p l ea n dm a n i p u l a t e de a s i l y a tp r e s e n t , m e c h a n i c a lf i n i s h i n gi su s e dt of i n i s hc a r dc l o t h i n gi nc h i n a b u tt h e r ea r e s o m ep r o b l e m so fm e c h a n i c a lf i n i s h i n gb e c a u s eo fc a r dc l o t h i n g sc o m p l e xs h a p ea n ds m a l l s i z e a f t e rf i n i s h e d ，t h es u r f a c eq u a l i t yi sn o tp e r f e c ta n dc a u s e st h ed e c l i n eo fp e r f o r m a n c e a n dl i f e p r o d u c tq u a l i t yi si n f e r i o rt ot h a to ff o r e i g nc o u n t r i e s ，s ol a r g eq u a n t i t i e so fc a r d c l o t h i n gm u s tb ei m p o r t e dn o w a d a y s i na d d i t i o n ，b u r r sc a l ln o tb ec o m p l e t e l yr e m o v e dw i t h m e c h a n i c a lm e t h o d sb e c a u s eo f t h em e t a l l i cp l a s t i c i t y ，a n dt h ef i n i s h i n ge f f i c i e n c yi sv e r yl o w s o ，m a c h i n i n gm e t h o dm u s tb ei m p r o v e di no r d e rt op e r f e c tt h es u r f a c eq u a l i t yo fc a r d c l o t h i n g ，i nt h i sp a p e r ，p u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n gi sa p p l i e dt of i n i s ht h ec a r dc l o t h i n g s s u r f a c ea f t e ra l li n d e p t hs t u d yo fp u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n g t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e s 大连理工大学硕士学位论文 s h o wt h a tb u r r sa l er e m o v e dc o m p l e t e l yf r o mt h ec a r dc l o t h i n gb yp u l s ee l e c t r o c h e m i c a l f i n i s h i n g , a n dm e a n w h i l e ，c a r dc l o t h i n g sw h o l ew o r k i n gf a c eg e t ss m o o t ha n dt h es u r f a c e q u a l i vg e t sp e r f e c t e n t r u s t e db yj i n g w e it e x t i l em a c h i n e r yc o ，l t d ，y u e ib r a n c ha n da c c o r d i n gt ot h e a c t u a l i t yo fc a r dc l o t h i n g sm a c h i n i n g ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nn o n t r a d i t i o r l a lm a c h i n i n g t e c h n o l o g i e sw h i c ha p p l i e di nc a r dc l o t h i n ga l em a i n l yd e v e l o p e di nt h i sp a p e r b a s e do i lt h e c h a r a c t e r i s t i c so fl a s g rq u e n c h e ra n dp u l s ee l e c t r o c h e m i e a lf i n i s h i n g ，t h ei n f l u e n c eo f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so np r o c e s s i n ge f f e c ti ss t - a i e dt od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r s a p p r o p r i a t e s c o p ea n d t oi m p r o v et h es t a b i l i vo ft h et e c h n o l o g yb yn u m e r o u se x p r i m e n t sw i t h o r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h ew o r ks h o w st h a ta p p l y i n gl a s e rq u e n c h i n gt oi m p r o v ec a r dc l o t h i n g sh a r d n e s sa n d p u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n gt of i n i s hi t ss l l r f a c ei sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e t h et e c h n o l o g i e s h a v eg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r o s p e c t s k e yw o r d s ：h a r d n e s s ；d e b u r r i n g ：l a s e rq u e n e h e r ；p u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n g i i i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盔塾凰日期：幽：! f 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 蒲李风 娠蝴 圭堑年旦月竺日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 1 1 1 针布在纺织机械中的作用及现状 纺织业在我国国民经济发展中一直占据着重要地位，针布是纺织梳理机实现梳理功 能的主要器材。一个多世纪以来，针布伴随着梳理机的发展而发展，没有它不行，性能 不好也不行。技术再先进的梳理机，如d k 9 0 3 、c 5 0 等，配以质量低劣的老型号针布， 棉网的质量也不会好；老型号梳理机如1 1 8 1 ，配用上高质量新型针布，也能生产出中上 等的棉条，只是产量低而已i l 】。可见对梳棉工序而言，针布绝不是小配角，它是梳理纤 维不可缺少的纺纱器材，它包覆在梳理机的各种滚筒上，对纤维进行梳理、除杂均匀混 和及拉直纤维，其性能好坏直接影响梳理效果。 我国从上世纪5 0 年代开始研制针布齿条，特别是从上世纪8 0 年代开始进行技术 改造以后，产品质量已取得了长足进步。但是，与世界先进水平，如美国豪林斯渥斯、 英国e c c 、瑞士格拉夫等公司相比，差距仍然不小，主要表现在针布表面质量和耐磨性 方面。据有关资料介绍，在产品表面质量方面的差距，如在齿条的表面粗糙度方面：美、 英、瑞士等国产品的i h 为1 6 o n ，中国和日本产品的r a 为3 2 o n ，且圆整度差；在 耐磨性方面：世界先进水平的锡林针布可加工纤维6 0 0t 以上，而国产优质的锡林针布 加工约3 0 0 t ，在普通梳理机上还可应付，若在清梳联的高产梳理机上，如单产为4 5 k g 台h 的梳理机，年梳理纤维约3 0 0 t ，则使用寿命只有1 年左右，需要经常更换针布， 这无疑造成生产不稳定，并为管理带来了不便，更何况针布衰退快，棉网质量下降，影 响到成纱质量。这正是许多纺织厂宁肯花高价购买进口针布为清梳联配套的原因所在； 在齿尖硬度值方面：英国e c c 公司为7h v ，瑞士格拉夫公司为2 0h v ，我国平均为 3 3 h v 旧。 随着我国加入w t o ，纺织企业参与国际竞争，产品质量的竞争也将格外激烈。但 是，国产针布的棱边及表面不同程度地留有毛刺，梳理时，这些毛刺会刮线，严重时会 断线，影响梳理效果及成纱质量口j 。国产针布齿尖耐磨性锋利度持久性不够、使用寿命 短。据使用厂反映进口针布有的可用6 年，而国产针布即使不轧坏使用寿命也最多2 3 年。虽然国产针布齿条的年产量很高，但部分纺织厂仍需大量引进昂贵的国外针布【4 】。 1 1 2 齿尖硬度影响 针布的梳理作用主要集中在齿尖上，梳理过程中纤维经常处于齿尖。梳棉机在运转 纺织机械针布非传统加工工艺研究 期间，棉流不断从针齿间滑移通过，针尖会逐渐受到磨损，齿尖硬度低则更容易磨损。 齿尖磨损后，锋利度严重衰退，质量开始下降。锋利度是针布重要参数指标，锋利度越 好针布的穿刺能力越好。因此，为恢复齿尖的锋利度，必须进行磨针，但平磨次数越多， 齿顶面积越大，穿刺能力越差。为了使针布具有良好的梳理作用，齿尖要求具有高硬度。 相对来说齿尖硬度越高则耐磨性好，但并不是越高越好，超过一定的上限后易崩齿和脆 断。齿尖的硬度大，有利于穿刺棉束，将棉束分解成单根纤维状，减少棉网中的棉结， 并能在长时间的撕拉梳理中，不降低锋利度：同时减少磨针次数，也延长了针布的使用 寿命【2 】。 1 1 3 纺织零件毛刺的危害 零件表面毛刺是影响产品质量、使用寿命和可靠性的关键问题之一。随着科学技术 的进步和生产的发展，人们对零件表面质量及加工精度的要求不断提高，毛刺问题越来 越受到人们的关注。 零件表面毛刺问题会造成的很多影响 5 - 7 1 ：在机械行业，由于毛刺的存在将导致整 个机械系统不能正常工作，使可靠性、稳定性降低。当存在毛刺的机器做机械运动或震 动时，脱落的毛刺会造成机器滑动表面的拉伤、划伤，过早磨损、噪音增大，甚至使机 构卡死，动作失灵；某些电气系统在随主机运动时，会因毛刺脱落而造成回路短路或使 磁场受到破坏，影响系统正常工作；对于液压系统元件，如果毛刺脱落，毛刺将存在于 各液压元件微小的工作间隙内，造成滑阀卡死、使回路或滤网堵塞而造成事故，还会引 起流体紊流或层流，降低系统的工作性能；对于密封系统元件，毛刺会造成泄漏。毛刺 的存在还影响机械系统的装配质量，使零件不能很好地装配，增大机器运转时的噪声， 发生不正常的磨损，甚至发生精密配合表面卡死的现象；零件经热处理时，往往在棱边 毛刺处开裂；毛刺的存在会造成零件后序加工工序的加工或测量基准不良，使加工或测 量检验结果失去准确性。 而纺织机械零件毛刺问题的影响更加突出。在织布机中，织针、针布等小零件大部 分都是由冲压成型的。在刀具的出口- - 倾t j ，不同程度的会留有毛刺，织布时，这些毛刺 会刮线，使布匹起毛，严重时会断线。而这些起毛的布匹在印染时会使染色不均匀，严 重影响了产品质量p 4 j 。 1 2 课题的提出及意义 从国内纺织行业针布生产现状出发，受经纬纺机股份有限公司榆次分公司的委托希 望能探索一套先进可行的淬火及光整( 包括去毛刺) 的新工艺加工针布以达到提高针布 产品质量的目的，经多方面的分析研究，我们采用激光淬火及脉冲电化学光整加工工艺 大连理工大学硕士学位论文 以解决上述问题，并将脉冲电化学光整加工工艺扩展应用到纺织机械其他零件上如纺 杯、综丝、罗拉、纺针、网板，以解决纺织业普遍存在的毛刺问题。 1 2 1 针布表面激光淬火 针布是梳理机的主要分梳元件，梳理机利用在刺辊、锡林、道夫、盖板上的针布对 纤维进行梳理加工，完成将纤维束分梳成单纤维、将纤维进行均匀和混合并清除尘杂和 疵点。 我国从8 0 年代引进国外先进针布齿条制造设备和技术以来，经过十多年的消化、 吸收、总结、提高，各针布齿条铝4 造厂的技术装备已基本国产化，而且齿条规格型号也 基本上与国际接轨，但产品技术水平仍与国际先进水平有一定差距，主要表现在针布的 耐磨度、表面粗糙度上。齿尖硬度仍然不够高、耐磨度差，导致齿尖锋利度不持久，因 而不仅使用寿命短，还导致使梳理效果下降、棉网质量恶化、棉结杂质增加。国外生产 针布齿条的各种材料( 高碳低合金钢及高碳钢) 中，有害元素( s 、p ) 含量均很低( 甚至优 于我国优质工具钢) ，齿尖硬度平均值都高于国产针布l 。 一般来说，针布硬度越高耐磨性越好。提高针布硬度就可以提高针布齿条的耐磨性， 也延长了针布的使用寿命。齿尖的硬度大，有利于穿刺棉束，将棉束分解成单根纤维状， 减少棉网中的棉结，并能在长时间的撕拉梳理中，不降低锋利度。常用的提高硬度的处 理方法有表面化学热处理和表面淬火处理。如表面渗氮、渗碳、碳氮共渗、表面氮化钛 等。但是渗透属扩散过程，速度很慢，金属表面化学热处理工艺复杂，时间长、成本高。 目前国内金属针布生产企业的针布淬火主要还是采用火焰加热的方式，产品的最终检验 大多是以硬度为主要手段 9 1 。齿尖淬火质量不稳定会使齿尖硬度差异很大。 为了提高针布齿尖硬度，国内均是在提高材质性能，增加材质含碳量和改变化学成 分含量上做文章，因而经历了中碳钢到高碳钢至高碳低合金钢的发展历程。目前主要在 各种高碳低合金材料的选择试验和淬火工艺上作研究，因客观上受化学、物理性能的限 制，在进一步提高针布齿尖硬度上进展不大。因此，寻找能大幅度提高齿条齿尖硬度并 较国外材质成本低廉的符合我国国情的新型针布表面处理工艺势在必行。用激光束、电 子柬或离子束加热淬火，容易实现自动控制，并可消除因操作人员素质差异和燃料气体 纯度等因素造成的硬度一致性差的问题【踟；现在国产大功率激光管质量可靠，在机加工 行业耐磨零件表面热处理上技术已成熟，鉴于此本文将激光应用到针布齿条的表面处理 中，采用激光对针布表面进行淬火来提高硬度。 1 2 2 针布表面脉冲电化学光整 光整加工是指以提高零件表面质量为目的的各种加工技术，是改善零件表面质量的 纺织机械针布非传统加工工艺研究 重要手段。光整加工技术要解决的核心问题仍然是表面质量、加工精度和生产效率问题。 光整加工在机械制造中的主要功能有：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：去除棱边毛刺，倒圆倒角，保证表面之间光滑过渡，提高零件的装配 工艺性等【1 0 1 。 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。用手工方法进行研磨、抛光，它能够实现平面、回转体、 自由曲面的光整加工，适用于单件小批量生产，但是这种方法劳动强度高，同时受到工 人的技术等级和技术熟练程度的影响，质量不稳定，效率低。随着科学技术的发展和制 造水平的提高，机械光整加工得到迅速的发展，各国相继开发研究出各种形式的数控机 床、机器人来代替手工作业，但是无论是手工作业还是机械光整加工，都需要多道工序 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，很难满足生产的需要，而且对工具头无法触及的异型件、细长管或大型零件， 实现光整加工难度大，甚至无法加工，这也是实现自动化光整加工的难点。现有的光整 加工方法无法满足大批量高表面质量的要求，造成零件使用性能和寿命不高，严重制约 了我国精密机械产品的发展步伐，使其与国外同类产品的差距越拉越大，部分精密零件 不得不完全依赖于进口。非传统光整加工技术，能够弥补传统光整加工中的不足之处， 解决困扰传统光整加工中的难题，如高硬度及韧性零件材料的光整加工、大型复杂曲面 和微小尺寸零件的光整加工及避免或减小工具的损耗等，因此非传统光整加工技术具有 很好的发展前景“”。 表1 1 不同加工工艺所形成的表面质量的指标比较 t a b 1 1c o n t r a s t1 0s u r f a c eq u a l i t yf i n i s h e dw i t hd i f f e r e n tt e c h n o l o g y 大连理工大学硕士学位论文 光整加工工艺不同，零件的表面质量也不同，致使零件的使用性能和寿命也不同， 如表1 1 所示【1 2 1 。从表中可知，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，摩擦时容易磨损，初磨损量大，精度保持性差；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，轮廓支承长度率高，精度保持 性好，耐磨、耐腐蚀、耐疲劳性能得到显著提高。 众所周知，任何机械加工所获得的零件表面层状况，不可能是完全理想的表面，总 是存在一定的微观几何形状偏差，其表面层材料在切削力和切削热的影响下，也会使原 有的物理力学性能发生变化，由此零件的表面质量对机械零件的耐磨性、配合质量、抗 疲劳强度、抗腐蚀性及接触刚度等方面的都会产生很大的影响。 大量的实践证明，提高针布的表面质量，有利于提高其使用性能和寿命。目前我国 针布主要采用机械光整，但由于针布形状复杂，尺寸小，用机械光整加工存在很多问题， 得不到理想的表面质量，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， 产品质量与国外相比相差甚远，产品仍需大量进口。采用机械方法去除针布棱边毛刺， 降低针布表面粗糙度，生产效率也较低。另外，金属一般具有一定的塑性，毛刺会随着 磨具的运动而来回倒俯，有些折断后，留下尖锐的棱角，而有些会嵌在微小的沟槽里。 织布时，在丝线的牵挂下，嵌在微小沟槽里的毛刺会重新出现p 】。所以要提高针布齿条 表面质量，还需改进加工工艺。 脉冲电化学光整加工技术除了在零件光整加工中的生产效率、劳动强度和生产成本 方面有较大优势外，在产品质量、使用性能和寿命上也具有独特的优势。该工艺方法以 提高加工表面质量，降低表面微观不平度为主要目的，在采取适当工艺措施后，也可以 提高零件尺寸精度、形状精度和位置精度。该工艺方法加工零件材料时去除量很小，一 般在0 0 0 5 0 0 5m m 之间；加工生产效率高，表面质量好，一般原始表面粗糙度在r a l 6 _ o n 左右的表面可以在数秒钟加工后达到r a 0 0 4 , t a n 以下；加工表面无划痕、无加工硬化 层、变质层、残余应力、无工具损耗等1 1 3 l 。 脉冲电化学光整加工由于用中性盐电解液代替强酸或强碱，并在室温下进行，对周 围环境没有污染，对操作者没有危害；采用高频、窄脉冲电流取代连续的直流电流，改 善了电化学加工间隙内的流场状况，使可控参数增多，为优化加工过程创造了条件，使 加工在较小间隙下进行，提高了加工精度、表面质量及加工效率【l4 】；另外工艺结构简单 且无工具损耗。脉冲电化学光整加工通过电化学作用去除零件表层金属，可以不受材料 硬度、强度、韧性等限制，对各种导电材料制成的零件进行光整加工，尤其可以对其他 方法所不易加工的材料( 如淬火钢、耐热合金等) 和一般光整加工方法不能加工的零件 进行加工，使用范围广。另外，脉冲电化学光整加工形成的“波浪形”表面比机械加工 纺织机械针布非传统加工工艺研究 ( 如磨削) 形成的“尖峰状”表面及电火花加工形成的“凹坑状”表面轮廓平缓( 如图 1 1 所示) ，微凸体及波谷曲率半径较大，轮廓支承长度率大。因此，脉冲电化学光整 加工形成的“波浪形”表面摩擦系数小，接触刚度大，初磨损率低，表面应力集中的敏 感性小，疲劳强度高，耐腐蚀性能好，润滑性能好，因而零件的使用性能和寿命也得到 显著提甜1 3 1 。 a 脉冲电化学光整加工表面 b 电火花加工表面 c 精磨表面 图1 1 不同加工方法所得表面形貌 f i g 1 1s u r f a c et o p o g r a p h yo f d i f f e r e n tm e t h o d s a 脉冲电化学光整加工表面 b 电火花加工表面c 精磨表面 图1 2 不同加工方法所得表面微观形貌( 4 0 0 ) f i g 1 2s u r f a c em i c r o - t o p o g r a p h yo f d i f f c r e mm e t h o d s ( x 4 0 0 ) 乱加工前( r a o 7 5 0 o n )b j g i 后( r a 0 0 2 9 a n ) 图1 3 脉冲电化学光整加工前后表面轮廓对照( v = 1 0 0 0 0 h = 5 0 ) f i g 1 3s u r f a c ep r o f i l eb e f o r ea n da f t e rp e c f ( v = m o o o ，h = 5 0 ) 不同的加工方法所得到的表面微观形貌是有很大差别的( 如图1 2 所示) ，而这种 表面微观形貌的差别对零部件的使用性能和使用寿命有非常重要的影响。经过脉冲电化 学光整加工后，表面轮廓形态有较大变化。图1 3 是脉冲电化学光整加工前后表面轮廓 对照图，从图中可以看出，轮廓陡峭度减小，表明表面轮廓高度分布集中度减小，轮廓 大连理工大学硕士学位论文 起伏更加均匀。轮廓单峰高度减小，说明表面轮廓凸峰变平，相对长度内所包含的支撑 长度数量增加，表明了表面微观不平度形状特征改善。同样，脉冲电化学光整加工前后 表面轮廓的波度有明显改善，脉冲电化学光整加工前表面轮廓有低频长周期的表面波 度，而脉冲电化学光整加工后这些低频长周期的表面波度减小或消失了i l “。 综上所述，脉冲电化学光整加工可整平零件表面，去除高点尖峰，较大幅度地降低 表面粗糙度值，较好地改善表面轮廓的波度和微观不平度，从而较好地改善表面质量。 作为改善零件表面质量的一种工艺方法，脉冲电化学光整具有独特的工艺特性及优势。 根据针布目前光整现状及结合脉冲电化学光整的优点，将脉冲电化学光整技术应用到针 布的表面处理中以去除毛刺，完善棱边质量，降低表面粗糙度，具有非常重要的现实意 义。 1 3 课题主要内容 受经纬纺机股份有限公司榆次分公司的委托，针对目前针布加工现状，结合大连理 工大学多年来在非传统加工工艺方面的研究基础，本文将激光淬火工艺及脉冲电化学光 整技术应用到纺织机械针布表面处理中，以提高其硬度，改善表面质量，从而提高使用 性能和寿命。 本文具体工作如下： ( 1 ) 通过大量基础工艺实验，对脉冲电化学光整加工技术的电化学特性、电场特性、 流场特性、阳极溶解特性及阳极整平规律进行了研究，分析了主要工艺参数对光整效果 的影响，熟悉并掌握脉冲电化学的理论知识及其加工机理。 ( 2 ) 针对纺织机械针布齿尖硬度低耐磨性差，进行了针布表面激光淬火工艺研究。 采用精密数控激光加工机对针布表面进行淬火硬化，提高其硬度及耐磨性。经过反复试 验研究了激光可变工艺参数对针布表面淬火处理效果的影响，确定了针对不同齿形针布 的合适工艺参数选择范围。 ( 3 ) 针对纺织机械针布齿侧有毛刺，棱边尖锐不光滑问题，进行了脉冲电化学去毛 刺工艺研究。研究了工艺参数对最终光整效果的影响规律，以确定合适的工艺参数范围， 提高工艺稳定性；设计了阴极电极，进行脉冲电化学光整以改善零件表面质量。 ( 4 ) 目前纺织机械普遍存在的问题是零件毛刺的去除及棱边倒圆角问题。如纺织烘 干机的帘子板及网板上有许多供烘干用的小孔，由于这些孔是冲压出来的，孔周边有很 多毛刺，在使用过程中会挂织物纤维，影响设备的使用性能。应厂家要求，本文在研究 了针布脉冲电化学去毛刺工艺的基础上，将脉冲电化学光整技术应用到不同材质小孔零 件上，对脉冲电化学去毛刺工艺进行了系统深入的研究。 纺织机械针布非传统加工工艺研究 1 4 脉冲电化学光整加工的研究状况 国内最早开展脉冲电化学光整加工技术研究的是大连理工大学周锦进教授，多年来 在他的悉心指导下的研究团队，已经在脉冲电化学光整加工技术的研究和应用方面取得 了突破性的进展 1 1 , 1 3 , 1 5 - 2 0 | ，具体的有： ( 1 ) 采用移动式阴极、开放式电解液循环系统的加工方式，突破了成对电极在加工 中电极间固定不动、封闭式电解液循环系统的加工方式。其弥补了成对电极法光整加工 受电源容量的限制，不能对较大面积的零件表面进行光整加工的缺点；有利于加工产物 和热量的及时排出，加工区电解液的更新，是脉冲电化学光整加工技术的一大进步。 ( 2 ) 成功地将脉冲电化学光整加工技术应用到零件的平面、外圆、凹槽表面及其它 规整表面光整加工中。 南京航空航天大学余承业教授等采用高速摄影技术研究了脉冲电流电解加工的过 程，并分析其能够提高加工精度的原因【2 1 】。此外，合肥工业大学等单位也做了许多这方 面的研究工作。 哈尔滨工业大学研究人员研究了微秒级脉冲电流电化学加工的特点，并将其应用于 动力调谐陀螺仪表的中挠性接头的精加工，获得了较好效果四】。 此外，合肥工业大学朱树敏教授研究了脉冲电流参数对电解液非线性特性的影响及 应用于锻模时对锻模质量的影响田1 ；沈健等人研究了静液脉冲电化学抛光的工艺规律， 分析了工艺参数与粗糙度之间的关系 2 4 1 。 这些研究极大的推动了我国脉冲电化学加工技术的发展及实际应用，同时也为脉冲 电化学加工在零件光整中的应用起到了促进作用。 国外关于脉冲电化学加工方面的研究较多，但大多数侧重于成形加工规律和理论方 面的研究1 2 5 - 2 9 ，将其用在光整加工领域的资料并不多见，且基本上都是关于成对电极法 的脉冲电化学光整技术。相关的研究主要有： 波兰的j k o z a k 、美国的k p r a j u r k a r 等学者建立了脉冲电化学加工的数学模型，应 用计算机模拟了脉冲电化学加工过程，并讨论了脉冲电化学加工提高加工精度和表面质 量的原因。美国的k p r a j l l f k a r 教授系统研究了脉冲电化学加工特性，依据建立的数学 模型和实验结果，给出了加工间隙、脉冲电流、电解液等工艺参数和加工表面质量的关 系【2 5 。2 6 】。 英国学者j a m c g c o u g h 将电化学加工应用在模具的光整加工，研制了电火花一电 化学抛光复合加工机床【2 “。图1 4 为英国某厂进行的阀体型腔光整加工实验件，型腔经 电火花预成型，直接用其电极在2 0 9 6 n a n o 。电解液中进行高频、窄脉宽脉冲电流光整加工， 表面均匀、细腻、光整，效果好1 1 4 j 。 大连理工大学硕士学位论文 日本学者t m a s u z a w a 将脉冲电化学加工用在微细轴的光整加工中，用一运动的金 属丝作为阴极，在阳极轴和阴极丝之间喷电解液，使轴表面产生电化学微腐蚀，如图1 5 所示。据报道，这种方法在直径数十微米小轴的光整加工中取得了很好的效果，达到镜 面级粗糙度渊。 图l4 阀体型腔脉冲电化学光整加工 f i g 1 4p u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n go i lt h e i n b o m ds u r f a c eo f v a l v e 图1 5 微细轴的脉冲电化学光整加工图 f i g 1 5p u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n go f m i c r o - p i n s 瑞士学者e r o s s e c t 等对在中性电解液使用脉冲电流光整模具钢进行了研究，对实 验过程中，表面粗糙度的影响进行了分析。结果表明，合理的脉冲电流参数可以提高效 率，使用中性电解也可以获得好的表面光洁度四。 由此可见，国外有关的研究都是基于成对电极法的脉冲电化学光整加工技术，主要 应用在模具型腔与表面光整加工中。因此，其还属于简单型面的脉冲电化学光整加工研 究与应用范畴，光整加工过程实现较为容易。 纺织机械针布非传统加工工艺研究 2 脉冲电化学光整加工的理论基础 脉冲电化学光整加工技术( p e c f m ) 是一种新兴的光整加工技术，它是一种利用有规 律的间隙供电( 即脉冲电流) 在非线性电解液中进行间隙加工，在脉冲电流加工时间里 阳极发生电化学溶解，从而达到改善零件表面质量的加工方法。与传统的电化学加工工 艺间有两个明显的区别是用脉冲电源代替直流电源以及用非线性电解液代替酸性电解 液。脉冲电化学光整加工技术可大幅度降低表面粗糙度，改善零件的表面质量。其采用 非线性电解液，使加工中的操作更安全、更方便；与一般直流电化学加工相比，提高了 加工精度及加工效率；其工艺更为简单( 电化学机械光整加工工艺虽然可以大幅度降低 零件地表面粗糙度，但其工艺较为复杂) ；其采用高频、窄脉冲电流取代连续的直流电 流，改善了电化学加工间隙内的流场状况，使可控参数增多，为优化加工过程创造了条 件1 1 4 j 。到目前为止，脉冲电化学光整加工技术已经成功应用到平面、外圆、内孔、直齿 轮、斜齿轮及凸轮等复杂零件表面的光整加工中。研究与实践表明：其具有生产率高、 加工成本低和优良的表面质量等特点1 1 1 , 1 3 , 1 5 2 0 l 。 2 1 脉冲电化学光整加工的原理 脉冲电化学光整加工技术是在电化学加工技术的基础上发展起来的一门新工艺、新 技术，其原理与电化学加工技术一样，以电化学阳极溶解的原理为基础，去除规律遵循 法拉第电解定律。 脉冲电源工具阴极工件阳极 图2 1 脉冲电化学光整加工原理图 f i g 2 ip r i n c i p l eo f p e c f 一1 0 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 为脉冲电化学光整加工的原理示意图。加工过程中，阳极工件与阴极工具分 别接在高频脉冲电源的正、负极上，并且二者之间在被光整表面的法向方向上保持恒定 的加工间隙，同时把具有一定压力的非线性电解液循环注入到加工区。当接通高频脉冲 电源时，阳极工件就会发生电化学溶解，由于表面粗糙度尖峰处的电力线密度大，该处 金属的溶解速度快，因此在很短的时间内( 一般为几秒至几十秒) ，工件表面粗糙度迅 速下降，同时工件表面出现金属光泽。通过脉冲电化学光整加工，被加工工件不仅能满 足去除量的要求，而且还能获得良好的表面质量，尤其是表面粗糙度的降低。 2 2 脉冲电化学光整加工的基本特性 2 2 1 脉冲电化学光整加工的电化学特性 电化学加工时，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，在电流作用下，电 极与溶液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 2 所示。在工件阳极，金属失去电 子被氧化，发生阳极溶解的氧化反应，反应式为： m 一，l p = m ” ( 2 1 ) m n + + n o h 一= m ( o h ) n l 2 2 、 上式中m ”为阳极金属上溶解下来的金属离 图2 2 电化学原理图 子。同时，在工具阴极，氢离子得到电子被还原， f i g 2 2 p r i n c i p l e o f e c m 即发生还原反应氢气在阴极表面析出，反应式为： 2 1 1 2 0 + 2 e = h 2 t + 2 0 h 一( 2 3 ) 金属发生阳极溶解时，溶解量和通过电解液的电量符合法拉第定律【1