电化学(电解)去毛刺的基本原理.doc

电化学去毛刺的基本原理电化学去毛刺的基本原理是利用金属在电解工作液中产生阳极溶解的电化学反应现象。如下图所示：以工件为阳极，工具电极为阴极，当强迫使电解液通过工件上的毛刺和特殊设计的工具电极之间十分狭小的间隙同时，短时间加以电解电压，这时在工件的毛刺或棱边部分电流最集中，电流密度也最大，因而使毛刺很快被溶除，棱角也被倒圆。在电化学去毛刺的过程中，工件和工具电极二者是相对固定不动的，即属于固定式工具阴极的电化学加工方法。适合去除高硬度、高韧性金属零件的毛刺，可以在工件的特定部位进行限定加工,对于手工难以处理、可达性差的复杂内腔部位，尤其是交叉孔相贯线的毛刺。脉冲电化学去毛刺是一种符合“绿色制造”要求的先进去毛刺工艺。该工艺采用脉冲电源代替直流电源，并在非线性电解液中进行加工；加工时，工件接脉冲电源的正极，与毛刺部位相对应的工具电极接脉冲电源的负极，工件阳极与工具阴极之间保持较小的加工间隙，且工具阴极无进给。该工艺具有以下特点：由于加工所用电解液为中性无机盐水溶液，因此不会污染环境；由于脉冲电流的间隙作用和压力波的搅拌作用改善了加工间隙内的电场和流场条件，降低了对电解液流动特性的要求，因此有利于获得稳定、理想的加工过程；由于在加工过程中无切削力，不会形成附加应力和表面变质层，因此可改善加工表面微观几何形貌以及零件的物理、化学和机械性能。脉冲电化学去毛刺加工的基本原理。工件接脉冲电源的正极，工具电极接脉冲电源的负极，工具阴极与工件毛刺部位对应放置。加工时，首先在加工间隙内加入电解液，然后接通脉冲电源，此时工件阳极表面将发生氧化反应，工具阴极则将发生还原反应。工件阳极的基本电化学反应式为M-neMn+Mn+n(OH)Fe(OH)n工具(阴极)的基本电化学反应式为2H+2eH2加工时，在工件阳极附近形成一层很薄的氧化膜，可在工件阳极与电解液之间起到隔离作用。该氧化膜具有较高的电阻和较小的电导率，可阻止工件阳极表面进一步溶解，对工件阳极具有一定保护作用。在电解液的快速冲刷作用下，工件阳极表面凹陷处的氧化膜因不易扩散而较厚；工件阳极表面凸出处(如毛刺、微观凸出部位等)的氧化膜因容易扩散而较薄。由于氧化膜的分布不均匀，使毛刺等凸出部位始终与新鲜的电解液接触，因此毛刺部位的金属溶解速度远大于阳极表面的其它部位，从而使毛刺被迅速溶解、去除。在阳极溶解过程中，根据电化学加工基本规律(法拉第电解定律)可推导出金属阳极(工件)沿进给方向的深度蚀除速度va(mm/min)为va=hwi式中：h电流效率w被电解物质的体积电化学当量(mm3/Ah)i电流密度(A/cm2)当电解液的成分、浓度、加工温度等参数确定后，阳极某点的蚀除速度主要取决于通过该点的电流密度i。根据电场理论可知，在零件表面毛刺等凸出部位电荷较集中，在表面凹陷处电荷则较少。由于电力线分布不均匀，凸出部位的电力线分布密集，电流密度高，金属去除较多；凹陷部位的电力线分布相对稀疏，电流密度较低，金属去除较少。由于毛刺处通过的电流密度远大于工件阳极表面的其它部位，因此毛刺被迅速溶解。综上所述，由于氧化膜分布不均匀，工件阳极表面毛刺等凸出部位氧化膜较薄，可始终与新鲜电解液保持接触，因此电化学反应速度快；由于电力线分布不均匀，工件阳极表面毛刺等凸出部位电力线分布密集，电流密度大，蚀除速度较快。因此，电化学去毛刺加工可达到迅速去除、溶解毛刺并形成光滑圆角的目的。通过合理采用工具阴极遮蔽技术，可有选择地去除毛刺，不会影响工件阳极表面原有的尺寸精度和表面质量。3 电化学去毛刺工艺要点影响脉冲电化学去毛刺加工效果的工艺因素较多，如工具阴极的合理设计、脉冲电源的参数选择、电解液的成分、浓度、压力和流速、极间间隙、电流密度、加工时间、流场特性等。o 工具阴极o 脉冲电源o 电解液o 其它工艺因素工具阴极应根据具体毛刺情况进行合理设计，设计时应注意应用遮蔽技术，以保证在高效去除毛刺的同时保护工件阳极表面其它非毛刺部位的原有精度和表面质量。此外，还应满足脉冲电化学加工的基本原则，即使电解液快速、均匀地冲刷加工部分，保证流场分布均匀、合理。由于电极表面质量直接影响去除毛刺部位的表面质量，因此要求工具阴极表面平整、光滑。理论研究和加工实践表明，采用脉冲电源代替直流电源进行去毛刺加工，可有效提高加工精度和表面质量。在加工中，一般采用较窄的脉冲宽度和较高的脉冲频率进行加工。由于脉冲电流的间隙作用和阶跃变化，使加工间隙中的电解液发生振荡，产生压力波，压力波的搅拌作用可改善加工间隙中电解液的流动条件，加速更新间隙中的电解液，消除加工间隙中电解液电导率分布的不均匀性，从而提高加工精度，改善表面粗糙度。此外，由于电解液的周期性更新，使间隙内的电化学产物(阳极去除的金属、阴极析出的氢气和产生的焦耳热等)可及时、充分地排除。脉冲电源参数应根据加工条件合理选择。电解液成分是影响加工质量的主要因素。以中性无机盐为主要成分的非线性电解液具有适用范围广、易于控制、杂散腐蚀小、加工表面质量好、对环境无污染等特点。加工时，应根据毛刺的大小确定电解液的具体成分，同时合理设计电解液的流向、流速及压力，以便将去除的毛刺迅速冲离加工间隙，以免造成短路。合理选择阴、阳极之间的间隙有利于提高蚀除速度和加工精度，改善加工表面质量。电流密度和加工时间的选择也十分重要，电流密度过大会加剧杂散腐蚀，电流密度过小则会降低加工效率，延长加工时间，而加工时间过长会加剧晶界腐蚀。在满足毛刺去除效率的前提下，加工时间主要应根据加工圆角的大小来确定。4 应用实例脉冲电化学去毛刺工艺已成功运用于喷油嘴内孔、液压阀体内孔、活塞套、轴承保持架以及纺机分梳辊用金属针布等零件的去毛刺加工，去除毛刺的效果良好，形成了要求的光滑圆弧，且获得了较好的表面质量。o 喷油嘴内孔去毛刺o 金属针布去毛刺喷油嘴内孔孔径一般为0.250.5mm，去毛刺工艺装置。采用正交试验法得出优选工艺参数为：电解液为浓度约12%的硝酸钠溶液，加工间歇0.1mm，脉冲宽度200ms，脉冲频率1000Hz，加工电流5A，加工电压15V，加工时间6s。加工后成功去除了喷油嘴内孔毛刺，并形成了约R0.1mm圆角，加工表面粗糙度达到Ra1.6um。纺织机械中的分梳辊用金属针布外形。由于该零件为低刚度薄壁零件，采用机加工方法去毛刺较困难。采用脉冲电化学去毛刺时，优化工艺参数为：电解液为浓度约10%的硝酸钠溶液，加工间隙0.2mm，脉冲周期1ms，脉冲间隔0.5ms，加工电流5A，加工电压10V，加工时间5s。去毛刺效果及加工表面质量良好。由于电解液具有一定腐蚀作用，因此电化学去毛刺加工后应采用超声波清洗等方法及时清洗工件，也可采用硝酸钠和亚硝酸钠水溶液进行防腐处理。DJK6032A电化学去毛刺机床主要由机床主机、电源电控系统、电解工作液系统、电极夹具等组成。主机DJK6032A电化学去毛刺机床主机采用全防腐钢板焊接结构，工作区域为全不锈钢制成，用花岗岩制成工作台置于机床床身上，耐腐蚀，绝缘性好。床身两侧为主柱，立柱支撑固定横梁，横梁上安置主轴部件和气控箱。主轴部件也采用全防腐结构，用气控驱动，上下滑动采用双导柱形式。在加工区域后侧为电解工作液进回液口。进液口通过软管与电解工作液槽连通，回液口通过回液管使工作腔内的工作液回入电解液系统内。在加工区域后上方备有空气抽风口，可与厂房通风管相联接，以消除加工过程中由于电解工作液的流动可能产生的雾气。主要技术参数和规格：1、工作台尺寸：600mm320mm2、主轴行程：200mm3、主轴至工作台最大距离：450mm4、压缩空气（现场提供）：0.6 Mp电源及控制系统DJK6032A电化学去毛刺机床的电气系统分为直流电源和控制系统二部分。电化学去毛刺电源：电化学去毛刺加工电源采用晶闸管整流电源。电源电压可调，电流实现分档定值控制。电源的输出具有稳压运行性能，还具有过流、短路等保护功能。本机床配置电解电源主要参数：电源输出额定电压：DC24V电源最大输出电流：600A电源调压范围：DC 624V控制系统:控制系统由可编程控制器、机床电器、短路检测电路等组成。可编程控制器用于手动操作和自动循环的控制。手动操作是压紧导电块移动、主泵开关、短路检测、过滤启动等按钮开关来接通和断开各控制的工作方式。自动循环是机床处在原位时，按下启动按钮，自动执行一个周期操作。操作完后机床停在原位上。机床电器是由控制电气系统的电源和温度检测组成。电气系统的电源控制由急停按钮，带锁开关，准备按钮控制。温度检测系统由探头、控制仪组成。当探头（传感器）受工作液变化而变化，温度信号由探头送控制仪并显示。考虑到电解加工时可能造成的零件与电极间的短路烧伤，机床在加工前采用短路检测电路对零件进行检测和显示。当检测到电极与零件发生短路时短路检测电路将切断加工。电解液系统电解液槽由优质不锈钢焊接而成，输液主泵采用国际著名泵业制造公司丹麦格兰富（GRUNDFOS）生产的 SPK 型浸入式不锈钢泵。电解液在长期使用后，其中所含的金属氢氧化物和其它杂质不断增加，这将使电解液的粘度增大，影响电解液在加工间隙内的流动，严重时会发生短路，造成工件和电极的损坏。本系统对电解液进行粗、精两道过滤。粗过滤采用全防腐的纸带过滤机过滤，以去除电解液中的杂质和大颗粒蚀除产物。精过滤采用滤芯过滤，由于蚀除产物金属氢氧化物颗粒细微，须定期对过滤器及滤芯进行清洗和更换。 主要技术参数：（1） 外形尺寸m3（2） 液槽容积：1.2 m3（3） 主泵流量：4000L/H（4） 主泵扬程：47m（5） 主泵功率：AC380V 50HZ 11KW工具电极夹具单元及对工件的要求工具电极夹具采用固定式阴极结构，每套电极夹具根据工件去毛刺部位的具体去毛刺结构及要求，专门设计制造。阳极和阴极（即工件和电极）之间的金属接触会出现短路，导致电极和工件的损坏。因此有必要对工件上毛刺的大小和方向作如下规定：1、毛刺须与电极插入方向平行；2、毛刺长度不大于 0.8mm（特殊情况需方允许时特殊处理）；3、毛刺厚度最大为 0.15mm。4、去毛刺部位的位置度误差不能超过0.2mm，位置度误差过大时只能采用大于去毛刺部位大小的电极加工，扩大加工范围（在工艺允许时）。如果由于前道工序非正常切削加工，而使工件产生超过上述要求的飞边毛刺时，应当调整切削加工工序，使产生的毛刺符合上述要求，或用手工工具将毛刺飞边预先去除后，方可进行加工。吸附在工件上的脱落的切屑以