一種不銹鋼模具的復(fù)合拋光工藝

孟超王珊

（焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河南焦作）

對(duì)具有復(fù)雜曲面的不銹鋼模具拋光，目前普遍采用手工或剛性磨具拋光方式。由于不銹鋼具有高強(qiáng)度、高韌性和導(dǎo)熱性能差等難加工的特點(diǎn)，用剛性模具拋光時(shí)的磨削力和磨削熱都很大，工件表面易產(chǎn)生微裂紋、殘余應(yīng)力、冷作硬化和燒傷等缺陷，效率和自動(dòng)化程度低，采用磁力電解機(jī)械復(fù)合拋光和CAD/CAM相結(jié)合的工藝可改變這一狀況。

一、數(shù)學(xué)建模及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件中的CAD模塊建立被拋光件的數(shù)學(xué)模型，加工表面為一球冠，球體半徑25mm。此CAD模型，為后續(xù)的CAM建立了模型基礎(chǔ)。

參數(shù)選擇：電解液為15%的NaNO3水溶液，在不通電時(shí)呈穩(wěn)定中性，對(duì)工件和設(shè)備不會(huì)造成腐蝕，用完的電解液可過(guò)濾回收，不會(huì)造成環(huán)境污染。電解電源為直流穩(wěn)壓電源，電流0.1～0.2A。陰極為紫銅球頭型拋光頭，銅材料的導(dǎo)電性保證了電解作用的有效進(jìn)行。試驗(yàn)用拋光零件的表面粗糙度Ra=1.6μm。試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

在數(shù)控銑床的主軸上固定一個(gè)紫銅球型拋光頭，在底部固定拋光片。電解液由噴嘴進(jìn)入到工件和拋光頭之間，起電解和冷卻的作用。電解液可以由電解槽的出口進(jìn)行回收過(guò)濾，重復(fù)使用不會(huì)造成污染。工件接直流電源正極，拋光頭通過(guò)一個(gè)碳刷和直流電源負(fù)極相連。當(dāng)拋光頭在數(shù)控程序的控制下旋轉(zhuǎn)，并以一定的壓力通過(guò)不織布材料的拋光片壓在工件的待拋光表面上，電解液流向拋光面的同時(shí)電解電源也接通。工件表面在電解化學(xué)作用和機(jī)械研磨的雙重作用下進(jìn)行拋光，使得拋光速度加快，表面加工質(zhì)量明顯提高。

二、復(fù)合拋光原理

1.電解作用拋光機(jī)理

電解液流到拋光面以后，當(dāng)在兩電極之間通一直流電時(shí)，電解液在電場(chǎng)作用被電離，正離子移向陰極拋光頭，負(fù)離子移向陽(yáng)極工件。負(fù)離子與工件相互作用，工件被逐漸溶解，同時(shí)在低電流密度作用下使工件表面逐漸失去了原來(lái)的活性，生成了一層幾乎不導(dǎo)電且比重很大的鈍化膜，使溶解過(guò)程減慢。由于零件表面粗糙不平，在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，凸起部位所產(chǎn)生的鈍化膜比凹處生成的厚度要小一些。由于凸起處的鈍化膜受電力線的沖擊和液體的攪拌作用力較大，再加上凸起處離陰極較近，電場(chǎng)強(qiáng)度大，依據(jù)尖端放電的原理，形成的正電荷高度集中在凸起處。因此，陰極工件周圍的陰離子優(yōu)先和凸起處的陰離子發(fā)生作用，所以凸起處的金屬溶解速度比凹處的要快，工件表面被拋光整平（圖2）。

圖2 工件表面宏觀平整

2.磁場(chǎng)作用拋光機(jī)理

圖3 有無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡

在陰極兩側(cè)分別放若干個(gè)磁極，構(gòu)成一個(gè)垂直于電場(chǎng)方向的磁場(chǎng)。此時(shí)在電解區(qū)內(nèi)，電場(chǎng)中的帶電粒子將受到磁場(chǎng)洛侖茲力的作用。經(jīng)理倫推導(dǎo)，可得到有無(wú)磁場(chǎng)時(shí)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，由計(jì)算機(jī)模擬其運(yùn)動(dòng)軌跡（圖3）。有磁場(chǎng)時(shí)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線型，顯然有磁場(chǎng)時(shí)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡更復(fù)雜。為了減少濃差極化現(xiàn)象，在電解拋光中引入磁場(chǎng)，洛侖茲力使帶電粒子的活性增加了。在試驗(yàn)中可觀察到：沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)，兩極間隙處的電解液流動(dòng)較平穩(wěn)，加入磁場(chǎng)后，電解液有“翻花”的現(xiàn)象，即從宏觀上可看到洛侖茲力對(duì)電解液的“攪拌”作用（圖4）。帶電粒子活性的增加，減少了電極表面附近的濃差極化和電化學(xué)極化現(xiàn)象的產(chǎn)生，使工件表面與電解液之間的電化學(xué)反應(yīng)不但趨于均勻，而且加快了反應(yīng)速度。

圖4 磁場(chǎng)對(duì)電解液的攪拌作用

三、數(shù)控加工與拋光CAM

為確保加工質(zhì)量精度和提高加工速率，這里應(yīng)用PowerMILL完成試驗(yàn)工件數(shù)控加工與拋光CAM部分。PowerMILL具有運(yùn)算速度快、針對(duì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并提供了完善的加工策略。PowerMILL的具體工作流程如圖5所示。先導(dǎo)入模型，然后按圖5流程進(jìn)行。

圖5 PowerMILL工作流程圖

可選的加工刀具路徑很多，考慮到時(shí)間和機(jī)床的限制并為了保證較高的拋光質(zhì)量，只選擇了PowerMILL獨(dú)特的螺旋等高精度加工策略。這種加工技術(shù)綜合了螺旋加工和高精度加工策略的優(yōu)點(diǎn)，刀具負(fù)荷更穩(wěn)定，提刀次數(shù)更少，可縮短加工時(shí)間，減少刀具損壞概率，還可改善加工表面質(zhì)量。

圖6 拋光前Ra=1.6μm

四、試驗(yàn)結(jié)果及分析

應(yīng)用電解磁力復(fù)合拋光工藝使工件由拋光的 Ra=1～2μm，達(dá)到了鏡面光度。圖6、圖7為拋光前后表面粗糙度測(cè)量值，圖8為試驗(yàn)件拋光前后對(duì)比圖。拋光后的表面不存在劃傷、腐蝕、加工硬化和表面燒傷等問(wèn)題。

圖7 拋光后Ra=0.03μm

圖8 工件拋光前后對(duì)比

五、結(jié)論

利用復(fù)合拋光工藝顯著提高了不銹鋼模具的表面質(zhì)量，為同類型的高硬度工件的拋光加工，提供了一種可行的參考方法。