高速磨粒流動(dòng)輔助電解復(fù)合加工方法

徐廣超，徐正揚(yáng)，王 震

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

在加工制造業(yè)中，零件的表面質(zhì)量是影響使用壽命、評(píng)價(jià)加工水平的重要指標(biāo)之一。加工工件表面產(chǎn)生的微裂紋、毛刺和凹坑都會(huì)在使用中導(dǎo)致工件失效，造成工件損傷或報(bào)廢，因此對(duì)工件進(jìn)行光整加工極有必要。傳統(tǒng)的光整加工技術(shù)主要以手工研磨、拋光、珩磨為主[1]，手工研磨比較依賴于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)產(chǎn)量低、耗費(fèi)人力成本高，優(yōu)點(diǎn)是可加工一些較復(fù)雜的表面，所需加工的空間更少，加工范圍也更廣；機(jī)器拋光相比人工研磨產(chǎn)量更高，加工速度更快，加工穩(wěn)定性也更好，但其加工柔性較差，難以加工曲面或內(nèi)部型腔等工件[2]。因此，針對(duì)復(fù)雜表面、內(nèi)部型腔等工件，需探索適應(yīng)性更強(qiáng)的光整加工方法。

作為非傳統(tǒng)加工方法之一的電化學(xué)加工，不僅加工范圍廣，在粗、精加工領(lǐng)域有很多應(yīng)用，而且不受材料硬度與切削性能的影響，不存在機(jī)械切削力與熱影響區(qū)，非常適合難加工金屬加工；但是，不同材料的電化學(xué)溶解特性有差異，有時(shí)易產(chǎn)生雜散腐蝕等問(wèn)題，從而影響加工表面質(zhì)量[3]。機(jī)械光整加工速度快、表面質(zhì)量好，但受限于工具或磨粒的損耗，在加工難加工材料時(shí)工具失效較快[4]。運(yùn)用電化學(xué)加工與傳統(tǒng)光整加工相結(jié)合的技術(shù)，加工出的工件無(wú)熱影響區(qū)，重鑄層較少，工件表面的刮痕和毛刺去除明顯，可有效提高加工效率和表面質(zhì)量[5]。

龐桂兵等[6-7]研究了多種零件的電化學(xué)機(jī)械光整加工方法，包括回轉(zhuǎn)件、圓柱齒輪、模具的復(fù)雜型面等，并設(shè)計(jì)了電化學(xué)與機(jī)械工具組合加工方法，以圓形、矩形和三角形等圖形作為基礎(chǔ)，建立了陰極工具庫(kù)。Rahul Vaishya等[8]設(shè)計(jì)出一種電化學(xué)離心力輔助磨粒復(fù)合加工方法，將電化學(xué)作用與磨粒微切削作用相結(jié)合，有效提高了工件表面質(zhì)量；還設(shè)計(jì)搭建了一組由擠壓桿、離心力桿、電極、行星輪組成的裝置，通過(guò)一系列試驗(yàn)證明引入電化學(xué)和離心力作用，可使磨粒在較小的擠出壓力條件下達(dá)到表面粗糙度 Ra0.5～0.6 μm、時(shí)間減少 70%～80%。本文選用SS304不銹鋼圓柱體工件作為研究對(duì)象，將電解加工與高速磨粒流動(dòng)相結(jié)合，在電化學(xué)溶解的同時(shí)伴隨溶液中磨粒的高速流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的進(jìn)一步光整加工，從而提高表面完整性。

1 實(shí)驗(yàn)原理及系統(tǒng)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1是高速磨粒流動(dòng)輔助電解復(fù)合加工原理圖。工具陰極連接電源負(fù)極，工件陽(yáng)極連接電源正極，兩者之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以恒定間隙進(jìn)行加工。通電時(shí)，工件表面金屬原子的最外層電子會(huì)掙脫原子核的束縛，變成金屬陽(yáng)離子向工具陰極定向擴(kuò)散，而工具陰極會(huì)得到來(lái)自電源負(fù)極的電子，與電解液中的其他陽(yáng)離子發(fā)生反應(yīng)，形成一個(gè)穩(wěn)定的回路[9]。根據(jù)電解液和工件材料的不同，可能會(huì)發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，以鐵原子為例：

（1）金屬離子溶入電解液中：Fe→Fe2++2e－；

（2）正負(fù)離子結(jié)合生成氫氧化物：Fe2++2OH－→Fe（OH）2↓；

（3）氣態(tài)氫的析出：2H++2e－→H2↑；

（4）電解液發(fā)生進(jìn)一步氧化反應(yīng)：4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3。

圖1 高速磨粒流動(dòng)輔助電解復(fù)合加工原理圖

電化學(xué)加工過(guò)程中會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在工件表面形成一層質(zhì)地較軟的鈍化膜，阻礙了電解反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，降低了電化學(xué)反應(yīng)能力，而引入高速流動(dòng)的磨粒，就能利用磨粒的沖刷去除電解反應(yīng)生成的鈍化膜。首先，磨粒會(huì)沖擊工件表面的高峰處，去除高峰處的鈍化膜，加快電化學(xué)溶解速率，同時(shí)磨粒對(duì)工件表面的低谷處去除較少，該處的鈍化膜也更容易堆積，其電化學(xué)溶解速率也更慢，如此反復(fù)作用，可對(duì)工件表面起到很好的整平效果；其次，電化學(xué)反應(yīng)可對(duì)工件表面起到很好的軟化作用，減少磨粒的沖擊磨損，提高磨粒使用壽命；再者，高速流動(dòng)的液體能更好地排出產(chǎn)物和熱量，加快電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

1.2 系統(tǒng)設(shè)置

圖2是高速磨粒流動(dòng)輔助電解復(fù)合加工系統(tǒng)示意，主要由冷水機(jī)、混合槽、攪拌機(jī)、分離槽、過(guò)濾器、工作臺(tái)、加工電源等組成。陰極和陽(yáng)極被封閉在夾具體中，兩者之間為磨粒和NaNO3溶液的固液兩相流，抽送固液兩相流的離心泵最大揚(yáng)程為120 m，最大流量達(dá)15 m3/h。在使用過(guò)程中，離心泵會(huì)產(chǎn)生較多熱量，一方面需要冷水泵對(duì)離心泵的機(jī)封部分進(jìn)行冷卻，另一方面需要冷卻功率相匹配的冷水機(jī)對(duì)混合槽中的液體進(jìn)行實(shí)時(shí)冷卻?；旌喜壑械幕旌夏チＥcNaNO3溶液通過(guò)攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，使得磨粒盡可能懸浮在液體中而不沉淀。過(guò)濾器可以過(guò)濾產(chǎn)物中的雜質(zhì)，回收磨粒，達(dá)到循環(huán)使用的目的。

圖2 高速磨粒流動(dòng)輔助電解復(fù)合加工系統(tǒng)示意圖

1.3 參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)以NaNO3溶液作為電解液，加工溫度為25℃，電解液進(jìn)口壓力為1 MPa，工具與工件均采用SS304不銹鋼，攪拌機(jī)速度恒定50 r/min，其他參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)首先研究復(fù)合加工相比于其他兩種單一加工（純電解加工、無(wú)電解作用的高速磨粒流動(dòng)磨削加工）的優(yōu)勢(shì)，接著研究加工時(shí)間、加工電壓、加工間隙等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

表1 加工參數(shù)表

2 結(jié)果與討論

2.1 三種加工方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

首先討論純電解加工、無(wú)電解作用的高速磨粒流動(dòng)磨削加工及高速磨粒流動(dòng)輔助電解復(fù)合加工三種加工方式對(duì)工件質(zhì)量與表面粗糙度的影響。純電解加工使用脈沖電源，加工電壓為5 V，脈沖頻率為10 kHz，脈沖占空比為30%；高速磨粒流動(dòng)磨削加工過(guò)程中，300目白剛玉磨粒與電解液混合組成兩相流并高速流過(guò)工件表面，期間無(wú)電流作用；復(fù)合加工則是將前兩者的加工參數(shù)相組合。工件毛坯原始表面粗糙度為Ra0.4 μm，三種加工方式均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaNO3溶液作為電解液，加工間隙為1 mm，加工時(shí)間為5 min，得到的工件去除質(zhì)量與表面粗糙度見(jiàn)圖3，用DVM5000顯微鏡拍攝的加工工件表面顯微照片見(jiàn)圖4。

圖3 去除質(zhì)量及工件表面粗糙度與加工方式的關(guān)系

由圖3可看出，經(jīng)過(guò)純電解加工后的工件去除質(zhì)量最少、表面粗糙度值最大；經(jīng)過(guò)單純高速磨粒流動(dòng)磨削加工后的工件去除質(zhì)量與表面粗糙度次之；經(jīng)過(guò)復(fù)合加工后的工件去除質(zhì)量最多、表面粗糙度值最小。由圖4可看出，工件毛坯表面較粗糙，有明顯的刮痕和凹坑；經(jīng)過(guò)純電解加工后的工件表面同樣也有刮痕和犁削痕跡，但相比原始毛坯表面的刮痕深度與寬度有所減小，整體表面質(zhì)量變好；經(jīng)過(guò)單純高速磨粒流動(dòng)磨削加工后的工件表面已幾近平整，只剩少量較深的刮痕未完全去除；經(jīng)過(guò)復(fù)合加工后的工件表面刮痕和凹坑已完全被去除，非常平整。因此，復(fù)合加工速度更快，加工后的工件表面粗糙度更好，表面更加平整光滑。

圖4 不同加工方式得到的工件表面顯微圖

2.2 加工時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

采用原始表面粗糙度約Ra0.7 μm的毛坯，磨粒為80目的綠碳化硅顆粒，其粒徑為180 μm，磨粒體積分?jǐn)?shù)為6.25%，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的NaNO3溶液作為電解液與磨粒相混合，加工間隙為2 mm。采用恒流模式的直流電源進(jìn)行加工，電流為4 A，電流密度為 1 A/cm2，設(shè)計(jì) 0.5、1、2、3、4、5 min 共 6 個(gè)時(shí)間參數(shù)，工件的去除質(zhì)量與加工表面粗糙度見(jiàn)圖5?？煽闯觯谇? min隨著加工時(shí)間的增加，工件去除質(zhì)量基本呈線性增加，在4 min后工件去除質(zhì)量的增速減緩。這是由于工件表面的凸起被逐漸整平，工件表面趨于平滑，磨粒刮擦平滑表面的去除速度小于刮擦粗糙表面的速度。同理，在前4 min工件表面粗糙度值下降明顯，而在4 min后工件表面粗糙度變化很小，最終工件表面會(huì)達(dá)到加工極限，表面粗糙度隨時(shí)間的變化基本不變。

圖5 去除質(zhì)量及工件表面粗糙度與加工時(shí)間的關(guān)系

2.3 加工電壓對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

采用原始表面粗糙度約Ra0.4 μm的毛坯，以300目的Al2O3磨?；旌?0%的NaNO3溶液進(jìn)行加工，磨粒體積分?jǐn)?shù)為22%，加工間隙為2 mm，加工時(shí)長(zhǎng)為5 min。實(shí)驗(yàn)采用恒壓模式的直流電源，設(shè)計(jì)0.5、1、3、5、10、15 V 共 6 個(gè)電壓參數(shù)， 其中電壓為0.5 V和1 V時(shí)，電流為0；電壓為3 V和5 V時(shí)，表面有微弱的電流，分別為0.35 A和2 A；電壓超過(guò)10 V時(shí)，電流較大，超過(guò)6 A。工件的去除質(zhì)量與表面粗糙度見(jiàn)圖6?？煽闯?，當(dāng)電壓低于5 V時(shí)，工件去除質(zhì)量較少且差別不大，工件表面粗糙度值隨著電壓的增大呈下降趨勢(shì)；當(dāng)電壓高于5 V時(shí)，工件去除質(zhì)量陡增，此時(shí)的電流密度較大，電化學(xué)溶解金屬的速度也很快，而工件表面粗糙度值隨著電壓的增加而增大。因此，當(dāng)加工電壓為5 V時(shí)，機(jī)械作用與電化學(xué)作用的配合效果最佳，加工出來(lái)的工件表面粗糙度值最小。

圖6 去除質(zhì)量及工件表面粗糙度與加工電壓的關(guān)系

2.4 加工間隙對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

采用原始表面粗糙度約Ra0.4 μm的毛坯，以300目的Al2O3磨粒混合10%的NaNO3溶液進(jìn)行加工。實(shí)驗(yàn)使用恒流模式的直流電源，電流為4 A，電流密度約為1 A/cm2，加工時(shí)間為5 min。設(shè)計(jì)了0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5 mm 共 8 個(gè)加工間隙參數(shù)，工件的去除質(zhì)量與表面粗糙度見(jiàn)圖7。可看出，當(dāng)加工間隙大于1 mm時(shí)，隨著加工間隙增加，磨粒對(duì)流道兩側(cè)的表面作用力減小，工件的去除質(zhì)量減少，表面粗糙度值增大，這是因?yàn)檩^小的加工間隙有利于磨粒的劃擦和物質(zhì)的電化學(xué)溶解。但0.5 mm加工間隙的加工效果不如1 mm加工間隙，這是由于過(guò)小的間隙不利于兩相流的通過(guò)，也會(huì)使物體表面發(fā)生過(guò)度溶解，因此需根據(jù)通過(guò)的不同磨粒的粒徑選擇合適的間隙大小。由此得到間隙1 mm時(shí)的加工效果最好，加工后的工件表面粗糙度值最小。

2.5 電解液濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

圖7 去除質(zhì)量及工件表面粗糙度與加工間隙的關(guān)系

采用原始表面粗糙度約Ra0.4 μm的毛坯，以300目的Al2O3磨?；旌喜煌瑵舛鹊腘aNO3溶液進(jìn)行加工，加工間隙為2 mm。實(shí)驗(yàn)采用恒壓模式的直流電源，加工電壓為10 V，加工時(shí)間為5 min，設(shè)計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、3%、5%、10%、20%共5個(gè)參數(shù)，工件的去除質(zhì)量與表面粗糙度見(jiàn)圖8?？煽闯?，當(dāng)電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，加工質(zhì)量相比3%、5%時(shí)更好，且去除質(zhì)量更多，因此此時(shí)材料鈍化生成更明顯，與磨削作用配合更緊密。當(dāng)電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，加工電流達(dá)到12 A，電解作用明顯大于磨粒作用，工件表面形成大面積的點(diǎn)蝕區(qū)域，表面質(zhì)量較差。當(dāng)電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，加工出的工件表面粗糙度值最小，此時(shí)去除質(zhì)量較多，對(duì)于工件表面的劃痕去除也較明顯.可見(jiàn)，選擇10%的電解液更有利于工件表面質(zhì)量的提高。

圖8 去除質(zhì)量及工件表面粗糙度與電解液濃度的關(guān)系

2.6 電源種類對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

采用原始表面粗糙度約Ra0.4 μm的毛坯，以300目的Al2O3磨粒混合10%的NaNO3溶液進(jìn)行加工，加工間隙為2 mm，加工時(shí)間為5 min。實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)3、5、8、10 V共4個(gè)電壓參數(shù)，且分別使用直流電源與脈沖電源進(jìn)行加工，脈沖電源輸出的脈沖占空比控制為50%，脈沖頻率控制為100 kHz，工件的去除質(zhì)量與表面粗糙度分別見(jiàn)圖9和圖10。

綜合圖9、圖10可看出，隨著電壓升高，工件去除質(zhì)量增多，相同電壓條件下，脈沖電源去除的工件質(zhì)量少于直流電源。在3～8 V較低電壓時(shí)，直流電源去除質(zhì)量比脈沖電源去除質(zhì)量更多，加工出的工件表面粗糙度值更小，故直流電源加工效果更好；當(dāng)加工電壓為10 V時(shí)，直流電源輸出電流較大，易在工件表面形成點(diǎn)蝕等現(xiàn)象，而脈沖電源以方波的形式周期性輸出電流，方波與方波之間存在間隔，相比直流電源更難形成腐蝕，所以此時(shí)脈沖電源加工的工件表面粗糙度值更小，加工效果更好。綜合考慮，選擇直流電源、加工電壓為5 V進(jìn)行復(fù)合加工。

圖9 去除質(zhì)量與電源種類的關(guān)系

圖10 工件表面粗糙度與電源種類的關(guān)系

2.7 磨粒粒徑對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

采用原始表面粗糙度約Ra0.4 μm的毛坯，以10%的NaNO3溶液作為電解液，加工間隙為1 mm，加工時(shí)間為5 min，用恒壓模式的直流電源進(jìn)行加工，加工電壓為5 V。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用80目、300目、1200目三種磨粒進(jìn)行加工，其粒徑大小分別為180、48、10 μm，工件的去除質(zhì)量與表面粗糙度見(jiàn)圖11，加工實(shí)物見(jiàn)圖12。

由圖11可看出，用80目磨粒加工出的工件表面粗糙度為Ra0.263 μm、去除質(zhì)量為32 mg；用300目磨粒加工出的工件表面粗糙度為Ra0.156 μm、去除質(zhì)量為11.6 mg；用1200目磨粒加工出的工件表面粗糙度為Ra0.083 μm、去除質(zhì)量為7 mg。分析原因：由于粒徑大的磨粒動(dòng)能更大，微切削作用更明顯，故去除速度更快，同等時(shí)間下去除的質(zhì)量更多；而粒徑小的磨粒在工件表面起到微磨的作用，相比粒徑大的磨粒其銳角更小，能進(jìn)一步加工大粒徑磨粒無(wú)法加工的微小切痕和紋路，所以粒徑小的磨粒去除速度更慢，但是其加工的工件表面粗糙度值更小，表面就更光滑。

圖11 去除質(zhì)量及工件表面粗糙度與磨粒粒徑的關(guān)系

圖12 不同粒徑磨粒加工后的工件實(shí)物

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用高速磨粒流動(dòng)輔助電解復(fù)合加工方法對(duì)SS304不銹鋼表面進(jìn)行了一系列加工實(shí)驗(yàn)研究。相比純電解加工和高速磨粒流動(dòng)磨削加工，該復(fù)合加工方法具有加工表面質(zhì)量好、加工效率快的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)一系列參數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出優(yōu)化參數(shù)組合：使用直流電源，加工電壓5 V，加工間隙1 mm，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaNO3溶液混合1200目綠碳化硅磨粒加工5 min，可將原始表面粗糙度Ra0.4 μm的SS304不銹鋼毛坯加工至表面粗糙度Ra0.1 μm以下，加工出的工件表面光滑，加工效果較好。