45鋼電解-機(jī)械復(fù)合拋光工藝優(yōu)化

時(shí)君麗 ，周茂軍，曲洪偉

（1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034； 2.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；3.大連三洋壓縮機(jī)有限公司，遼寧 大連 116600）

45 鋼是中碳結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的機(jī)械性能和冷熱加工性能，被廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件。對(duì)45鋼進(jìn)行拋光，目的是使零件的微觀表面平整，提高其表面質(zhì)量。拋光主要有機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光等[1]。機(jī)械拋光零件光亮度高，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，污染嚴(yán)重；化學(xué)拋光投資少，防腐蝕性好，但會(huì)產(chǎn)生大量NOx、SO2有害氣體；電化學(xué)拋光成本低，保持鏡面光澤的時(shí)間長(zhǎng)，不受加工尺寸、材料組成及零件形狀的限制[2]。電解-機(jī)械拋光是通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極溶解和砂帶磨削加工相結(jié)合，對(duì)金屬工件表面進(jìn)行加工的復(fù)合技術(shù)。其基本原理是以電化學(xué)溶解為基礎(chǔ)，利用砂帶的磨削作用去除電化學(xué)加工過(guò)程中形成的鈍化膜從而達(dá)到加工的目的。該工藝由于同時(shí)具備電化學(xué)拋光與機(jī)械拋光的優(yōu)點(diǎn)，因此在航空、航天、汽車制造、模具加工等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景[3]。

影響電解-機(jī)械復(fù)合拋光效果的因素主要有電解液組成、溫度、電流密度、工作電壓、砂帶粒度和壓力等[3]，其中電解液組成、電流密度、工作電壓、砂帶粒度的影響較明顯。本文采用電解-機(jī)械復(fù)合拋光法處理45 鋼，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得出拋光加工工藝參數(shù)的最優(yōu)組合。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基體材料

采用某壓縮機(jī)45 鋼曲軸為基體材料，曲軸軸徑(l)為4 mm，直徑(d)為40 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用電解-機(jī)械復(fù)合拋光法，在CDL6136 高速臥式車床(大連機(jī)床集團(tuán)有限公司)上進(jìn)行拋光，圖1為裝置示意圖。電源為SMD-300D 型數(shù)控脈沖電鍍電源(邯鄲市大舜電鍍?cè)O(shè)備有限公司)，工件接電源正極，陰極(高純度銅)接電源負(fù)極，二者之間保持一定的空隙。電解槽尺寸為1 000 mm × 400 mm × 400 mm。工作原理是先通過(guò)陽(yáng)極溶解在工件表面生成一層極薄的氧化膜，由于這層氧化膜電阻很大，會(huì)阻礙陽(yáng)極繼續(xù)發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng)，當(dāng)砂帶(材質(zhì)為軟布布基、氧化鋁堆積磨料)磨除表層膜后，工件表面重新活化，再對(duì)其電解和磨除，如此往復(fù)，直至達(dá)到預(yù)期的加工要求，即表面粗糙度Ra在0.5 μm 以下。

圖1 電解-機(jī)械拋光裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the setup for electrochemical and mechanical polishing

1.3 電解液組成與工藝條件

采用NaNO3電解液，選用脈沖電源，電解輸出波形為方波，輸出頻率為1 000 Hz，占空比為50%，砂輪轉(zhuǎn)速為160 r/min，磨削壓力為2 kg/cm2。未特別說(shuō)明處，NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，砂帶粒度號(hào)為1000#，工作電壓為15 V，電流密度為40 A/cm2。

1.4 粗糙度測(cè)定

選用日本泰亞賽福的SURFCOM 130A 粗糙度儀測(cè)定試樣的粗糙度Ra(μm)，選取曲軸軸徑中部4 個(gè)不同位置測(cè)定，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 電解液中NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)粗糙度的影響

電解液中NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)拋光后工件表面粗糙度的影響見(jiàn)圖2。從圖2可知，電解液中NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～20%時(shí)，拋光后工件的粗糙度隨NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而降低；NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～25%時(shí)，拋光后工件的粗糙度隨NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而略有升高。從圖2可得出，較適宜的NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～25%。

圖2 電解液中NaNO3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)拋光后45 鋼粗糙度的影響Figure 2 Effect of NaNO3 mass concentration in electrolyte on roughness of polished 45 steel

2.1.2 電流密度對(duì)粗糙度的影響

圖3為電流密度和拋光后工件表面粗糙度之間的關(guān)系曲線。

圖3 電流密度對(duì)拋光后45 鋼粗糙度的影響Figure 3 Effect of current density on roughness of polished 45 steel

從圖3可知，電流密度為10～30 A/cm2時(shí)，隨電流密度提高，拋光工件的表面粗糙度迅速下降；電流密度大于30 A/cm2時(shí)，繼續(xù)提高電流密度對(duì)工件表面粗糙度的影響不大。因此，選擇電流密度30～50 A/cm2為宜。

2.1.3 工作電壓對(duì)粗糙度的影響

工作電壓是影響粗糙度的主要因素，電壓太低或太高，都會(huì)造成拋光效果不穩(wěn)定。選用適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷嚎墒菇饘俦砻婢鶆蛉芙?，達(dá)到較理想的拋光效果[4]。圖4顯示了電解-機(jī)械復(fù)合時(shí)工作電壓與工件粗糙度之間的關(guān)系。從圖4可知，適宜的工作電壓為10～20 V。

圖4 工作電壓對(duì)拋光后45 鋼粗糙的影響Figure 4 Effect of work voltage on roughness of polished 45 steel

2.1.4 砂帶粒度對(duì)粗糙度的影響

砂帶粒度號(hào)對(duì)工件粗糙度的影響見(jiàn)表1。

表1 砂帶粒度對(duì)拋光后45 鋼粗糙度的影響Table 1 Effect of granularity of abrasive belt on roughness of polished 45 steel

從表1可知，隨砂帶粒度號(hào)增大，拋光后的試件粗糙度逐漸降低，若要使拋光工件的粗糙度在0.5 μm以下，至少應(yīng)選擇粒度號(hào)為1000#的砂帶。

2.2 正交試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)因素及水平

單因素試驗(yàn)只能大致確定各因素的適宜取值范圍，并不能掌握最優(yōu)的參數(shù)組合。因此，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以45 鋼表面粗糙度改善百分?jǐn)?shù)為性能指標(biāo)，按L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，具體因素及水平見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)因素及水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

2.2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

表3為對(duì)電解-機(jī)械復(fù)合拋光工藝正交優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和極差分析。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析Table 3 Results and range analysis of orthogonal test

由表3可以看出，采用組合6，即A2B3C1D2組合對(duì)45 鋼拋光后，45 鋼表面粗糙度的改善百分?jǐn)?shù)達(dá)到最大(74.1%)，且其粗糙度為0.249 μm，滿足加工要求。由極差分析得到的最佳方案則為A2B3C1D3，與組合6不同。因此，需要對(duì)A2B3C1D2和A2B3C1D3再做一次試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)選。

2.2.3 第二次試驗(yàn)

分別采用A2B3C1D2和A2B3C1D3工藝組合對(duì)45 鋼曲軸進(jìn)行電化學(xué)拋光，每一組合均采用5 個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 第二次試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of the second test

由表4可知，采用A2B3C1D3組合時(shí)，試件表面粗糙度的改善百分?jǐn)?shù)均在 70%以上，拋光效果優(yōu)于A2B3C1D2組合。但不排除其中存在一定的隨機(jī)誤差，為排除誤差，實(shí)驗(yàn)人員又采用多個(gè)試件對(duì)2 種組合的拋光效果進(jìn)行比較，結(jié)果表明A2B3C1D3組合的拋光優(yōu)勢(shì)明顯。因此，確定電解-機(jī)械復(fù)合拋光的最佳工藝方案為A2B3C1D3，即電解液NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，電流密度50 A/cm2，工作電壓10 V，砂帶粒度號(hào)1500#。采用此工藝拋光工件時(shí)，粗糙度均可控制在0.3 μm 以下，滿足粗糙度必須低于0.5 μm 的加工要求。

3 結(jié)論

電解-機(jī)械復(fù)合拋光45 鋼的最佳工藝為：電解液中NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，電流密度50 A/cm2，工作電壓10 V，砂帶粒度號(hào)1500#。采用該工藝處理后，45鋼壓縮機(jī)曲軸拋光后的粗糙度均低于0.3 μm，改善百分?jǐn)?shù)在70%以上，滿足工件的加工要求。

[1]張素銀,杜凱,諶加軍,等.電解拋光技術(shù)研究進(jìn)展[J].電鍍與涂飾,2007,26 (2): 48-50,53.

[2]張述林,羅袆,陳世波.銅及銅合金電化學(xué)拋光[J].電鍍與涂飾,2008,27 (9): 26-28.

[3]張志金,張明岐,曹新鵬,等.電化學(xué)機(jī)械復(fù)合光整加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào),2012,26 (13): 12-15.

[4]趙雪松,蘇學(xué)滿,楊明.模具鋼電解機(jī)械復(fù)合拋光工藝研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2003,14 (12): 1009-1011.