電化學(xué)磁力研磨復(fù)合工具的設(shè)計(jì)

鄭 雷，郭鐘寧，李遠(yuǎn)波，劉國躍

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

電化學(xué)磁力研磨復(fù)合工具的設(shè)計(jì)

鄭 雷，郭鐘寧，李遠(yuǎn)波，劉國躍

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

復(fù)合工具是復(fù)合工藝的核心，其結(jié)構(gòu)形式直接決定了復(fù)合工藝的實(shí)現(xiàn)形式及工藝特性。根據(jù)電化學(xué)與磁力研磨各自的工藝特點(diǎn)，針對(duì)平面類零件，提出了中空式電磁極相間復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。采用有限元方法對(duì)加工間隙內(nèi)的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了分析，優(yōu)化了工具結(jié)構(gòu)參數(shù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

電化學(xué)；磁力研磨；復(fù)合工具；有限元方法

電化學(xué)磁力研磨復(fù)合加工是將電化學(xué)加工技術(shù)與磁力研磨加工技術(shù)相結(jié)合的一種非傳統(tǒng)的零件表面光整加工方法，它結(jié)合了電化學(xué)加工與磁力研磨加工的優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、汽車制造、模具加工等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[1-2]。

電化學(xué)磁力研磨復(fù)合加工是以電化學(xué)陽極溶解原理為基礎(chǔ)，利用磨粒的機(jī)械作用刮除工件鈍化膜的一種復(fù)合加工方法。在加工過程中，工件作為陽極，工具電極作為陰極，在兩者間隙中通入電解液。在一定的加工條件下，工件表面由于電化學(xué)的鈍化作用生成一層致密的鈍化膜，這層鈍化膜對(duì)工件表面有一定的保護(hù)作用，可阻止電化學(xué)作用對(duì)金屬的溶解。在磁力研磨的作用下，工件表面微觀不平度高點(diǎn)的鈍化膜首先被刮除，露出新鮮的金屬表面被進(jìn)一步溶解。每當(dāng)工件表面形成鈍化膜時(shí)，磨粒持續(xù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)就會(huì)將金屬微觀表面高點(diǎn)的鈍化膜刮除，使電化學(xué)溶解繼續(xù)進(jìn)行。如此循環(huán)往復(fù)，工件表面高點(diǎn)不斷被去除，從而使工件表面粗糙度不斷改善，達(dá)到光整加工的效果[3-4]。

1 常用電磁極復(fù)合一體式工具結(jié)構(gòu)

對(duì)于電化學(xué)磁力研磨復(fù)合加工，電化學(xué)與磁力研磨相疊加的加工方式，決定著復(fù)合加工的效果。文獻(xiàn)[5]展示了第1種一體式復(fù)合工具（圖1），該結(jié)構(gòu)形式在一定程度上解決了采用含鐵相成分的鐵磁性磨料在復(fù)合過程中出現(xiàn)的短路問題。但由于整個(gè)磁力研磨加工間隙充滿了鐵磁性磨料，而電化學(xué)工作間隙處于鐵磁性磨料的包圍中，導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物無法及時(shí)排出，外界的電解液也很難進(jìn)入電化學(xué)加工間隙，這會(huì)對(duì)電化學(xué)過程產(chǎn)生一些不良影響。同時(shí)，從電化學(xué)與磁力研磨的分布區(qū)域分析，這種復(fù)

合屬于一種時(shí)序上的工藝迭代，加工后的試件表面經(jīng)過磁力研磨-電化學(xué)-磁力研磨的先后迭代，鈍化膜的生成與去除并不是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。

圖1 一體式復(fù)合工具結(jié)構(gòu)一

第2種一體式復(fù)合工具則是直接在金屬磁極上通電，使其成為電化學(xué)反應(yīng)的陰極（圖2），然后在鐵磁性磨料中混入13%～18%的電解液，使電化學(xué)反應(yīng)能夠進(jìn)行[6-7]。由于電解液含量過低，且磁力研磨過程中的溫升還會(huì)導(dǎo)致電解液蒸發(fā)減少，使電化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度降低。

圖2 一體式復(fù)合工具結(jié)構(gòu)二

第3種一體式復(fù)合工具的設(shè)計(jì)采取工件回轉(zhuǎn)、工具固定的方式（圖3）[8]，但這種結(jié)構(gòu)只能用于拋光軸類零件。此外，由于需要留出供電解液通過的間隙，必須在復(fù)合工具上開槽，這會(huì)使電化學(xué)加工間隙比磁力研磨的加工間隙還大，電化學(xué)加工效率必然會(huì)受到影響。

圖3 一體式復(fù)合工具結(jié)構(gòu)三

2 電磁極相間復(fù)合一體式工具

任何一種復(fù)合工藝的出發(fā)點(diǎn)都是希望能實(shí)現(xiàn)兩種或更多種工藝的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，但每一種加工工藝都具有各自的特性，如何綜合各自特點(diǎn)、發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)是復(fù)合工藝需要解決的主要問題[9-10]。

電化學(xué)與磁力研磨在以下方面存在著差異：

（1）去除機(jī)理。電化學(xué)與磁力研磨是兩種不同的加工方式。磁力研磨屬于接觸式切削加工，鐵磁性磨料需與工件接觸，并以一定的壓力作用在工件表面。而電化學(xué)屬于非接觸加工，工具與工件之間需保持一定間隙，且間隙中必須充滿電解液，加工效率和表面質(zhì)量與間隙內(nèi)電解液狀態(tài)相關(guān)。在傳統(tǒng)電化學(xué)加工中，陽極溶解產(chǎn)物由流動(dòng)的電解液帶走，為了防止產(chǎn)物在陽極表面堆積，穩(wěn)定而高效的電化學(xué)加工過程需要加工間隙內(nèi)充滿流速均勻、清潔的電解液。當(dāng)采用電、磁極復(fù)合一體工具時(shí)，便存在電解液沖擊鐵磁性磨料的問題。因此，存在接觸與非接觸、電解液液流與磨料填充的問題。

（2）工作間隙參數(shù)。對(duì)于電化學(xué)加工，如不考慮加工過程的極化現(xiàn)象且其他參數(shù)恒定時(shí)，加工間隙的大小實(shí)際上決定了電流密度，會(huì)直接影響加工效率。小的加工間隙可獲得更高的加工效率，且有利于減少散雜腐蝕，傳統(tǒng)電化學(xué)加工的間隙在0.02～1 mm之間。而磁力研磨的工作間隙決定了鐵磁性磨料所形成的磨料刷的空間，影響磨料刷的柔性與研磨壓力，較優(yōu)的范圍為1～3 mm。在復(fù)合工具的設(shè)計(jì)過程中，必須考慮這種差異性。

（3）鐵磁性磨料與短路。在目前的研究中，磁力研磨所采用的磨料大多為鐵粉或含純鐵成分的導(dǎo)磁性顆粒。在選取磨料和設(shè)計(jì)工具時(shí)，必須防止電化學(xué)工作區(qū)域短路。

（4）磨料殘余。磨料殘留在已加工表面是磁力研磨的正?，F(xiàn)象，但工件表面被磨料覆蓋，可能會(huì)對(duì)電化學(xué)加工效果造成不良影響。

因此，對(duì)于電磁復(fù)合一體的工具而言，需解決間距差異和電解液通液的問題：磁力研磨工作間隙1～3 mm，電化學(xué)加工間隙0.05～1 mm；電化學(xué)加工間隙內(nèi)需持續(xù)供液，磁力研磨間隙內(nèi)則需充滿鐵磁性磨料。綜合考慮后，提出了中空電磁極相間復(fù)合工具的設(shè)計(jì)方案（圖4）。

圖4 中空式電磁極相間復(fù)合工具

復(fù)合工具的工作端面分為電化學(xué)工作區(qū)與磁力研磨工作區(qū)兩部分。為了形成兩個(gè)不干涉的工作間隙，用黃銅等非鐵磁性金屬材料作為復(fù)合工具的

陰極材料，電工純鐵作為磁極材料，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是電化學(xué)與磁力研磨的工作間隙獨(dú)立，且能加入不同長(zhǎng)度的嵌片，實(shí)現(xiàn)電化學(xué)與磁力研磨不同的加工間隙。由于復(fù)合工具芯部的磁力研磨效率較低，為了便于電解液達(dá)到電化學(xué)工作區(qū)，在芯部設(shè)計(jì)了黃銅材質(zhì)的電解液通道。中空通道半徑是電解液能否達(dá)到電化學(xué)工作區(qū)的關(guān)鍵參數(shù)之一，本文主要從中空通道半徑與磨料刷形貌的關(guān)系進(jìn)行建模分析。

如圖5所示，x代表取樣線段上點(diǎn)到中空磁極中心的距離，rn為中空管道半徑，r1為工具半徑。從圖5a可看出，在開放式磁路中，隨著rn的增加，從工具磁極的內(nèi)孔邊緣到磁極外圓柱面邊緣 （x∈(rn，r1)）的磁感強(qiáng)度分布曲線變得相對(duì)平緩。內(nèi)孔增大意味著內(nèi)孔邊緣與磁極外圓柱面邊緣的間距減小，即當(dāng)內(nèi)外半徑的差值減小時(shí)，工具工作端面的磁場(chǎng)分布會(huì)變得相對(duì)均勻。在x∈(0，rn)的范圍內(nèi)，曲線呈陡直上升趨勢(shì)；隨著rn值的增加，上升的斜率隨之降低。在通道邊緣位置(x=rn)與外圓柱面邊緣位置(x= r1)，曲線都出現(xiàn)尖角，這可能是由邊緣過渡處產(chǎn)生的邊角效應(yīng)所引起的，其中以外邊緣處最為嚴(yán)重。均勻磁場(chǎng)能有效提高加工的均勻性，因此在復(fù)合工具的設(shè)計(jì)過程中，需考慮邊角效應(yīng)，并盡量降低這種效應(yīng)的影響。

工件表面的磁感強(qiáng)度分布見圖5b，其體現(xiàn)出不同的趨勢(shì)：當(dāng)rn=1 mm時(shí)，磁感強(qiáng)度分布曲線在x∈(0～7 mm)的范圍幾乎為水平線，磁感強(qiáng)度不變；在x＞7 mm的范圍，曲線陡直下降，磁感強(qiáng)度急劇下降。rn=2 mm與rn=1 mm曲線的趨勢(shì)基本一致。但當(dāng)rn=4 mm時(shí)，曲線先上升再下降；同時(shí)，磁感強(qiáng)度的最大值移到x=r1附近。總體而言，隨著rn值的增加，工件上對(duì)應(yīng)工具芯部的位置與磁極區(qū)域磁場(chǎng)分布的不均度增加；從電解液通過的角度來講，芯部的磁場(chǎng)強(qiáng)度越低越好。因此，這種不均度是有益的。此外，在工件表面x＞r1的一段范圍內(nèi)，磁感強(qiáng)度不為零，表明磨料刷在工件表面的直徑大于磁極直徑。

綜合工具和工件表面的磁場(chǎng)分布情況，可推測(cè)出磨料刷的形貌：中空磁極芯部位置會(huì)形成一個(gè)倒錐形的空腔 （圖6a），且空腔隨著rn值的減小而減小。當(dāng)rn值較小時(shí)，可能無法形成容納電解液通過的空腔。因此，合適的通液管道直徑是保證電解液能到達(dá)電化學(xué)工作區(qū)的條件之一（圖6b）。然而，從磁場(chǎng)分布來看，只要工件中心處的磁感強(qiáng)度不為零，在不考慮電解液壓力的情況下，是難以達(dá)到如圖6b所示的圓臺(tái)型空腔的。因此，若采用芯部通電解液的結(jié)構(gòu)，則電解液需具備一定的壓力。從rn=4 mm時(shí)工件上的磁感強(qiáng)度分布來看，當(dāng)x=0時(shí)，B仍然有0.4 T左右。這說明rn=4 mm時(shí)，工件上的磨料刷仍將覆蓋住電解液出液位置。因此，為了進(jìn)一步減小電解液供液壓力，復(fù)合工具芯部的電解液通道半徑需繼續(xù)增加。

圖5 開放式磁路在不同電解液通道半徑下的工件及工具表面磁場(chǎng)分布

圖6 中空磁極鐵磁性磨料分布

3 結(jié)論

電化學(xué)與磁力研磨的復(fù)合形式對(duì)電化學(xué)磁力研磨加工有著至關(guān)重要的作用。

（1）采用中空電磁極相間的復(fù)合工具，可解決電化學(xué)加工與磁力研磨過程中出現(xiàn)的差異問題，使

電化學(xué)加工與磁力研磨加工各自擁有獨(dú)立的加工間隙；且在加工過程中，使鈍化膜的生成與去除成為一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。

（2）復(fù)合工具頭的中空通道對(duì)于電解液順利到達(dá)加工區(qū)域有著重要的作用。通過有限元分析可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)中空通道的半徑增大時(shí)，中空通道處的磁場(chǎng)強(qiáng)度有降低的趨勢(shì)，將有利于電解液順利到達(dá)加工區(qū)域。另外，減小內(nèi)外半徑的差值，工具頭端面的磁場(chǎng)分布會(huì)更均勻。

（3）工件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度沿工件半徑的方向逐漸減小，且在x>7 mm后，迅速減小。增大中空通道半徑，將增大工件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻的程度，這種不均勻是有益于加工的。

本文對(duì)電化學(xué)磁力研磨復(fù)合工具所作的分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，對(duì)于電化學(xué)磁力研磨的復(fù)合形式，還有待進(jìn)一步的研究。

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圖11 拋光前后型腔表面對(duì)比

圖12 拋光前的表面粗糙度

4 結(jié)論

圖13 拋光后的表面粗糙度

在電火花線切割貫通形型腔模具時(shí)，切割得到形狀與型腔完全吻合的型芯，在附加磁源后制成磁性拋光磨具，用其對(duì)貫通形型腔模具進(jìn)行拋光，不僅可提高對(duì)不同型腔模具的普適性，還極大地降低了拋光成本。型腔表面粗糙度值從拋光前的Ra2.761 μm降低至拋光后的Ra0.463 μm。

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Compounded Tool Design for the Hybrid Process of Electrochemical Magnetic Abrasive Finishing

Zheng Lei，Guo Zhongning，Li Yuanbo，Liu Guoyue
（Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

The compounded tool is the center part of the hybrid process of electrochemical magnetic abrasive.Its structure and shape decide directly the form of achievement and the properties of the hybrid process.According to the characters of the electrochemical machining process and magnetic abrasive finishing process，a structure of electrodes separated by magnetic pole is proposed for the plane parts.By applying the finite element method，the magnetic field model of the working gap has been built and analysed to optimize the parameters.Results show that the compounded tool designed for the hybrid process of electrochemical magnetic abrasive finishing is available and provided with a certain application value.

electrochemical；magnetic abrasive finishing；compound tool；finite element method

TG662

A

1009－279X（2014）02－0025-04

2013-11-14

鄭雷，男，1987年生，碩士研究生。