基于電化學(xué)法的內(nèi)交叉陣列孔毛刺去除工藝

郭艷玲 朱勛鵬 李 健 王海濱

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040)

去毛刺是機(jī)械加工最后階段必須進(jìn)行的一項(xiàng)重要的技術(shù)，目前為止被應(yīng)用的去毛刺方法已超過(guò)100種［1］，由于零件形狀和尺寸種類繁多，采用的去毛刺方法不盡相同。毛刺雖小，但危害確很大［2-5］，對(duì)彼此相互運(yùn)動(dòng)零件，毛刺不僅會(huì)磨損零件表面，還會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng);對(duì)于電器，毛刺的存在很可能會(huì)導(dǎo)致短路;對(duì)液壓零件，容易造成密封件切邊甚至斷裂;對(duì)一般零件，毛刺的存在會(huì)影響產(chǎn)品的裝備、使用性能及壽命等，所以對(duì)毛刺的去除至關(guān)重要。對(duì)于可達(dá)性差、與主孔垂直的內(nèi)部交叉陣列孔毛刺，一般的加工方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其去除。目前國(guó)內(nèi)主要采用手工的方法進(jìn)行去除［6］，該方法存在去除效率低、成本高的缺點(diǎn)，故需尋求一種去除效率高、自動(dòng)化程度高的加工方法。

電化學(xué)去毛刺是金屬在電解液中發(fā)生基于電化學(xué)作用的陽(yáng)極溶解而去除零件毛刺的加工工藝方法，這是一種先進(jìn)的去毛刺技術(shù)，是電化學(xué)加工中發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的一項(xiàng)工藝，它具有去除毛刺質(zhì)量好、安全可靠、高效等優(yōu)點(diǎn)，且能去除可達(dá)性差的復(fù)雜內(nèi)腔部位的毛刺，現(xiàn)已在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、航空航天、氣動(dòng)液壓等領(lǐng)域得到運(yùn)用［7-10］。本文從電化學(xué)去毛刺工藝基礎(chǔ)展開(kāi)研究，對(duì)電化學(xué)去除內(nèi)交叉陣列小孔工藝裝備進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)加工間隙中的電場(chǎng)規(guī)律進(jìn)行了探討，同時(shí)分析了去毛刺過(guò)程中的流場(chǎng)情況，并以汽車轉(zhuǎn)向器中的螺桿軸上內(nèi)交叉陣列小孔毛刺去除作為實(shí)例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了良好的加工效果。

1 基本原理

電化學(xué)去毛刺是利用電能、化學(xué)能進(jìn)行局部陽(yáng)極溶解來(lái)達(dá)到去毛刺的目的。該方法屬于非接觸加工工藝，具有不受材料硬度、韌性的限制，加工表面光滑、無(wú)熱變形的優(yōu)點(diǎn)。

電化學(xué)方法去除內(nèi)交叉陣列孔毛刺的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖1 所示。其中，通電后電源電流i=0 表示電極安放合理，而有電流值，則表明電極與工件相互之間發(fā)生短路。加工過(guò)程中，工件接電源正極，稱為陽(yáng)極，工具接電源負(fù)極，稱為陰極，工具電極對(duì)準(zhǔn)工件毛刺部位，且兩者之間保持一定的加工間隙，以便讓循環(huán)的電解液順利通過(guò)，針對(duì)具體情況所需時(shí)間不盡相同，但一般在10～30 s 的時(shí)間內(nèi)即可溶解毛刺，去毛刺的同時(shí)，在內(nèi)通道相交處產(chǎn)生均勻、精確的倒圓邊角，隨后電解液將加工過(guò)程中產(chǎn)生的電解產(chǎn)物及熱量沖離加工區(qū)。

電化學(xué)去除內(nèi)交叉陣列孔毛刺與單一小孔毛刺去除具有共性之處，如加工原理、電解液的配置情況等，但也有其特殊性，如夾具的復(fù)雜程度、流場(chǎng)的設(shè)計(jì)、電極的安放方式等，與單小孔加工相比，提出了更高的要求。對(duì)陣列小孔毛刺，由于各小孔毛刺大小不等，具有分散且多處存在的特點(diǎn)，采用單一電極難以實(shí)現(xiàn)一次對(duì)整個(gè)零件所有毛刺的去除，故需采用陣列電極的加工方法，使得工裝夾具的設(shè)計(jì)較之單一電極夾具復(fù)雜。陣列小孔的流場(chǎng)則可考慮為各個(gè)小孔流場(chǎng)進(jìn)行并聯(lián)，但這樣必然使得液流管道的布置及工裝夾具的設(shè)計(jì)變得十分困難，故在滿足加工要求時(shí)，盡量使得各小孔共用一個(gè)流場(chǎng)，這使得正流式的流場(chǎng)布置方式不再適用。

2 工藝基礎(chǔ)

加工間隙與電解液是決定電化學(xué)去毛刺加工工藝指標(biāo)的核心工藝因素，也是陰極設(shè)計(jì)及各項(xiàng)工藝參數(shù)選擇的首要依據(jù)。電解液是電化學(xué)去毛刺產(chǎn)生陽(yáng)極溶解的載體，正確選用電解液是實(shí)現(xiàn)電化學(xué)去毛刺的基本條件。加工間隙是用以供電解液流動(dòng)、進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)、排除電解產(chǎn)物并避免短路的一段空間，該空間對(duì)電解作用起決定性作用。加工間隙的大小受電場(chǎng)、流場(chǎng)及電化學(xué)特性的影響，而間隙的變化直接影響毛刺的溶解速度，工件的表面質(zhì)量及加工精度，因而研究加工間隙變化規(guī)律對(duì)掌握電解加工工藝規(guī)律，保證加工質(zhì)量及效率具有重要意義。

2.1 電解液的選取

電解液與工件及電極組成電解池，使去毛刺時(shí)能進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)毛刺的溶解，電解液也起到排除電解產(chǎn)物并帶走電解加工所產(chǎn)生的熱量的作用。此外，電解液中所含的導(dǎo)電離子是電解池中傳送電流的介質(zhì)，由此可見(jiàn)，電解液在去毛刺過(guò)程中扮演著十分重要的作用。目前生產(chǎn)中常用的電解液有NaCl、NaNO3、NaClO3這3 種，NaCl 具有高效、穩(wěn)定、成本低、通用性好的優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)設(shè)備的腐蝕性十分嚴(yán)重，且加工精度不夠高;NaClO3加工精度高，但成本較高、且使用過(guò)程中維護(hù)繁雜;NaNO3加工精度較高、使用安全、對(duì)設(shè)備腐蝕性小、價(jià)格也不高，但缺點(diǎn)是加工效率較低。加工時(shí)綜合各方面條件考慮，擬選擇NaNO3水溶液作為加工電解液，并考慮到NaNO3電解液在質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于30%后非線性性能很差的特點(diǎn)，故配用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.5%的NaNO3水溶液作為加工電解液。

2.2 數(shù)學(xué)模型建立

陣列小孔加工時(shí)采用的陣列電極是以并聯(lián)的方式接至電源負(fù)極，各小孔處都采用單一進(jìn)行對(duì)應(yīng)加工，若忽略同一流場(chǎng)導(dǎo)致的各小孔間去毛刺時(shí)的相互影響，可將其看成單個(gè)電源與多個(gè)電解池的并聯(lián)。由于電極規(guī)格一致，每個(gè)小孔在一定精度范圍內(nèi)可認(rèn)為大小相等，則各孔處間隙變化規(guī)律基本一致。對(duì)某一小孔處可建立如圖2 所示的加工示意圖。在圖2 所示坐標(biāo)系中，電解過(guò)程中電解液沿x 軸方向流動(dòng)，加工前電極由z 軸方向插入，y、z 方向條件可近似為完全相同，設(shè)初始毛刺厚度為D，初始加工間隙為Δ0，加工開(kāi)始經(jīng)t 時(shí)間后毛刺被溶解的厚度為h，此時(shí)極間間隙為Δ，根據(jù)幾何關(guān)系滿足:

對(duì)式(1)進(jìn)行求導(dǎo)，有dΔ =dh =vadt，電化學(xué)去毛刺過(guò)程中服從法拉第定律，滿足:

式中:va為電化學(xué)去毛刺速度，mm/s;η 為電流效率;ω為體積電化當(dāng)量，mm3/(A·min);i 為電流密度;σ 為電解液電導(dǎo)率;UR為加工間隙方向上電解液的歐姆電壓降，V;Δ 為電加工間隙，mm。

對(duì)式(1)及(2)進(jìn)行整理，可得:

由式(3)可知，去毛刺過(guò)程中加工間隙隨時(shí)間的變化逐漸增大，則加工速度逐漸降低，電解電流也隨之減小。由圖2 可知，當(dāng)Δ =Δ0+D 時(shí)，毛刺脫落，去毛刺過(guò)程完成。此時(shí)所需的加工時(shí)間為:

由式(4)可知，電化學(xué)去毛刺所需的加工時(shí)間與工件的體積電化學(xué)當(dāng)量、電解液的電導(dǎo)率及加工電壓成反比，并與毛刺的厚度及初始加工間隙有關(guān)。若去毛刺時(shí)間t ＜t'，此時(shí)毛刺未被全部去除，則此時(shí)毛刺的厚度D'滿足D' =D-(Δ-Δ0)，整理得

由式(2)可知vaΔ = ηωσUR=C，C 為常數(shù)，即電解加工速度與加工間隙相互之間呈雙曲線函數(shù)變化的反比關(guān)系。實(shí)際加工中由于毛刺厚度不一以及毛刺表面微觀不平度的影響，毛刺周向各點(diǎn)距離孔中心距離不全相等，各點(diǎn)處加工間隙不全等于Δ，設(shè)工件毛刺根部的最大平直度為δ，毛刺向內(nèi)孔突出的部位間隙為Δ，去除速度為va，則低凹處加工間隙為Δ+δ，去除速度為v'a，則:

顯然毛刺突出部位的去除速度大于低凹處，隨著加工過(guò)程的進(jìn)行而逐漸趨于整平的效果，且加工間隙越小，越能提高加工精度。由式(3)、式(4)可知，適當(dāng)減小Δ0，選用體積電化當(dāng)量低、電導(dǎo)率低的電解液，可使加工精度得到提高。若Δ0過(guò)小，則電路易發(fā)生短路，且對(duì)夾具精度提出了更高的要求，使得加工成本增加，因而在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)工件要求的加工精度選取Δ0值。

2.3 加工間隙中的電場(chǎng)特性

去毛刺過(guò)程中，加工間隙中充滿了高速流動(dòng)的電解液，在直流電源的作用下，兩極之間將保持一定的電勢(shì)差，間隙電解液中有電流通過(guò)，形成一個(gè)電流場(chǎng)，該電場(chǎng)將直接影響去毛刺的效率和效果。電場(chǎng)一般分為3 種:靜電場(chǎng)、導(dǎo)電媒質(zhì)中的電場(chǎng)、有電流通過(guò)的導(dǎo)電媒質(zhì)中的電場(chǎng)。電化學(xué)去毛刺產(chǎn)生的電場(chǎng)屬于導(dǎo)電媒質(zhì)中的電場(chǎng)。導(dǎo)電媒質(zhì)的主要特征是媒質(zhì)的電導(dǎo)率σ＞0，故其媒質(zhì)內(nèi)有電場(chǎng)存在時(shí)，就有電流流動(dòng)，電流場(chǎng)的分布特征用電流密度i 來(lái)表示。由電場(chǎng)理論可知:

式中:φ 為某等位面的電位;n 為通過(guò)該點(diǎn)等位面的法向;且正向指向電位增長(zhǎng)方向。

電化學(xué)去除陣列小孔去毛刺過(guò)程中，導(dǎo)電媒質(zhì)與外電源相連，以維持連續(xù)不斷的電流。但所加的電源在所研究的間隙電場(chǎng)之外，故電解加工間隙的電場(chǎng)應(yīng)作為無(wú)源場(chǎng)。若假設(shè)電解液各向同性，則在工件邊界和初始陽(yáng)極邊界所包圍的區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)的電位分布服從拉普拉斯方程，即:

在電化學(xué)去毛刺過(guò)程中間隙電場(chǎng)的形成是在外電場(chǎng)作用下，電解液中的正離子向工具陰極移動(dòng)，負(fù)離子向工件陽(yáng)極移動(dòng)，形成了從工件陽(yáng)極開(kāi)始流向工具陰極的正向電流，從而構(gòu)成了，引入電流線和等位面，可得出加工間隙中的電場(chǎng)分布情況，如圖3 所示。對(duì)式(7)若只考慮電流的量值而不考慮方向，有?Φ/?n =i/σ，則陽(yáng)極表面各處法向電位變化率為?Φ/?n=η0i0cosθ/η σ，其中，η0、i0表示θ =0o的η、i。

2.4 流場(chǎng)設(shè)計(jì)及其特性

電化學(xué)去毛刺的電解液流動(dòng)形式分正流式和側(cè)流式。一般來(lái)說(shuō)，正流式易于布局，工具陰極較為簡(jiǎn)單，但電解液流動(dòng)方向在加工區(qū)域突變，會(huì)導(dǎo)致加工區(qū)流場(chǎng)不均勻、不穩(wěn)定，影響加工質(zhì)量。側(cè)流式流場(chǎng)較為均勻、穩(wěn)定，加工質(zhì)量較好，但對(duì)工具陰極結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格，非加工面絕緣要求較高。針對(duì)陣列小孔毛刺情況，由于需要多個(gè)電極，采用正流式時(shí)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較之側(cè)流式復(fù)雜，故陣列小孔去毛刺過(guò)程流場(chǎng)設(shè)計(jì)為側(cè)流式，如圖4 所示。

在電化學(xué)去毛刺過(guò)程中，流場(chǎng)對(duì)間隙的影響主要是電解液電導(dǎo)率的影響起作用。而電導(dǎo)率受電解液氣泡率和溫度的綜合作用影響。加工時(shí)，陰極一直析出氫氣，陽(yáng)極溶解陽(yáng)極產(chǎn)生電解產(chǎn)物，故加工間隙內(nèi)所流的為氣、液、固三相流，但電解產(chǎn)物所占體積比很小，故應(yīng)將流場(chǎng)看做氣、液兩相流。在加工間隙內(nèi)，假設(shè)氣液兩相流相互間無(wú)質(zhì)量轉(zhuǎn)換且各項(xiàng)參數(shù)均勻分布、陰陽(yáng)極表面均為等位面且在垂直電解液流動(dòng)方向上電位呈線性分布、電化學(xué)去毛刺各項(xiàng)參數(shù)不隨時(shí)間變化且兩極間熱交換也處于熱平衡狀態(tài)，由各相質(zhì)量連續(xù)及能量關(guān)系并綜合電導(dǎo)率變化規(guī)律可得

式中:σ0為間隙進(jìn)口處的電導(dǎo)率;ξ 為電導(dǎo)率溫度影響系數(shù);T(x)為沿流程方向上的電解液溫度;T0為間隙進(jìn)口處的電解液溫度;n 為氣泡率對(duì)電導(dǎo)率的影響指數(shù)，通常取n =1.5;aT為溫度增加率;x 為電解液在加工間隙中的流程長(zhǎng)度;β(x)為沿流程方向上的氣泡率;ηg為析氫的電流效率;kg為析氫的質(zhì)量電化當(dāng)量;Rg為氫氣的氣體狀態(tài)常數(shù);vo為間隙進(jìn)口處的流速;Δ0為間隙進(jìn)口處的間隙;p 為壓力。

3 加工工藝裝備與電極

電化學(xué)去毛刺系統(tǒng)主要包括機(jī)床殼體、工藝裝備、電源、輸液系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測(cè)反饋系統(tǒng)及加工電極7 個(gè)部分，其加工的系統(tǒng)圖如圖5 所示。其中，工藝裝備與電極影響極間間隙，進(jìn)而影響各項(xiàng)工藝參數(shù)。

加工工藝裝備是用來(lái)實(shí)現(xiàn)安裝、定位工件、工具陰極，按需要將電極送至合理位置，并將加工電流和電解液輸送到加工區(qū)，其是電化學(xué)去毛刺加工的直接執(zhí)行者。可將其分為工裝夾具和噴液裝置。工裝夾具是保證工具電極與毛刺之間的準(zhǔn)確定位的儀仗，并保證陰極與毛刺不會(huì)接觸而造成短路，其加工精度直接影響工件去毛刺的效率與質(zhì)量。此外，工裝夾具還用以導(dǎo)電、夾緊工件的作用。對(duì)毛刺大小不等的陣列小孔工件，需采用多電極進(jìn)行去毛刺加工，則工具夾具需要設(shè)計(jì)為圓周陣列且在加工前后能沿著圓周徑向移動(dòng)。如圖5 所示夾具部分，加工時(shí)采用三爪卡盤夾緊定位工件，由于工件圓周方向有3 個(gè)陣列小孔，故可將每個(gè)電極夾具安放在三爪卡盤的一個(gè)卡爪上，通過(guò)調(diào)整工具夾具的安放位置，當(dāng)卡盤夾緊工件時(shí)，電極正好進(jìn)給至合適的加工位置與毛刺對(duì)應(yīng)，進(jìn)而保證電極與毛刺之間的初始加工間隙在0.1～1 mm 之間。圖中所示電極與夾具配合面垂直度必須嚴(yán)格保證;工件安放時(shí)位置由與之連接輸送電解液的碰頭裝置確定;由于卡盤行程受限，對(duì)厚度大的工件，需在工具夾具處安放行程放大裝置并調(diào)整合理的放大倍數(shù);電極安裝后不必拆卸，每次加工完成后只需將卡盤松開(kāi)即可將工件取走，使加工效率大大提升。

電極作為去毛刺加工的工具，設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到去毛刺的效果，工具設(shè)計(jì)不合理將難以實(shí)現(xiàn)對(duì)毛刺的去除。理論上電極是指與電解質(zhì)溶液相接觸的電子導(dǎo)體及其鄰近的電解液所組成的整個(gè)體系。本文所述加工電極是指工具陰極的電子導(dǎo)體部分，采用黃銅制成。由于工件小孔尺寸確定，若工裝夾具加工精度較高，則電極的大小將直接確定初始加工間隙的大小，設(shè)小孔直徑為d，電極直徑為d1，則

4 加工實(shí)例

在研究過(guò)程中，對(duì)汽車循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的螺桿軸大端陣列小孔毛刺進(jìn)行了電化學(xué)去毛刺試驗(yàn)。螺桿軸實(shí)體圖如圖6 所示。該螺桿軸材料為20CrMnTi，在軸大的大端圓周方向鉆有3 個(gè)Φ4 mm 的陣列小孔，會(huì)留下高度為0.1～2 mm 大小不等的毛刺，由于毛刺大小不一，并且有的部分高度h ＞1 mm，故應(yīng)將陰極放置在能使毛刺從根部溶解的位置上，即需采用圖2 所示的加工方式進(jìn)行加工，試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)加工工藝參數(shù)

去毛刺過(guò)程中，需連續(xù)高速地向加工工件輸送電解液，隨著加工的進(jìn)行，毛刺被逐漸溶解，電解產(chǎn)物和熱量則由高速流動(dòng)的電解液帶走。由式(4)可知，在加工電壓、電極大小及電解液成分一定時(shí)，電化學(xué)去毛刺所需的加工時(shí)間隨毛刺的厚度變化呈二次曲線變化規(guī)律，即毛刺越厚，所需加工時(shí)間越長(zhǎng)。又由式(5)可知，隨著加工時(shí)間的進(jìn)行，加工間隙逐漸增大，毛刺厚度逐漸減小直至毛刺全部去除。在表1 所示加工條件下，選取圖6 所示一對(duì)規(guī)格一致的工件進(jìn)行去毛刺加工，其中一件加工時(shí)間為45 s 時(shí)，可得出工件的加工效果如圖7a 所示，此時(shí)小孔毛刺大部分已被溶解，但仍有部分未去除，顯然，沒(méi)被完全去除的地方毛刺較厚，但此時(shí)毛刺的厚度已經(jīng)大大減小，而有的地方毛刺已經(jīng)全部脫落，說(shuō)明該處毛刺較其他部位薄;另一件加工時(shí)間為60 s 時(shí)，工件的加工效果如圖7b 所示，由圖可知，此時(shí)工件毛刺已經(jīng)全部去除，且加工圓角較小，說(shuō)明加工時(shí)間取60 s 較合理，由此可知該工件毛刺厚度最大值為:

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)內(nèi)交叉陣列小孔毛刺去除工藝進(jìn)行了分析研究，建立了小孔去毛刺數(shù)學(xué)模型，得出了各小孔處極間間隙的變化規(guī)律及小孔毛刺厚度與去毛刺所需時(shí)間的相互關(guān)系，并采用陣列電極的加工方法對(duì)陣列小孔毛刺去除進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出的結(jié)果與理論分析相一致，為毛刺去除找出了合理的工藝參數(shù)。建模過(guò)程忽略了各小孔去毛刺時(shí)在同一流場(chǎng)中存在的相互影響關(guān)系，使得建模過(guò)程得到簡(jiǎn)化，但卻降低了準(zhǔn)確度，后續(xù)研究有待進(jìn)一步改進(jìn)。

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