電化學機械精準光整加工技術研究

龐桂兵　徐文驥　周錦進

1.大連工業(yè)大學，大連，116034　　　2.大連理工大學，大連，116024

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電化學機械精準光整加工技術研究

龐桂兵1徐文驥2周錦進2

1.大連工業(yè)大學，大連，1160342.大連理工大學，大連，116024

介紹了該研究組近年來在電化學機械精準光整加工技術研究方面的工作進展情況，包括：光整過程中同時完成形狀成形的光整與成形復合加工技術；同時改善零件精密度和表面形貌的跨尺度精確成形加工技術；保證精密度條件下改善表面形貌的自由曲面零件手持式工具光整加工技術。研究工作表明：通過合理優(yōu)化電化學機械加工工藝系統(tǒng)結構和參數(shù)，對于齒輪、軸承等規(guī)則表面零件，可以實現(xiàn)同時改善零件精度和表面幾何形貌；對于非規(guī)則表面零件，可以在保證零件精密度條件下改善零件表面幾何形貌。

電化學加工；電化學機械加工；光整加工；精密加工

0　引言

現(xiàn)代工業(yè)許多零部件都要求具有高表面質量和高成形精度[1-2]。如人造衛(wèi)星的真空無潤滑軸承，其孔和軸的表面粗糙度值要求達到1nm；齒輪、軸承等重要基礎件的摩擦表面質量提高后，可大幅改善其使用性能和延長使用壽命；重載精密滾子軸承滾道或滾子通常要求帶有精確的對數(shù)曲線凸度，高速重載齒輪齒形和齒向通常要求精密修形，以提高承載能力，降低運轉噪聲。對零件進行精加工和光整加工是提高零件精度和表面質量的重要手段[3]。在傳統(tǒng)生產實踐中，精加工和光整加工往往分開進行，單獨構成工藝體系，通常是精加工完成成形，光整加工提高表面質量。因而光整加工的主要目的在于改善零件表面質量，精加工的主要目的則是提高零件精度，表面質量只是其附屬要求。隨著科技的發(fā)展和加工技術在理論和實驗研究方面的深化，同時提高表面精密度和改善表面粗糙度的精準光整加工技術逐漸受到重視，精準光整加工能減少加工工序，提高生產效率和降低生產成本，光整和精密加工技術的內涵也得到了豐富和發(fā)展[4]。

電化學機械復合加工在同一加工過程中復合了機械作用和電化學作用，在改善機械零件表面質量方面具有效率和加工質量的獨特優(yōu)勢。由于電化學和機械作用對精密度均會產生影響，因而較之于單純的機械光整加工方式，可調控的工藝參數(shù)較多，具有提高零部件精密度的有利因素。近年來，本研究組著眼于同時提高零件精密度和表面質量，針對不同類型零部件，研究了電化學機械精準光整加工技術。

1　面向軸承等回轉件的精準光整加工技術

1.1非均勻電場作用實現(xiàn)軸承套圈光整與成形復合加工

圖1所示為非均勻電場作用實現(xiàn)軸承套圈光整與成形復合加工的原理，通過將陰極上與零件相對應部分加工成為不同形狀，形成非均勻極間間隙從而形成非均勻電場，非均勻電場導致軸承套圈截面不同部位的去除量有差異，使軸承套圈滾道形成不同的截面形狀。

(a)加工原理　　　　　　　 (b) 成形原理1.砂帶　2.砂帶預壓裝置　3.電解液槽　4.電解液管路5.軸承套圈　6.陰極　7.電源　8.泵圖1　非均勻電場作用電化學機械加工實現(xiàn)軸承套圈光整與成形復合加工原理

滾道凸度通常在5～10μm之間(有時小于3μm)，利用非均勻電場作用實現(xiàn)軸承套圈光整與成形復合加工，主要技術難點在于有效控制非均勻電場分布進而實現(xiàn)凸度的準確控制，這需要合理設計陰極形狀和施加電參數(shù)。陰極設計有多種方法，其中有限元法可以對電場強度分布進行較精確的分析，為電極設計和電參數(shù)配置提供指導。圖2所示為本研究組采用ANSYS分析設計的陰極形狀[5-6]。

圖2　有限元法設計的工具陰極形狀

采用電化學砂帶光整與成形復合加工軸承套圈獲得凸度的試驗結果示于圖3。可以看出，加工時間和電流密度與軸承滾道的凸度值近似成正比，加工間隙則與凸度近似成反比。圖4是軸承套圈電化學光整與修形復合加工前后表面對比照片，圖5所示為加工前后的表面微觀輪廓。經過加工，表面光澤性能顯著提高，表面粗糙度大幅減小[6]。

(a)電流密度對凸度的影響

(b)加工時間對凸度的影響

(c)最小間隙對凸度的影響圖3　試驗參數(shù)對滾道凸度的影響

(a)加工前　　　　　　　　(b)加工后圖4　軸承套圈電化學砂帶光整與修形復合加工前后表面

Ra=0.588 μm,Rz=4.80 μmRa=0.034 μm,Rz=0.275 μm(a)加工前　　　　　　　　(b)加工后圖5　軸承套圈電化學砂帶光整與修型復合加工前后微觀輪廓

1.2懸浮陰極電化學機械軸承滾道跨尺度精確成形加工

懸浮陰極電化學機械加工實現(xiàn)軸承滾道跨尺度精確成形加工，是通過電解液壓力將陰極懸浮于陽極工件表面，實現(xiàn)陰極對陽極表面的實時隨動，達到小間隙條件下加工間隙的自適應調整，這可以阻斷陰極定位誤差向工件的傳遞，同時能實現(xiàn)小間隙條件下的穩(wěn)定加工，從而有利于精度、波紋度、表面粗糙度同時改善的跨尺度精確成形。圖6所示為回轉件懸浮陰極電化學光整加工原理及裝置，陰極采用直線導軌固定，極間電解液支撐陰極相對工件懸浮。懸浮陰極條件下，電化學加工的條件與陰極剛性固定時具有的差別主要表現(xiàn)在流場和電場會影響加工間隙。

(a)原理圖　　　　　 (b)實物圖圖6　回轉件懸浮陰極電化學加工原理

圖7　懸浮陰極電化學機械加工軸承環(huán)效果

(a)加工前(Ra=0.269 μm)

(b)加工后(Ra=0.136 μm)圖8　軸承套圈懸浮陰極電化學機械加工前后的微觀輪廓

對精密磨削后軸承環(huán)進行加工試驗獲得了良好的加工效果，如圖7所示。試驗結果表明，懸浮陰極條件下電化學機械加工軸承環(huán)可使表面質量和加工精度獲得顯著提高，對于原始圓度誤差較大的試件，也顯示出較強的誤差糾正能力，如圖8、圖9所示。小批量(8件)條件下獲得的試驗結果表明，加工后與加工前相比表面輪廓參數(shù)Ra值降低了42.5%，表面輪廓參數(shù)Ry值降低了33.5%，表面輪廓參數(shù)Rz值降低了38.0%，表面圓度誤差值降低了23.8%[7-8]。本研究組正在實施優(yōu)化條件下的進一步試驗。

(a)加工前

(b)加工后圖9　軸承套圈懸浮陰極電化學機械加工前后的圓度輪廓

2　圓柱齒輪非均勻機械作用電化學機械光整與修形復合加工

非均勻機械作用圓柱齒輪光整與修形復合加工的原理示于圖10，采用一個齒形變“瘦”的齒輪作為陰極實施電化學作用，與工件齒輪相嚙合的磨輪進行機械作用，磨輪沿工件齒輪的軸向運動為變速運動，即在工件齒輪端部，運動速度變慢以增強機械作用，從而達到增大端部去除量的效果，實現(xiàn)光整過程中同時完成齒向修形的目的。

在優(yōu)化的工藝條件下進行的加工試驗結果示于圖11～圖13。如圖12所示，齒面粗糙度Rz值從6.76μm降至1.396μm，Ra值從1.06μm降至0.15μm。需要說明的是，就工藝本身而言能得到的齒面粗糙度值要遠小于這一值，從齒面輪廓圖可見，被測齒面存在比較深的局部低凹點，試驗中觀測發(fā)現(xiàn)，這是原始齒面上被掩蓋的溝壑經過光整又重新暴露，去掉這些溝壑需要增加加工時間，考慮到生產效率，控制了加工時間，如果剔除這些局部點的影響，則意味著可在短時間內，能使齒面粗糙度Rz值小于1μm，Ra值可接近或小于0.1μm。如圖13所示，齒形精度得以保證，齒面形貌特征得以改善，同時，齒向形成3～10μm的中凸形狀[9-10]。

圖11　加工前后的齒輪實物

(a)加工前(Rz=6.76 μm，Ra=1.06 μm)

(b)加工后(Rz=1.396 μm，Ra=0.15 μm)圖12　加工前后的齒面粗糙度

(a)加工前齒面齒貌　　　(b) 加工后齒面齒貌

(c)加工前齒廓　　　　　　　(d) 加工后齒廓

(e)加工前齒向　　　　　　　 (f) 加工后齒向圖13　非均勻機械作用電化學機械加工前后的齒面齒貌、齒廓及齒向

3　不規(guī)則表面零件電化學機械精準光整加工

不規(guī)則表面在機械零件中大量存在。電化學機械加工不規(guī)則表面時，流場和電場的均勻性是影響精密度的主要因素，流場和電場主要受陰極工具影響。不規(guī)則表面形狀變化多，為此提出電化學機械組合工具方法，并依此方法建立陰極工具庫。在多數(shù)情況下，機械零件上的不規(guī)則表面可分解為幾種規(guī)則表面的組合，這些規(guī)則表面的工具設計又表現(xiàn)出共性。在設計電化學機械加工工具時，以圓形、三角形和矩形為基本工具形狀，在其基礎上進行截面變種和軸向變種，構成不規(guī)則表面的手持式電化學機械光整加工工具庫。通過陰極工具組合，實現(xiàn)大多數(shù)不規(guī)則表面加工。這一思想的好處是加工表面的規(guī)則化使得工具設計規(guī)則化，簡化了工具形狀和結構，降低了工具制造難度。圖14所示為陰極工具的基本結構，工具庫構成如圖15所示，圖16所示為部分常用形狀的工具實物。

圖14　陰極工具基本結構

圖15　手持式電化學機械光整加工工具庫

圖16　手持式電化學機械光整加工工具實物

將不規(guī)則表面電化學機械光整加工分解為圖17所示的加工步驟，依據(jù)此步驟完成不規(guī)則表面的光整加工。不規(guī)則表面分解為相對規(guī)則的表面后，電化學加工的流場和電場的均勻性和穩(wěn)定性都會提高。采用直徑為120mm、材料為GCr15的平面圓盤試件模擬研究了手持式電化學機械光整加工對粗糙度和精密度的影響，結果如圖18所示。結果顯示，表面粗糙度Ra值從0.8μm降至0.024μm時，去除量平均值約為0.015mm，最小去除量為0.012mm，最大去除量為0.02mm，去除量在0.012～0.02mm之間波動，說明在該試驗條件下，手持式工具電化學機械加工去除量的不均勻性不超過8μm，即對平面度可能造成的影響不超過8μm。

圖17　不規(guī)則表面電化學機械光整加工步驟

(a)加工前后測點處的測量值

(b)加工前后測點處的測量值差圖18　精度試驗結果

表1所示為對帶外圓弧平面、內曲面和窄槽面采用電化學機械光整加工時，不規(guī)則表面的分解方法和采用所設計的手持式工具加工獲得的試驗結果[11]。

表1　典型零件加工

4　結語

電化學機械加工具有同時減小零件表面粗糙度和提高表面精密度的精準光整加工能力和潛力，通過電化學機械加工軸承滾道，可實現(xiàn)軸承滾道光整與凸度成形復合加工；通過懸浮陰極電化學機械加工軸承滾道，可實現(xiàn)軸承滾道小間隙條件下的穩(wěn)定加工，有利于實現(xiàn)粗糙度和精密度同時改善的跨尺度精確成形；通過機械作用在圓柱齒輪軸向的非均勻作用，可增大齒輪齒端去除量，實現(xiàn)齒面光整過程中齒向修形；通過合理設計陰極結構，針對不規(guī)則表面，采用手持式工具，可實現(xiàn)在保證精密度條件下試件表面粗糙度的大幅改善。

電化學機械復合加工由于具有可調整電化學作用和機械作用兩個方面工藝參數(shù)的優(yōu)勢，具有實現(xiàn)精準光整加工的有利因素。目前，研究組正在開展以下工作：①面向不同材料的電化學機械精準光整加工；②將手持工具式電化學機械光整加工與數(shù)控技術相結合，形成面向自由曲面的數(shù)控式電化學機械復合精準光整加工技術；③面向齒輪、軸承等重要機械基礎零部件，形成電化學機械復合精準光整加工專用技術裝備。

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(編輯王艷麗)

Study on Electrochemical Mechanical Precision Finishing Technology

Pang Guibing1Xu Wenji2Zhou Jinjin2

1.Dalian Polytechnic University，Dalian,Liaoning,116034 2.Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning,116024

This paper summarized the research work progresses of authors in recent years, included: the combined machining technology where the shaping and finishing were realized in one process, the cross scale precision forming technology where the precision and roughness of parts might be improved at the same time and hand-held tool finishing technology for free curved surface parts by which the surface topography might be improved under the conditions of ensurence of the precision of parts. The study results indicate that, by optimizing the process system structure and parameters of electrochemical mechanical machining, the accuracy and surface topography may be improved for those parts with regular surface like gears and bearings etc, and surface topography may be improved on conditions that the precision is guaranteed for those parts with irregular surfaces.

electrochemical machining; electrochemical mechanical machining; finishing; precision machining

2015-11-04

國家自然科學基金資助項目(51275062)；遼寧省自然科學基金資助項目(2014026005)；遼寧省百千萬人才工程資助項目(201569)

TG66

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.19.006

龐桂兵，男，1975年生。大連工業(yè)大學機械工程與自動化學院教授。研究方向為非傳統(tǒng)加工、精密加工、模具技術。徐文驥，男，1964年生。大連理工大學機械工程學院教授、博士研究生導師。周錦進，男，1936年生。大連理工大學機械工程學院教授、博士研究生導師。