304不銹鋼側(cè)面電解機(jī)械復(fù)合拋光的試驗研究

馮垠潔，李湘生，馬再權(quán)

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

進(jìn)入21世紀(jì)，伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對機(jī)械制造水平提出了更高的要求，特別是一些石化設(shè)備的不銹鋼表面往往要求具有良好的耐磨損、耐腐蝕、低黏附性和極低的表面粗糙度，為此需要一種更佳的加工方法來滿足不銹鋼件表面使用性能的要求[1].304不銹鋼是不銹鋼中常見的一種材質(zhì)，密度為7.93 g/cm3，業(yè)內(nèi)還稱其為18/8不銹鋼.它耐800 ℃的高溫，具有加工性能好、韌性高的特點.但采用傳統(tǒng)機(jī)械拋光加工時，加工效率低，表面質(zhì)量不易控制，不可控因素多，難以獲得理想的拋光效果[2].電解機(jī)械復(fù)合拋光工藝是一種將電化學(xué)電解加工與機(jī)械研磨加工相結(jié)合的加工方法.采用該工藝加工難加工材料時，電解蝕除效率高，若結(jié)合機(jī)械研磨，則加工面可達(dá)到光澤化效果[3-4].相比于單純電解加工，電解機(jī)械復(fù)合拋光加工作為一種新型加工工藝，獲得的工件表面粗糙度更低、加工精度更高；相比于普通機(jī)械拋光，該工藝的生產(chǎn)效率大大提升，而且工件表面在加工后因應(yīng)力被去除而得到強(qiáng)化.因此，電解機(jī)械復(fù)合拋光在光整加工領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用[5-6].

我國于20世紀(jì)80年代將電解拋光技術(shù)運用于化工容器的型腔加工和大型軋輥的表面處理，并不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍.哈電集團(tuán)重型裝備有限公司的王楠等采用涂刷式電解拋光技術(shù)對核電用鎳基合金材料進(jìn)行加工，制造的零部件滿足了大型核電裝置的要求[7].富士康科技集團(tuán)富頂精密組件有限公司的楊希明等對超薄不銹鋼基材進(jìn)行連續(xù)電解拋光，提高了拋光效率，加工面達(dá)到了質(zhì)量要求[8].采用電解加工與機(jī)械研磨加工相結(jié)合的方法，的確可以提高加工效率，降低工件的表面粗糙度，但是目前對電解機(jī)械復(fù)合拋光加工的最佳工藝參數(shù)以及實際生產(chǎn)中分階段加工工藝的研究比較少.因此，本文在搭建電解機(jī)械復(fù)合拋光試驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對304不銹鋼工件側(cè)面進(jìn)行一系列電解機(jī)械復(fù)合加工試驗，以探究電解機(jī)械復(fù)合拋光加工的最佳工藝參數(shù)和實際生產(chǎn)的分階段加工工藝.

1 電解機(jī)械復(fù)合拋光加工試驗系統(tǒng)

電解機(jī)械復(fù)合拋光加工試驗系統(tǒng)由機(jī)床主體及其附屬機(jī)構(gòu)、脈沖電源、控制系統(tǒng)及電解液過濾循環(huán)系統(tǒng)組成(圖1).

圖1 復(fù)合拋光加工試驗系統(tǒng)示意圖

2 復(fù)合電極與噴液裝置

2.1 復(fù)合電極

本文采用電解液正向流動的沖液方式，將電極設(shè)計成中空管狀結(jié)構(gòu)(圖2).電解液從電極中部中心孔流入，從電極下端沿電極圓周設(shè)置的小孔流出，進(jìn)入加工間隙.

圖2 電極設(shè)計圖

本文在電極表面增設(shè)拋光材料，使得加工過程既有電解蝕除作用又有機(jī)械研磨作用，將工業(yè)百潔布與加工好的不銹鋼電極相復(fù)合，利用尼龍扎帶進(jìn)行固定，制成復(fù)合電極.

2.2 噴液裝置

噴液裝置與電極之間采用骨架油封進(jìn)行密封.該骨架油封為內(nèi)包骨架雙唇旋轉(zhuǎn)式，由三部分組成:油封體(含刃口)、加強(qiáng)骨架和自緊螺旋彈簧(圖3).骨架油封自由狀態(tài)的內(nèi)徑比旋轉(zhuǎn)軸的軸徑稍小，即具有一定的過盈量.它被裝到旋轉(zhuǎn)軸上后，在油封刃口壓力及自緊螺旋彈簧收縮力的雙重作用下，對軸產(chǎn)生一定的徑向壓力，從而達(dá)到最佳的密封效果.

圖3 骨架油封的構(gòu)造

將噴液裝置與復(fù)合電極裝配好(圖4).加工過程中，電解液從噴液罩側(cè)面的孔流到噴液罩內(nèi)部，通過中空電極上端的孔流入電極中心.在電極旋轉(zhuǎn)過程中，由骨架油封保證電解液不會泄露.電解液從電極下端圓周上的小孔流出，經(jīng)過百潔布而充滿加工間隙.

(a) 裝配結(jié)構(gòu) (b) 實物照片圖4 噴液裝置與復(fù)合電極裝配結(jié)構(gòu)及實物圖

3 復(fù)合加工正交試驗

本文采用機(jī)械電解復(fù)合工藝對304不銹鋼側(cè)面進(jìn)行加工，以加工后工件表面的粗糙度作為拋光效果的主要衡量指標(biāo).在電解機(jī)械復(fù)合拋光過程中，影響拋光質(zhì)量的因素眾多，比如電解液成分及配比、加工電壓、極間隙、電極轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、復(fù)合電極磨料的粒度、電解液的流量和溫度等.各因素對拋光質(zhì)量的影響程度不一，不同參數(shù)之間還可能存在交互作用而共同影響拋光質(zhì)量.為了研究復(fù)合拋光的工藝規(guī)律，找出不銹鋼側(cè)面復(fù)合拋光的最佳工藝參數(shù)組合，以及各加工參數(shù)對工件表面粗糙度的影響規(guī)律，本文設(shè)計了一系列正交試驗.

3.1 試驗條件

在電解機(jī)械復(fù)合拋光試驗過程中，將一些參數(shù)設(shè)定為恒定不變的量(表1)，其他參數(shù)作為變量，研究各變量對拋光質(zhì)量的影響.

在被加工表面選取5個測量點，以5個測量值的平均值作為測量結(jié)果.同時，為了提高效率，拋光過程中只進(jìn)行一次循環(huán)走刀(去程和回程).

表1 復(fù)合拋光試驗材料及條件

3.2 正交試驗結(jié)果

選取加工電壓、進(jìn)給速度、電極轉(zhuǎn)速及電解液(沖液)流量4個因素，每個因素選定4個水平進(jìn)行正交試驗.正交試驗結(jié)果如表2所示.

表2 正交試驗結(jié)果

3.3 試驗結(jié)果分析

通過正交試驗結(jié)果的極差值分析可知，加工電壓和進(jìn)給速度對復(fù)合拋光后不銹鋼工件表面粗糙度的影響較大，電解液流量和電極轉(zhuǎn)速的影響較小.

單從加工電壓角度看，不銹鋼工件表面的粗糙度隨著加工電壓的增大而逐漸增大.這與理論上復(fù)合拋光加工中加工電壓與工件表面粗糙度的關(guān)系相吻合.第1組和第3組試驗的粗糙度相對較低，而且是在加工電壓為1水平時出現(xiàn)的.

對正交試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析可知，加工參數(shù)的最佳組合如下：加工電壓為12 V，進(jìn)給速度為10 mm/min，電極轉(zhuǎn)速為140 r/min，電解液流量為0.4 L/min.以該組加工參數(shù)在相同加工條件下對不銹鋼側(cè)面進(jìn)行一次循環(huán)復(fù)合拋光走刀后，測得工件的表面粗糙度平均值為0.57 μm，略優(yōu)于表2中第1組參數(shù)組合的加工結(jié)果.比較發(fā)現(xiàn)，這兩組加工參數(shù)中唯有電極轉(zhuǎn)速不同，第1組參數(shù)中電極轉(zhuǎn)速為100 r/min，而最佳參數(shù)組合中電極轉(zhuǎn)速為140 r/min.由此可見，電極轉(zhuǎn)速對復(fù)合拋光后工件表面粗糙度也有一定影響.

4 分階段復(fù)合拋光

對不銹鋼的復(fù)合拋光很難一次加工就能獲得理想的拋光效果，因此可分階段進(jìn)行拋光，即經(jīng)過粗拋、半精拋、精拋的加工工藝流程來滿足拋光質(zhì)量要求.由正交試驗可知，加工電壓為影響不銹鋼復(fù)合拋光后工件表面粗糙度的首要因素，其次為電極的進(jìn)給速度.因此，粗加工時加工電壓可稍大些，以便快速去除工件表面多余的材料，提高加工效率；精加工時可選用小電壓，以保證工件表面的拋光質(zhì)量.綜合考慮各加工參數(shù)對不銹鋼表面拋光效果的影響，從正交試驗表中選出合適的加工參數(shù)組合，在加工過程中分別按粗拋、半精拋、精拋的工藝流程對不銹鋼側(cè)面分階段復(fù)合拋光，以期獲得理想的拋光效果.

4.1 工藝參數(shù)選擇

根據(jù)正交試驗的結(jié)果，以加工電壓14 V、進(jìn)給速度10 mm/min、電極轉(zhuǎn)速120 r/min、電解液流量1.1 L/min的參數(shù)組合進(jìn)行粗加工，以加工電壓12 V、進(jìn)給速度10 mm/min、電極轉(zhuǎn)速140 r/min、電解液流量0.4 L/min的參數(shù)組合進(jìn)行半精加工和精加工.粗拋和半精拋用的百潔布為200#，精拋用的百潔布為500#.

4.2 加工結(jié)果分析

不銹鋼側(cè)面的原始粗糙度為2.76 μm，經(jīng)過粗加工、2次半精加工及3次精加工，工件表面粗糙度降到0.17 μm，達(dá)到了拋光效果.分階段復(fù)合拋光后工件表面的粗糙度變化如圖5所示.

圖5 分階段復(fù)合拋光后工件表面粗糙度變化曲線

采用這種先粗加工后精加工的加工方式，不僅可以提高加工效率，而且能夠充分利用拋光材料的拋光特性.粗加工時采用低粒度磨料，既提高了加工效率，又降低了拋光材料的磨損度，使電解作用與機(jī)械研磨作用良好結(jié)合，充分發(fā)揮了二者的加工優(yōu)勢；精加工時，電解作用較弱，機(jī)械研磨起主導(dǎo)作用，再結(jié)合目數(shù)較高的磨料，可將工件表面粗糙度降到很低，達(dá)到較好的拋光效果.經(jīng)過多次拋光，工件表面粗糙度降到了0.17 μm.拋光前及拋光后不銹鋼側(cè)面對比如圖6所示.

(a)拋光前 (b)拋光后圖6 不銹鋼側(cè)面復(fù)合拋光前后對比圖

5 結(jié) 論

本文采用電解機(jī)械復(fù)合加工方式對拋光面積為44 mm×20 mm的304不銹鋼工件側(cè)面進(jìn)行拋光試驗，得出以下結(jié)論：

(1) 通過機(jī)械研磨作用刮除電解過程中生成的鈍化膜，工件表面粗糙度進(jìn)一步降低，取得了較好的拋光效果.噴液裝置與復(fù)合電極裝配為一體，可用于不銹鋼側(cè)面的電解機(jī)械復(fù)合拋光加工.

(2) 電解機(jī)械復(fù)合拋光加工的最佳工藝參數(shù)組合為：加工電壓12 V、進(jìn)給速度10 mm/min、電極轉(zhuǎn)速140 r/min、沖液流量0.4 L/min.分階段復(fù)合拋光加工使工件表面由原始粗糙度2.76 μm降到了0.17 μm，在保證拋光質(zhì)量的同時提高了拋光效率.這驗證了分階段復(fù)合拋光工藝的可行性.

(3) 采用電解機(jī)械復(fù)合加工的不銹鋼側(cè)面粗糙度存在差異，在電極轉(zhuǎn)速逐漸增大且接近最高轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)主軸頭部分發(fā)生震動，進(jìn)而影響工件的拋光質(zhì)量，為此需要對電解機(jī)械復(fù)合加工設(shè)備做進(jìn)一步改進(jìn).