基于銅基聚氨酯復(fù)合拋光陰極的電解機(jī)械復(fù)合拋光試驗(yàn)研究

王 新，干為民，徐 波，王祥志，陳 陽(yáng)

（1.江蘇省特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（常州工學(xué)院），常州 213032；2.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，常州 213164）

0 引言

YG20模具鋼屬于碳化鎢類(lèi)硬質(zhì)合金，內(nèi)外硬度均勻一致，達(dá)到85HRA，具有良好的沖擊韌性和耐磨性，廣泛應(yīng)用于沖壓模具的制作。模具工業(yè)對(duì)于全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，其技術(shù)水平的高低體現(xiàn)出一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的高低[1]。隨著模具行業(yè)對(duì)硬質(zhì)合金材料需求的增長(zhǎng)，有效的光整加工顯得十分迫切。然而，硬質(zhì)合金耐蝕、高硬卻易脆的性能給其表面的光整加工帶來(lái)很大的困難。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這類(lèi)合金的光整加工，大多還是采用機(jī)械加工的方法,此類(lèi)方法設(shè)備復(fù)雜，效率較低，并且會(huì)影響合金性能。以硬質(zhì)合金刀具的表面處理為例，需經(jīng)過(guò)金鋼砂輪打磨，手工金鋼砂紙打磨，手工細(xì)棉砂打磨的過(guò)程來(lái)加工，此方法不但效率低下，成本高昂，并且最大的缺點(diǎn)是硬質(zhì)合金在反復(fù)打磨之后，其表面和內(nèi)部均容易產(chǎn)生應(yīng)力和裂紋，因而使用壽命縮短，甚至使合金脆裂損壞[2]。電解機(jī)械復(fù)合拋光工藝的技術(shù)研究在20世紀(jì)70年代始于日本，在80年代已經(jīng)成功應(yīng)用于拋光不銹鋼或碳鋼制的零件平面、旋轉(zhuǎn)面，最佳效果可達(dá)到Ra＜0.1μm的鏡面粗糙度[3]。本文基于銅基聚氨酯復(fù)合拋光陰極，采用電解機(jī)械復(fù)合拋光的方法，通過(guò)對(duì)加工電壓、工具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削壓力等工藝參數(shù)的正交試驗(yàn)研究，找到了較優(yōu)化的YG20硬質(zhì)合金電解機(jī)械復(fù)合拋光工藝參數(shù)。

1 電解機(jī)械復(fù)合拋光工藝及原理

電解機(jī)械復(fù)合拋光是一種結(jié)合電解拋光與機(jī)械加工的方法，金屬材料在電化學(xué)作用下溶解，接著利用機(jī)械作用去除陽(yáng)極表面生成的鈍化膜。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需考慮金屬的硬度及耐磨性[4]。以YG20硬質(zhì)合金平面拋光為例，電解機(jī)械復(fù)合拋光試驗(yàn)裝置如圖1所示。YG20長(zhǎng)條狀工件裝夾在電解加工機(jī)床工作臺(tái)上，陰極工具通過(guò)刀柄裝夾在機(jī)床主軸上。陰極工具是由密布銅絲的聚氨酯磨輪加工而成，其剖面如圖2所示。聚氨酯橡膠作為磨削材料起到控制加工間隙和去除鈍化膜的作用。機(jī)床主軸帶動(dòng)陰極旋轉(zhuǎn)并沿加工平面進(jìn)給。加工過(guò)程中，工件連接脈沖電源陽(yáng)極，陰極工具通過(guò)滑環(huán)碳刷架連接電源陰極，一定壓力的電解液硝酸鈉從水管外噴通過(guò)工件與工具間的間隙，硬質(zhì)合金工件表面在電解作用下生成鈍化膜，電化學(xué)溶解作用停止，緊接著磨削材料聚氨酯橡膠以機(jī)械作用去除加工表面微觀高點(diǎn)處的鈍化膜，露出嶄新的金屬基體在電解作用下繼續(xù)溶解，新生成的鈍化膜接著又被刮除，如圖3所示。循環(huán)加工過(guò)程，低處因鈍化膜的保護(hù)不再溶解，原本凹凸的工件表面趨于平整，最終達(dá)到金屬表面光整的目的。

圖1 電解機(jī)械復(fù)合拋光試驗(yàn)裝置

圖2 銅基聚氨酯拋光陰極剖面圖

圖3 電解機(jī)械復(fù)合拋光原理圖

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果

2.1 試驗(yàn)參數(shù)的選定

據(jù)其他資料和單因素試驗(yàn)證實(shí)顯示，本試驗(yàn)選用濃度為10%，溫度為25℃的硝酸鈉溶液作為電解液。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，除了電解液的濃度和溫度，脈沖電源加工電壓、陰極工具轉(zhuǎn)速、加工進(jìn)給速度、磨削壓力對(duì)拋光質(zhì)量也有很大的影響。本文選取加工電壓、工具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和磨削壓力為研究對(duì)象，各取4個(gè)水平（表1），選用L16（44）正交表。

表1 試驗(yàn)參數(shù)選定表

2.2 試驗(yàn)條件及結(jié)果

加工工件：YG20硬質(zhì)合金，初始表面粗糙度值為Ra2.65μm；電解液：主要成分為硝酸鈉的鈍性電解液，濃度10%，溫度25℃；陰極材料：銅；磨削材料：聚氨酯橡膠；檢測(cè)儀器：MarSurf PS1粗糙度儀。

為了避免重復(fù)裝夾，工件為長(zhǎng)條狀，并且其表面粗糙度值均一致。試驗(yàn)前先將工件表面進(jìn)行區(qū)域劃分并編號(hào)，以對(duì)應(yīng)不同的工藝參數(shù)組合。每次試驗(yàn)后，修改數(shù)控程序坐標(biāo)，將加工區(qū)域調(diào)整至下一試驗(yàn)區(qū)域。通過(guò)正交試驗(yàn)，測(cè)得工件表面粗糙度Ra與脈沖電源加工電壓U、陰極工具轉(zhuǎn)速n、加工進(jìn)給速度v、磨削壓力P的關(guān)系如圖4所示。

圖4 各因素與表面粗糙度的關(guān)系曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 各因素極差分析（表2）

表2 各因素極差值表

比較表2中極差值的大小，得各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響的主次為：加工電壓＞陰極工具轉(zhuǎn)速＞磨削壓力＞加工進(jìn)給速度。結(jié)合圖3可見(jiàn)，4個(gè)因素對(duì)粗糙度的影響有一定規(guī)律可尋。

2.3.2 結(jié)果分析

1）在確定條件下，電解機(jī)械復(fù)合拋光存在最佳范圍的加工電流密度。電流密度過(guò)小，電化學(xué)作用弱，鈍化膜生成不佳，磨料作用小并且損耗較大；電流密度過(guò)大，工件表面形成電解腐蝕效應(yīng)，機(jī)械磨削起不到光整作用，加工電壓一般在6～18V之間。電壓過(guò)低時(shí)，電解反應(yīng)速度慢，鈍化膜生成速度較低；電壓過(guò)高時(shí)，易出現(xiàn)加工質(zhì)量不穩(wěn)的狀況。從圖4(a)可見(jiàn)，工件表面粗糙度先是隨著加工電壓增大逐漸減小，并在加工電壓達(dá)到12V時(shí)達(dá)到最小，接著又有所上升，這與理論分析一致。在加工間隙恒定時(shí)，電流密度隨著電壓的升高而增大，電化學(xué)作用增強(qiáng)，但當(dāng)電流密度過(guò)大時(shí)，拋光表面質(zhì)量不好控制，甚至出現(xiàn)點(diǎn)蝕；當(dāng)電壓較低時(shí)，電化學(xué)作用較弱，鈍化膜生成效果不佳，同樣影響工件表面質(zhì)量，圖5為加工電壓過(guò)低和過(guò)高時(shí)工件加工表面放大圖（69倍）。因此，選擇合適的加工電壓對(duì)拋光效率和加工表面質(zhì)量至關(guān)重要。

圖5 加工電壓過(guò)低和過(guò)高時(shí)工件表面放大圖

2）工具轉(zhuǎn)速直接影響磨料機(jī)械作用效率；同時(shí)它與進(jìn)給速度的配合又影響拋光運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)果影響拋光表面粗糙度。一般規(guī)律是工具轉(zhuǎn)速越高，而進(jìn)給速度越低，則有利于降低表面粗糙度，同時(shí)拋光效率保持較高水平。提高工具轉(zhuǎn)速后，工件去膜、鈍化的頻率升高，從而能實(shí)現(xiàn)快速整平。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，過(guò)高的工具轉(zhuǎn)速影響拋光電流，則電解作用減弱。結(jié)合圖4(b)和圖4(c)分析可得，工具轉(zhuǎn)速取2100r/min配合進(jìn)給速度15mm/min較為合適。

3）由圖4(d)可知，隨著磨削壓力的增大，工件表面粗糙度先是逐漸降低，并當(dāng)磨削壓力達(dá)到220kPa時(shí)達(dá)到最小，接著又有所增加。鈍化膜的生成與機(jī)械去膜作用的相互匹配是電解機(jī)械復(fù)合拋光工藝的關(guān)鍵，當(dāng)磨削壓力過(guò)小時(shí)，電解作用大于機(jī)械作用，鈍化膜去除不及時(shí)，拋光效率低；隨著磨削壓力增大，兩者作用趨于平衡，當(dāng)?shù)竭_(dá)匹配值時(shí)，工件表面拋光效果最佳。若進(jìn)一步增大磨削壓力，則機(jī)械作用過(guò)強(qiáng)，鈍化膜生成不及時(shí)，同樣影響拋光質(zhì)量。

4）研究表明，YG20硬質(zhì)合金優(yōu)化的電解機(jī)械復(fù)合拋光參數(shù)為：加工電壓取12V，工具轉(zhuǎn)速取2100r/min，進(jìn)給速度取15mm/min，磨削壓力取220kPa。采用上述優(yōu)化工藝參數(shù)連續(xù)加工四次，工件表面粗糙度從Ra2.65μm減小到Ra0.16μm，其微觀表面和三維形貌如圖6和圖7所示。

圖6 優(yōu)化工藝參數(shù)拋光表面放大圖

圖7 優(yōu)化參數(shù)拋光表面三維形貌

3 結(jié)論

1）在電解加工機(jī)床上，運(yùn)用銅基聚氨酯復(fù)合拋光陰極，通過(guò)對(duì)加工電壓、陰極工具轉(zhuǎn)速、加工進(jìn)給速度、磨削壓力等參數(shù)的正交試驗(yàn)研究，找到了YG20硬質(zhì)合金優(yōu)化的復(fù)合拋光工藝參數(shù)。試驗(yàn)表明：通過(guò)四次復(fù)合拋光，能將YG20硬質(zhì)合金表面粗糙度從Ra2.65μm減小到Ra0.16μm左右。

2）電解機(jī)械復(fù)合拋光工藝的關(guān)鍵是電解成膜與機(jī)械去膜作用之間的配合，即磨料剛好刮除微觀高點(diǎn)處電解生成的鈍化膜。增強(qiáng)電解作用的主要方式是加大電壓，減小加工間隙，增強(qiáng)機(jī)械作用則通過(guò)增加磨削壓力，提高工具轉(zhuǎn)速等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3）銅基聚氨酯復(fù)合拋光輪的壽命長(zhǎng)且磨削壓力可調(diào)，是一種可用于工業(yè)化電解機(jī)械復(fù)合拋光的陰極工具。

4）電解機(jī)械復(fù)合拋光加工具有經(jīng)濟(jì)高效、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。本試驗(yàn)只是對(duì)YG20硬質(zhì)合金簡(jiǎn)單平面進(jìn)行的拋光試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)陰極工具的進(jìn)一步設(shè)計(jì)，為其復(fù)雜型面模具的快速光整加工提供了一種新的方法。