液壓閥內(nèi)交叉孔電解去毛刺試驗研究*

王曙琛 干為民 柳 林 王婉婉

(①常州大學機械工程學院，江蘇 常州 213164；②江蘇省特種加工重點實驗室(常州工學院)，江蘇 常州 213032)

在液壓傳動系統(tǒng)中，液壓閥是不可或缺的重要控制元件之一。其作用主要是調(diào)節(jié)并控制液壓回路中油液的壓力、流量及其流動方向，從而實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的相關(guān)功能[1]。但由于液壓閥內(nèi)部多為孔系結(jié)構(gòu)，因此在加工過程中，會在孔系的相貫線處產(chǎn)生許多大小不一的毛刺。這些毛刺一旦脫落進入液壓回路中，就會對液壓油造成污染，同時也會加劇液壓閥內(nèi)腔的磨損。因此，去除液壓閥內(nèi)交叉孔毛刺對于提升液壓閥加工精度有著重要意義。

電解加工是利用電化學陽極溶解的原理，將工件接脈沖電源正極，工具陰極接電源負極，在加工時通入電解液形成穩(wěn)定流場，從而實現(xiàn)材料去除目的的一種加工工藝。由于電解加工效率高[2]、幾乎無殘余應力且不損傷工具，因此非常適合用于去除內(nèi)交叉孔相貫線處的毛刺。許多研究人員對電解去毛刺工藝展開了研究，并取得了成效。S.Sarkar[3]通過建立數(shù)學模型，開發(fā)出了一套電解去毛刺系統(tǒng)；郭英杰[4]通過流場仿真，確定了電解去毛刺的陰極形狀以及工藝參數(shù)；宮玉林[5]通過對電解加工雙電層理論的分析，優(yōu)化了電解液配方，并完全去除了S型針閥體內(nèi)的毛刺；郭艷玲[6]對汽車循環(huán)球轉(zhuǎn)向器進行了電解去毛刺的試驗研究；權(quán)晨[7]通過CFD分析，設計了電解去毛刺的流場。本文以45#鋼鉆削內(nèi)交叉孔相貫線毛刺為研究對象，設計了一種專用陰極，在分析了電解去毛刺機理的基礎(chǔ)上，通過正交試驗以及單因素試驗優(yōu)化后，加工出了符合要求的工件。

1 試驗原理

電解去內(nèi)交叉孔毛刺試驗的物理模型如圖1所示。電解液由工具陰極內(nèi)部的通液孔以一定壓力流入，最終在加工區(qū)域內(nèi)部形成穩(wěn)定流場。工具陰極接直流脈沖電源負極，陽極工件接正極。由于工具陰極下端設計成十字交叉狀，與相貫線形狀一致，因此在去除毛刺時，陰極凸出部位與毛刺距離較近，電流密度較高，所以電解作用更強。同時，陰極的非加工表面經(jīng)絕緣處理后，加工區(qū)域的雜散腐蝕得到控制，因此加工精度得到提高。隨著加工的不斷進行，毛刺逐漸被溶解，最終在相貫線處形成圓角。

電解去毛刺間隙物理模型如圖2所示。設初始加工間隙為Δ0，毛刺的初始厚度為d。在加工ts后去除的毛刺厚度為ht，此時的加工間隙為Δt，則兩者關(guān)系為：

Δt=Δ0+ht

(1)

對式(1)微分，得：

dΔt=dht=vα·dt

(2)

由于毛刺溶解的過程符合法拉第定律，因此可得毛刺電解加工的溶解速度為：

(3)

式中：vα為陽極毛刺表面法向上電解加工的速度，mm/min；η為電解加工效率，通常η<100%；ω為單位電量溶解的陽極金屬元素的體積電化學當量，mm3；i為電解質(zhì)電流密度，A/mm2；σ為電解質(zhì)電導率，S/m；U為陰陽兩極間由于電解液電阻引起的歐姆電位降。

2 電解去毛刺試驗與結(jié)果分析

為提高毛刺去除的精度，本文擬采用單因素試驗結(jié)合正交試驗優(yōu)化的試驗方案。

2.1 電解去毛刺專用陰極

試驗采用如圖3所示的管狀陰極，其前端為十字交叉狀，與相貫線形狀一致，有利于優(yōu)化去毛刺效果；陰極前端非加工區(qū)域作絕緣處理，減少雜散腐蝕；尾部裝夾于內(nèi)通液刀柄中。陰極內(nèi)部開有通孔，便于電解液流入加工區(qū)域。

2.2 單因素試驗

根據(jù)此前的預試驗以及電解去毛刺的常用參數(shù)，得出了如表1所示的單因素試驗參數(shù)范圍表。通過測量加工過程中電流的變化趨勢，可以揭示不同參數(shù)對于毛刺去除效果的影響規(guī)律，以便于為正交試驗因素水平的確定提供依據(jù)。

表1 單因素試驗參數(shù)區(qū)間表

2.2.1 電壓試驗

分別取加工電壓U為6 V、10 V、14 V、18 V以及22 V進行單因素試驗。其余參數(shù)分別為：加工時間t為60 s、電解液入口壓力P為1 MPa。試驗得出的電流隨電壓變化的曲線圖如圖4所示。

由圖4可知，隨著電壓的升高，加工區(qū)域的電流也在不斷增大，在電壓22 V時電流達到了峰值37 A。電流過高會導致陰極或陽極表面出現(xiàn)燒蝕，這會影響加工精度甚至損壞電極。經(jīng)測量觀察后發(fā)現(xiàn)，電壓為22 V時，工件表面已出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象，其余電壓條件下未發(fā)現(xiàn)。因此，電解去毛刺的電壓范圍應取6～18 V。

2.2.2 電解去毛刺加工時間試驗

取去毛刺加工時間為30 s、90 s、150 s、210 s以及210 s，加工電壓為14 V，電解液入口壓力為1 MPa進行電解去毛刺加工時間的單因素試驗。試驗得出的電流隨加工時間變化的曲線圖如圖5所示。

由圖5可知，隨著加工時間的延長，電流在加工時間由30～90 s逐漸升至峰值27.7 A，隨后電流不斷降低至270 s的13 A。經(jīng)測量后發(fā)現(xiàn)，加工時間為90 s的工件，其內(nèi)部毛刺被完全去除，無過量加工；而加工時間為210 s和270 s的工件，其相貫線形狀已發(fā)生變化。因此，加工時間選擇在30～150 s時，去除效果較理想。

2.2.3 電解液入口壓力試驗

取電解液入口壓力分別為0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa，加工電壓為14 V，加工時間為60 s，進行電解液入口壓力單因素試驗。得出的電流隨壓力的變化曲線如圖6所示。

由圖6可知，隨著電解液入口壓力的增大，電流值有所上升。但在1.5 MPa后，電流值變化幅值減小并趨近于一定值。所以，對于電解去毛刺加工，電解液的入口壓力可選在0.5～1.5 MPa。

通過3種參數(shù)的單因素試驗，將參數(shù)范圍優(yōu)化后，可得出如表2所示的優(yōu)化后單因素參數(shù)區(qū)間表。

表2 優(yōu)化后單因素參數(shù)區(qū)間表

2.3 液壓閥內(nèi)腔十字交叉孔正交試驗

通過單因素試驗，確定了電壓、電解去毛刺加工時間以及電解液入口壓力的參數(shù)范圍后，建立了如表3所示的3因素5水平的內(nèi)交叉孔電解去毛刺正交試驗因素水平表。

表3 內(nèi)交叉孔電解去毛刺正交試驗因素水平表

2.3.1 結(jié)果分析

根據(jù)表3的因素水平，進行了25組電解去毛刺試驗，試驗結(jié)果見表4。正交試驗過程如圖7所示。

由表4可知，3種因素對于毛刺去除量的影響順序為(由大至小)：加工時間>電壓>電解液入口壓力。正交試驗得到的工件孔如圖8所示。

根據(jù)表4，可繪制出如圖9所示的毛刺殘余高度分別與電壓、加工時間以及電解液入口壓力的關(guān)系曲線圖。由圖9可得出:

表4 電解去毛刺正交試驗結(jié)果表

(1)由圖9a可知，隨著工作電壓的升高，毛刺殘高不斷降低，但當電壓由14 V增大至16 V時，毛刺殘高幾乎不變。

(2)由圖9b可知，隨著加工時間的延長，毛刺殘高不斷減少。加工時間過短時，殘高值較大，毛刺去除量無法達到要求；加工時間達到90 s后，對于殘高大小的影響不斷降低。

(3)由圖9c可知，毛刺殘余高度隨電解液入口壓力的增大而不斷減小，但壓力對殘高的影響較小，變化幅度較為平緩。

2.3.2 優(yōu)化試驗

根據(jù)表4中的方差以及極差值，可以得出電解去毛刺的最優(yōu)參數(shù)組為第17組，具體數(shù)值見表5。

表5 電解去毛刺正交試驗優(yōu)化參數(shù)表

采用表5中的優(yōu)化參數(shù)，再對如圖10a所示的毛刺進行加工。加工后的工件如圖10b所示。由顯微鏡觀測得知，采用優(yōu)化參數(shù)加工的液壓閥內(nèi)交叉孔，其毛刺已完全去除，且在相貫線處留下了光滑圓角。經(jīng)三坐標測量機檢測后得出，毛刺殘高為0，工件相貫線尺寸基本與試驗前保持一致。

3 結(jié)語

在分析了液壓閥內(nèi)腔十字交叉孔相貫線電解去毛刺的原理及間隙模型后，得出了電解去毛刺的陽極溶解速度公式。隨后針對45鋼鉆削內(nèi)交叉孔進行了單因素試驗以及正交試驗，并使用優(yōu)化后的參數(shù)加工出了符合要求的工件內(nèi)孔相貫線。試驗得出，在電壓14 V、加工時間60 s、電解液入口壓力為1.4 MPa的條件下，可以將相貫線處的毛刺完全去除，并形成光滑圓角，不會對工件造成損傷。