基于NaCl溶液的電解拋光工藝參數(shù)研究

摘 要：針對(duì)地震儀器中存在的一些形狀特殊的銅質(zhì)零部件，本文提出以NaCl溶液作為電解液，通過(guò)正交試驗(yàn)的方式確定銅片電解拋光工藝的最佳溫度、電解液流速和電解液濃度，并研究了通電時(shí)間對(duì)拋光效果的影響。結(jié)果表明，隨著通電時(shí)間增加，銅片表面粗糙度先減小后增大。當(dāng)溫度為60℃、電解液濃度為50%、電解液流速為800mL/min、電流密度為50A/dm2、通電100s時(shí)，銅片表面粗糙度最低，為0.175μm。

關(guān)鍵詞：NaCl溶液；銅片；電解拋光；表面粗糙度

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 175" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在地震儀器中存在一些通過(guò)線(xiàn)切割加工的特殊形狀的銅材質(zhì)工件，由于其體積小、形狀特殊，因此導(dǎo)致拋光難度大，例如二維垂直擺傾斜儀中的二維連接簧片，二維連接簧片是通過(guò)線(xiàn)切割的方式加工出來(lái)的，然而目前常用的線(xiàn)切割的加工方式難以達(dá)到所要求的厚度以及表面粗糙度，因此在機(jī)加工完成后還需要對(duì)工件進(jìn)行精細(xì)加工，即拋光處理。

針對(duì)機(jī)加工零件的拋光處理，目前主流的拋光方式主要有機(jī)械拋光、化學(xué)拋光以及電解拋光等[1]。對(duì)比機(jī)械拋光，電解拋光后的零部件無(wú)應(yīng)力殘余，且針對(duì)體積小、形狀特殊的工件，電解拋光能降低成本[2]。對(duì)比化學(xué)拋光，電解拋光同樣存在電解液廢液處理的問(wèn)題，目前電解拋光液通常以硫酸-磷酸電解液體系為主，使用硫酸-磷酸電解液的優(yōu)勢(shì)在于能縮短電解時(shí)間[3]，由于本文所針對(duì)的待拋光零件體積小、數(shù)量少且對(duì)電解加工的時(shí)間要求不高，因此可以選擇中性的氯化鈉溶液作為電解液，從而避免廢液處理的問(wèn)題。

1 電解拋光試驗(yàn)裝置的搭建

電解拋光又被稱(chēng)為電化學(xué)加工，是以被拋光工件為陽(yáng)極[4]，惰性金屬為陰極，陰陽(yáng)兩極同時(shí)浸入電解液中，通過(guò)直流電源施加直流電使陽(yáng)極表面溶解，增加表面光亮度[5]，達(dá)到粗糙度降低的目的，而通過(guò)控制電解拋光過(guò)程中的不同工藝參數(shù)往往能影響最終的拋光效果[6]。探究電解拋光過(guò)程中不同工藝參數(shù)對(duì)拋光效果影響的研究有很多，并取得了一定成果[7-10]。但有關(guān)以NaCl溶液作為電解液的電解拋光技術(shù)研究較少。本文選用NaCl溶液作為電解液，搭建電解實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)試驗(yàn)探究時(shí)間、溫度、電解液流速、電流密度、電解液濃度等不同工藝參數(shù)對(duì)銅片拋光效果的影響，以獲得合適的電解拋光工藝參數(shù)。

電解拋光試驗(yàn)裝置主要包括直流電源、工件陽(yáng)極、電解液、工具陰極、電解池、溫度計(jì)、計(jì)時(shí)器、溫控加熱板以及水泵，如圖1所示。以待拋光的表面粗糙度Ra為0.5μm、長(zhǎng)10mm、寬10mm、厚1mm的銅片為電極陽(yáng)極，長(zhǎng)20mm、寬20mm、厚1mm的鉛板為陰極，采用特安斯TDA155可調(diào)直流穩(wěn)壓電源作為直流電源，采用中性的NaCl溶液作為電解液，采用堀揚(yáng)TR200表面粗糙度儀對(duì)拋光后銅片表面的粗糙度進(jìn)行測(cè)量，同一試驗(yàn)品每次用粗糙度儀測(cè)量3個(gè)點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位測(cè)5次，測(cè)量結(jié)果保留誤差范圍在10%以?xún)?nèi)的數(shù)值，最后取平均值作為最終測(cè)量的粗糙度值。

2 工藝參數(shù)的正交優(yōu)化以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

2.1 正交試驗(yàn)介紹

正交試驗(yàn)是一種探究多因素多水平的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，又稱(chēng)正交法。正交試驗(yàn)可幫助研究人員更好地理解復(fù)雜系統(tǒng)以及如何改變系統(tǒng)中的因素并獲得最佳結(jié)果。正交試驗(yàn)通常用于確定2個(gè)以上因素之間相互作用的方法，運(yùn)用正交表對(duì)各因素的各水平的試驗(yàn)方案進(jìn)行排列，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化，最終得到最佳試驗(yàn)方案。其大致可分為以下4個(gè)步驟。1）明確試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)指標(biāo)。2）確定試驗(yàn)因素及水平。3）根據(jù)因素及水平的數(shù)量選擇合適的正交試驗(yàn)表。4）以試驗(yàn)指標(biāo)作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)加工工藝參數(shù)。

電解拋光工藝參數(shù)主要包括時(shí)間、溫度、電解液流速、電流密度、電解液濃度等因素。本文通過(guò)正交試驗(yàn)探究拋光工藝參數(shù)對(duì)拋光結(jié)果的影響規(guī)律，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施

為了探究以NaCl溶液作為電解液，時(shí)間、溫度、電解液流速、電流密度、電解液濃度等不同因素對(duì)銅片拋光效果的影響，以?huà)伖夂筱~片的表面粗糙度來(lái)代表拋光效果。選取時(shí)間（因素A）、溫度（因素B）、電解液流速（因素C）、電流密度（因素D）、電解液濃度（因素E）作為研究對(duì)象，根據(jù)每個(gè)試驗(yàn)因素，選取4個(gè)水平，正交試驗(yàn)具體因素及水平設(shè)定見(jiàn)表1。

根據(jù)表1的影響因素及其范圍，選用正交表L16（45），見(jiàn)表2。根據(jù)表2的順序，在保證其他外在因素相同的情況下依次進(jìn)行試驗(yàn)，例如試驗(yàn)號(hào)1（A1B1C1D1E1）即代表要做的第一個(gè)試驗(yàn)，控制電解時(shí)間為50s、電解液溫度為50℃、電流密度為50A/dm2、電解液流速為400mL/min、電解液濃度為20%，試驗(yàn)完成后用粗糙度檢測(cè)儀檢測(cè)工件表面粗糙度。后面的試驗(yàn)按順序依次類(lèi)推，將每次試驗(yàn)的結(jié)果即處理后銅片的粗糙度結(jié)果記錄在表2的最后一列。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)是一個(gè)多因素多水平的試驗(yàn)方法，它具有正交性、均勻分散性等特點(diǎn)，根據(jù)正交試驗(yàn)得出的試驗(yàn)結(jié)果Yi，可以計(jì)算每個(gè)因素每個(gè)水平的均值A(chǔ)ki、Bki、Cki、Dki、Eki，從而更直觀地反映同一因素不同水平對(duì)電解拋光性能的影響趨勢(shì)。然后再根據(jù)各因素水平的Aki、Bki、Cki、Dki、Eki計(jì)算得到各個(gè)因素的極差值?Ak、?Bk、?Ck、?Dk、?Ek，極差值可以確定各個(gè)因素對(duì)電解拋光性能影響的主次順序，最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果獲得最優(yōu)因素水平，進(jìn)一步得出電解拋光的最佳工藝參數(shù)。

為了能從正交試驗(yàn)中分析同一因素不同水平對(duì)電解拋光性能的影響趨勢(shì)以及確定各個(gè)因素的對(duì)電解拋光性能影響的主次順序，需要計(jì)算各因素每個(gè)水平的均值（如公式（1）～公式（5）所示），各個(gè)因素的極差值如公式（6）所示。根據(jù)表2中的試驗(yàn)結(jié)果Yi依次計(jì)算因素A（電解時(shí)間）在不同水平下的均值A(chǔ)k1、Ak2、Ak3、Ak4，如公式（1）所示，因素B（溫度）在不同水平下的均值Bk1、Bk2、Bk3、Bk4，如公式（2）所示，因素C（電解液流速）在不同水平下的均值Ck1、Ck2、Ck3、Ck4，如公式（3）所示，因素D（電解液流速）在不同水平下的均值Dk1、Dk2、Dk3、Dk4，如公式（4）所示，因素E（電解液濃度）在不同水平下的均值Ek1、Ek2、Ek3、Ek4，如公式（5）所示。

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果和公式（1）～公式（6）的計(jì)算，得到因素A（電解時(shí)間）、因素B（溫度）、因素C（電解液流速）、因素D（電解液流速）、因素E（電解液濃度）在不同水平下的均值以及各個(gè)因素的極差值，見(jiàn)表3。

通過(guò)比較各因素下的均值可知，A2B3C3D4E4和A2B3C4D4E4時(shí)電解拋光的效果最好，即當(dāng)因素A（電解時(shí)間）為100s、因素B（溫度）為70℃，因素C（電解液流速）為40A/dm2或50A/dm2、因素D（電解液流速）為700mL/min、因素E（電解液濃度）為50%時(shí)電解效果最好。通過(guò)比較極差大小可知，時(shí)間對(duì)拋光效果的影響最大，其次是電流密度，接著按照順序分別是溫度、電解液濃度和電解液流速。由此可見(jiàn)，拋光時(shí)間和電流密度對(duì)電解拋光的影響較大。因此需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步探究通電時(shí)間對(duì)銅片電解拋光的影響。

選擇溫度為60℃、電解液濃度為50%、電解液流速為800mL/min、電流密度分別為50A/dm2和60A/dm2探究不同電解時(shí)間對(duì)拋光效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。當(dāng)其他因素一致時(shí)，銅片的粗糙度隨著通電時(shí)間延長(zhǎng)先變小后增大，通電100s時(shí)銅片粗糙度最小，說(shuō)明通電時(shí)間過(guò)短時(shí)銅片表面的凸起不同完全溶解，而通電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又會(huì)使銅片表面過(guò)度腐蝕，粗糙度反而增大。還能看出電流密度為50A/dm2時(shí)電解效果比電流密度為60A/dm2時(shí)要好，特別是隨著時(shí)間增加，電流密度越大，電解過(guò)程會(huì)反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體影響拋光液流速，導(dǎo)致拋光不均勻。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)地震儀器中存在的一些形狀特殊的銅質(zhì)零部件，本文提出了一種以NaCl溶液作為電解液電解拋光的方法。通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)以中性的NaCl溶液作為電解液的電解工藝進(jìn)行探究，得出了拋光時(shí)間對(duì)拋光效果的影響最大的結(jié)論。當(dāng)溫度為60℃、電解液濃度為50%、電解液流速為800mL/min、電流密度為50A/dm2、通電100s時(shí)，銅片表面粗糙度最低，為0.175μm。該結(jié)果可以為后續(xù)地震儀器中特殊形狀零部件的電解拋光技術(shù)研究提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]于亞洲，李志永，李德佳，等.選區(qū)激光熔化316L不銹鋼隨形冷卻通道電解拋光工藝優(yōu)化[J].電鍍與涂飾，2024，43（5）：65-72.

[2]藺小軍，楊艷，吳廣，等.面向葉片型面的五軸聯(lián)動(dòng)柔性數(shù)控砂帶拋光技術(shù)[J].航空學(xué)報(bào)，2015，36（6）：2074-82.

[3]張獻(xiàn)光，石鵬，陳佳俊，等.電解拋光對(duì)含珠光體組織材料納米壓痕測(cè)試結(jié)果的影響[J].機(jī)械工程材料，2024，48（4）：30-35.

[4]孫虹，潘羿諾，冀婷，等.AAO模板制備中高純Al電解拋光工藝的研究[J].科技通報(bào)，2023，39（12）：1-4.

[5]何敏，朱易捷，趙恩蘭，等.電解拋光法制備鋁合金EBSD試樣方法研[J].表面技術(shù)，2020，49（10）：338-345.

[6]宋萍，邢丕峰，諶家軍，等.電解拋光法制備金屬鎢膜[J].強(qiáng)激光與粒子束，2010，22（2）：311-314.

[7]劉德斌，邱龍會(huì)，付志兵.超細(xì)鎢絲的電解腐蝕制備及其性能表征[J].強(qiáng)激光與粒子束，2006，18（3）：521-524.

[8]倪曉晴，張亮，吳文恒，等.電化學(xué)拋光對(duì)選區(qū)激光熔化成形Ti6Al4V牙冠表面質(zhì)量及耐蝕性能的影響[J].粉末冶金技術(shù)，2023，41（6）：528-535.

[9]陳志昂，苗京濤，汪琪龍，等.三維打印316L不銹鋼血管支架的電解拋光及力學(xué)性能[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2023，40（3）：552-558.

[10]宣宇娜，唐佳斌，馮凱，等.工藝參數(shù)對(duì)316L不銹鋼電解拋光效果的影響[J].電鍍與涂飾，2023，42（5）：47-55.