CN101532165B - Yg类硬质合金的双极性脉冲电解—射流复合加工方法 - Google Patents

Yg类硬质合金的双极性脉冲电解—射流复合加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及非传统加工工艺及表面处理表面改性，具体涉及YG类硬质合金的双极性脉冲电解一射流复合加工方法。本发明采用中性无机盐溶液为电解液，结合射流技术特点，电解液射流的冲刷与抛磨作用，即时去除加工表面的钝化膜和其他电解产物，获得了较高的加工效率，并大大改善了工作环境。本发明具有影响因素少，工艺比较简单，设备费用低，一次性投入费用少，安全环保等特点，并且把电解加工和射流加工两种技术有机地结合起来，开创了一种物理、电化学复合加工新技术，拓宽电化学加工工艺的应用范围。为其它高硬度导电材料的加工提供技术基础。

Description

YG类硬质合金的双极性脉冲电解-射流复合加工方法
技术领域
本发明涉及非传统加工工艺及表面处理表面改性，具体涉及YG类硬质合金的双极性脉冲电解-射流复合加工方法。
背景技术
由于YG类硬质合金是一种在机械制造、石油、采矿、地质等行业得到广泛应用的高硬度金属材料。目前，国内外针对YG类硬质合金等高硬度难加工材料进行以去除材料为主的成型加工，尤其是进行具有一定精度和表面粗糙度要求的加工时，可行的方法有电解加工、电火花加工、激光加工、电子束、离子束加工、超声波加工、超声-电解复合加工等方法。常规的电解加工工艺是采用强碱性溶液为电解液，设备及工艺比较简单，但加工效率和加工精度相对不高，获得的表面粗糙度(Ra＝0.16～1.25μm)比超声波加工法要差些，且存在一定的环境污染。电火花加工、激光加工主要是利用电热效应和光热效应来去除材料，由于硬质合金是由硬度高、熔点高、化学稳定性和热稳定性好的金属碳化物(WC、TiC、TaC、NbC等)与金属粘结剂(Co、Ni、Mo)用粉末冶金的方法制成，故采用电火花加工、激光加工方法加工硬质合金存在热影响因素多、表面层质量及加工效率不高等缺点。电子束、离子束加工需在真空环境中进行，设备成本高。超声波加工法主要适合于加工玻璃、陶瓷等非金属脆性材料，加工硬质合金时，可获得较好的表面粗糙度(Ra＝0.1～1μm)，但存在加工效率低、工具局部损耗较大的缺点。超声电解复合加工工艺采用中性无机盐溶液为电解液，可获得较高的加工效率和加工精度，但影响因素多，工艺难度较大，所需设备相对复杂，主要适用于微细加工场合；双极性脉冲电液束加工工艺采用弱碱性无机盐溶液为电解液，很大程度减小了环境污染，设备及工艺比较简单，但加工效率和加工精度有待于进一步提高。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于硬质合金加工而且具有更高加工效率和加工精度的实用复合加工方法，降低YG类硬质合金等高硬度难材料的加工成本。
本发明的原理是：采用双极性脉冲电流，产生如下作用：
A、当正向脉冲电流作用时，与常规的单极性电流作用效果相同，电极的电化学反应如下：
电解液：H2O→H++OH-，NaNO3→Na++NO3 -
阳极(YG类硬质合金)：Co-2e→Co2+，Co2++2OH-→Co(OH)2↓，
WC+6OH-→WO3+C+3H2O+6e
WO3+2OH-→WO4 -+H2O
阴极：2H++2e→H2↑
B、而当负向脉冲电流作用时，电极的电化学反应如下：
电解液：H2O→H++OH-，NaNO3→Na++NO3 -
阳极(人造金刚石电极)：H2O→[O]+2H++2e
阴极(YG类硬质合金)：2H++2e→H2↑，WC+4[O]→WO3+CO↑。
由于阴极表面大量H+得电子合成为H2逸出，造成工件表面OH-富集，形成“微区域微碱化效应”，WO3+2OH-→WO4 -+H2O，材料去除加工仍能够继续。
C、高频正向脉冲电流的脉间“喘歇作用”和“脉冲压力波作用”，改善了流场，提高了加工的稳定性，使被加工表面均匀溶解，从而提高了加工精度，降低了表面粗糙度值。
另外，电解液射流的冲刷与磨料的抛磨作用，既可起到即时去除加工表面附着的钝化膜和其他电解产物、使被加工部位裸露出来的作用，也可起到对加工硬质合金材料产生微去除作用，从而提高了材料去除率。
本发明的技术方案是：YG类硬质合金的双极性脉冲电解-射流复合加工方法步骤如下：
(1)配置电解液：
电解液为NaNO3、NaKC4H4O6、添加剂A、和添加剂B的水溶液，各组分质量百分比如下：
NaNO3      15％
NaKC4H4O6  10％
添加剂A    7％
添加剂B    5％
H2O    63％
其中，添加剂A为NaNO2，添加剂B为Na2HPO4、Na2B4O7或丙三醇；电解液的pH值＝7～8，温度T＝25～45℃；
(2)制备电极：
以人造金刚石为原料制备电极，其形状根据工件加工要求设计制作；电极上开有直径为0.1～0.3mm的液流喷射孔；
(3)双极性脉冲电解-射流复合反应过程：
将YG类硬质合金和制备的电极放入电解液中，开动电解液循环系统和脉冲电源，通过电极进给装置控制极间平衡间距δ＝0.1～0.2mm；由液压系统保证电解液以p＝3.5～4.0MPa压力、v＝80～100m/s的流速正向循环流动，电解液中加入粒度W14，5～10g/l的Al2O3磨料；由双极性脉冲电源提供如下电流参数：极间电压V＝15～25V(矩形波)，正向脉冲宽度tp＝2～10μs，脉冲间隔ti＝2～50μs，电流密度幅值iD＝50～120A/cm2；负向脉冲宽度tp＝2～10μs，相位滞后于正极性脉冲电流一个脉冲宽度，脉冲间隔ti＝2～50μs，电流密度幅值iD＝10～40A/cm2。
YG类硬质合金的双极性脉冲电解-射流复合加工方法，采用中性无机盐溶液为电解液，结合射流技术特点，电解液射流的冲刷与抛磨作用，即时去除加工表面的钝化膜和其他电解产物，获得了较高的加工效率(最大材料去除率可达1000mm3/min，平均去除率为85mm3/min)和加工精度(0.06mm)及较低的表面粗糙度值(Ra 0.3μm)，并大大改善了工作环境。
本发明的有益效果如下：
(1)合理利用高频正向脉冲电流的脉间“喘歇作用”和“脉冲压力波作用”，提高了加工精度，降低了表面粗糙度值；
(2)合理利用负向脉冲电流产生的“微区域微碱化效应”，实现了以中性电解液取代强碱性电解液作为工作介质，本发明使用的电解液廉价易得且无毒，不污染环境；
(3)合理利用电解液射流的冲刷与抛磨作用，即时去除加工表面的钝化膜和其他电解产物，提高了材料去除率；
(d)本发明具有影响因素少，工艺比较简单，设备费用低，一次性投入费用少，安全环保等特点，并且把电解加工和射流加工两种技术有机地结合起来，开创了一种物理、电化学复合加工新技术，拓宽电化学加工工艺的应用范围。为其它高硬度导电材料的加工提供技术基础。
具体实施方式
实施例1
加工要求：在YG类硬质合金上加工直径6mm、深度15mm的沉孔，直径尺寸偏差小于0.06mm，表面粗糙度值Ra 0.2～0.3μm。
加工方法步骤如下：
(1)配置电解液：
电解液为NaNO3、NaKC4H4O6、NaNO2、Na2HPO4的水溶液，各组分质量百分比如下：
NaNO3       15％
NaKC4H4O6   10％
NaNO2       7％
Na2HPO4     5％
H2O         63％
pH值＝7.5，温度T＝30℃；
(2)制备电极：
以人造金刚石为原料，制备成直径5.8mm管状圆柱体，其头部端面开有11个直径为0.2mm的液流喷射孔；
(3)双极性脉冲电解-射流复合反应过程：
将YG类硬质合金和制备的电极放入电解液中固定，开动电解液循环系统和脉冲电源，极间平衡间距δ＝0.1mm；电解液p＝3.5MPa，流速v＝85m/s，正向循环流动，混有粒度W14的Al2O3磨料8g/l；电参数为：极间电压20V，正向脉冲宽度tp＝4μs，脉冲间隔ti＝8μs，电流密度幅值iD＝80A/cm2；负向脉冲宽度tp＝4μs，相位滞后于正极性脉冲电流一个脉冲宽度，脉冲间隔ti＝8μs，电流密度幅值iD＝30A/cm2；加工时间7min。沉孔直径尺寸偏差0.05mm，表面粗糙度值Ra 0.3μm，符合加工要求。
实施例2
加工要求：在YG类硬质合金上加工长度10mm、深度5mm、宽度1mm的直通槽，宽度和长度方向尺寸偏差不超过0.06mm，表面粗糙度值Ra 0.3μm以内。
加工方法步骤如下：
(1)配置电解液：
电解液为NaNO3、NaKC4H4O6、NaNO2、和Na2B4O7的水溶液，各组分质量百分比如下：
NaNO3      15％
NaKC4H4O6  10％
NaNO2      7％
Na2B4O7    5％
H2O        63％
pH值＝7.6，温度T＝35℃；
(2)制备电极：
以人造金刚石为原料，制备成，长度为11mm、高度为6mm、宽度为0.8mm的片状六方体，其头部端面开有20个直径为0.1mm的液流喷射孔，20个液流喷射孔分双排，每排10个等距分布；
(3)双极性脉冲电解-射流复合反应过程：
将YG类硬质合金和制备的电极放入电解液中固定，开动电解液循环系统和脉冲电源，极间平衡间距δ＝0.1mm；电解液p＝3.8MPa，流速v＝80m/s，正向循环流动，混有粒度W14的Al2O3磨料6g/l；电参数为：极间电压22V，正向脉冲宽度tp＝6μs，脉冲间隔ti＝18μs，电流密度幅值iD＝90A/cm2；负向脉冲宽度tp＝6μs，相位滞后于正极性脉冲电流一个脉冲宽度，脉冲间隔ti＝18μs，电流密度幅值iD＝40A/cm2；加工时间3min。矩形通槽宽度方向尺寸偏差0.04mm，长度方向尺寸偏差0.06mm，表面粗糙度值Ra 0.25μm，符合加工要求。

Claims (1)

1.YG类硬质合金的双极性脉冲电解-射流复合加工方法，其特征在于，该方法步骤如下：
(1)配置电解液：
电解液为NaNO3、酒石酸钾钠、添加剂A、和添加剂B的水溶液，各组分质量百分比如下：
NaNO3         15％
酒石酸钾钠    10％
添加剂A       7％
添加剂B       5％
H2O           63％
其中，添加剂A为NaNO2，添加剂B为Na2HPO4、Na2B4O7或丙三醇；电解液的pH值＝7～8，温度T＝25～45℃；
(2)制备电极：
以人造金刚石为原料制备电极，其形状根据工件加工要求设计制作；电极上开有直径为0.1～0.3mm的液流喷射孔；
(3)双极性脉冲电解-射流复合反应过程：
将YG类硬质合金和制备的电极放入电解液中，开动电解液循环系统和脉冲电源，极间平衡间距δ＝0.1～0.2mm；电解液以p＝3.5～4.0MPa压力、v＝80～100m/s的流速正向循环流动，电解液中加入粒度W14，5～10g/l的Al2O3磨料；电流参数：极间电压V＝15～25V矩形波，正向脉冲宽度tp＝2～10μs，脉冲间隔ti＝2～50μs，电流密度幅值iD＝50～120A/cm2；负向脉冲宽度tp＝2～10μs，相位滞后于正极性脉冲电流一个脉冲宽度，脉冲间隔ti＝2～50μs，电流密度幅值iD＝10～40A/cm2。
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