CN104759717B - 基于双峰脉冲电流电化学复合机械的金属回转面的光整加工方法 - Google Patents

Abstract

基于双峰脉冲电流电化学复合机械的金属回转面的光整加工方法，涉及金属表面加工技术，将金属工件接脉冲电源的正极，在金属工件和阴极导电体之间通以中性电解液，在金属工件的待加工表面设置抛光工具，脉冲电源的脉冲频率为4000 Hz～6000Hz，在每个脉冲周期输出两个脉冲峰值，金属工件和阴极导电体以匀速作往复相对运动，以使阴极导电体能够均匀扫过金属工件的表面。本发明抛光过程不受钢材硬度的限制，抛光过程中不产生磨削力和磨削热，不产生附加应力，抛光表面也不会产生磨削烧伤和裂纹，抛光效率高，且成本低。

Description

基于双峰脉冲电流电化学复合机械的金属回转面的光整加工 方法

技术领域

本发明涉及金属表面加工技术，特别是钢材表面的精密镜面光整加工技术领域。

背景技术

表面光整加工技术是以获得高质量表面和低粗糙度为目的，通常作为零部件表面的终加工工序。表面粗糙度对工件的使用性能、可靠性和寿命等都有很大的影响。

目前以降低工件表面粗糙度为主要目的的光整加工方法主要有：机械法（磨削、研磨、珩磨和机械抛光）、电化学抛光法和电化学复合法（电化学机械、脉冲电化学抛光、脉冲电化学机械）。这些方法虽然都有各自的优点，但也各自存在不可避免的缺点：

（1）磨削是最普遍的零部件终加工工序，加工时磨削速度很高，磨削区瞬时温度也很高，容易产生表面烧伤和磨削裂纹，因此工艺上一般存在经济粗糙度，磨削到低于经济粗糙度时磨削成本将成倍上升；磨削工艺还存在磨具表面变钝、堵塞和轮廓畸变等问题，经常需要进行整形和修锐；此外，由于磨削工作量大，磨削加工时会产生大量油雾或水雾，对环境造成污染，对工人健康造成损害。

（2）研磨：需要制作把几何形状传递给工件的研具，且必须更换使用至极细的磨料和研磨液，工艺要求严格，工序较多，加工效率低，很难应用于大批量生产。

（3）珩磨是主要针对内孔表面的光整加工，需多次更换不同粒度的油石才能达到镜面效果。

（4）手工抛光在操作时，受操作者技术水平影响较大，不易保证均匀地抛去表面金属层，劳动强度大，加工效率低。

（5）电化学抛光一般使用酸性电解液，具有腐蚀性，且需要加热到一定温度，对环境有污染，操作者要进行一定的防护，抛光效果取决于原始的表面粗糙度。

（6）电化学机械抛光使用恒流的直流电流（如图1所示），被加工工件表面在电化学作用下处于钝化状态（图2的CD段），与机械作用配合通过钝化-活化-溶解的循环进行抛光，对机械作用依赖程度高。

（7）脉冲电化学抛光使用离散的单峰脉冲电流（如图3所示），被加工表面在电化学作用下处于超钝化状态（图2的DE段），由于没有机械作用，完全依靠电化学溶解进行抛光，抛光过程可控性差，而且被抛光工件的原始表面粗糙度要求高。

（8）脉冲电化学机械抛光使用离散的单峰脉冲电流（如图3所示），被加工表面在电化学作用下处于钝化状态（图2的CD段），虽然脉冲电流具有对流场改善的作用，但是由于是不连续的单峰脉冲电流作用，光整加工效率并不高。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种能克服现有技术以上缺陷，能提供快速精密镜面抛光的基于双峰脉冲电流电化学复合机械的金属回转面的光整加工方法。

本发明技术方案是：将金属工件接脉冲电源的正极，在所述脉冲电源负极接阴极导电体，在金属工件和阴极导电体之间通以中性电解液，在金属工件的待加工表面设置抛光工具，所述脉冲电源的脉冲频率为4000 Hz～6000Hz；其特征在于：所述脉冲电源在每个脉冲周期输出两个脉冲峰值，金属工件和阴极导电体以匀速作往复相对运动，以使阴极导电体能够均匀扫过金属工件的表面。

抛光时，脉冲电源以一定频率输出脉冲电流，每个周期输出两个不同峰值的脉冲电流I₁和I₂（如图4所示），其中，脉冲电流I₁使工件回转内或外表面处于钝化保护状态（图2的CD段），脉冲电流I₂使工件表面处于超钝化溶解状态（图2的DE段）；当工件表面在脉冲电流I₁作用下处于钝化保护状态时，会在工件表面生成一层钝化膜，该钝化膜有保护工件表面不被电流溶解的作用，当工件被外侧的抛光工具刮去表面尖峰的钝化膜时，由于表面尖峰处不被保护，而实现电化学溶解；当脉冲电源输出脉冲电流I₂时，在合适的工艺参数条件下，表面尖峰可以在脉冲电流I₂作用下实现超钝化的脉冲电化学溶解和抛光，该过程的溶解和抛光效率远高于单纯的电化学机械抛光、脉冲电化学抛光和脉冲电化学机械抛光；同时，由于脉冲电流I₂的超钝化溶解抛光作用，抛光过程对机械作用的依赖程度低。

本发明具有如下优点：

1、抛光效率高：可将粗磨后的回转体工件表面直接抛光至镜面，不需进行半精磨和精磨；并且由于使用了两个不同峰值的脉冲电流，可分别实现对工件表面的可控电解及加速溶解，抛光效率远高于单纯的电化学机械抛光、脉冲电化学抛光或脉冲电化学机械抛光。

2、抛光效果好：可使粗糙表面直接被抛光至Ra0.1 µm以下，优化工艺参数条件下，可抛光至Ra0.02 µm以下，从而加工出镜面效果。

3、抛光过程不受钢材硬度的限制，抛光过程中不产生磨削力和磨削热，不产生附加应力，抛光表面也不会产生磨削烧伤和裂纹。

4、抛光成本低。

5、抛光过程易于实现自动化生产，适用范围广泛。

6、使用中性电解液，对环境不产生污染，是一种绿色制造方法。

另外，本发明所述两个脉冲峰值的脉冲电流分别为脉冲电流I₁和脉冲电流I₂；脉冲电流I₁的电流值为140A～180 A，脉冲电流I₂的电流值为300 A～450 A，使得金属工件在抛光时分别处于钝化状态和超钝化状态，钝化状态时与机械作用配合，实现电化学机械复合抛光，超钝化状态时，实现脉冲电化学溶解和抛光，这两个过程的合理匹配，使得抛光效率远高于单纯的电化学机械抛光、脉冲电化学抛光和脉冲电化学机械抛光，并且对机械作用的依赖程度低。

为了分别实现金属工件的电化学机械复合抛光和脉冲电化学抛光，所述脉冲电流I₁作用时间与脉冲电流I₂作用时间比为3～7∶3。

在所述中性电解液总质量中，15%～35%为NaNO₃，10%～20%为NaCL，5%～10%为NaCLO₃，1%～2%为NaSO₄，其余为水。

以往的中性电解液由NaNO₃和NaCL组成，本发明加入NaCLO₃和NaSO₄，使得电解液的非线性更加明显，钝化阈值和超钝化阈值降低，更有利于提高抛光效率。

所述抛光工具为砂轮或砂带或珩磨油石。本发明可根据不同的金属工件的外形，分别采用不同的抛光工具。

附图说明

图1为电化学机械抛光使用的直流电流波形图。

图2 为阳极表面极化曲线图。

图3 为单峰脉冲电流波形图。

图4 为双峰脉冲电流波形图。

图5为例一的加工状态示意图。

图6为例二的加工状态示意图。

图7为例三的加工状态示意图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明做进一步说明。

配制电解液：以NaNO₃、NaCL、NaCLO₃、NaSO₄和水配制不同的中性电解液，并使各占比为：15%～35%为NaNO₃，10%～20%为NaCL，5%～10%为NaCLO₃，1%～2%为NaSO₄。

单位：kg

	NaNO<sub>3</sub>	NaCL	NaCLO<sub>3</sub>	NaSO<sub>4</sub>	水
						配方一	1	2	1	0.2	5.8
配方二	1.5	1.5	1	0.2	5.8
						配方三	2	1	0.7	0.1	6.2
配方四	3	1	0.5	0.1	5.4

一、例一：

对于原始表面粗糙度为Ra1.2µm的Φ100×1000mm活塞杆，材质为45钢，使用如下工艺参数的双峰脉冲电流电化学复合磨削光整加工技术进行抛光：

如图5所示，将金属工件2接脉冲电源4的正极，在脉冲电源4的负极接阴极导电体5，在金属工件2和阴极导电体5上方以喷淋装置通以配方一的中性电解液。在金属工件2的外侧设置砂轮1。

脉冲电源的脉冲频率为5000 Hz，脉冲电源在每个脉冲周期输出两个脉冲峰值，脉冲电流I₁电流值180 A，脉冲电流I₂电流值为450 A，脉冲电流I₁作用时间与脉冲电流I₂作用时间比值为1:1，经过20分钟左右，可将圆柱体表面抛光至Ra0.025 µm。

二、例二：

如图6所示，将管状金属工件1接脉冲电源的正极，安装在支架6上的阴极4接脉冲电源的负极，将管状金属工件1内壁与阴极之间通以配方二的中性电解液5，珩磨油石2装在夹具3上，并以一定压力浮动地压在管状金属工件1的内表面，整套抛光装置在管状金属工件1内以一定速度转动，并且沿轴向以一定速度运动，以使整个管状金属工件1内壁都能够被抛光。

控制脉冲频率4000Hz，脉冲电流I₁电流值140 A，脉冲电流I₂电流值为300 A，脉冲电流I₁作用时间与脉冲电流I₂作用时间比值为2:3，经过15分钟左右，可将管材内壁抛光至Ra0.025 µm。

三、例三：

如图7所示，待进行抛光的工件为凸轮3，凸轮3由伺服电机带动进行旋转。将凸轮3接脉冲电源的正极，阴极接脉冲电源的负极，在凸轮与阴极之间的上方喷淋配方三的中性电解液2，阴极1安装在数控工作台上，由伺服电机带动，随凸轮3的旋转而前后运动，并与凸轮3保持一定的间隙，砂轮4安装在数控工作台上，由伺服电机带动，随凸轮3的旋转而前后运动，并以一定压力浮动地压在凸轮3表面，对凸轮3表面进行轻微的磨削。

待抛光的工件原始表面粗糙度为Ra0.88µm，基圆半径R50mm，升程15mm，宽度35mm的内燃机进气凸轮，材质为20CrMnTi，使用本发明双峰脉冲电流电化学复合磨削光整加工技术进行抛光：脉冲频率6000Hz，脉冲电流I₁电流值150 A，脉冲电流I₂电流值为380 A，脉冲电流I₁作用时间与脉冲电流I₂电流作用时间比值为7:3，经过5分钟左右，可将凸轮表面抛光至Ra0.025 µm。

Claims (5)

1.基于双峰脉冲电流电化学复合机械的金属回转面的光整加工方法，将金属工件接脉冲电源的正极，在所述脉冲电源负极接阴极导电体，在金属工件和阴极导电体之间通以中性电解液，在金属工件的待加工表面设置抛光工具，所述脉冲电源的脉冲频率为4000 Hz～6000Hz；其特征在于：所述脉冲电源在每个脉冲周期输出两个正向脉冲峰值，金属工件和阴极导电体以匀速作往复相对运动。

2.根据权利要求1所述光整加工方法，其特征在于所述两个脉冲峰值分别的脉冲电流为正向脉冲电流I₁和正向脉冲电流I₂；正向脉冲电流I₁的电流值为140A～180 A，正向脉冲电流I₂的电流值为300 A～450 A。

3.根据权利要求1所述光整加工方法，其特征在于所述脉冲电流I₁作用时间与脉冲电流I₂作用时间比为2∶3～7∶3。

4.根据权利要求1或2或3所述光整加工方法，其特征在于在所述中性电解液总质量中，15%～35%为NaNO₃，10%～20%为NaCL，5%～10%为NaCLO₃，1%～2%为NaSO₄，其余为水。

5.根据权利要求1所述光整加工方法，其特征在于所述抛光工具为砂轮或砂带或珩磨油石。