桿類零件表面電化學(xué)機(jī)械復(fù)合光整加工的研究
2014-3-13 來源： 作者：山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 張海云, 侯
引言
在桿類機(jī)械零件中, 例如液壓件的閥桿、活塞桿、抽油機(jī)的抽油桿, 除要求尺寸精度較高外, 主要要求具有較光潔的表面質(zhì)量和非常低的表面粗糙度,這類零件的加工方法現(xiàn)有超精磨削、珩磨或研磨、砂帶磨削、機(jī)械拋光和電拋光等。但實(shí)踐證明, 利用以上加工方法所獲得的產(chǎn)品的壽命是發(fā)達(dá)國家的同類產(chǎn)品的1/2。通過分析發(fā)現(xiàn), 超精磨削可提高零件的尺寸精度、形狀精度、降低表面粗糙度, 但加工成本高, 生產(chǎn)效率低, 表面易于出現(xiàn)燒傷。研磨加工生產(chǎn)效率更低, 不能滿足大批量生產(chǎn)的要求, 砂帶磨削、機(jī)械拋光和電拋光等工藝方法, 在降低零件表面粗糙度的同時(shí), 都會不同程度地降低零件的原有尺寸和形狀精度。針對上述問題, 作者利用電化學(xué)復(fù)合光整方法, 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究, 并取得較好的效果。
1.電化學(xué)機(jī)械復(fù)合光整加工基本原理電化學(xué)機(jī)械光整加工是電化學(xué)和機(jī)械珩磨雙重作用的復(fù)合加工形式, 其加工的基本原 是以電化學(xué)溶解為基礎(chǔ), 利用機(jī)械珩磨的作用刮除工件表面鈍化膜而去除金屬, 它與普通機(jī)械珩磨之間最明顯的區(qū)別是增加了直流電解系統(tǒng)。在加工過程中, 工件接電源的陽極并繞軸線回轉(zhuǎn), 工件一側(cè)設(shè)有陰極, 陰極與工件之間保持一定的間隙約0.1~1mm, 其間通以適當(dāng)?shù)碾娊庖? 機(jī)械珩磨工具頭上的磨條以一定的壓力與工件相接觸。當(dāng)接通直流電源后, 在一定的電流密度下, 工件表面發(fā)生陽極溶解并逐漸形成鈍化膜, 鈍化膜阻礙了電化學(xué)溶解的進(jìn)一步進(jìn)行, 機(jī)械珩磨就起到了刮除氧化膜的作用。與電解加工所不同的是, 表面氧化膜的去除不是靠活性離子或強(qiáng)力沖刷, 而是通過專門設(shè)計(jì)的機(jī)械工具的刮除作用實(shí)現(xiàn)的, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有選擇性地去除金屬的目的, 如圖1 所示。
由于工件的原始狀態(tài)是由機(jī)械加工完成的, 所以其表面上留有切削加工造成的尖峰狀突起的凹谷, 當(dāng)工件與工具接通電源以后, 使微觀電場分布成非均勻性, 尖端處電場最強(qiáng), 又由于尖端處與工件的距離最近, 所以更加劇了電場分布的不均勻性, 這使得尖端處電流密度較大, 根據(jù)電解加工理論, 電解過程中溶解速度與電流密度成正比, 所以尖端處電化學(xué)反應(yīng)速度較快, 金屬溶解速度也較快。在凹谷處, 電化學(xué)反應(yīng)速度則相對較慢, 所以溶解也就相對較慢, 這就使得在工件的整個(gè)表面上, 溶解速度呈現(xiàn)出不均勻性,尖端處的氧化膜很快被機(jī)械復(fù)合珩磨工具頭(以下簡稱工具頭) 刮除, 高點(diǎn)處從而露出新的金屬表面繼續(xù)受到電化學(xué)溶解－成膜－刮除的作用, 使得該部位的材料被不斷地去除, 而表面的微觀低點(diǎn)或凹陷部位則由于電解溶解的緩慢和氧化膜不能被及時(shí)刮除而受到保護(hù), 或者說只能以低得多的速度被去除加工, 這一過程的連續(xù)進(jìn)行, 使得工件的表面得以整平, 如圖2所示。
2 光整加工設(shè)備的設(shè)計(jì)
加工設(shè)備主要由機(jī)床、直流電源、工作液循環(huán)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等4部分組成。為降低成本, 增加實(shí)用性, 機(jī)床由CM6140車床進(jìn)行數(shù)控改造而成, 進(jìn)給運(yùn)動改由計(jì)算機(jī)控制,反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動, 并以帶有測力裝置和數(shù)顯表的電化學(xué)機(jī)械復(fù)合工具頭取代小刀架, 將原主軸改造為帶有集流裝置、與床身絕緣隔離的復(fù)式主軸。所有對加工穩(wěn)定性有較大影響的工藝參數(shù)均得到有效監(jiān)控,主軸正反轉(zhuǎn)、液體泵、直流電源的啟動和停止, 以及整個(gè)加工過程中的工具頭運(yùn)動、轉(zhuǎn)向等均由計(jì)算機(jī)控制, 工作效率高, 操作簡便, 整個(gè)加工過程實(shí)現(xiàn)自動化。
2.1 設(shè)備改進(jìn)
設(shè)備由一臺精密CM6140 *1 500車床改進(jìn)而成, 這樣可以最大限度地利用通用設(shè)備, 工件具有較高的回轉(zhuǎn)運(yùn)動精度, 導(dǎo)軌與主軸軸線具有較小的平行度誤差, 制造成本低, 以電化學(xué)機(jī)械復(fù)合工具頭取代原機(jī)床刀架。
(1) 電化學(xué)機(jī)械光整工具頭
電化學(xué)機(jī)械光整工具頭是實(shí)現(xiàn)桿件光整加工的關(guān)鍵部件, 要求其工作可靠, 結(jié)構(gòu)緊湊, 便于操作, 操作者可以直視加工區(qū)域。夾心式電化學(xué)機(jī)械復(fù)合工具頭工作原理如圖1所示。
夾心式電化學(xué)機(jī)械光整工具 取代小刀架, 安裝于小拖板上, 可隨小拖板前后運(yùn)動, 也可與小拖板一起隨大溜板左右運(yùn)動, 它可同時(shí)完成電化學(xué)作用和機(jī)械珩磨作用。工作中, 繞軸線回轉(zhuǎn)的工件接直流電源正極, 復(fù)合工具頭上的陰極與直流電源負(fù)極相接,通電后, 兩者之間形成一電化學(xué)反應(yīng)區(qū), 調(diào)節(jié)直流電源輸出電壓可以控制陰極工作表面的平均電流密度,進(jìn)而控制電化學(xué)反應(yīng)速度。陰極用黃銅制造, 上面開有電解液噴孔, 陰極與工件之間留有一定間隙, 通過電解液噴孔將鈍性電解液噴入加工區(qū), 從加工區(qū)出來的電解液流入水槽, 經(jīng)沉淀過濾后, 循環(huán)使用。陰極上下兩邊是鑲有用于機(jī)械珩磨的軟磨條, 軟磨條硬度、磨粒粒度等則根據(jù)具體的加工要求確定, 在彈簧力的作用下, 軟磨條以適當(dāng)?shù)膲毫涸诠ぜ砻嫔?由彈性元件、位移傳感器、數(shù)顯表等組成的測力系統(tǒng)對珩磨作用力進(jìn)行在線監(jiān)測。
夾心式電化學(xué)機(jī)械光整工具頭中采用的是軟珩磨條, 它由高溫氧化鋁(Al?O?) 或碳化硅(SiC) 磨料使用陶瓷結(jié)合劑經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成, 由于其結(jié)合劑成分比較特殊, 磨條硬度較低, 使其略帶彈性, 易于使磨條與工件接觸均勻, 吸振性能好, 另外, 結(jié)合劑的黏度較低, 磨粒易于脫落, 磨條自銳性能好。
( 2) 復(fù)式主軸
加工過程中, 車床主軸上的撥盤帶動工件做勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動, 通過集流裝置使工件與直流電源正極相連, 為避免工作過程中整機(jī)帶電, 以自行研制的復(fù)式主軸取代原機(jī)床主軸, 實(shí)現(xiàn)了帶電工件與床身的絕緣隔離。
( 3) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動
由于整個(gè)加工過程由多次走刀組成, 加工中工具頭需多次換向。為操作簡便, 提高加工效率, 將進(jìn)給運(yùn)動改為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動, 以便于計(jì)算機(jī)控制。綜合考慮性能與價(jià)格的關(guān)系后, 決定采用帶有齒輪減速器的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī), 減速器輸出軸與絲杠間采用聯(lián)軸器連接。
2.2 直流電源
直流電源的作用是為電化學(xué)反應(yīng)提供電能, 目前一般采用硅整流設(shè)備, 因?yàn)樾阅芊浅？煽堪踩？紤]到工件材質(zhì)不同和電化學(xué)工作液不同, 所需的工作電壓也不同, 電源輸出電壓設(shè)定在0~ 24V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)?？紤]到工件批量或大批量生產(chǎn), 為保證直流電源能夠長時(shí)間、高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行, 采取了循環(huán)水連續(xù)冷卻方式。
2.3 工作液及循環(huán)系統(tǒng)
電化學(xué)工作液成分、質(zhì)量、份數(shù)決定了電化學(xué)溶解速度及鈍化膜的厚度、強(qiáng)度、形成速度等, 為保證只有工件表面微觀高點(diǎn)處的金屬發(fā)生電化學(xué)溶解, 微觀低點(diǎn)處的金屬受到鈍化膜保護(hù), 在陽極電化學(xué)溶解的同時(shí), 必須快速形成鈍化膜。經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)研究,確定電化學(xué)工作液采用以NaNO3 為主、添加少量致鈍劑的鈍性工作液, 獲得了令人滿意的加工質(zhì)量和加工效率, 同時(shí)也防止了工作液對于加工設(shè)備的腐蝕。應(yīng)用于45#優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的電化學(xué)工作液配比關(guān)系如表1所示
工作液循環(huán)系統(tǒng)由耐蝕泵、節(jié)流元件、水槽、防濺罩等組成。耐蝕泵提供電化學(xué)工作液循環(huán)動力, 其額定流量和揚(yáng)程根據(jù)工具頭尺寸而定。節(jié)流元件用于調(diào)節(jié)工作液壓力、流量, 以滿足不同情況的需要。水槽由沉淀槽和儲存槽兩部分組成, 兩槽互通, 中間用過濾網(wǎng)隔開, 由加工區(qū)域流回的工作液首先流入沉淀槽, FE（OH)3在此沉淀分離, 工作液流入儲存槽, 供循環(huán)使用。防濺罩用在加工區(qū)域, 防止工作液因工件旋轉(zhuǎn)而四處飛濺。
2.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
主軸正反轉(zhuǎn), 液體泵、直流電源的啟動和停止,以及整個(gè)加工過程中的工具頭運(yùn)動速度、位置、轉(zhuǎn)向等均由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制, 作者選用了南京江南機(jī)床數(shù)控工程公司生產(chǎn)的JN-15T 型控制系統(tǒng), 該系統(tǒng)控制功能全面, 擁有兩路用于步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸出, 用于電動刀架的T 收信功能(本裝置不用) , 以及用于各類電器啟停的開關(guān)量輸出。JN-15T 型控制系統(tǒng)自身帶有功率放大器, 可以直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī), 但開關(guān)量輸出僅為24V 直流脈沖信號, 需要通過繼電器、交流接觸器等完成各類電器的控制, 使整個(gè)加工過程實(shí)現(xiàn)了自動化加工。
3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
作者運(yùn)用電化學(xué)機(jī)械光整加工設(shè)備對用45#鋼制成的活塞桿進(jìn)行了光整加工, 利用英國產(chǎn)TALYSURF-6 型輪廓儀對其表面微觀幾何形貌進(jìn)行了詳細(xì)檢測, 并對檢測結(jié)果進(jìn)行了深入的分析研究。
3.1 活塞桿實(shí)驗(yàn)檢測條件。
工件材質(zhì)為 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼, 加工電流密度為5A / CM2, 陽極與陰極間的間距為0.8mm, 珩磨條粒度為W14, 原始表面為精磨加工表面。表面粗糙度截取長度l= 0.25, 評定長度為5l。表面波紋度截取長度l= 2.5, 評定長度為5l。精磨表面和電化學(xué)機(jī)械光整加工表面輪廓5如圖3所示, 水平方向放大倍數(shù)為100, 鉛錘方向放大倍數(shù)為3 000。全部垂直于加工痕跡方向測量。
4 結(jié)論
夾心式電化學(xué)機(jī)械光整加工裝置結(jié)構(gòu)緊湊, 易于操作。加工過程中, 可以通過選定磨粒粒度和珩磨壓力對機(jī)械珩磨力度進(jìn)行調(diào)節(jié), 控制表面輪廓高度分布。采用復(fù)式主軸, 實(shí)現(xiàn)了帶正電的工件與機(jī)床的可靠絕緣, 電解液流量充足、可調(diào), 可迅速帶走電化學(xué)產(chǎn)物, 加速電化學(xué)反應(yīng), 這一切均使得加工過程的可控性和可調(diào)性增加, 提高了加工效率。電化學(xué)機(jī)械光整加工可以大幅度消除表面低周期波動, 使表面輪廓高度分布范圍縮小, 表面輪廓高度特性參數(shù)大幅度降低, 當(dāng)機(jī)械珩磨使用粒度為W3的精密軟磨條時(shí), 可以得到
的超精表面。表面輪廓波動平均間距減小, 波紋細(xì)密性提高, 光整表面高度分布呈負(fù)偏態(tài)、尖峰分布, 而非Gauss分布, 對耐磨性、精度保持性有利。電化學(xué)機(jī)械光整表面的波紋度遠(yuǎn)小于精磨表面, 并且前者與后者的波紋度參數(shù)之比, 小于對應(yīng)的粗糙度參數(shù)之比。
的超精表面。表面輪廓波動平均間距減小, 波紋細(xì)密性提高, 光整表面高度分布呈負(fù)偏態(tài)、尖峰分布, 而非Gauss分布, 對耐磨性、精度保持性有利。電化學(xué)機(jī)械光整表面的波紋度遠(yuǎn)小于精磨表面, 并且前者與后者的波紋度參數(shù)之比, 小于對應(yīng)的粗糙度參數(shù)之比。 投稿箱：
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