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電化學（電解）去毛刺的基本原理
閱讀：4059 發布時間：2013-8-2電化學（電解）去毛刺的基本原理
電化學去毛刺的基本原理是利用金屬在電解工作液中產生陽極溶解的電化學反應現象。如下圖所示：
以工件為陽極，工具電極為陰極，當強迫使電解液通過工件上的毛刺和特殊設計的工具電極之間十分狹小的間隙同時，短時間加以電解電壓，這時在工件的毛刺或棱邊部分電流zui集中，電流密度也zui大，因而使毛刺很快被溶除，棱角也被倒圓。
在電化學去毛刺的過程中，工件和工具電極二者是相對固定不動的，即屬于固定式工具陰極的電化學加工方法。適合去除高硬度、高韌性金屬零件的毛刺，可以在工件的特定部位進行限定加工,對于手工難以處理、可達性差的復雜內腔部位，尤其是交叉孔相貫線的毛刺。
脈沖電化學去毛刺是一種符合“綠色制造”要求的*去毛刺工藝。該工藝采用脈沖電源代替直流電源，并在非線性電解液中進行加工；加工時，工件接脈沖電源的正極，與毛刺部位相對應的工具電極接脈沖電源的負極，工件陽極與工具陰極之間保持較小的加工間隙，且工具陰極無進給。該工藝具有以下特點：①由于加工所用電解液為中性無機鹽水溶液，因此不會污染環境；②由于脈沖電流的間隙作用和壓力波的攪拌作用改善了加工間隙內的電場和流場條件，降低了對電解液流動特性的要求，因此有利于獲得穩定、理想的加工過程；③由于在加工過程中無切削力，不會形成附加應力和表面變質層，因此可改善加工表面微觀幾何形貌以及零件的物理、化學和機械性能。
脈沖電化學去毛刺加工的基本原理。工件接脈沖電源的正極，工具電極接脈沖電源的負極，工具陰極與工件毛刺部位對應放置。加工時，首先在加工間隙內加入電解液，然后接通脈沖電源，此時工件陽極表面將發生氧化反應，工具陰極則將發生還原反應。工件陽極的基本電化學反應式為
M-ne→Mn+
Mn++n（OH）→Fe（OH）n↓
工具（陰極）的基本電化學反應式為
2H++2e→H2↓
加工時，在工件陽極附近形成一層很薄的氧化膜，可在工件陽極與電解液之間起到隔離作用。該氧化膜具有較高的電阻和較小的電導率，可阻止工件陽極表面進一步溶解，對工件陽有一定保護作用。在電解液的快速沖刷作用下，工件陽極表面凹陷處的氧化膜因不易擴散而較厚；工件陽極表面凸出處（如毛刺、微觀凸出部位等）的氧化膜因容易擴散而較薄。由于氧化膜的分布不均勻，使毛刺等凸出部位始終與新鮮的電解液接觸，因此毛刺部位的金屬溶解速度遠大于陽極表面的其它部位，從而使毛刺被迅速溶解、去除。
在陽極溶解過程中，根據電化學加工基本規律（法拉第電解定律）可推導出金屬陽極（工件）沿進給方向的深度蝕除速度va（mm/min）為
va=hwi
式中：h——電流效率
w——被電解物質的體積電化學當量（mm3/A·h）
i——電流密度（A/cm2）
當電解液的成分、濃度、加工溫度等參數確定后，陽極某點的蝕除速度主要取決于通過該點的電流密度i。
根據電場理論可知，在零件表面毛刺等凸出部位電荷較集中，在表面凹陷處電荷則較少。由于電力線分布不均勻，凸出部位的電力線分布密集，電流密度高，金屬去除較多；凹陷部位的電力線分布相對稀疏，電流密度較低，金屬去除較少。由于毛刺處通過的電流密度遠大于工件陽極表面的其它部位，因此毛刺被迅速溶解。
綜上所述，由于氧化膜分布不均勻，工件陽極表面毛刺等凸出部位氧化膜較薄，可始終與新鮮電解液保持接觸，因此電化學反應速度快；由于電力線分布不均勻，工件陽極表面毛刺等凸出部位電力線分布密集，電流密度大，蝕除速度較快。因此，電化學去毛刺加工可達到迅速去除、溶解毛刺并形成光滑圓角的目的。通過合理采用工具陰極遮蔽技術，可有選擇地去除毛刺，不會影響工件陽極表面原有的尺寸精度和表面質量。
3 電化學去毛刺工藝要點
影響脈沖電化學去毛刺加工效果的工藝因素較多，如工具陰極的合理設計、脈沖電源的參數選擇、電解液的成分、濃度、壓力和流速、極間間隙、電流密度、加工時間、流場特性等。
o 工具陰極
o 脈沖電源
o 電解液
o 其它工藝因素
工具陰極應根據具體毛刺情況進行合理設計，設計時應注意應用遮蔽技術，以保證在去除毛刺的同時保護工件陽極表面其它非毛刺部位的原有精度和表面質量。此外，還應滿足脈沖電化學加工的基本原則，即使電解液快速、均勻地沖刷加工部分，保證流場分布均勻、合理。由于電極表面質量直接影響去除毛刺部位的表面質量，因此要求工具陰極表面平整、光滑。
理論研究和加工實踐表明，采用脈沖電源代替直流電源進行去毛刺加工，可有效提高加工精度和表面質量。在加工中，一般采用較窄的脈沖寬度和較高的脈沖頻率進行加工。由于脈沖電流的間隙作用和階躍變化，使加工間隙中的電解液發生振蕩，產生壓力波，壓力波的攪拌作用可改善加工間隙中電解液的流動條件，加速更新間隙中的電解液，消除加工間隙中電解液電導率分布的不均勻性，從而提高加工精度，改善表面粗糙度。此外，由于電解液的周期性更新，使間隙內的電化學產物（陽極去除的金屬、陰極析出的氫氣和產生的焦耳熱等）可及時、充分地排除。脈沖電源參數應根據加工條件合理選擇。
電解液成分是影響加工質量的主要因素。以中性無機鹽為主要成分的非線性電解液具有適用范圍廣、易于控制、雜散腐蝕小、加工表面質量好、對環境無污染等特點。加工時，應根據毛刺的大小確定電解液的具體成分，同時合理設計電解液的流向、流速及壓力，以便將去除的毛刺迅速沖離加工間隙，以免造成短路。
合理選擇陰、陽極之間的間隙有利于提高蝕除速度和加工精度，改善加工表面質量。電流密度和加工時間的選擇也十分重要，電流密度過大會加劇雜散腐蝕，電流密度過小則會降低加工效率，延長加工時間，而加工時間過長會加劇晶界腐蝕。在滿足毛刺去除效率的前提下，加工時間主要應根據加工圓角的大小來確定。
4 應用實例
脈沖電化學去毛刺工藝已成功運用于噴油嘴內孔、液壓閥體內孔、活塞套、軸承保持架以及紡機分梳輥用金屬針布等零件的去毛刺加工，去除毛刺的效果良好，形成了要求的光滑圓弧，且獲得了較好的表面質量。
o 噴油嘴內孔去毛刺
o 金屬針布去毛刺
噴油嘴內孔孔徑一般為0.25~0.5mm，去毛刺工藝裝置。采用正交試驗法得出優選工藝參數為：電解液為濃度約12%的硝酸鈉溶液，加工間歇0.1mm，脈沖寬度200ms，脈沖頻率1000Hz，加工電流，加工電壓15V，加工時間6s。加工后成功去除了噴油嘴內孔毛刺，并形成了約R0.1mm圓角，加工表面粗糙度達到Ra1.6um。
紡織機械中的分梳輥用金屬針布外形。由于該零件為低剛度薄壁零件，采用機加工方法去毛刺較困難。采用脈沖電化學去毛刺時，優化工藝參數為：電解液為濃度約10%的硝酸鈉溶液，加工間隙0.2mm，脈沖周期1ms，脈沖間隔0.5ms，加工電流，加工電壓10V，加工時間5s。去毛刺效果及加工表面質量良好。
由于電解液具有一定腐蝕作用，因此電化學去毛刺加工后應采用超聲波清洗等方法及時清洗工件，也可采用硝酸鈉和*水溶液進行防腐處理。
DJK6032電化學去毛刺機床主要由機床主機、電源電控系統、電解工作液系統、電極夾具等組成。
主機
DJK6032電化學去毛刺機床主機采用全防腐鋼板焊接結構，工作區域為全不銹鋼制成，用花崗巖制成工作臺置于機床床身上，耐腐蝕，絕緣性好。床身兩側為主柱，立柱支撐固定橫梁，橫梁上安置主軸部件和氣控箱。
主軸部件也采用全防腐結構，用氣控驅動，上下滑動采用雙導柱形式。
在加工區域后側為電解工作液進回液口。進液口通過軟管與電解工作液槽連通，回液口通過回液管使工作腔內的工作液回入電解液系統內。
在加工區域后上方備有空氣抽風口，可與廠房通風管相聯接，以消除加工過程中由于電解工作液的流動可能產生的霧氣。
主要技術參數和規格：
1、工作臺尺寸：600mm×320mm
2、主軸行程：200mm
3、主軸至工作臺zui大距離：450mm
4、壓縮空氣（現場提供）：0.6 Mp
電源及控制系統
DJK6032電化學去毛刺機床的電氣系統分為直流電源和控制系統二部分。
電化學去毛刺電源：
電化學去毛刺加工電源采用晶閘管整流電源。電源電壓可調，電流實現分檔定值控制。電源的輸出具有穩壓運行性能，還具有過流、短路等保護功能。
本機床配置電解電源主要參數：
電源輸出額定電壓：DC24V
電源zui大輸出電流：600A（根據工件去毛刺面積和工位數來選電流大小）
電源調壓范圍：DC 6—24V
控制系統:
控制系統由可編程控制器、機床電器、短路檢測電路等組成。
可編程控制器用于手動操作和自動循環的控制。手動操作是壓緊導電塊移動、主泵開關、短路檢測、過濾啟動等按鈕開關來接通和斷開各控制的工作方式。自動循環是機床處在原位時，按下啟動按鈕，自動執行一個周期操作。操作完后機床停在原位上。
機床電器是由控制電氣系統的電源和溫度檢測組成。電氣系統的電源控制由急停按鈕，帶鎖開關，準備按鈕控制。
溫度檢測系統由探頭、控制儀組成。當探頭（傳感器）受工作液變化而變化，溫度信號由探頭送控制儀并顯示。
考慮到電解加工時可能造成的零件與電極間的短路燒傷，機床在加工前采用短路檢測電路對零件進行檢測和顯示。當檢測到電極與零件發生短路時短路檢測電路將切斷加工。
電解液系統
電解液槽由不銹鋼焊接而成，輸液主泵采用泵業制造公司丹麥格蘭富（GRUNDFOS）生產的 SPK 型浸入式不銹鋼泵。
電解液在長期使用后，其中所含的金屬氫氧化物和其它雜質不斷增加，這將使電解液的粘度增大，影響電解液在加工間隙內的流動，嚴重時會發生短路，造成工件和電極的損壞。本系統對電解液進行粗、精兩道過濾。粗過濾采用全防腐的紙帶過濾機過濾，以去除電解液中的雜質和大顆粒蝕除產物。精過濾采用濾芯過濾，由于蝕除產物——金屬氫氧化物顆粒細微，須定期對過濾器及濾芯進行清洗和更換。
主要技術參數：
（1） 外形尺寸：1750×1050×700mm3
（2） 液槽容積：1.2 m3
（3） 主泵流量：4000L/H
（4） 主泵揚程：47m
（5） 主泵功率：AC380V 50HZ 1．1KW
工具電極夾具單元及對工件的要求
工具電極夾具采用固定式陰極結構，每套電極夾具根據工件去毛刺部位的具體去毛刺結構及要求，專門設計制造。
陽極和陰極（即工件和電極）之間的金屬接觸會出現短路，導致電極和工件的損壞。因此有必要對工件上毛刺的大小和方向作如下規定：
1、毛刺須與電極插入方向平行；
2、毛刺長度不大于 0.8mm（特殊情況需方允許時特殊處理）；
3、毛刺厚度zui大為 0.15mm。
4、去毛刺部位的位置度誤差不能超過0.2mm，位置度誤差過大時只能采用大于去毛刺部位大小的電極加工，擴大加工范圍（在工藝允許時）。
如果由于前道工序非正常切削加工，而使工件產生超過上述要求的飛邊毛刺時，應當調整切削加工工序，使產生的毛刺符合上述要求，或用手工工具將毛刺飛邊預先去除后，方可進行加工。
吸附在工件上的脫落的切屑以及污物也會造成加工時的短路故障、加工缺陷以及不良的導電接觸，因此，工件必須經過前道清洗后才能進行加工。
工件去毛刺加工后，零件表面粘附有電解液，須進行清洗并作工序間暫時性防銹處理。
去毛刺工序的前后清洗由需方負責。
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