采用電火花加工后工件表面電脈沖光整技術(shù)解析
在電火花成型表面上進(jìn)行了脈沖電化學(xué)光整加工技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。研究表明：脈沖電流密度、脈沖頻率及極間間隙對表面光整效果有顯著影響。通過實(shí)驗(yàn)給出了合適的工藝參數(shù)值。該工藝可將Ra1.6μm的普通電火花加工表面光整達(dá)到Ra0.042μm的表面。
現(xiàn)代工業(yè)中，電火花加工（電火花線切割，電火花穿孔機(jī)，電火花成型機(jī)，電火花去毛刺機(jī)）等被廣泛地應(yīng)用于模具制造和難加工材料的加工中。然而由于電火花成型加工（EDM）過程中，加工后的表面會產(chǎn)生微觀組織變化、再結(jié)晶，并存在熱損傷區(qū)、殘余應(yīng)力等缺陷，該類表面比普通機(jī)械加工表面更難以拋光。電化學(xué)拋光用于Ra0.8μm以下的表面時效果較好，可獲得Ra0.2μm左右的表面，但很難獲得更好的表面。電化學(xué)機(jī)械加工（ECMM）可獲得粗糙度值為Ra0.2μm的高質(zhì)量表面，但它不適合加工粗糙度大于Ra1.6μm的表面。EDM成型的模具表面粗糙度一般大于Ra1.6μm。
因此，研究效率更高且可直接應(yīng)用于EDM粗糙表面的光整技術(shù)是十分必要的。脈沖電化學(xué)光整加工技術(shù)（PECF）是近年來發(fā)展起來的一種非傳統(tǒng)光整加工技術(shù)。與上述工藝相比，該工藝使用脈沖電流和中性電解液，而且只需一個簡單的工具陰極和一臺脈沖電源。另外該工藝不受材料表面硬度的限制，不產(chǎn)生切削力，在工件表面幾乎不產(chǎn)生加工溫升，因此不易產(chǎn)生工件變形。
本文研究了將脈沖電化學(xué)表面光整加工工藝應(yīng)用到電火花成型表面的基礎(chǔ)問題，并通過試驗(yàn)取得理想效果。
1 實(shí)驗(yàn)原理
圖1是電火花成型表面的脈沖電化學(xué)光整加工原理示意圖。工件接脈沖電源陽極，工具接脈沖電源的陰極。兩極之間保持一定的間隙。電解液由泵供給到工件和工具陰極之間。光整加工過程中工具陰極由步進(jìn)電動機(jī)控制實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動。
在脈沖電化學(xué)光整加工過程中，由于電火花成型加工后所得到的粗糙表面同時存在著高點(diǎn)和凹坑，使微觀電場分布呈現(xiàn)非均勻性，高點(diǎn)處電力線集中而形成較大電流密度，電化學(xué)反應(yīng)速度較快，金屬溶解也快；在凹谷處，電力線分散而形成較小電流密度，電化學(xué)反應(yīng)速度較慢，金屬溶解也慢。另一方面則由于采用了中性電解液，在陽極金屬表面發(fā)生電化學(xué)溶解的同時，陽極表面還會形成一層鈍化膜，該鈍化膜將會緩解陽極溶解的進(jìn)一步進(jìn)行。因此，陽極金屬表面高點(diǎn)處較薄的鈍化膜具有較小電阻，電流密度較大，對電化學(xué)反應(yīng)速度影響不大，對金屬溶解速度影響也不大；而陽極金屬表面凹谷處較厚的鈍化膜具有較大電阻，電流密度較小，電化學(xué)反應(yīng)速度會進(jìn)一步減慢，金屬溶解也進(jìn)一步減慢。
這樣，在以上兩種情況的同時作用下，高點(diǎn)凸起處金屬溶解較快，而凹谷處金屬溶解較慢，隨著脈沖電化學(xué)光整加工的進(jìn)行，工件凹凸處的差值逐漸減小，最終工件表面得到整平，減小了表面粗糙度值，達(dá)到光整加工的目的。
2 實(shí)驗(yàn)方案
試件材料：9CrWMn鋼，平面，30mm×50mm
原始表面：普通EDM加工，粗糙度：Ra1.6μm。
陰極材料：銅或不銹鋼
電解液成分：NaNO3(10％～20％)+H2O+添加劑．
極間間隙：0.3～0.6mm
陰極軸向往復(fù)移動速度：5～20mm/s
極間電壓：12～30V
脈沖電流密度：40～50A／cm2
脈沖頻率：１～20kHz
占空比：10％～30％
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述工藝參數(shù)合理匹配，就能獲得良好的光整加工效果。
3 主要工藝參數(shù)的影響
3.1 脈沖電流密度的影響
脈沖電流密度對光整加工的效果影響很大。在光整加工過程中，當(dāng)電流密度較小時，電流效率很低，陽極表面完全為黑色膜層所覆蓋，表明陽極處于完全鈍化狀態(tài)（如圖2a）；隨著電流密度的增大，電流效率急劇升高。觀察陽極表面，可發(fā)現(xiàn)黑膜覆蓋的面積在迅速減小，光亮部分逐漸擴(kuò)大。這表明陽極鈍化減弱，鈍化膜溶解，向超鈍化過渡（如圖2b）；電流密度繼續(xù)增大時，電流效率達(dá)到最大值，并且逐漸趨于穩(wěn)定，陽極黑膜逐漸溶解，表面全部現(xiàn)出光亮。這表明陽極處于超鈍化溶解狀態(tài)（如圖2c）。
3.2 脈沖頻率的影響
脈沖頻率的變化并不影響脈沖電流密度，但脈沖頻率的增加有助于產(chǎn)生壓力波，從而改善流場并使電解液去極化，有助于提高表面質(zhì)量。
圖3是在其它工藝參數(shù)相同的情況下，脈沖頻率對表面粗糙度值Ra的影響。脈沖頻率越高，所獲得表面的Ra值就越小，并且近似呈指數(shù)關(guān)系。因此脈沖電化學(xué)光整加工宜使用高的脈沖頻率。但是過高的脈沖頻率對表面粗糙度值的降低已不產(chǎn)生顯著影響，并且會增加電源的設(shè)計(jì)和可靠性難度。
3.3 極間間隙的影響
脈沖電化學(xué)光整加工需要小的極間間隙，當(dāng)極間間隙減小時會提高整平作用，有利于提高加工精度，改善表面質(zhì)量。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該值以0.3～0.6mm較為合適。但極間間隙過小，會使液流阻力過大，電流密度增大，使電解液溫升過快，電解產(chǎn)物及其產(chǎn)生的熱量來不及排出，易導(dǎo)致短路現(xiàn)象，反而影響加工精度和表面質(zhì)量。而極間間隙過大則會使脈沖電流密度降低，電解液供給不充分，甚至使光整加工基本不產(chǎn)生效果。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖4a是電火花加工后的試件表面圖片，圖4b是脈沖電化學(xué)光整后的試件表面圖片。圖5是相對應(yīng)的表面粗糙度曲線。由圖中可以看出，電火花加工所產(chǎn)生的表面上的凸起基本上都被光整整平了，光整后的表面沒有明顯的凸起和凹坑。這樣的表面不但粗糙度好，而且支撐長度率也高。
脈沖電化學(xué)光整加工過程中，同時存在著宏觀整平與微觀整平現(xiàn)象。宏觀整平現(xiàn)象是由電流分布來控制的，陽極整平速度由輪廓的幾何形狀和常規(guī)的電化學(xué)條件所決定，較粗糙的原始表面經(jīng)過電化學(xué)光整加工后，粗糙度或波紋度值逐漸減小，工件表面被整平；微觀光整作用是由表面動力學(xué)來控制的，它是結(jié)晶學(xué)腐蝕受表面不同晶位上原子的無序移動所抑制的結(jié)果。當(dāng)電流密度在臨界電流密度以上時可獲得光亮的表面。
(高度放大V=5000，
水平放大H=200)
(b)PECF后，Ra =0.042μm
(高度放大V=2000，水平放大H=50)
(a)PECF前，Ra =1.6μm
脈沖電化學(xué)光整加工技術(shù)是一種新型的光整加工技術(shù)，經(jīng)研究已可以應(yīng)用于普通電火花加工后表面的光整。該工藝不產(chǎn)生切削力和切削熱，工具陰極無損耗，使用中性電解液，對環(huán)境危害小，工藝過程也相對簡單。
獲得良好的表面質(zhì)量的關(guān)鍵是工藝參數(shù)的合理匹配。在光整加工過程中，脈沖電流密度應(yīng)大于臨界電流密度值，極間間隙也要控制在合理的范圍內(nèi)。
脈沖電化學(xué)光整加工技術(shù)通過與數(shù)控技術(shù)的結(jié)合也可以應(yīng)用到其他復(fù)雜曲面的光整加工中，并且可以應(yīng)用到一些模具型腔的光整加工中。但對于不同材料，要想得到理想表面，其工藝參數(shù)如電流密度、極間間隙等還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和研究。
蘇州中航長風(fēng)數(shù)控科技有限公司（http://www.zhcfsz.com）多年從事電火花機(jī)床系列的生產(chǎn)，研發(fā)，其下目前投放市場的產(chǎn)品有：線切割機(jī)床，去毛刺機(jī)床，中走絲線切割，火花機(jī)，電火花成型機(jī)，電火花小孔機(jī)，取斷絲錐機(jī)等-公司一條龍服務(wù)，提供技術(shù)支持。
