学文网一、电解加工的基本原理
电解加工是基于电化学反应获得制品的一种工艺技术,它利用外电源使金属发生电化学阳极溶解,从而加工出具有一定尺寸和表面精度的零件。
电解加工的装置从外形上有些类似于机械加工机床,比如说加工型孔,型腔的电解加工机床类似于铣床;而深孔和膛线电解加工机床又与深孔钻床的形状相似。但是在设备配套的电源、电解液循环系统、工具电极和夹具等方面有着实质的区别。
电解加工电源的基本类型包括直流电源和脉冲电源,直流电源国内常用的是可控硅直流电源和Anocut直流电解加工电源。脉冲电源现在多采用功率半导体器件的电解加工脉冲电源,均处于工程化阶段,主要类型有:SCR脉冲电源、GTO斩波脉冲电源、MOSFET斩波脉冲电源。
电解液系统的功能包括供液、净化和三废处理三个主要方面。现在使用的典型的电解液系统包括德国AEG公司配置的电解液系统和英国R.R.公司的电解液系统。系统包括主泵、电解液槽、热交换器、净化装置等部分。
电解加工夹具除了对工件装夹固定之外,还要有工具电极和工件加工位置的电解液流道结构,这样才能排除电解加工过程中的电蚀产物,避免影响电解加工质量。***1为电解加工设备的组成框***。
***1 电解加工设备组成框***
电解加工是一种非接触式加工工艺,工件和工具电极间需要间隙进行电解液流动、进行电化学反应,排除电解产物,电解液的成分、比例对电解加工质量有着决定的影响。目前从理论上还不能得到某种金属或合金的最适宜的电解液成分和比例,主要还是通过实验决定。确定加工间隙和选用合适的电解液构成了电解加工的核心工艺要素,决定着电解加工工艺指标(加工精度、表面质量、生产效率等)的选定。
二、电解加工在模具抛光中的应用
抛光是一种表面光整加工方法,用于降低工件的表面粗糙度和改善表面力学性能,而不用于工件的形状和尺寸加工。当模具零件使用过一段时间后,成形零件表面的质量会有所下降,如果保养不当还会有部分区域出现锈蚀的现象,此时可以采用电解抛光的方法去恢复成形零件的表面质量。由于电解反应出现的位置是在工件和电极的顶端,电解蚀除量很小,因此电解抛光对机械加工后的表面精加工也有很好的加工效果。
1.电解抛光和传统的电解加工的主要区别
第一,电解抛光的设备比较简单,不需要电解加工那样需要昂贵的机床和复杂的控制系统,由于电解抛光电极在加工表面以手动的方式不断的运动,所以不需要脉冲电源,用直流电源即可。
第二,因为加工方式单一,电解抛光的电极形状简单,只要保证工件最小的结构尺寸位置,可以被电极加工到,就可以满足要求。
第三,电解抛光的加工间隙大,有利于表面的均匀溶解。而且电流密度小,对电解液的流速没有什么要求。
机械抛光相比,电解抛光的工作效率要高,抛光后表面会生成致密牢固的氧化膜,这层氧化膜会提高金属表面的耐腐蚀性能,不会产生加工变质层,也不会形成新的残余应力,加工过程中不会受到工件材料硬度的限制。当工件形状复杂的时候,局部轮廓很难用机械抛光方法加工的时候,电解抛光方法将很容易实现复杂轮廓的抛光。
2.电解抛光的工艺参数
在用电解抛光方法加工模具零件的过程中,首先要选定电解抛光的工艺参数,主要的工艺参数有以下几个方面:
(1)电解液的成分、比例对抛光质量有着非常重要的影响。目前从理论上还没有明确哪种金属或是合金应该采用何种电解液,主要的方法还是通过实验来确定。对一些模具零件常用的金属材料,现已经得出比较理想的电解液。几种常用工件材料所适用的电解液配方见表。
(2)电解液温度及其电解液流速的影响。电解液温度要控制在适当的范围,温度过低时,阳极表面易钝化、结疤,使加工无法正常进行;温度过高时,电解液可能会局部沸腾、蒸发,导致出现空穴现象,使该处加工中止。实践表明,电解加工高温耐热合金及铁基合金、结构钢等材料,液温以20℃~40℃为宜,但使用NaCl电解液加工钛合金则要求在40℃以上方能得到理想表面。在电解加工过程中,由于抛光区域需要补充清洁电解液及排屑,电解液需要处于流动状态,从而保证最适宜的抛光环境。
表 几种常用工件材料所适用的电解液配方
(3)工件表面起始加工条件的影响。电解抛光对金属起始表面状态有比较高的要求,表面如果很粗糙则抛光效果很差。表面粗糙度在Ra0.8~Ra2.5μm时,电解抛光才有显著的效果,最适合电解抛光的表面是在Ra0.3~Ra0.6μm,这种表面金相组织均匀,细密,抛光后表面粗糙度可以达到Ra0.2μm以下,作为模具成形零件使用能大大提高产品的表面质量。
此外,金属表面的抛光质量还受到电参数、电解抛光持续时间、电极材料、电极形状及加工间隙等影响。
三、模具零件电解抛光工具的设计
针对一模具型腔设计其电解抛光工具,工件材料选择不锈钢,为达到更好的抛光效果,在抛光前首先要对工件进行前处理,应该去除表面油污和变质层。可以采用水洗的方法对模具型腔零件进行去油操作,处理后把工件用布擦净。
根据实验效果,选用10%NaNO3+10%NaCl配方的电解液,电解液在加工过程中需要具有流动性并进行过滤,设计电解液槽及循环净化装置如***2所示。
这套装置的电源采用的是24V直流电源,电源的正极接工件,负极接工具电极。电解液按10%NaNO3+10%NaCl比例配制,工件固定在槽底。电解液的循环和净化由电解液泵和过滤器来完成。电解抛光的过程是手动的方式完成的,这样省去了工具电极的自动进给调节装置。加工间隙是由一层绝缘膜来实现的。对绝缘膜的要求首先是绝缘性能,其次由于电解反应过程中局部的高温,所以绝缘膜还要求有较高的耐热性。这里选用的是烤肉店经常使用的烧烤用纸,这种纸具有绝缘性,而且可以承受食物加热时的高温,可以满足电解过程的要求,既能提供加工间隙又能够在局部高温的工作环境下使用。在抛光表面铺上一层绝缘膜后,就可以用电极在工件表面划动还不用担心短路。由于电解液处于流动状态而且工具电极相对工件是运动的,虽然电源是直流电,但也不会造成局部连续放电而产生局部过烧的现象。在模具型腔零件上整体抛光完成一次后,就可以把绝缘膜拿下,用毛刷轻洁工件表面,然后铺上绝缘膜进行第二次抛光,如此反复三到四次即可发现工件表面明显的改善,实际表面的粗糙度也有了明显的降低。降低量与工件初始表面粗糙度有关,工件初始加工表面质量越好,抛光的效果越显著。
1-工件 2-直流电源 3-电极 4-电解液 5-绝缘膜 6-过滤器 7-电解液泵
***2 电解抛光工具设计原理***
除了上述方法外,还有另一种设计电极的方法,在没有绝缘膜的条件下,可以将电极用非金属耐高温材料包覆起来,可以考虑用石膏或者是陶瓷材料制作,并且与电极的配合做成可调式,它们之间可以采用螺纹联接的方式,这样不仅解决了加工间隙的问题,而且间隙的大小可以调节,可以通过试验法找到当前工件材料最适合的加工间隙。电极设计***如***3所示。电极可以在石膏内旋入旋出,来调整加工间隙,而且间隙是可以测得的。这样只需要用电极直接在工件表面移动,而不需要绝缘膜。
抛光完成后对工件表面涂上一层防锈剂,电解液浸泡后的金属表面易氧化,所以要加以保护,到此电解抛光工序完成。
四、电解抛光技术的发展前景
随时生产技术的不断进步,学科的创新往往需要多学科技术的综合,或者对其他学科的技术进行改良、创新,再应用到本学科中去。电解抛光技术是电化学加工技术的一种,经过改良后应用到模具零件的表面处理和保养中去,可以起到事半功倍的效果。以上是利用电解抛光技术对模具零件进行抛光加工的设计,还需要在实际生产和应用中不断地完善。相信电解抛光技术未来一定能为模具制造行业的发展增添动力。
(作者单位:广东省国防科技技师学院)
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