电火花成型加工表面光整工艺应用探讨

      现代工业中，电火花加工被广泛地应用于模具制造和难加工材料的加工中。然而由于电火花成型加工（EDM）过程中，加工后的表面会产生微观组织变化、再结晶，并存在热损伤区、残余应力等缺陷，该类表面比普通机械加工表面更难以抛光。电化学抛光用于Ra0.8μm以下的表面时效果较好，可获得Ra0.2μm左右的表面，但很难获得更好的表面。电化学机械加工（ECMM）可获得粗糙度值为Ra0.2μm的高质量表面，但它不适合加工粗糙度大于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应用于EDM粗糙表面的光整技术是十分必要的。脉冲电化学光整加工技术（PECF）是近年来发展起来的一种非传统光整加工技术。与上述工艺相比，该工艺使用脉冲电流和中性电解液，而且只需一个简单的工具阴极和一台脉冲电源。另外该工艺不受材料表面硬度的限制，不产生切削力，在工件表面几乎不产生加工温升，因此不易产生工件变形。

      在电火花成型表面上进行了脉冲电化学光整加工技术的实验研究。研究表明：脉冲电流密度、脉冲频率及极间间隙对表面光整效果有显著影响。通过实验给出了合适的工艺参数值。该工艺可将Ra1.6μm的普通电火花加工表面光整达到Ra0.042μm的表面。电脉冲电化学光整电火花成型表面。

1 实验原理

电火花成型机床加工表面的脉冲电化学光整加工原理。工件接脉冲电源阳极，工具接脉冲电源的阴极。两极之间保持一定的间隙。电解液由泵供给到工件和工具阴极之间。光整加工过程中工具阴极由步进电动机控制实现往复运动。

在脉冲电化学光整加工过程中，由于电火花成型加工后所得到的粗糙表面同时存在着高点和凹坑，使微观电场分布呈现非均匀性，高点处电力线集中而形成较大电流密度，电化学反应速度较快，金属溶解也快；在凹谷处，电力线分散而形成较小电流密度，电化学反应速度较慢，金属溶解也慢。另一方面则由于采用了中性电解液，在阳极金属表面发生电化学溶解的同时，阳极表面还会形成一层钝化膜，该钝化膜将会缓解阳极溶解的进一步进行。因此，阳极金属表面高点处较薄的钝化膜具有较小电阻，电流密度较大，对电化学反应速度影响不大，对金属溶解速度影响也不大；而阳极金属表面凹谷处较厚的钝化膜具有较大电阻，电流密度较小，电化学反应速度会进一步减慢，金属溶解也进一步减慢。

这样，在以上两种情况的同时作用下，高点凸起处金属溶解较快，而凹谷处金属溶解较慢，随着脉冲电化学光整加工的进行，工件凹凸处的差值逐渐减小，zui终工件表面得到整平，减小了表面粗糙度值，达到光整加工的目的。

2 实验方案
    试件材料：9CrWMn钢，平面，30mm×50mm
    原始表面：普通EDM加工，粗糙度：Ra1.6μm。
    阴极材料：铜或不锈钢
    电解液成分：NaNO3（10％～20％）+H2O+添加剂．
    极间间隙：0.3～0.6mm
    阴极轴向往复移动速度：5～20mm/s
    极间电压：12～30V
    脉冲电流密度：40～50A／cm2
    脉冲频率：１～20kHz
    占空比：10％～30％
    实验结果表明，上述工艺参数合理匹配，就能获得良好的光整加工效果。

3 主要工艺参数的影响

（1） 脉冲电流密度的影响

脉冲电流密度对光整加工的效果影响很大。在光整加工过程中，当电流密度较小时，电流效率很低，阳极表面*为黑色膜层所覆盖，表明阳极处于*钝化状态；随着电流密度的增大，电流效率急剧升高。观察阳极表面，可发现黑膜覆盖的面积在迅速减小，光亮部分逐渐扩大。这表明阳极钝化减弱，钝化膜溶解，向超钝化过渡；电流密度继续增大时，电流效率达到zui大值，并且逐渐趋于稳定，阳极黑膜逐渐溶解，表面全部现出光亮。这表明阳极处于超钝化溶解状态。

（2） 脉冲频率的影响

脉冲频率的变化并不影响脉冲电流密度，但脉冲频率的增加有助于产生压力波，从而改善流场并使电解液去极化，有助于提高表面质量。

在其它工艺参数相同的情况下，脉冲频率对表面粗糙度值Ra的影响。脉冲频率越高，所获得表面的Ra值就越小，并且近似呈指数关系。因此脉冲电化学光整加工宜使用高的脉冲频率。但是过高的脉冲频率对表面粗糙度值的降低已不产生显著影响，并且会增加电源的设计和可靠性难度。

（3） 极间间隙的影响

脉冲电化学光整加工需要小的极间间隙，当极间间隙减小时会提高整平作用，有利于提高加工精度，改善表面质量。通过实验发现该值以0.3～0.6mm较为合适。但极间间隙过小，会使液流阻力过大，电流密度增大，使电解液温升过快，电解产物及其产生的热量来不及排出，易导致短路现象，反而影响加工精度和表面质量。而极间间隙过大则会使脉冲电流密度降低，电解液供给不充分，甚至使光整加工基本不产生效果。

4 实验结果

电火花加工所产生的表面上的凸起基本上都被光整整平了，光整后的表面没有明显的凸起和凹坑。这样的表面不但粗糙度好，而且支撑长度率也高。

脉冲电化学光整加工过程中，同时存在着宏观整平与微观整平现象。宏观整平现象是由电流分布来控制的，阳极整平速度由轮廓的几何形状和常规的电化学条件所决定，较粗糙的原始表面经过电化学光整加工后，粗糙度或波纹度值逐渐减小，工件表面被整平；微观光整作用是由表面动力学来控制的，它是结晶学腐蚀受表面不同晶位上原子的无序移动所抑制的结果。当电流密度在临界电流密度以上时可获得光亮的表面。

    （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

心得感言：脉冲电化学光整加工技术是一种新型的光整加工技术，经研究已可以应用于普通电火花加工后表面的光整。该工艺不产生切削力和切削热，工具阴极无损耗，使用中性电解液，对环境危害小，工艺过程也相对简单。

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