葉書強(qiáng)

(北京市電加工研究所,北京 100191)

聚晶金剛石復(fù)合片(簡(jiǎn)稱為復(fù)合片)是以硬質(zhì)合金為襯底,將人造金剛石粉末用結(jié)合劑通過(guò)高溫、高壓燒結(jié)而成,是目前生產(chǎn)中使用的硬度和耐磨性較理想的刀具或工具。硬質(zhì)合金層以鎢為主要成分,將碳化鎢和碳化鈦粉末以鈷為結(jié)合劑燒結(jié)而成。這種碳化鎢-碳化鈦-鈷合成的硬質(zhì)合金具有高溫下硬度不降低、韌性較好、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)。

為適應(yīng)市場(chǎng)需求,復(fù)合片的制作直徑越來(lái)越大,厚度越來(lái)越薄,使制作和加工難度增大。圖1是一種大面積復(fù)合片硬質(zhì)合金層加工要求結(jié)構(gòu)圖,其直徑為60mm,成品厚度1.5±0.015mm,要求加工后復(fù)合片的硬質(zhì)合金面與聚晶金剛石表面平行度≤0.02mm。若采用純機(jī)械磨削硬質(zhì)合金層,往往由于磨削力和產(chǎn)生的熱作用,使工件產(chǎn)生大的變形,難以達(dá)到平面度要求。下面介紹本文研究的一種加工大面積、薄型復(fù)合片硬質(zhì)合金層的方法——電解平面磨削。

圖1 大面積復(fù)合片硬質(zhì)合金層加工要求結(jié)構(gòu)圖

1 電解平面磨削的原理和特點(diǎn)

電解平面磨削基本原理是利用電化學(xué)(電解)和機(jī)械磨削作用相結(jié)合去除金屬材料的一種加工方法。加工時(shí),工件接直流電源的正極(陽(yáng)極),導(dǎo)電磨輪接直流電源的負(fù)極(陰極);磨輪與工件接觸并對(duì)工件施加一定的壓力;磨輪上凸出的磨料使工件與磨輪金屬基體間形成極小的間隙;當(dāng)電解液進(jìn)入間隙并接通電源時(shí),工件表面被電解,形成一層氧化膜(又稱鈍化膜)。鈍化膜的電阻很大,它阻礙(或減慢)陽(yáng)極的電化學(xué)溶解過(guò)程。為使陽(yáng)極(工件)繼續(xù)正常電解,要用磨輪及時(shí)刮除鈍化膜(鈍化膜隨即被電解液沖走),使陽(yáng)極表面重新活化。電解磨削過(guò)程中被加工表面電解、鈍化、機(jī)械活化不斷交替進(jìn)行,使工件連續(xù)被加工,直至達(dá)到尺寸精度與表面粗糙度要求。

與純機(jī)械磨削比較,電解磨削加工大面積、薄型復(fù)合片的硬質(zhì)合金層有下列特點(diǎn):

(1)加工切削力小。電解磨削硬質(zhì)合金的過(guò)程主要是電化學(xué)溶解過(guò)程,與材料的物理機(jī)械性能基本無(wú)關(guān)。磨輪的主要作用是去除鈍化膜和未被電解的碳化物骨架,因此磨削力小,磨削熱低,工件的加工變形小。

(2)加工效率高。電化學(xué)溶解速度非?？?電解成膜時(shí)間在10-2s以內(nèi)),因此電解磨削進(jìn)給頻率比純機(jī)械磨削快。合理控制電參數(shù),可使粗、中、精加工在一次裝夾中完成。

(3)加工成本低。電解磨削硬質(zhì)合金所需切削力小,機(jī)床受力小,磨輪磨耗低,綜合成本較低。

(4)被加工表面質(zhì)量好。電解磨削后的硬質(zhì)合金表面粗糙度值可穩(wěn)定達(dá)到 Ra≤0.1μm(普通機(jī)械磨削后Ra≥0.4μm)。加工表面不會(huì)出現(xiàn)表面裂紋、灼傷、崩裂和毛刺等現(xiàn)象。

2 電解平面磨削復(fù)合片硬質(zhì)合金面的加工方式選擇

普通機(jī)械平面磨削有兩種方式:臥軸平面磨削和立軸平面磨削。由于臥軸平面磨削的磨輪與工件是點(diǎn)或線接觸,用于電解磨削,其導(dǎo)電面積少,因此電解平面磨削采用端面磨輪的立軸平面磨削。立軸電解平面磨削有兩種方法,一種是“中級(jí)法”,另一種是導(dǎo)電磨輪法。所謂“中級(jí)法”是將磨輪與陰極電極分開,采用這種方法,需要增設(shè)裝夾電極的陰極托架,由于陰極托架結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度要求高,電解平面磨削多采用導(dǎo)電磨輪法。圖2是本文采用的一種電解平面磨削復(fù)合片硬質(zhì)合金面的機(jī)械結(jié)構(gòu)和加工方式簡(jiǎn)圖。

圖2 一種電解平面磨削工件的機(jī)械結(jié)構(gòu)和加工方式簡(jiǎn)圖

3 影響電解平面磨削復(fù)合片硬質(zhì)合金面加工精度的主要因素

3.1 電解液成分和濃度的影響

電解液成分和濃度對(duì)加工精度影響很大,被加工表面的鈍化膜是電解過(guò)程中電解質(zhì)與硬質(zhì)合金發(fā)生氧化生成的。電解液中的電解質(zhì)成分和濃度配比合適,可使被加工表面生成低價(jià)氧化(鈍化)薄膜(呈蘭紫色),這層鈍化膜結(jié)構(gòu)緊密,電阻大,不易被電解液沖脫,一定程度上阻礙了被加工表面非控制地連續(xù)溶解。當(dāng)一個(gè)磨削循環(huán)開始,磨輪刮除這層鈍化膜,活化的金屬迅速被電解,而后再生成新的鈍化膜,這樣隨著磨輪的不斷進(jìn)給,工件一層層地被去除,加工精度得到控制。如果電解液中的電解質(zhì)氧化作用過(guò)強(qiáng),硬質(zhì)合金表面將生成結(jié)構(gòu)疏松的高價(jià)氧化膜(呈灰白色),工件表面高低點(diǎn)的電化學(xué)溶解速度趨近,磨輪將無(wú)法整平工件表面,會(huì)導(dǎo)致沿電解液流動(dòng)軌跡出現(xiàn)高低不平的狀況。

3.2 磨輪參數(shù)的影響

在加工過(guò)程中,由于某一瞬間工件表面電解不充分,其上殘存未電解的高點(diǎn),此時(shí)利用磨輪將這些高點(diǎn)磨除,恢復(fù)正常電解磨削過(guò)程,這是磨輪的一個(gè)重要作用,因此選擇磨輪參數(shù)是電解平面磨削的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。磨輪參數(shù)主要包括磨料材質(zhì)、磨料粒度、磨料濃度、磨輪環(huán)寬等。它們的主要影響有:

(1)磨料粒度的影響。粒度細(xì)可減小陰陽(yáng)極間間隙,有利于去除表面凸起部分的鈍化膜,加快工件表面的整平速度,降低工件表面粗糙度值。但粒度過(guò)細(xì),會(huì)造成陰陽(yáng)極間間隙太小,阻礙電解液進(jìn)入,導(dǎo)致電解不正常,且由于磨粒與基體固接部分少,易脫落,引發(fā)短路,燒傷工件表面。磨料過(guò)粗,不僅電解效率低,而且易劃傷工件表面。

(2)磨料濃度的影響。應(yīng)選擇足夠的磨料濃度,以便延長(zhǎng)磨輪端面平整度保持時(shí)間,減少修整頻次,提高使用壽命;但磨料濃度過(guò)高,就會(huì)加大磨輪的制造成本。

(3)磨輪環(huán)寬的影響。磨輪環(huán)寬增大,會(huì)增加磨輪與工件的導(dǎo)電面積,有利于提高電解效率。然而,隨著磨輪環(huán)寬的增大,磨輪端面的自身平面度要求就高,否則由于自身平面度差,極間間隙不均勻,電解液難于充分進(jìn)入間隙,加工精度反而降低。

(4)磨料材質(zhì)的影響。本文選用聚晶金剛石磨料,有利于純機(jī)械磨削時(shí)能有效去除硬質(zhì)合金。

3.3 加工電壓的影響

加工電壓對(duì)加工效率和加工精度影響很大,在其他條件確定的前提下,提高加工電壓,電流密度增大,電解過(guò)程加快。然而電壓過(guò)高,工件表面的鈍化膜難維持,電解速度雖快但不均勻,加工表面不易整平;電壓過(guò)高還可能引發(fā)電蝕現(xiàn)象,加工表面出現(xiàn)凹穴或燒傷。提高電解平面磨削的精度,宜采用低工作電壓,以減緩工件表面電解速度,使生成的鈍化膜不易擊穿,讓電解只在表面凸起處進(jìn)行(高點(diǎn)的極間間隙小,電流密度略高),這有利于提高被加工表面平面度。但陰陽(yáng)極間的加工電壓至少要高于硬質(zhì)合金中各成分的電解電壓(鈷的電解電壓為1.2 V,碳化鎢為1.7 V,碳化鈦為3 V),使合金中各成分同時(shí)發(fā)生陽(yáng)極溶解,故精磨硬質(zhì)合金的極間電壓應(yīng)不低于3 V。若極間電壓僅為1.5 V,只能使鈷電離,此時(shí)硬質(zhì)合金表面鈷離子析出,碳化鎢和碳化鈦仍遺留下來(lái),引發(fā)脫鈷現(xiàn)象(被加工表面色澤不一),雖然這層較硬的碳化鎢和碳化鈦可用磨輪機(jī)械去除,但被加工面的表面粗糙度和平面度變差。

3.4 面積效應(yīng)的影響

復(fù)合片的被加工表面為圓形。電解磨削時(shí),當(dāng)工件移出或移入磨輪表面,兩極間的導(dǎo)電面積逐漸減小或增大,引起了電流密度逐漸增大或減小(面積小時(shí)電流密度大,電解蝕除量多),造成沿移動(dòng)方向工件表面兩端低于中間。由于磨輪端面呈圓環(huán)狀,隨著工件的移動(dòng),沿垂直移動(dòng)方向工件表面由中間向兩端與磨輪重疊幾率逐漸增大(見圖3磨輪中心由 A移動(dòng)到B的覆蓋重疊情況示意圖),兩端與磨輪重復(fù)電解幾率(電解時(shí)間)多于中間,引發(fā)工件表面中凸。這種由于陰陽(yáng)兩極間的電解面積(或重疊幾率)變化而引起電流密度(或電解時(shí)間)的變化,導(dǎo)致被加工表面不平的現(xiàn)象,稱為“面積效應(yīng)”。

圖3 磨輪中心由A移動(dòng)到B的覆蓋重疊情況示意圖

4 提高電解平面磨削復(fù)合片硬質(zhì)合金面加工精度的主要方法

4.1 正確選擇電解液配方

據(jù)有關(guān)資料介紹,加工硬質(zhì)合金宜采用亞硝酸鈉為主的電解液,考慮到亞硝酸鈉對(duì)人體有害,本文選用硝酸鈉替代亞硝酸鈉。硝酸鈉是強(qiáng)電解質(zhì),在水溶液中極易電離,形成電流通道,為電化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造條件;硝酸鈉對(duì)硬質(zhì)合金有極強(qiáng)的氧化能力,能使碳化鎢和碳化鈦氧化,氧化產(chǎn)物溶于弱堿性溶液;硝酸鈉還是良好的阻蝕劑,能使鋼或鐵鈍化,防止機(jī)床、夾具等銹蝕。實(shí)驗(yàn)表明,電解液中增加硝酸鈉含量可促進(jìn)硬質(zhì)合金電解,提高電解速度。但隨著硝酸鈉含量的增加,電解后被加工表面生成高價(jià)氧化物的幾率明顯增大(工件表面明顯可見蘭紫色變淺、灰白色增多),鈍化膜的電阻減小,工件表面變得難于整平。實(shí)驗(yàn)表明,要生成保護(hù)性良好的鈍化膜,電解液中硝酸鈉含量應(yīng)控制在4%～10%。

磷酸氫二鈉在水溶液中電離后,使溶液呈弱堿性,有利于氧化鎢、氧化鈦、氧化鈷溶解;磷酸氫二鈉的鈍性作用為鈍化膜形成提供幫助。在加工硬質(zhì)合金時(shí),電解液中磷酸氫二鈉的含量應(yīng)控制在3%以內(nèi),否則電離后的電解液pH值(堿性)增大,不利于鈍化膜的保持。

硼砂的電離度很小,作為添加劑可使硬質(zhì)合金表面生成較厚,且組織緊密的鈍化膜,可有效減緩工件表面電解。電解液中硼砂的含量在0%～1%范圍內(nèi),作用效果明顯提高,超過(guò)1%不僅作用效果不再增加,而且影響電解液的導(dǎo)電性。

酒石酸鉀鈉是鈷離子的良好絡(luò)合劑,與鈷離子生成絡(luò)酒酸鈷,有利于電解液清潔。另外,對(duì)電解液進(jìn)行過(guò)濾(保持其潔凈),可減少雜質(zhì)混入加工間隙,減少副反應(yīng)的發(fā)生,有利于鈍化膜保護(hù)和加工精度控制。

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn),采用表1配方配置的電解液對(duì)電解平面磨削硬質(zhì)合金的加工精度控制,生成組織緊密、保護(hù)性良好的鈍化膜具有很好的效果。

表1 電解平面磨削硬質(zhì)合金的電解液配方

4.2 正確選擇磨輪參數(shù)

磨輪結(jié)構(gòu)可采用杯形(圖4)或碗形(圖5),盡管鋁制的磨輪支撐體因重量輕可減少磨輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,但鋁易被電解腐蝕,使電阻增大,因此宜采用鋼制的磨輪支撐體。磨輪工作層采用銅基金剛石燒結(jié)式結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇3種不同粒度的磨輪進(jìn)行加工效果比較,結(jié)果見表2。

表2 3種不同粒度導(dǎo)電磨輪加工效果比較

表3是采用極間空載電壓為8～10 V、磨料粒度為100#左右和磨料濃度為75%的同樣條件下對(duì)3種不同環(huán)寬磨輪進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知,選擇表4給出的磨輪參數(shù),對(duì)控制加工精度能起到很好的作用。

表3 3種不同環(huán)寬磨輪實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比

表4 電解平面磨削硬質(zhì)合金的磨輪參數(shù)

除正確選擇磨輪參數(shù)以外,還應(yīng)考慮機(jī)床主軸支撐的剛性和旋轉(zhuǎn)的精度、磨輪的動(dòng)平衡性以及工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的精度和運(yùn)行的平穩(wěn)性等因素,這些對(duì)保證加工精度都十分重要。機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度不高、剛性不足,被加工表面的平面度、表面粗糙度等都會(huì)變差。例如,磨輪端跳或徑跳超過(guò)0.01mm,工件表面會(huì)出現(xiàn)明顯波紋。另外,磨輪使用一段時(shí)間后,端面凸出的磨料磨損,工件與磨輪基體之間間隙減小且變得不均勻,此時(shí)可用“反接處理”方法在機(jī)修整磨輪端面。所謂“反接處理”是將磨輪接電源的正極,修整器(專用于修整導(dǎo)電磨輪的裝置)接負(fù)極,在兩極接直流電(通常電壓為12～16 V),保持電流穩(wěn)定,令磨輪低速旋轉(zhuǎn)(約30 r/min),往復(fù)移動(dòng)修整器并配合少量進(jìn)給,用電解腐蝕磨輪基體的方法進(jìn)行修整?！胺唇犹幚怼辈粌H能恢復(fù)磨輪端面平整度,更主要的是使磨輪上的磨料凸出金屬基體,保持必要且均勻的加工間隙。

4.3 正確選擇加工電壓

電解平面磨削時(shí),直流電源的可調(diào)電參數(shù)是加工電壓。針對(duì)直徑為60mm復(fù)合片的硬質(zhì)合金表面,采用表4給出的磨輪參數(shù),表1給出的電解液配方,在機(jī)床精度及加工狀態(tài)等條件良好前提下進(jìn)行磨削時(shí),加工電壓的高低與工件表面平面度之間的關(guān)系見圖6。由圖6可看出,加工電壓升高,被加工表面平面度變差,其原因之一是提高加工電壓,電流密度增大,面積效應(yīng)使電解不均勻加劇,工件表面中凸增大;原因之二是升高加工電壓,鈍化膜的保護(hù)作用降低,表面低點(diǎn)電解加快,一旦磨輪進(jìn)給過(guò)緩,表面高低差異增大。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn),選用表5確定的參數(shù)進(jìn)行加工,獲得了較好的效果。在粗磨削時(shí)采用較高工作電壓,提高電解磨削效率;在精磨削時(shí)采用較低工作電壓,可將被加工表面平面度控制在0.02mm左右。

圖6 特定條件下加工電壓與被加工表面平面度關(guān)系圖

表5 加工參數(shù)表

4.4 減小面積效應(yīng)的方法

本文采用以下工藝方法,有效減小面積效應(yīng)對(duì)加工精度的影響。

(1)在機(jī)床結(jié)構(gòu)、剛性和精度允許的條件下,盡可能增大磨輪直徑。磨削直徑60mm硬質(zhì)合金表面,采用直徑≥250mm的磨輪,其目的是讓磨輪與工件接觸部分的圓弧趨近直線,減少磨輪與工件相對(duì)移動(dòng)產(chǎn)生的重疊接觸,均衡工件表面各處的電解時(shí)間。

(2)電解磨削時(shí),當(dāng)工件移動(dòng)到兩端極限位置,讓磨輪仍覆蓋一定面積的工件表面(圖7),減小磨輪與工件相對(duì)移動(dòng)因接觸面積變化產(chǎn)生的電流密度變化梯度,均勻去除工件表面,并在移動(dòng)過(guò)程中工件不得脫開磨輪,避免相互接觸(脫開)瞬間的火花放電,避免相互邊緣(小面積)接觸時(shí)因電流密度過(guò)大導(dǎo)致工件塌邊。

圖7 工件移動(dòng)到兩端極限位置時(shí)磨輪覆蓋工件表面狀況示意圖

(3)電解精磨削時(shí),降低工作電壓、減小磨輪與工件的接觸壓力、提高工件縱向移動(dòng)速度(表5),可避免工件表面凹處鈍化膜損傷,縮短磨輪電解表面凹處的時(shí)間,引導(dǎo)和集中電流電解工件表面凸起部分。

(4)電解磨削結(jié)束后,關(guān)閉電源,實(shí)施純機(jī)械修磨(此時(shí)工件移動(dòng)到兩端極限位置時(shí),與磨輪端面脫開,以便磨輪上凸出的每一磨粒都能劃過(guò)工件表面)并配合微量進(jìn)給(進(jìn)給量0.01～0.03mm)。經(jīng)短時(shí)間(1～3min)純機(jī)械修磨,工件表面由銀灰色變?yōu)殓R面金屬光亮,被加工表面平面度達(dá)到 0.01mm,工件的平行度達(dá)到0.015mm以內(nèi)。

5 結(jié)論

綜上所述,電解平面磨削大面積復(fù)合片硬質(zhì)合金表面,控制加工精度應(yīng)采取以下措施:

(1)選擇立軸端面磨輪平面磨削方式,保持機(jī)床、磨輪良好精度,保證工件、夾具的安裝精度。

(2)采用適宜配方(表1)的電解液并保持潔凈,可使加工表面生成組織致密、保護(hù)性良好的鈍化膜。

(3)選擇正確的磨輪參數(shù)(表4),必要時(shí)采用“反接處理”方法在機(jī)修整磨輪端面,恢復(fù)端面平整度和保持均勻的極間間隙,保證電解液充分進(jìn)入加工間隙。

(4)使用適宜的加工電壓(表5),既發(fā)揮電解平面磨削的高效率,又有效控制加工精度。

(5)運(yùn)用合理的工藝方法,如增大磨輪直徑、減少接觸面積變化率,電解精磨削時(shí)降低工作電壓、減小磨輪與工件的接觸壓力、提高工件縱向移動(dòng)速度,減少面積效應(yīng)對(duì)被加工表面平面度的影響。

(6)電解磨削結(jié)束后實(shí)施微量進(jìn)給的純機(jī)械修磨,進(jìn)一步提高加工精度,并使被加工表面達(dá)到低表面粗糙度值。

[1] 曹鳳國(guó).電化學(xué)加工技術(shù)[M].北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社,2005.

[2] 鄧福銘,陳啟武.超硬復(fù)合刀具材料及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[3] 集訓(xùn)資料.電解磨削[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1972.