劉祥偉

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125005)

隨著我國(guó)科技事業(yè)的發(fā)展，需要鏡面加工的工業(yè)領(lǐng)域愈來(lái)愈廣。如石化行業(yè)對(duì)于生產(chǎn)附著性物質(zhì)的聚合釜反應(yīng)器，為了抑制附著，內(nèi)表面應(yīng)具有耐磨損、耐腐蝕、抗介質(zhì)粘附、粗糙度值小于Ra0.05 μm的特性，只有這樣，才能適于生產(chǎn)附著性物質(zhì)，提高機(jī)械性能及運(yùn)行率。我們把電解復(fù)合拋光技術(shù)應(yīng)用到聚合釜內(nèi)表面的加工，拋光結(jié)果達(dá)到了Ra0.02～0.05 μm，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了重大設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。

1 電解復(fù)合加工的基本原理

電解質(zhì)溶液在外加電流的作用下，溶液里的陰離子和陽(yáng)離子，分別在兩個(gè)電極上放電發(fā)生氧化—還原反應(yīng)，生成新的物質(zhì)的過(guò)程叫做電解。利用金屬工件在電解液中產(chǎn)生的陽(yáng)極溶解作用而進(jìn)行加工的方法稱為電解加工。

現(xiàn)以硝酸鈉水溶液作電解液加工不銹鋼為例分析電解反應(yīng)過(guò)程。在電解液中，

電解時(shí)陽(yáng)極表面的金屬不斷被溶解，生成氧化物，陰極只析出氫氣，本身不發(fā)生變化。

上世紀(jì)六十年代日本的田宮勝恒等人把電解加工和機(jī)械磨削結(jié)合起來(lái)，研究出電解復(fù)合拋光新工藝。與純電解拋光和純機(jī)械拋光相比，效率大大提高。原理如圖1所示。工件接電源的正極，工具接電源的負(fù)極，并使工件和工具間構(gòu)成一定的間隙(0.1～0.8 mm)；接通電源，使電解液以0.5～2 MPa的壓力，5～60 m/s的速度流過(guò)間隙，工件表面金屬被電解，同時(shí)在工件表面上形成一層氧化膜，稱為鈍化膜，它阻礙電流通過(guò)，影響電解的繼續(xù)進(jìn)行。通過(guò)砂布輪的機(jī)械研磨，可及時(shí)去除鈍化膜，使工件表面重新活化；加速電極溶解速度，電解、去膜交替進(jìn)行，使工件被電解表面處于鈍化、活化的反復(fù)狀態(tài)，使電解效率大大提高。由于電解時(shí)陽(yáng)極金屬的溶解量服從于法拉第電解定律，即：

式中：W為金屬的溶解量，g；K為金屬的電化當(dāng)量，g/c，可查表；I為電流強(qiáng)度，A；T為通電時(shí)間，h；Q 為電量，C。

這一定律說(shuō)明，在同一時(shí)間內(nèi)金屬的溶解量與電流密度成正比，而被加工表面上的電流密度是根據(jù)陰、陽(yáng)極距離不同而變化的，距離愈小電流密度愈大，陽(yáng)極溶解的愈快。這樣，工件表面凸起的部分和陰極間的距離小，電流密度大，被迅速溶解。機(jī)械磨削也可去除工件表面難于電解的物質(zhì)，最后形成平整光滑的表面。其中電解作用是主要的，占90%以上，磨削起去除鈍化膜和少部分微凸的作用。

2 聚合釜內(nèi)表面電解磨削復(fù)合加工的加工設(shè)備

電解磨削復(fù)合加工設(shè)備就是電解磨削復(fù)合加工機(jī)床，主要由機(jī)床本體、直流電源、電解液系統(tǒng)、工具電極和機(jī)械磨具四大部分組成。

機(jī)械本體的任務(wù)是安裝夾具、工具電極和機(jī)械磨具與工件，保證它們之間的正確相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及良好的加工精度，同時(shí)傳送直流電和電解液。對(duì)于聚合釜封頭和筒體的加工，則應(yīng)設(shè)計(jì)專用設(shè)備。為保證工具電極和磨削裝置的三維成形運(yùn)動(dòng)軌跡與封頭內(nèi)表面一致，采用微機(jī)控制。電解加工是利用單向電流對(duì)陽(yáng)極工件進(jìn)行溶解加工，陽(yáng)極與陰極的間隙很小，所以采用的電解加工電流必須是低電壓的直流電。

電解液系統(tǒng)的作用是連續(xù)而平衡地向加工區(qū)供給足夠流量和合適溫度的干凈電解液。主要由電解液泵、電解液槽、過(guò)濾器、熱交換器和管路附件等組成。

采用中間電極法加工，工具電極與機(jī)械磨具分別設(shè)立，電極的作用是與工件之間產(chǎn)生電化學(xué)作用，使工件陽(yáng)極表面形成一層氧化膜，機(jī)械磨具用來(lái)刮除工件表面上的氧化膜，不需要參與電化學(xué)反應(yīng)。

由于用砂輪磨削不銹鋼，磨屑極易粘附在砂輪表面上，使磨粒失去切削作用。需時(shí)時(shí)修整磨輪，而且砂輪修整后所形成的砂輪表面粗糙度，在磨削過(guò)程中，將按一定的比例復(fù)映到工件的磨削表面上。所以，砂輪磨削不銹鋼很難滿足加工要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，選用一種涂附磨具——砂布頁(yè)輪取代砂輪。涂附磨具是將磨料用粘結(jié)劑粘結(jié)，固定在柔性基體上的一種磨具，用以進(jìn)行高精度、高效率磨削及拋光。

聚合釜筒體的內(nèi)表面形狀是內(nèi)圓柱面，封頭的內(nèi)表面形狀是類似內(nèi)球面，所設(shè)計(jì)的工具陰極的形狀要與之相一致。機(jī)械磨具與筒體內(nèi)表面、封頭內(nèi)球面壓緊在一起，并且有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如果是硬質(zhì)磨具，則對(duì)磨具的形狀有一定要求，所以采用砂布輪，能在一定壓力下緊貼于這些復(fù)雜曲面，達(dá)到加工要求。

砂布輪成本低，一次性使用，更換容易，不像砂輪需時(shí)時(shí)修整；砂布輪頁(yè)片間斷磨削，再加上電解液冷卻作用，改善了加工條件。

砂布輪是由許多砂布頁(yè)片均勻分布在軸鋼套的四周構(gòu)成。砂布輪呈漸開線分布，密集度高，提高了加工效率。砂布頁(yè)片選用優(yōu)質(zhì)樹脂砂布，磨料選用棕剛玉磨料，此類型砂布鋒利耐用，而且頁(yè)片柔軟，砂布輪工作時(shí)砂粒和布基能同步消耗，保證了高效磨削自始自終，對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行磨削效果更好。

3 對(duì)影響聚合釜內(nèi)表面電解磨削復(fù)合加工的加工速度、表面質(zhì)量的因素分析

3.1 電解液

目前理論上還不能確定某種金屬或合金的最適宜電解液的成分和比例，所采用電解液的成分和比例主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。電解液是影響電解磨削復(fù)合加工質(zhì)量的首要因素，加工不同材料的工件應(yīng)該配置不同成分的電解液。電解磨削復(fù)合加工一定要使用鈍化性的電解液，這是因?yàn)殁g化性的電解液在低電流密度下容易生成鈍化膜，這層鈍化膜只有在機(jī)械刮除作用下才能被破壞，可以有效地保護(hù)不需要加工的低凹處。

電解磨削復(fù)合加工不銹鋼(1Gr18Ni9Ti)選用NaNO3水溶液。該電解液屬于鈍化性的電解液，電解整平能力強(qiáng)，粗加工時(shí)選擇高濃度的電解液，而精加工時(shí)則選擇低濃度的電解液。電解液濃度范圍10%～20%，有時(shí)濃度低于6%。

電解液的溫度對(duì)電解磨削復(fù)合加工表面粗糙度也有重要影響。電解液的溫度對(duì)每一種被加工的金屬都有一個(gè)最佳范圍，這個(gè)最佳范圍目前主要是依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。當(dāng)電解液的溫度太高時(shí)，加工表面質(zhì)量變差，有時(shí)還可能出現(xiàn)輕微的點(diǎn)蝕。通常，電解液的溫度越低，電解磨削復(fù)合加工的工件表面質(zhì)量越好。電解液溫度一般控制在20～30℃范圍內(nèi)效果最好，最好不要超過(guò)35℃。

對(duì)于電解液流速通常無(wú)特殊要求。電解液流量可在1～3 L/min范圍內(nèi)選取，精加工時(shí)，流量可選得更小些；一般以均勻充滿極間間隙為宜。

為了提高復(fù)合加工速度，可以在電解液中加入不同成分的添加劑。例如，活性劑可以采用烷基磺酸鈉等，絡(luò)化劑可以采用聚磷酸鹽與聚丙烯酯等。

電極反應(yīng)生成物質(zhì)是難溶解于水的沉淀物，它會(huì)使電解液變成十分混濁和粘稠狀的液體，將會(huì)堵塞陰極導(dǎo)管，造成液流不均，短路燒傷，并降低電解液的導(dǎo)電性能等。因?yàn)殡娊庖菏茄h(huán)使用的，所以電解液要過(guò)濾使用及定期更換。

3.2 電壓和電流密度

電壓的選取可以參考工件的原始表面粗糙度以及電解液的濃度等參數(shù)，通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定。如果電壓高，則電流密度大，加工速度快，但表面質(zhì)量不好控制，甚至?xí)霈F(xiàn)點(diǎn)蝕；一般低電壓下加工表面質(zhì)量好，但效率低；如果電壓過(guò)低，可能會(huì)引起機(jī)械磨削，致使工件加工表面質(zhì)量下降。

電壓的一般選擇原則是：粗加工時(shí)，電壓值可以選大一些，因?yàn)樵谄渌庸?shù)一定時(shí)，電壓增加，電流效率會(huì)增加，從而使加工速度增加，但表面質(zhì)量較差；在精加工時(shí)，盡量選用低電壓，這時(shí)雖然加工效率較低，但表面質(zhì)量會(huì)相應(yīng)提高；電壓可在5～25 V范圍內(nèi)選取。

電流密度一般是通過(guò)調(diào)節(jié)加工電壓控制的，這樣就消除了導(dǎo)電回路各環(huán)節(jié)的影響。當(dāng)電流密度一定時(shí)，通過(guò)的電量與導(dǎo)電面積成正比，因此電極與工件之間的導(dǎo)電面積越大，通過(guò)的電量越多，單位時(shí)間內(nèi)金屬的去除量就越大。復(fù)合加工時(shí)，可根據(jù)工件的形狀設(shè)計(jì)工具陰極，以增大工件與工具之間的導(dǎo)電面積，提高生產(chǎn)率?？刂乒ぞ哧帢O實(shí)際工作面積上的電流密度在一定范圍內(nèi)，否則可能出現(xiàn)過(guò)腐蝕或點(diǎn)蝕現(xiàn)象。電流密度在10～25 A/cm2范圍內(nèi)選用。

3.3 電極材料、極間間隙

加工不銹鋼，電極材料選用鉛。為了保證質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，應(yīng)有一最合理的極間間隙，一般在0.03～0.1 mm范圍內(nèi)選取。

3.4 砂布輪的磨粒尺寸

砂布輪是電解磨削復(fù)合加工的重要工具，磨粒尺寸影響電解作用的強(qiáng)弱，對(duì)砂布輪彈性、強(qiáng)度、耐水性都有一定的要求，而且在加工過(guò)程中其性能應(yīng)保持穩(wěn)定。磨粒尺寸不但影響拋光效率，而且更重要的是會(huì)影響加工表面粗糙度。砂布的粒度越細(xì)，越能均勻地去除鈍化膜，有利于加快整平速度和改善表面粗糙度。一般情況下，粗加工時(shí)選用較粗的磨粒以便快速去除加工余量；中等粗糙度加工時(shí)，選用的磨粒要小一些；鏡面加工時(shí)，選用的磨粒更小。粒度號(hào)在180#～800#范圍內(nèi)選用。

3.5 砂布輪的轉(zhuǎn)速及送進(jìn)速度、軸向進(jìn)給量

進(jìn)給速度越大，則磨削運(yùn)動(dòng)軌跡越稀疏，磨削效果越差；相反，進(jìn)給速度越慢，則磨削運(yùn)動(dòng)軌跡越密集，則磨削效果越好。進(jìn)給速度在15～30 mm/min范圍內(nèi)選用。磨削加工時(shí)，砂布輪轉(zhuǎn)速提高，磨削效果越好。但磨削加工時(shí)，砂布輪轉(zhuǎn)速不能太高，否則會(huì)使磨削部位電解液減少，可能會(huì)造成干磨削。砂布輪線速度在10～15 m/s范圍內(nèi)選用。軸向進(jìn)給量增加，表面粗糙度惡化；這主要是砂布輪與工件上任意點(diǎn)的接觸次數(shù)減少所致。一般軸向進(jìn)給量≤0.3B(B為砂布輪寬度40 mm)。

3.6 砂布輪與工件之間的壓力

磨削壓力也是影響加工表面質(zhì)量的因素之一。如果壓力太小，難以去除鈍化膜；磨削壓力越大，走刀速度越快，陽(yáng)極金屬被活化的程度越高，生產(chǎn)率也就越高。但如果壓力太大，機(jī)械切削作用強(qiáng)，砂布損耗快，使表面粗糙惡化。砂布輪與工件之間保持適當(dāng)?shù)膲壕o力是獲得高加工效率、小表面粗糙度值的重要條件。由于電解磨削復(fù)合加工使用的是富有彈性的砂布輪，只有在一定的壓力下才能使其緊貼于工件表面，從而進(jìn)行具有一定效率的磨削加工。如果壓力太小，砂布輪不能有效地將工件突起部位的電解產(chǎn)物去除干凈而使加工效率降低；如果壓力太大，工件表面容易被磨粒劃傷。粗加工時(shí)應(yīng)選大一些，精加工時(shí)應(yīng)選得小一些。采用在彈性壓力下加載，能根據(jù)接觸狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整磨削深度，以保證加工質(zhì)量。磨削壓力可在0.1～0.3 MPa范圍內(nèi)選取。

3.7 砂布輪直徑

砂布輪直徑大，它的圓周線速度就提高，因而對(duì)工件的加工精度和表面粗糙度是有利的。但隨著砂布輪直徑增大，砂布輪和工件表面的接觸弧度面積也隨著增大，致使發(fā)熱量增加，冷卻和排屑條件變差，砂布輪容易堵塞變鈍。砂布輪直徑大小對(duì)粗糙度影響不大，砂布輪選用直徑15 mm。

3.8 砂布輪寬度

采用較寬的砂布輪，可以增加同時(shí)磨削的磨粒數(shù)，可以采用較大的軸向進(jìn)給量，因而能減小工件表面粗糙度值和提高生產(chǎn)效率。

砂輪寬度增加后，引起磨削力增大，同時(shí)也使磨削區(qū)域接觸弧面積增大，排屑困難和冷卻條件變差，影響工件加工精度的提高和表面粗糙度值的減小。砂布輪寬度選為40 mm。

3.9 金屬材料的原始條件

工件材料的表面狀態(tài)對(duì)加工質(zhì)量有較大影響，表面粗糙度值越小，復(fù)合加工效果越好。在復(fù)合加工前，工件應(yīng)粗加工到盡量小的表面粗糙度值，工件表面應(yīng)除去一切污物和變質(zhì)層。

進(jìn)行電解磨削復(fù)合加工時(shí)，決定表面粗糙度的主要因素是磨粒的大小及機(jī)械磨削的狀態(tài)，而決定加工效率的主要因素是電解作用。因此，只有使二者進(jìn)行很好的配合，才能提高加工效率，減小工件加工表面的粗糙度值。

在電解磨削復(fù)合加工結(jié)束時(shí)，切斷電源進(jìn)行短時(shí)間機(jī)械修磨，改善工件加工。在機(jī)械修磨時(shí)，使用油脂性固體拋光劑綠拋光膏(拋光軟磨料為氧化鉻Cr2O3)進(jìn)行精拋，能更好地改善工件加工表面的粗糙度。

3.10 操作中注意事項(xiàng)

(1)開車后，先應(yīng)輸入電解液，然后接通直流電源，再進(jìn)行吃刀磨削。這樣的操作程序是為了保護(hù)磨輪，減少機(jī)械磨損。

(2)加工中應(yīng)不產(chǎn)生白色電弧(允許有紅橙色火花)。加工終了應(yīng)先切斷電源，之后作機(jī)械修磨，減小粗糙度值。

(3)電解液的輸送不宜正對(duì)著加工處，避免過(guò)度腐蝕。

(4)非加工表面應(yīng)注意保護(hù)，機(jī)床夾具應(yīng)涂油保護(hù)。

(5)排氫與防爆。電解過(guò)程中陰極的主要反應(yīng)是析出氫氣：

由于短路時(shí)產(chǎn)生的火花與大量的氫接觸易發(fā)生爆炸，所以要做好排氫通風(fēng)工作。

(6)三廢處理。電解過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)中生成有害氣體N2O3、CO等，在廢渣、廢液中含有有毒物質(zhì)Cr，所以，必須做好三廢處理。通過(guò)加壓過(guò)濾、中和反應(yīng)、氣體吸收等方法，做到電解液的回收使用，既降低成本，又保護(hù)環(huán)境。

聚合釜電解磨削復(fù)合加工參數(shù)組合如表1所示。

表1 聚合釜電解磨削復(fù)合加工參數(shù)組合

4 結(jié)語(yǔ)

正確選擇組合參數(shù)，是此項(xiàng)技術(shù)關(guān)鍵之所在。通過(guò)一系列的研制和試驗(yàn)工作，反復(fù)推敲、探索，對(duì)所有的參數(shù)反復(fù)組合、修正，使各個(gè)組合在一起的參數(shù)互相匹配，生產(chǎn)的聚合釜反應(yīng)器內(nèi)表面粗糙度達(dá)到了Ra0.05 μm，并且加工部分熱效應(yīng)小，工件表面無(wú)熱影響層，不產(chǎn)生殘余應(yīng)力，故在一定程度上可提高工件加工表面的耐腐性和耐蝕性，滿足了產(chǎn)品質(zhì)量要求。聚合釜在生產(chǎn)中抑制了附著性介質(zhì)附著，免去了手工清理，減少了生產(chǎn)輔助時(shí)間，提高了設(shè)備運(yùn)行率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益?？傊?，電解磨削復(fù)合加工中電解、磨削優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，相輔相成。由于電解磨削復(fù)合加工技術(shù)可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，取得了很好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果，已經(jīng)成為制造領(lǐng)域的主流技術(shù)，研究開發(fā)和推廣應(yīng)用前景廣闊，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用空間。

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