郭艷玲 朱勛鵬 李 健 王海濱

(東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱150040)

去毛刺是機械加工最后階段必須進行的一項重要的技術，目前為止被應用的去毛刺方法已超過100種［1］，由于零件形狀和尺寸種類繁多，采用的去毛刺方法不盡相同。毛刺雖小，但危害確很大［2-5］，對彼此相互運動零件，毛刺不僅會磨損零件表面，還會產(chǎn)生噪聲和振動;對于電器，毛刺的存在很可能會導致短路;對液壓零件，容易造成密封件切邊甚至斷裂;對一般零件，毛刺的存在會影響產(chǎn)品的裝備、使用性能及壽命等，所以對毛刺的去除至關重要。對于可達性差、與主孔垂直的內(nèi)部交叉陣列孔毛刺，一般的加工方法難以實現(xiàn)對其去除。目前國內(nèi)主要采用手工的方法進行去除［6］，該方法存在去除效率低、成本高的缺點，故需尋求一種去除效率高、自動化程度高的加工方法。

電化學去毛刺是金屬在電解液中發(fā)生基于電化學作用的陽極溶解而去除零件毛刺的加工工藝方法，這是一種先進的去毛刺技術，是電化學加工中發(fā)展較快、應用較廣的一項工藝，它具有去除毛刺質量好、安全可靠、高效等優(yōu)點，且能去除可達性差的復雜內(nèi)腔部位的毛刺，現(xiàn)已在汽車發(fā)動機、航空航天、氣動液壓等領域得到運用［7-10］。本文從電化學去毛刺工藝基礎展開研究，對電化學去除內(nèi)交叉陣列小孔工藝裝備進行了簡要介紹，對加工間隙中的電場規(guī)律進行了探討，同時分析了去毛刺過程中的流場情況，并以汽車轉向器中的螺桿軸上內(nèi)交叉陣列小孔毛刺去除作為實例進行實驗驗證，得到了良好的加工效果。

1 基本原理

電化學去毛刺是利用電能、化學能進行局部陽極溶解來達到去毛刺的目的。該方法屬于非接觸加工工藝，具有不受材料硬度、韌性的限制，加工表面光滑、無熱變形的優(yōu)點。

電化學方法去除內(nèi)交叉陣列孔毛刺的具體實現(xiàn)流程如圖1 所示。其中，通電后電源電流i=0 表示電極安放合理，而有電流值，則表明電極與工件相互之間發(fā)生短路。加工過程中，工件接電源正極，稱為陽極，工具接電源負極，稱為陰極，工具電極對準工件毛刺部位，且兩者之間保持一定的加工間隙，以便讓循環(huán)的電解液順利通過，針對具體情況所需時間不盡相同，但一般在10～30 s 的時間內(nèi)即可溶解毛刺，去毛刺的同時，在內(nèi)通道相交處產(chǎn)生均勻、精確的倒圓邊角，隨后電解液將加工過程中產(chǎn)生的電解產(chǎn)物及熱量沖離加工區(qū)。

電化學去除內(nèi)交叉陣列孔毛刺與單一小孔毛刺去除具有共性之處，如加工原理、電解液的配置情況等，但也有其特殊性，如夾具的復雜程度、流場的設計、電極的安放方式等，與單小孔加工相比，提出了更高的要求。對陣列小孔毛刺，由于各小孔毛刺大小不等，具有分散且多處存在的特點，采用單一電極難以實現(xiàn)一次對整個零件所有毛刺的去除，故需采用陣列電極的加工方法，使得工裝夾具的設計較之單一電極夾具復雜。陣列小孔的流場則可考慮為各個小孔流場進行并聯(lián)，但這樣必然使得液流管道的布置及工裝夾具的設計變得十分困難，故在滿足加工要求時，盡量使得各小孔共用一個流場，這使得正流式的流場布置方式不再適用。

2 工藝基礎

加工間隙與電解液是決定電化學去毛刺加工工藝指標的核心工藝因素，也是陰極設計及各項工藝參數(shù)選擇的首要依據(jù)。電解液是電化學去毛刺產(chǎn)生陽極溶解的載體，正確選用電解液是實現(xiàn)電化學去毛刺的基本條件。加工間隙是用以供電解液流動、進行電化學反應、排除電解產(chǎn)物并避免短路的一段空間，該空間對電解作用起決定性作用。加工間隙的大小受電場、流場及電化學特性的影響，而間隙的變化直接影響毛刺的溶解速度，工件的表面質量及加工精度，因而研究加工間隙變化規(guī)律對掌握電解加工工藝規(guī)律，保證加工質量及效率具有重要意義。

2.1 電解液的選取

電解液與工件及電極組成電解池，使去毛刺時能進行電化學反應，進而實現(xiàn)毛刺的溶解，電解液也起到排除電解產(chǎn)物并帶走電解加工所產(chǎn)生的熱量的作用。此外，電解液中所含的導電離子是電解池中傳送電流的介質，由此可見，電解液在去毛刺過程中扮演著十分重要的作用。目前生產(chǎn)中常用的電解液有NaCl、NaNO3、NaClO3這3 種，NaCl 具有高效、穩(wěn)定、成本低、通用性好的優(yōu)點，但其對設備的腐蝕性十分嚴重，且加工精度不夠高;NaClO3加工精度高，但成本較高、且使用過程中維護繁雜;NaNO3加工精度較高、使用安全、對設備腐蝕性小、價格也不高，但缺點是加工效率較低。加工時綜合各方面條件考慮，擬選擇NaNO3水溶液作為加工電解液，并考慮到NaNO3電解液在質量分數(shù)高于30%后非線性性能很差的特點，故配用質量分數(shù)為19.5%的NaNO3水溶液作為加工電解液。

2.2 數(shù)學模型建立

陣列小孔加工時采用的陣列電極是以并聯(lián)的方式接至電源負極，各小孔處都采用單一進行對應加工，若忽略同一流場導致的各小孔間去毛刺時的相互影響，可將其看成單個電源與多個電解池的并聯(lián)。由于電極規(guī)格一致，每個小孔在一定精度范圍內(nèi)可認為大小相等，則各孔處間隙變化規(guī)律基本一致。對某一小孔處可建立如圖2 所示的加工示意圖。在圖2 所示坐標系中，電解過程中電解液沿x 軸方向流動，加工前電極由z 軸方向插入，y、z 方向條件可近似為完全相同，設初始毛刺厚度為D，初始加工間隙為Δ0，加工開始經(jīng)t 時間后毛刺被溶解的厚度為h，此時極間間隙為Δ，根據(jù)幾何關系滿足:

對式(1)進行求導，有dΔ =dh =vadt，電化學去毛刺過程中服從法拉第定律，滿足:

式中:va為電化學去毛刺速度，mm/s;η 為電流效率;ω為體積電化當量，mm3/(A·min);i 為電流密度;σ 為電解液電導率;UR為加工間隙方向上電解液的歐姆電壓降，V;Δ 為電加工間隙，mm。

對式(1)及(2)進行整理，可得:

由式(3)可知，去毛刺過程中加工間隙隨時間的變化逐漸增大，則加工速度逐漸降低，電解電流也隨之減小。由圖2 可知，當Δ =Δ0+D 時，毛刺脫落，去毛刺過程完成。此時所需的加工時間為:

由式(4)可知，電化學去毛刺所需的加工時間與工件的體積電化學當量、電解液的電導率及加工電壓成反比，并與毛刺的厚度及初始加工間隙有關。若去毛刺時間t ＜t'，此時毛刺未被全部去除，則此時毛刺的厚度D'滿足D' =D-(Δ-Δ0)，整理得

由式(2)可知vaΔ = ηωσUR=C，C 為常數(shù)，即電解加工速度與加工間隙相互之間呈雙曲線函數(shù)變化的反比關系。實際加工中由于毛刺厚度不一以及毛刺表面微觀不平度的影響，毛刺周向各點距離孔中心距離不全相等，各點處加工間隙不全等于Δ，設工件毛刺根部的最大平直度為δ，毛刺向內(nèi)孔突出的部位間隙為Δ，去除速度為va，則低凹處加工間隙為Δ+δ，去除速度為v'a，則:

顯然毛刺突出部位的去除速度大于低凹處，隨著加工過程的進行而逐漸趨于整平的效果，且加工間隙越小，越能提高加工精度。由式(3)、式(4)可知，適當減小Δ0，選用體積電化當量低、電導率低的電解液，可使加工精度得到提高。若Δ0過小，則電路易發(fā)生短路，且對夾具精度提出了更高的要求，使得加工成本增加，因而在實際生產(chǎn)中，可根據(jù)工件要求的加工精度選取Δ0值。

2.3 加工間隙中的電場特性

去毛刺過程中，加工間隙中充滿了高速流動的電解液，在直流電源的作用下，兩極之間將保持一定的電勢差，間隙電解液中有電流通過，形成一個電流場，該電場將直接影響去毛刺的效率和效果。電場一般分為3 種:靜電場、導電媒質中的電場、有電流通過的導電媒質中的電場。電化學去毛刺產(chǎn)生的電場屬于導電媒質中的電場。導電媒質的主要特征是媒質的電導率σ＞0，故其媒質內(nèi)有電場存在時，就有電流流動，電流場的分布特征用電流密度i 來表示。由電場理論可知:

式中:φ 為某等位面的電位;n 為通過該點等位面的法向;且正向指向電位增長方向。

電化學去除陣列小孔去毛刺過程中，導電媒質與外電源相連，以維持連續(xù)不斷的電流。但所加的電源在所研究的間隙電場之外，故電解加工間隙的電場應作為無源場。若假設電解液各向同性，則在工件邊界和初始陽極邊界所包圍的區(qū)域內(nèi)電場的電位分布服從拉普拉斯方程，即:

在電化學去毛刺過程中間隙電場的形成是在外電場作用下，電解液中的正離子向工具陰極移動，負離子向工件陽極移動，形成了從工件陽極開始流向工具陰極的正向電流，從而構成了，引入電流線和等位面，可得出加工間隙中的電場分布情況，如圖3 所示。對式(7)若只考慮電流的量值而不考慮方向，有?Φ/?n =i/σ，則陽極表面各處法向電位變化率為?Φ/?n=η0i0cosθ/η σ，其中，η0、i0表示θ =0o的η、i。

2.4 流場設計及其特性

電化學去毛刺的電解液流動形式分正流式和側流式。一般來說，正流式易于布局，工具陰極較為簡單，但電解液流動方向在加工區(qū)域突變，會導致加工區(qū)流場不均勻、不穩(wěn)定，影響加工質量。側流式流場較為均勻、穩(wěn)定，加工質量較好，但對工具陰極結構要求嚴格，非加工面絕緣要求較高。針對陣列小孔毛刺情況，由于需要多個電極，采用正流式時流場結構較之側流式復雜，故陣列小孔去毛刺過程流場設計為側流式，如圖4 所示。

在電化學去毛刺過程中，流場對間隙的影響主要是電解液電導率的影響起作用。而電導率受電解液氣泡率和溫度的綜合作用影響。加工時，陰極一直析出氫氣，陽極溶解陽極產(chǎn)生電解產(chǎn)物，故加工間隙內(nèi)所流的為氣、液、固三相流，但電解產(chǎn)物所占體積比很小，故應將流場看做氣、液兩相流。在加工間隙內(nèi)，假設氣液兩相流相互間無質量轉換且各項參數(shù)均勻分布、陰陽極表面均為等位面且在垂直電解液流動方向上電位呈線性分布、電化學去毛刺各項參數(shù)不隨時間變化且兩極間熱交換也處于熱平衡狀態(tài)，由各相質量連續(xù)及能量關系并綜合電導率變化規(guī)律可得

式中:σ0為間隙進口處的電導率;ξ 為電導率溫度影響系數(shù);T(x)為沿流程方向上的電解液溫度;T0為間隙進口處的電解液溫度;n 為氣泡率對電導率的影響指數(shù)，通常取n =1.5;aT為溫度增加率;x 為電解液在加工間隙中的流程長度;β(x)為沿流程方向上的氣泡率;ηg為析氫的電流效率;kg為析氫的質量電化當量;Rg為氫氣的氣體狀態(tài)常數(shù);vo為間隙進口處的流速;Δ0為間隙進口處的間隙;p 為壓力。

3 加工工藝裝備與電極

電化學去毛刺系統(tǒng)主要包括機床殼體、工藝裝備、電源、輸液系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測反饋系統(tǒng)及加工電極7 個部分，其加工的系統(tǒng)圖如圖5 所示。其中，工藝裝備與電極影響極間間隙，進而影響各項工藝參數(shù)。

加工工藝裝備是用來實現(xiàn)安裝、定位工件、工具陰極，按需要將電極送至合理位置，并將加工電流和電解液輸送到加工區(qū)，其是電化學去毛刺加工的直接執(zhí)行者。可將其分為工裝夾具和噴液裝置。工裝夾具是保證工具電極與毛刺之間的準確定位的儀仗，并保證陰極與毛刺不會接觸而造成短路，其加工精度直接影響工件去毛刺的效率與質量。此外，工裝夾具還用以導電、夾緊工件的作用。對毛刺大小不等的陣列小孔工件，需采用多電極進行去毛刺加工，則工具夾具需要設計為圓周陣列且在加工前后能沿著圓周徑向移動。如圖5 所示夾具部分，加工時采用三爪卡盤夾緊定位工件，由于工件圓周方向有3 個陣列小孔，故可將每個電極夾具安放在三爪卡盤的一個卡爪上，通過調整工具夾具的安放位置，當卡盤夾緊工件時，電極正好進給至合適的加工位置與毛刺對應，進而保證電極與毛刺之間的初始加工間隙在0.1～1 mm 之間。圖中所示電極與夾具配合面垂直度必須嚴格保證;工件安放時位置由與之連接輸送電解液的碰頭裝置確定;由于卡盤行程受限，對厚度大的工件，需在工具夾具處安放行程放大裝置并調整合理的放大倍數(shù);電極安裝后不必拆卸，每次加工完成后只需將卡盤松開即可將工件取走，使加工效率大大提升。

電極作為去毛刺加工的工具，設計的好壞將直接影響到去毛刺的效果，工具設計不合理將難以實現(xiàn)對毛刺的去除。理論上電極是指與電解質溶液相接觸的電子導體及其鄰近的電解液所組成的整個體系。本文所述加工電極是指工具陰極的電子導體部分，采用黃銅制成。由于工件小孔尺寸確定，若工裝夾具加工精度較高，則電極的大小將直接確定初始加工間隙的大小，設小孔直徑為d，電極直徑為d1，則

4 加工實例

在研究過程中，對汽車循環(huán)球轉向器的螺桿軸大端陣列小孔毛刺進行了電化學去毛刺試驗。螺桿軸實體圖如圖6 所示。該螺桿軸材料為20CrMnTi，在軸大的大端圓周方向鉆有3 個Φ4 mm 的陣列小孔，會留下高度為0.1～2 mm 大小不等的毛刺，由于毛刺大小不一，并且有的部分高度h ＞1 mm，故應將陰極放置在能使毛刺從根部溶解的位置上，即需采用圖2 所示的加工方式進行加工，試驗條件見表1。

表1 試驗加工工藝參數(shù)

去毛刺過程中，需連續(xù)高速地向加工工件輸送電解液，隨著加工的進行，毛刺被逐漸溶解，電解產(chǎn)物和熱量則由高速流動的電解液帶走。由式(4)可知，在加工電壓、電極大小及電解液成分一定時，電化學去毛刺所需的加工時間隨毛刺的厚度變化呈二次曲線變化規(guī)律，即毛刺越厚，所需加工時間越長。又由式(5)可知，隨著加工時間的進行，加工間隙逐漸增大，毛刺厚度逐漸減小直至毛刺全部去除。在表1 所示加工條件下，選取圖6 所示一對規(guī)格一致的工件進行去毛刺加工，其中一件加工時間為45 s 時，可得出工件的加工效果如圖7a 所示，此時小孔毛刺大部分已被溶解，但仍有部分未去除，顯然，沒被完全去除的地方毛刺較厚，但此時毛刺的厚度已經(jīng)大大減小，而有的地方毛刺已經(jīng)全部脫落，說明該處毛刺較其他部位薄;另一件加工時間為60 s 時，工件的加工效果如圖7b 所示，由圖可知，此時工件毛刺已經(jīng)全部去除，且加工圓角較小，說明加工時間取60 s 較合理，由此可知該工件毛刺厚度最大值為:

5 結語

本文對內(nèi)交叉陣列小孔毛刺去除工藝進行了分析研究，建立了小孔去毛刺數(shù)學模型，得出了各小孔處極間間隙的變化規(guī)律及小孔毛刺厚度與去毛刺所需時間的相互關系，并采用陣列電極的加工方法對陣列小孔毛刺去除進行了試驗驗證，得出的結果與理論分析相一致，為毛刺去除找出了合理的工藝參數(shù)。建模過程忽略了各小孔去毛刺時在同一流場中存在的相互影響關系，使得建模過程得到簡化，但卻降低了準確度，后續(xù)研究有待進一步改進。

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