王 季，索來春，付宜利

(1.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱 150001;2.江蘇徐州工程機械研究院工程技術中心，徐州 221004)

電解質等離子拋光是一種新型的針對金屬工件的拋光技術.該技術不受工件形狀的限制，拋光過程中工件不受宏觀力，可以解決機械拋光對于有圖案的表面及復雜外型的工件很難達到所希望的高品質外觀的問題，且加工效率高，產品的精度、一致性好.電解質等離子拋光使用低含量(質量分數(shù)2% ～6%)的中性鹽溶液作為拋光液，拋光液中鹽的質量分數(shù)減小后可以直接補充拋光鹽循環(huán)使用，能有效解決電解拋光和化學拋光中可能存在的污染以及廢液難于處理的問題［1-3］，可以取代很多傳統(tǒng)的拋光方法［4-5］.

電解質等離子拋光是將金屬工件浸入一定溫度的中性鹽溶液中，并對其施加正極性電壓(250～400 V)，拋光液首先進入電解狀態(tài)，同時整個電路會形成瞬時短路，在極短的時間產生以水蒸氣為主的大量氣體，在工件周圍形成環(huán)繞工件表面的氣層.由于氣層的電阻遠大于工件和拋光液，形成局部高壓，氣層被電離擊穿放電，微觀上凸起的位置電場強度大，放電優(yōu)先在這些位置進行，將凸起去除，達到拋光的效果.電解質-等離子拋光基本模型如圖1所示.

使用電解質等離子拋光方法加工不銹鋼工件時，95%以上的拋光液都是質量分數(shù)為2%～5%的硫酸銨溶液.隨著拋光的進行溶液中硫酸銨的含量會逐漸減小，需要定期補充.如何簡便的測量拋光過程中硫酸銨的含量，成為電解質等離子拋光技術產業(yè)化過程中的一個重要問題.通常使用電導法進行溶液濃度檢測［6］，但這種方法是否適合電解質等離子拋光，如果不適合，是否有其他簡便的方法可以確定硫酸銨的含量(質量分數(shù))是本文要研究的問題.

圖1 電解質等離子拋光基本模型

1 拋光過程中電導率和電流密度的變化

實驗設備為40 kW電解質等離子拋光機床，拋光槽的容積為100 L，拋光電壓為330 V;加工試件為18 cm×10 cm×0.18 cm的SUS304不銹鋼板，測試試件為5 cm×3 cm×0.18 cm SUS304不銹鋼板;拋光液為質量分數(shù)4%的硫酸銨溶液，拋光液溫度為80℃;試件的原始粗糙度值(Ra)約為0.3 μm.實驗首先對加工試件進行連續(xù)的拋光，每拋光6 h后，取出拋光試件，提取拋光液樣本，測量其在25℃時的電導率，之后再放入測試試件，拋光5 min，記錄拋光過程中的電流值，并測量拋光后測試試件表面的粗糙度值，然后，再放入新的加工試件繼續(xù)進行拋光.實驗結果見表1，其中，t為加工時間，k為拋光液電導率，I為電流，J為電流密度.

未拋光過試件質量分數(shù)為4%的硫酸銨溶液的電導率為3.52 S/cm，拋光開始后拋光液的電導率上升到6.06 S/cm.隨著拋光時間的增加，溶液電導率并沒有因為硫酸銨的消耗而呈現(xiàn)出規(guī)律性地變化［7-8］.在電解質等離子拋光過程中，一旦試件和拋光液之間的氣層被擊穿形成放電通道，大量高速運動的電子通過放電通道沖擊工件表面使放電通道處的工件表面金屬迅速融化，高密度的正負帶電粒子在通道中高速反向運動，相互碰撞產生大量的熱，使通道的溫度急劇升高，要向外膨脹，而通道電流產生磁場又反過來對通道產生向心的磁壓縮效應，兩者相互作用的結果是形成局部爆破而將工件表面熔化的金屬蝕除［9-10］，這些被蝕除的金屬遇拋光液冷卻凝結成金屬微粒懸浮其中，極大地增加了拋光液的電導率.由于這些金屬微粒是懸浮于拋光液之中，而不是完全溶解，在拋光槽內的不同位置或者同一位置的不同時刻其濃度可能存在明顯差異，這就導致通過在拋光槽內取樣測量所得的電導率只能在一個大致的范圍內波動，甚至出現(xiàn)突變，而不可能呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，也正是由于這些懸浮金屬微粒的干擾使得使用電導法進行濃度檢測并不適用于電解質等離子拋光.由于在拋光過程中要不斷產生金屬微粒，必須停止加工，將拋光液靜置24 h以上才有可能使這些金屬微粒完全沉積于拋光液底部，不影響電導率的檢測，顯然這在大多數(shù)工業(yè)生產中都是不允許的，而且這樣還可能在溶液中形成濃度梯度.在拋光的前36 h，拋光過程中的電流密度基本不變，在拋光的36 h到54 h內，電流密度連續(xù)下降.

表1 拋光過程中的電導率和電流密度

2 影響電流密度的因素

電解質等離子拋光的伏安特性曲線如圖2所示，在OA階段，隨著電壓的逐漸升高，與工件接觸的拋光液首先被電解，產生部分氣體，附著于工件表面.這一階段由于工件與拋光液的電阻很小，電流隨電壓的升高急劇增大，發(fā)出大量的熱，使拋光液被迅速蒸發(fā)，與電解產生的氣體形成局部的氣泡，這些氣泡將部分工件表面與拋光液分開，并沿工件表面擴大，直至形成一個把工件完全包裹的氣層，這個氣層將工件與拋光液完全分開，這時電流也達到了最大值.在AB階段，氣層的電阻遠大于工件和拋光液，形成局部高壓，氣層被擊穿.這時的氣層很薄，容易被擊穿，放電劇烈，會產生更多的氣體，導致氣層的厚度增加，電阻增大，電流減小，在這一過程中雖然放電電流減小，但帶電粒子的數(shù)量卻在增加［11］.當氣層的厚度增加到一定程度，產生和離開工件表面的氣體的量大致相同，氣層厚度不再變化，進入穩(wěn)定拋光的階段.

圖2 電解質等離子拋光的伏安特性曲線

穩(wěn)定拋光時的等效電路如圖3所示，圖中R1為工件表面與氣層的接觸電阻，C1為工件表面與氣層之間形成的電容(兩種不同物質接觸時在介面產生的電位差而形成的電容)，Rg為穩(wěn)定拋光時等離子氣層的等效電阻，Cg為以氣層作為介質工件與電解液間的電容，R2為氣層與拋光液的接觸電阻，C2為氣層與拋光液之間形成的電容，R3為拋光液的電阻，C3為以拋光液作為介質拋光槽與氣層間的電容，R4為拋光槽與拋光液的接觸電阻，C4為拋光槽與拋光液之間形成的電容［12］.拋光使用直流穩(wěn)壓電源，除了工件潛入拋光液的幾秒時間外，C1、C2、C3、C4、Cg對電路的影響很小，R1、R2、R3、R4都遠小于 Rg，在電壓恒定時，Rg決定拋光過程中電流的大小.根據(jù)電解質等離子拋光的機理和之前的實驗結果，Rg受拋光液的溫度和濃度的影響［13］，在其他條件不變的情況下，拋光鹽的質量分數(shù)不同，則Rg不同，拋光過程中電流大小也不同.由于拋光過程中產生的金屬微粒只改變R3和C3，對拋光過程中的電流影響極小，如果用拋光過程中的電流密度確定拋光鹽的質量分數(shù)可以不受金屬微粒的干擾.

圖3 穩(wěn)定拋光時的等效電路

3 質量分數(shù)-電流密度特性測試

測試仍使用40 kW電解質等離子拋光機床，拋光電壓為330 V.分別在不同拋光液溫度(T)和質量分數(shù)(w(B))下，對測試試件進行5 min的拋光，并記錄拋光過程中的電流值，計算出相應的電流密度(J).實驗結果見表2.

表2 不同拋光液溫度和質量分數(shù)下的電流密度 (A·cm-2)

從表2可以看出，在保持電壓和拋光液溫度不變的情況下，硫酸銨的含量(質量分數(shù))在2.5%～4.5%，拋光的電流密度變化很小，當硫酸銨的含量大于4.5%時，拋光的電流密度開始增大，而當硫酸銨的含量小于2.5%時，拋光的電流密度有一個明顯的下降.不同拋光液溫度下，拋光的電流密度隨硫酸銨的含量的變化如圖4所示.

圖4 電流密度隨硫酸銨質量分數(shù)變化的曲線

圖4中80℃時的電流密度的變化趨勢與表1中電流密度隨加工時間的變化趨勢基本一致，說明實驗結果反映了拋光過程中電流密度隨硫酸銨的含量變化的規(guī)律.可以利用這一規(guī)律確定電解質等離子拋光過程中硫酸銨的含量.

4 硫酸銨質量分數(shù)檢測方法

在表2的實驗結果中將某一溫度下硫酸銨含量(質量分數(shù))為2.5%、3%、3.5%、4%時的電流密度取算術平均值，再將這個平均值與硫酸銨含量為2%時的電流密度取算術平均值，將其作為縱坐標，將對應的溫度作為橫坐標，確定一個點，最后再將不同溫度對應的點連成一條曲線，稱其為補充線，如圖5所示.在表1中，拋光的前42 h，工件表面的粗糙度值在0.074～0.104 μm內變化，這一粗糙度值范圍完全可以滿足一般工件的拋光質量要求.在電解質等離子拋光過程中，某一時刻如果以電流密度為縱坐標，以拋光液溫度為橫坐標的點位于圖5中曲線的上方，則可以認為這時硫酸銨的含量大于2%，不需要補充;如果相應的點位于圖5中曲線的下方，可以認為這時的硫酸銨已經(jīng)不足，需要補充相當于拋光液質量2%的硫酸銨.

圖5 硫酸銨溶液的補充線

從圖5中還發(fā)現(xiàn)，補充線呈現(xiàn)出非常明顯的線性關系.圖6為不同硫酸銨含量(質量分數(shù))下的電流密度隨拋光液質量分數(shù)變化的曲線.在保持硫酸銨含量不變時，實測出的電流密度與拋光液溫度之間呈現(xiàn)出明顯的線性關系，說明補充線呈現(xiàn)出明顯的線性關系并不是偶然的.使用Origin8.0分析軟件對補充線進行線性擬合，得到補充線的數(shù)學公式為

在本次擬合中殘差平方和Residual Sum of Squares僅為1.672 85×10-4，校正可決系數(shù) Adj.RSquare為 0.998 42，說明擬合效果非常好［14-15］.這時可以得到

式中:S為工件的拋光面積.

圖6 電流密度隨拋光液溫度變化的曲線

可將任意時刻的電流值和拋光液溫度代入式(2)，如果Y＞0，說明不需要補充硫酸銨，如果Y≤0，說明硫酸銨的濃度已經(jīng)不足，需要補充相當于拋光液質量2%的硫酸銨.由于拋光過程中的電流值和拋光液溫度都是能夠隨時檢測的(可以通過PLC或工控機編制相應的程序)，每隔一定時間就提取電流值和拋光液溫度，一旦出現(xiàn)Y≤0的情況，直接發(fā)出警示，提示補充硫酸銨.利用拋光過程中的電流密度監(jiān)測硫酸銨質量分數(shù)的程序框圖如圖7所示.

圖7 電流密度監(jiān)測硫酸銨質量分數(shù)的程序框圖

定義拋光量為一定拋光液溫度下拋光面積與拋光時間的乘積.已經(jīng)知道在拋光液溫度不變時，硫酸銨含量在2.5% ～4.5%的拋光電流密度基本不變，這就意味著保持拋光鹽的質量分數(shù)在這一范圍，單位時間內拋光單位面積產生的熱量所蒸發(fā)掉的水蒸氣和電解消耗的硫酸銨的量是一定的，即可以認為產生單位拋光量所消耗的硫酸銨是不變的.因此，如想更為準確的控制拋光液中硫酸銨的含量，使拋光鹽的質量分數(shù)始終維持在最為理想的3.5%～4.5%范圍內，可以進行連續(xù)加工實驗，找到拋光電流密度明顯降低的時間，測定當時的電流密度，再以質量分數(shù)-電流密度特性測試的實驗結果作為標定，確定當時的硫酸銨含量，就可以最終得到拋光量與硫酸銨消耗的關系，通過記錄拋光量來更為準確的確定硫酸銨的含量，以便進行硫酸銨的補充.

以前面的連續(xù)加工實驗為例:在拋光液溫度為80℃時，經(jīng)過42 h的加工，拋光電流密度降到0.288 A/cm2，如果認為在2% ～2.5%范圍內，拋光電流密度按線性變化，此時拋光液中硫酸銨的含量為

式中:S為拋光面積，t為加工時間.

因此，在拋光液溫度為80℃時，對于實驗所用的40 kW電解質等離子拋光機床，產生單位拋光量需要消耗硫酸銨為4.035×10-6%.對于一個拋光面積為100 cm2的不銹鋼工件，如果使用實驗中所用的40 kW電解質等離子拋光機床進行拋光，拋光液的溫度是80℃，拋光液中硫酸銨的初始質量分數(shù)是4.5%，拋光時間為2 min，想要保證最佳的拋光效果，那么加工1 239個這樣的工件后就需要補充相當于拋光液質量1%的硫酸銨.如果拋光時拋光液的溫度不是80℃，則需要在相應的溫度下重新進行加工實驗，測出電流密度明顯下降的時間，再根據(jù)測試實驗的數(shù)據(jù)，確定當時的硫酸銨含量，計算相應拋光液溫度下的拋光量與硫酸銨消耗的關系.

5 檢測方法的可行性驗證

將10 cm×5 cm×0.18 cm的不銹鋼試件放入40 kW電解質等離子拋光機床進行加工，拋光液中硫酸銨的含量(w)為1.9%，初始溫度為60℃，關閉溫控系統(tǒng)，使拋光液的溫度因拋光過程中氣體放電所放出的熱量自然升高，每隔2 min記錄電流值(I)和拋光液溫度(T)，帶入式(2)計算Y值，拋光10 min后在拋光液中加入相當于拋光液質量2%的硫酸銨，放入新的試件進行拋光，記錄電流值和拋光液溫度，實驗結果見表3.

從表3可以看出，當硫酸銨的含量為1.9%時，隨著拋光液溫度的上升，在不同時刻通過式(2)計算得出的Y值始終小于零，而當拋光液質量分數(shù)增大到3.9%后，Y值又始終大于零，因此，通過檢測拋光液的溫度和拋光電流計算Y值的方法可以確定當時拋光液中硫酸銨的含量是否足夠，該方法具有可行性.

根據(jù)前面的計算，消耗1%的硫酸銨可以產生2.478×105cm2·min的拋光量，對于加工試件需要拋光1 377 min.使用40 kW電解質拋光機床，拋光液初始質量分數(shù)為4.5%，溫度為80℃.首先將加工試件放入設備連續(xù)拋光480 min，取出加工試件，放入測試試件，拋光5 min后測量其粗糙度值，而后再放入新的加工試件繼續(xù)拋光，在拋光到960和1 376 min時，分別放入測試試件，測量其拋光后的粗糙度.在拋光時間達到1 377 min時，補充1%的硫酸銨，再重復前面的工作.經(jīng)過3次的補充，在5 507 min的連續(xù)拋光中，測試試件拋光后的粗糙度值見表4，可以看到粗糙度值始終維持在0.065～0.085 μm范圍內，證明了該方法的可行性.

表3 檢測電流值和溫度確定質量分數(shù)方法的驗證實驗結果

表4 記錄拋光量確定質量分數(shù)方法的驗證實驗結果

6 結論

由于電解質等離子拋光過程中要產生金屬微粒增大拋光液的電導率，因此，無法使用電導法檢測拋光液中硫酸銨的含量.監(jiān)測拋光過程中的電流密度和記錄拋光量是兩種可以應用于電解質等離子拋光過程中確定硫酸銨含量的方法.監(jiān)測電流密度的方法實際應用更為簡單，通過實驗得到補充線的數(shù)學公式后，不需特別關注，只要在拋光設備的提示下補充硫酸銨即可，適用于一般的工業(yè)生產.記錄拋光量的方法無論是獲取相關數(shù)據(jù)的實驗還是實際應用都更為繁瑣一些，但可以更準確掌握硫酸銨拋光液中硫酸銨含量的變化，將硫酸銨的含量始終控制在最理想的范圍，適用于對拋光質量要求更高的工業(yè)生產.經(jīng)實驗驗證兩種方法都是可行的.

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