馮垠潔，李湘生，馬再權(quán)

(浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

進入21世紀，伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對機械制造水平提出了更高的要求，特別是一些石化設(shè)備的不銹鋼表面往往要求具有良好的耐磨損、耐腐蝕、低黏附性和極低的表面粗糙度，為此需要一種更佳的加工方法來滿足不銹鋼件表面使用性能的要求[1].304不銹鋼是不銹鋼中常見的一種材質(zhì)，密度為7.93 g/cm3，業(yè)內(nèi)還稱其為18/8不銹鋼.它耐800 ℃的高溫，具有加工性能好、韌性高的特點.但采用傳統(tǒng)機械拋光加工時，加工效率低，表面質(zhì)量不易控制，不可控因素多，難以獲得理想的拋光效果[2].電解機械復(fù)合拋光工藝是一種將電化學(xué)電解加工與機械研磨加工相結(jié)合的加工方法.采用該工藝加工難加工材料時，電解蝕除效率高，若結(jié)合機械研磨，則加工面可達到光澤化效果[3-4].相比于單純電解加工，電解機械復(fù)合拋光加工作為一種新型加工工藝，獲得的工件表面粗糙度更低、加工精度更高；相比于普通機械拋光，該工藝的生產(chǎn)效率大大提升，而且工件表面在加工后因應(yīng)力被去除而得到強化.因此，電解機械復(fù)合拋光在光整加工領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用[5-6].

我國于20世紀80年代將電解拋光技術(shù)運用于化工容器的型腔加工和大型軋輥的表面處理，并不斷擴大應(yīng)用范圍.哈電集團重型裝備有限公司的王楠等采用涂刷式電解拋光技術(shù)對核電用鎳基合金材料進行加工，制造的零部件滿足了大型核電裝置的要求[7].富士康科技集團富頂精密組件有限公司的楊希明等對超薄不銹鋼基材進行連續(xù)電解拋光，提高了拋光效率，加工面達到了質(zhì)量要求[8].采用電解加工與機械研磨加工相結(jié)合的方法，的確可以提高加工效率，降低工件的表面粗糙度，但是目前對電解機械復(fù)合拋光加工的最佳工藝參數(shù)以及實際生產(chǎn)中分階段加工工藝的研究比較少.因此，本文在搭建電解機械復(fù)合拋光試驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對304不銹鋼工件側(cè)面進行一系列電解機械復(fù)合加工試驗，以探究電解機械復(fù)合拋光加工的最佳工藝參數(shù)和實際生產(chǎn)的分階段加工工藝.

1 電解機械復(fù)合拋光加工試驗系統(tǒng)

電解機械復(fù)合拋光加工試驗系統(tǒng)由機床主體及其附屬機構(gòu)、脈沖電源、控制系統(tǒng)及電解液過濾循環(huán)系統(tǒng)組成(圖1).

圖1 復(fù)合拋光加工試驗系統(tǒng)示意圖

2 復(fù)合電極與噴液裝置

2.1 復(fù)合電極

本文采用電解液正向流動的沖液方式，將電極設(shè)計成中空管狀結(jié)構(gòu)(圖2).電解液從電極中部中心孔流入，從電極下端沿電極圓周設(shè)置的小孔流出，進入加工間隙.

圖2 電極設(shè)計圖

本文在電極表面增設(shè)拋光材料，使得加工過程既有電解蝕除作用又有機械研磨作用，將工業(yè)百潔布與加工好的不銹鋼電極相復(fù)合，利用尼龍扎帶進行固定，制成復(fù)合電極.

2.2 噴液裝置

噴液裝置與電極之間采用骨架油封進行密封.該骨架油封為內(nèi)包骨架雙唇旋轉(zhuǎn)式，由三部分組成:油封體(含刃口)、加強骨架和自緊螺旋彈簧(圖3).骨架油封自由狀態(tài)的內(nèi)徑比旋轉(zhuǎn)軸的軸徑稍小，即具有一定的過盈量.它被裝到旋轉(zhuǎn)軸上后，在油封刃口壓力及自緊螺旋彈簧收縮力的雙重作用下，對軸產(chǎn)生一定的徑向壓力，從而達到最佳的密封效果.

圖3 骨架油封的構(gòu)造

將噴液裝置與復(fù)合電極裝配好(圖4).加工過程中，電解液從噴液罩側(cè)面的孔流到噴液罩內(nèi)部，通過中空電極上端的孔流入電極中心.在電極旋轉(zhuǎn)過程中，由骨架油封保證電解液不會泄露.電解液從電極下端圓周上的小孔流出，經(jīng)過百潔布而充滿加工間隙.

(a) 裝配結(jié)構(gòu) (b) 實物照片圖4 噴液裝置與復(fù)合電極裝配結(jié)構(gòu)及實物圖

3 復(fù)合加工正交試驗

本文采用機械電解復(fù)合工藝對304不銹鋼側(cè)面進行加工，以加工后工件表面的粗糙度作為拋光效果的主要衡量指標.在電解機械復(fù)合拋光過程中，影響拋光質(zhì)量的因素眾多，比如電解液成分及配比、加工電壓、極間隙、電極轉(zhuǎn)速、進給速度、復(fù)合電極磨料的粒度、電解液的流量和溫度等.各因素對拋光質(zhì)量的影響程度不一，不同參數(shù)之間還可能存在交互作用而共同影響拋光質(zhì)量.為了研究復(fù)合拋光的工藝規(guī)律，找出不銹鋼側(cè)面復(fù)合拋光的最佳工藝參數(shù)組合，以及各加工參數(shù)對工件表面粗糙度的影響規(guī)律，本文設(shè)計了一系列正交試驗.

3.1 試驗條件

在電解機械復(fù)合拋光試驗過程中，將一些參數(shù)設(shè)定為恒定不變的量(表1)，其他參數(shù)作為變量，研究各變量對拋光質(zhì)量的影響.

在被加工表面選取5個測量點，以5個測量值的平均值作為測量結(jié)果.同時，為了提高效率，拋光過程中只進行一次循環(huán)走刀(去程和回程).

表1 復(fù)合拋光試驗材料及條件

3.2 正交試驗結(jié)果

選取加工電壓、進給速度、電極轉(zhuǎn)速及電解液(沖液)流量4個因素，每個因素選定4個水平進行正交試驗.正交試驗結(jié)果如表2所示.

表2 正交試驗結(jié)果

3.3 試驗結(jié)果分析

通過正交試驗結(jié)果的極差值分析可知，加工電壓和進給速度對復(fù)合拋光后不銹鋼工件表面粗糙度的影響較大，電解液流量和電極轉(zhuǎn)速的影響較小.

單從加工電壓角度看，不銹鋼工件表面的粗糙度隨著加工電壓的增大而逐漸增大.這與理論上復(fù)合拋光加工中加工電壓與工件表面粗糙度的關(guān)系相吻合.第1組和第3組試驗的粗糙度相對較低，而且是在加工電壓為1水平時出現(xiàn)的.

對正交試驗結(jié)果進行極差分析可知，加工參數(shù)的最佳組合如下：加工電壓為12 V，進給速度為10 mm/min，電極轉(zhuǎn)速為140 r/min，電解液流量為0.4 L/min.以該組加工參數(shù)在相同加工條件下對不銹鋼側(cè)面進行一次循環(huán)復(fù)合拋光走刀后，測得工件的表面粗糙度平均值為0.57 μm，略優(yōu)于表2中第1組參數(shù)組合的加工結(jié)果.比較發(fā)現(xiàn)，這兩組加工參數(shù)中唯有電極轉(zhuǎn)速不同，第1組參數(shù)中電極轉(zhuǎn)速為100 r/min，而最佳參數(shù)組合中電極轉(zhuǎn)速為140 r/min.由此可見，電極轉(zhuǎn)速對復(fù)合拋光后工件表面粗糙度也有一定影響.

4 分階段復(fù)合拋光

對不銹鋼的復(fù)合拋光很難一次加工就能獲得理想的拋光效果，因此可分階段進行拋光，即經(jīng)過粗拋、半精拋、精拋的加工工藝流程來滿足拋光質(zhì)量要求.由正交試驗可知，加工電壓為影響不銹鋼復(fù)合拋光后工件表面粗糙度的首要因素，其次為電極的進給速度.因此，粗加工時加工電壓可稍大些，以便快速去除工件表面多余的材料，提高加工效率；精加工時可選用小電壓，以保證工件表面的拋光質(zhì)量.綜合考慮各加工參數(shù)對不銹鋼表面拋光效果的影響，從正交試驗表中選出合適的加工參數(shù)組合，在加工過程中分別按粗拋、半精拋、精拋的工藝流程對不銹鋼側(cè)面分階段復(fù)合拋光，以期獲得理想的拋光效果.

4.1 工藝參數(shù)選擇

根據(jù)正交試驗的結(jié)果，以加工電壓14 V、進給速度10 mm/min、電極轉(zhuǎn)速120 r/min、電解液流量1.1 L/min的參數(shù)組合進行粗加工，以加工電壓12 V、進給速度10 mm/min、電極轉(zhuǎn)速140 r/min、電解液流量0.4 L/min的參數(shù)組合進行半精加工和精加工.粗拋和半精拋用的百潔布為200#，精拋用的百潔布為500#.

4.2 加工結(jié)果分析

不銹鋼側(cè)面的原始粗糙度為2.76 μm，經(jīng)過粗加工、2次半精加工及3次精加工，工件表面粗糙度降到0.17 μm，達到了拋光效果.分階段復(fù)合拋光后工件表面的粗糙度變化如圖5所示.

圖5 分階段復(fù)合拋光后工件表面粗糙度變化曲線

采用這種先粗加工后精加工的加工方式，不僅可以提高加工效率，而且能夠充分利用拋光材料的拋光特性.粗加工時采用低粒度磨料，既提高了加工效率，又降低了拋光材料的磨損度，使電解作用與機械研磨作用良好結(jié)合，充分發(fā)揮了二者的加工優(yōu)勢；精加工時，電解作用較弱，機械研磨起主導(dǎo)作用，再結(jié)合目數(shù)較高的磨料，可將工件表面粗糙度降到很低，達到較好的拋光效果.經(jīng)過多次拋光，工件表面粗糙度降到了0.17 μm.拋光前及拋光后不銹鋼側(cè)面對比如圖6所示.

(a)拋光前 (b)拋光后圖6 不銹鋼側(cè)面復(fù)合拋光前后對比圖

5 結(jié) 論

本文采用電解機械復(fù)合加工方式對拋光面積為44 mm×20 mm的304不銹鋼工件側(cè)面進行拋光試驗，得出以下結(jié)論：

(1) 通過機械研磨作用刮除電解過程中生成的鈍化膜，工件表面粗糙度進一步降低，取得了較好的拋光效果.噴液裝置與復(fù)合電極裝配為一體，可用于不銹鋼側(cè)面的電解機械復(fù)合拋光加工.

(2) 電解機械復(fù)合拋光加工的最佳工藝參數(shù)組合為：加工電壓12 V、進給速度10 mm/min、電極轉(zhuǎn)速140 r/min、沖液流量0.4 L/min.分階段復(fù)合拋光加工使工件表面由原始粗糙度2.76 μm降到了0.17 μm，在保證拋光質(zhì)量的同時提高了拋光效率.這驗證了分階段復(fù)合拋光工藝的可行性.

(3) 采用電解機械復(fù)合加工的不銹鋼側(cè)面粗糙度存在差異，在電極轉(zhuǎn)速逐漸增大且接近最高轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)主軸頭部分發(fā)生震動，進而影響工件的拋光質(zhì)量，為此需要對電解機械復(fù)合加工設(shè)備做進一步改進.