采用電火花加工后工件表面電脈沖光整技術解析

在電火花成型表面上進行了脈沖電化學光整加工技術的實驗研究。研究表明：脈沖電流密度、脈沖頻率及極間間隙對表面光整效果有顯著影響。通過實驗給出了合適的工藝參數值。該工藝可將Ra1.6μm的普通電火花加工表面光整達到Ra0.042μm的表面。

現代工業中，電火花加工（電火花線切割，電火花穿孔機，電火花成型機，電火花去毛刺機）等被廣泛地應用于模具制造和難加工材料的加工中。然而由于電火花成型加工（EDM）過程中，加工后的表面會產生微觀組織變化、再結晶，并存在熱損傷區、殘余應力等缺陷，該類表面比普通機械加工表面更難以拋光。電化學拋光用于Ra0.8μm以下的表面時效果較好，可獲得Ra0.2μm左右的表面，但很難獲得更好的表面。電化學機械加工（ECMM）可獲得粗糙度值為Ra0.2μm的高質量表面，但它不適合加工粗糙度大于Ra1.6μm的表面。EDM成型的模具表面粗糙度一般大于Ra1.6μm。

因此，研究效率更高且可直接應用于EDM粗糙表面的光整技術是十分必要的。脈沖電化學光整加工技術（PECF）是近年來發展起來的一種非傳統光整加工技術。與上述工藝相比，該工藝使用脈沖電流和中性電解液，而且只需一個簡單的工具陰極和一臺脈沖電源。另外該工藝不受材料表面硬度的限制，不產生切削力，在工件表面幾乎不產生加工溫升，因此不易產生工件變形。

本文研究了將脈沖電化學表面光整加工工藝應用到電火花成型表面的基礎問題，并通過試驗取得理想效果。

1 實驗原理

圖1是電火花成型表面的脈沖電化學光整加工原理示意圖。工件接脈沖電源陽極，工具接脈沖電源的陰極。兩極之間保持一定的間隙。電解液由泵供給到工件和工具陰極之間。光整加工過程中工具陰極由步進電動機控制實現往復運動。

在脈沖電化學光整加工過程中，由于電火花成型加工后所得到的粗糙表面同時存在著高點和凹坑，使微觀電場分布呈現非均勻性，高點處電力線集中而形成較大電流密度，電化學反應速度較快，金屬溶解也快；在凹谷處，電力線分散而形成較小電流密度，電化學反應速度較慢，金屬溶解也慢。另一方面則由于采用了中性電解液，在陽極金屬表面發生電化學溶解的同時，陽極表面還會形成一層鈍化膜，該鈍化膜將會緩解陽極溶解的進一步進行。因此，陽極金屬表面高點處較薄的鈍化膜具有較小電阻，電流密度較大，對電化學反應速度影響不大，對金屬溶解速度影響也不大；而陽極金屬表面凹谷處較厚的鈍化膜具有較大電阻，電流密度較小，電化學反應速度會進一步減慢，金屬溶解也進一步減慢。

 這樣，在以上兩種情況的同時作用下，高點凸起處金屬溶解較快，而凹谷處金屬溶解較慢，隨著脈沖電化學光整加工的進行，工件凹凸處的差值逐漸減小，最終工件表面得到整平，減小了表面粗糙度值，達到光整加工的目的。

2 實驗方案

試件材料：9CrWMn鋼，平面，30mm×50mm

原始表面：普通EDM加工，粗糙度：Ra1.6μm。

陰極材料：銅或不銹鋼

電解液成分：NaNO3(10％～20％)+H2O+添加劑．

極間間隙：0.3～0.6mm

陰極軸向往復移動速度：5～20mm/s

極間電壓：12～30V

脈沖電流密度：40～50A／cm2

脈沖頻率：１～20kHz

占空比：10％～30％

實驗結果表明，上述工藝參數合理匹配，就能獲得良好的光整加工效果。

3 主要工藝參數的影響

3.1 脈沖電流密度的影響

脈沖電流密度對光整加工的效果影響很大。在光整加工過程中，當電流密度較小時，電流效率很低，陽極表面完全為黑色膜層所覆蓋，表明陽極處于完全鈍化狀態（如圖2a）；隨著電流密度的增大，電流效率急劇升高。觀察陽極表面，可發現黑膜覆蓋的面積在迅速減小，光亮部分逐漸擴大。這表明陽極鈍化減弱，鈍化膜溶解，向超鈍化過渡（如圖2b）；電流密度繼續增大時，電流效率達到最大值，并且逐漸趨于穩定，陽極黑膜逐漸溶解，表面全部現出光亮。這表明陽極處于超鈍化溶解狀態（如圖2c）。

3.2 脈沖頻率的影響

脈沖頻率的變化并不影響脈沖電流密度，但脈沖頻率的增加有助于產生壓力波，從而改善流場并使電解液去極化，有助于提高表面質量。

圖3是在其它工藝參數相同的情況下，脈沖頻率對表面粗糙度值Ra的影響。脈沖頻率越高，所獲得表面的Ra值就越小，并且近似呈指數關系。因此脈沖電化學光整加工宜使用高的脈沖頻率。但是過高的脈沖頻率對表面粗糙度值的降低已不產生顯著影響，并且會增加電源的設計和可靠性難度。

3.3 極間間隙的影響

脈沖電化學光整加工需要小的極間間隙，當極間間隙減小時會提高整平作用，有利于提高加工精度，改善表面質量。通過實驗發現該值以0.3～0.6mm較為合適。但極間間隙過小，會使液流阻力過大，電流密度增大，使電解液溫升過快，電解產物及其產生的熱量來不及排出，易導致短路現象，反而影響加工精度和表面質量。而極間間隙過大則會使脈沖電流密度降低，電解液供給不充分，甚至使光整加工基本不產生效果。

4 實驗結果

圖4a是電火花加工后的試件表面圖片，圖4b是脈沖電化學光整后的試件表面圖片。圖5是相對應的表面粗糙度曲線。由圖中可以看出，電火花加工所產生的表面上的凸起基本上都被光整整平了，光整后的表面沒有明顯的凸起和凹坑。這樣的表面不但粗糙度好，而且支撐長度率也高。

脈沖電化學光整加工過程中，同時存在著宏觀整平與微觀整平現象。宏觀整平現象是由電流分布來控制的，陽極整平速度由輪廓的幾何形狀和常規的電化學條件所決定，較粗糙的原始表面經過電化學光整加工后，粗糙度或波紋度值逐漸減小，工件表面被整平；微觀光整作用是由表面動力學來控制的，它是結晶學腐蝕受表面不同晶位上原子的無序移動所抑制的結果。當電流密度在臨界電流密度以上時可獲得光亮的表面。

(高度放大V=5000，

水平放大H=200)

(b)PECF后，Ra =0.042μm

(高度放大V=2000，水平放大H=50)

(a)PECF前，Ra =1.6μm

       脈沖電化學光整加工技術是一種新型的光整加工技術，經研究已可以應用于普通電火花加工后表面的光整。該工藝不產生切削力和切削熱，工具陰極無損耗，使用中性電解液，對環境危害小，工藝過程也相對簡單。

獲得良好的表面質量的關鍵是工藝參數的合理匹配。在光整加工過程中，脈沖電流密度應大于臨界電流密度值，極間間隙也要控制在合理的范圍內。

       脈沖電化學光整加工技術通過與數控技術的結合也可以應用到其他復雜曲面的光整加工中，并且可以應用到一些模具型腔的光整加工中。但對于不同材料，要想得到理想表面，其工藝參數如電流密度、極間間隙等還需要進一步的實驗和研究。
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