用電解加工的方法制作模具拋光工具

一、電解加工的基本原理

電解加工是基于電化學反應獲得制品的一種工藝技術，它利用外電源使金屬發生電化學陽極溶解，從而加工出具有一定尺寸和表面精度的零件。

電解加工的裝置從外形上有些類似于機械加工機床，比如說加工型孔，型腔的電解加工機床類似于銑床;而深孔和膛線電解加工機床又與深孔鉆床的形狀相似。但是在設備配套的電源、電解液循環系統、工具電極和夾具等方面有著實質的區別。

電解加工電源的基本類型包括直流電源和脈沖電源，直流電源國內常用的是可控硅直流電源和Anocut直流電解加工電源。脈沖電源現在多采用功率半導體器件的電解加工脈沖電源，均處于工程化階段，主要類型有:SCR脈沖電源、GTO斬波脈沖電源、MOSFET斬波脈沖電源。

電解液系統的功能包括供液、凈化和三廢處理三個主要方面?，F在使用的典型的電解液系統包括德國AEG公司配置的電解液系統和英國R.R.公司的電解液系統。系統包括主泵、電解液槽、熱交換器、凈化裝置等部分。

電解加工夾具除了對工件裝夾固定之外，還要有工具電極和工件加工位置的電解液流道結構，這樣才能排除電解加工過程中的電蝕產物，避免影響電解加工質量。圖1為電解加工設備的組成框圖。

圖1 電解加工設備組成框圖

電解加工是一種非接觸式加工工藝，工件和工具電極間需要間隙進行電解液流動、進行電化學反應，排除電解產物，電解液的成分、比例對電解加工質量有著決定的影響。目前從理論上還不能得到某種金屬或合金的最適宜的電解液成分和比例，主要還是通過實驗決定。確定加工間隙和選用合適的電解液構成了電解加工的核心工藝要素，決定著電解加工工藝指標(加工精度、表面質量、生產效率等)的選定。

二、電解加工在模具拋光中的應用

拋光是一種表面光整加工方法，用于降低工件的表面粗糙度和改善表面力學性能，而不用于工件的形狀和尺寸加工。當模具零件使用過一段時間后，成形零件表面的質量會有所下降，如果保養不當還會有部分區域出現銹蝕的現象，此時可以采用電解拋光的方法去恢復成形零件的表面質量。由于電解反應出現的位置是在工件和電極的頂端，電解蝕除量很小，因此電解拋光對機械加工后的表面精加工也有很好的加工效果。

1.電解拋光和傳統的電解加工的主要區別

第一，電解拋光的設備比較簡單，不需要電解加工那樣需要昂貴的機床和復雜的控制系統，由于電解拋光電極在加工表面以手動的方式不斷的運動，所以不需要脈沖電源，用直流電源即可。

第二，因為加工方式單一，電解拋光的電極形狀簡單，只要保證工件最小的結構尺寸位置，可以被電極加工到，就可以滿足要求。

第三，電解拋光的加工間隙大，有利于表面的均勻溶解。而且電流密度小，對電解液的流速沒有什么要求。

機械拋光相比，電解拋光的工作效率要高，拋光后表面會生成致密牢固的氧化膜，這層氧化膜會提高金屬表面的耐腐蝕性能，不會產生加工變質層，也不會形成新的殘余應力，加工過程中不會受到工件材料硬度的限制。當工件形狀復雜的時候，局部輪廓很難用機械拋光方法加工的時候，電解拋光方法將很容易實現復雜輪廓的拋光。

2.電解拋光的工藝參數

在用電解拋光方法加工模具零件的過程中，首先要選定電解拋光的工藝參數，主要的工藝參數有以下幾個方面:

(1)電解液的成分、比例對拋光質量有著非常重要的影響。目前從理論上還沒有明確哪種金屬或是合金應該采用何種電解液，主要的方法還是通過實驗來確定。對一些模具零件常用的金屬材料，現已經得出比較理想的電解液。幾種常用工件材料所適用的電解液配方見表。

(2)電解液溫度及其電解液流速的影響。電解液溫度要控制在適當的范圍，溫度過低時，陽極表面易鈍化、結疤，使加工無法正常進行;溫度過高時，電解液可能會局部沸騰、蒸發，導致出現空穴現象，使該處加工中止。實踐表明，電解加工高溫耐熱合金及鐵基合金、結構鋼等材料，液溫以20℃~40℃為宜，但使用NaCl電解液加工鈦合金則要求在40℃以上方能得到理想表面。在電解加工過程中，由于拋光區域需要補充清潔電解液及排屑，電解液需要處于流動狀態，從而保證最適宜的拋光環境。

表 幾種常用工件材料所適用的電解液配方

(3)工件表面起始加工條件的影響。電解拋光對金屬起始表面狀態有比較高的要求，表面如果很粗糙則拋光效果很差。表面粗糙度在Ra0.8~Ra2.5μm時，電解拋光才有顯著的效果，最適合電解拋光的表面是在Ra0.3~Ra0.6μm，這種表面金相組織均勻，細密，拋光后表面粗糙度可以達到Ra0.2μm以下，作為模具成形零件使用能大大提高產品的表面質量。

此外，金屬表面的拋光質量還受到電參數、電解拋光持續時間、電極材料、電極形狀及加工間隙等影響。

三、模具零件電解拋光工具的設計

針對一模具型腔設計其電解拋光工具，工件材料選擇不銹鋼，為達到更好的拋光效果，在拋光前首先要對工件進行前處理，應該去除表面油污和變質層?？梢圆捎盟吹姆椒▽δ＞咝颓涣慵M行去油操作，處理后把工件用布擦凈。

根據實驗效果，選用10%NaNO3+10%NaCl配方的電解液，電解液在加工過程中需要具有流動性并進行過濾，設計電解液槽及循環凈化裝置如圖2所示。

這套裝置的電源采用的是24V直流電源，電源的正極接工件，負極接工具電極。電解液按10%NaNO3+10%NaCl比例配制，工件固定在槽底。電解液的循環和凈化由電解液泵和過濾器來完成。電解拋光的過程是手動的方式完成的，這樣省去了工具電極的自動進給調節裝置。加工間隙是由一層絕緣膜來實現的。對絕緣膜的要求首先是絕緣性能，其次由于電解反應過程中局部的高溫，所以絕緣膜還要求有較高的耐熱性。這里選用的是烤肉店經常使用的燒烤用紙，這種紙具有絕緣性，而且可以承受食物加熱時的高溫，可以滿足電解過程的要求，既能提供加工間隙又能夠在局部高溫的工作環境下使用。在拋光表面鋪上一層絕緣膜后，就可以用電極在工件表面劃動還不用擔心短路。由于電解液處于流動狀態而且工具電極相對工件是運動的，雖然電源是直流電，但也不會造成局部連續放電而產生局部過燒的現象。在模具型腔零件上整體拋光完成一次后，就可以把絕緣膜拿下，用毛刷輕潔工件表面，然后鋪上絕緣膜進行第二次拋光，如此反復三到四次即可發現工件表面明顯的改善，實際表面的粗糙度也有了明顯的降低。降低量與工件初始表面粗糙度有關，工件初始加工表面質量越好，拋光的效果越顯著。

1-工件 2-直流電源 3-電極 4-電解液 5-絕緣膜 6-過濾器 7-電解液泵

圖2 電解拋光工具設計原理圖

除了上述方法外，還有另一種設計電極的方法，在沒有絕緣膜的條件下，可以將電極用非金屬耐高溫材料包覆起來，可以考慮用石膏或者是陶瓷材料制作，并且與電極的配合做成可調式，它們之間可以采用螺紋聯接的方式，這樣不僅解決了加工間隙的問題，而且間隙的大小可以調節，可以通過試驗法找到當前工件材料最適合的加工間隙。電極設計圖如圖3所示。電極可以在石膏內旋入旋出，來調整加工間隙，而且間隙是可以測得的。這樣只需要用電極直接在工件表面移動，而不需要絕緣膜。

拋光完成后對工件表面涂上一層防銹劑，電解液浸泡后的金屬表面易氧化，所以要加以保護，到此電解拋光工序完成。

四、電解拋光技術的發展前景

隨時生產技術的不斷進步，學科的創新往往需要多學科技術的綜合，或者對其他學科的技術進行改良、創新，再應用到本學科中去。電解拋光技術是電化學加工技術的一種，經過改良后應用到模具零件的表面處理和保養中去，可以起到事半功倍的效果。以上是利用電解拋光技術對模具零件進行拋光加工的設計，還需要在實際生產和應用中不斷地完善。相信電解拋光技術未來一定能為模具制造行業的發展增添動力。

(作者單位:廣東省國防科技技師學院)