電化學去除內交叉陣列小孔毛刺方法與試驗研究

郭艷玲，朱勛鵬，李 健，王海濱

(1.東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040；2.東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

汽車轉向器中存在一批軸類中空類零件，該類零件制造時需在圓周方向鉆孔加工，會產生內交叉陣列小孔毛刺，由于內孔尺寸較小，毛刺不易去除，螺桿軸正是其中一種。毛刺的存在會影響零件的精度、工作壽命和表面質量等。因此，對毛刺的去除必不可少。工廠現采用手工的方法去除毛刺，該方法勞動強度大、效率低，并且浪費了大量的人力[1-2]。因而急需尋求一種加工效率高、自動化程度高的去毛刺方法。

目前，去除毛刺的方法已有近百種，主要被采用的有手工、機械、化學、熱能、水射流、磨粒擠壓、電化學等方法，這些去毛刺方法各有優缺點，具體選擇哪種去毛刺方法應根據工件的材質、形狀、尺寸、加工精度、生產批量和毛刺的尺寸、位置、硬度及加工成本等進行綜合考慮[3-5]。螺桿軸內交叉陣列小孔尺寸較小，熱能、水射流等方法受到零件尺寸形狀的限制，難以實現對其內部毛刺的去除，而電化學去毛刺方法具有適應性強、速度快、工具無損耗、不受加工材料硬度限制等優點，適用于去除零件中隱蔽部位交叉孔或形狀復雜零件的毛刺，而且其生產效率高，去毛刺一般只需幾秒至幾十秒[6-8]。本文從電化學去毛刺技術方面展開研究，研制了一套實驗裝置，并運用該裝置在一定濃度的NaNO3溶液和極間間隙下進行了大量加工實驗，得到了良好的加工效果。分析了工作電壓、電解電流、加工時間和小孔個數對螺桿軸毛刺去除的影響規律。

1 原理及工藝特點

電化學去毛刺(Electro-Chemical Deburring，ECD)是利用電解作用去除金屬零件毛刺的一種電解加工方法。該方法適合于去除可達性差、結構復雜的零件內腔處毛刺，尤其是交叉相貫孔毛刺。

生產加工中會產生內交叉陣列小孔毛刺的零件很多，該類零件具有具有內孔尺寸較小，結構復雜，一般加工方法難以實現對毛刺的去除的特點。如圖1所示的螺桿軸，該螺桿軸是汽車轉向器中一個不可或缺的零件，其材料為20CrMnTi，在制造過程中需在軸大的大端圓周方向鉆有3個Φ4 mm的陣列小孔，會產生高度為0.1～2 mm大小不等內交叉陣列小孔毛刺，目前工廠采用手工的方法對其進行加工，但該方法存在成本較高，效率低的特點。若采用電化學方法加工可使得加工效率提高10倍以上，且加工質量更好。同樣的工件，該工藝生產成本僅為手工去毛刺，液態電漿和冷凍去毛刺的十分之一，甚至更低[9]。

該零件經機械加工后各小孔毛刺大小不一，若采用軸向插入電極的方法進行加工，則工具與工件間易發生短路現象。故適合采取徑向插入電極方式進行加工，這種方法不受毛刺大小影響，不易短路，且加工快捷、精度較高，但對安裝陰極的夾具的加工精度要求較高。

圖1 加工零件圖

H2O?H++OH-，

圖2 螺桿軸電化學去毛刺原理圖

工件陽極發生氧化反應，工件材料為20CrMnTi，其中所含Mn、Cr、Ni、Cu、Ti等元素失去電子后均會與OH-反應生成沉淀，用M代表能與OH-反應的各元素，可得出基本化學反應式為：

M-ne→Mn+，

Mn++n(OH)-→M(OH)n↓ 。

在工具陰極處將發生還原反應，由于H+比Na+容易吸引電子，電化學反應式為：

2H++2e→H2↑。

與一般的電解加工相比，電化學去毛刺方法具有局部陽極溶解、非加工面需絕緣保護、固定式陰極加工、專用的夾具與陰極的典型工藝特點。電化學去毛刺時，工件毛刺部位的加工間隙顯著小于工件其他部位的間隙，電流場集中在工件的棱邊毛刺處，相對比較容易在短時間內對毛刺完成定域局部陽極溶解；為實現有選擇性的對工件毛刺部位進行電化學加工，需對工具陰極的非加工部位進行表面絕緣處理；為提高電化學去毛刺加工時的生產率，，可采用固定陰極的方法，以便實現高效率加工及保證去毛刺的精度、質量要求；電化學去毛刺加工需要設計制造專用的工具陰極和夾具安裝，使陰極與工件處于固定的位置且有一定的均勻加工間隙，保證陽極溶解在限定區域內進行。

2 電場情況研究

實驗時采用同一規格的電極，則A、Δ值一定，σ會隨著溫度改變而有所改變，但溫度的變化值不大，而歐姆電壓降UR≈U(U為外接電源電壓)，則電流密度主要與電解電流及電源電壓有關。而電解液的成分與濃度、電流密度、加工間隙和加工時間是獲得良好表面質量及實現去毛刺效率高、質量好的關鍵。因此，需要對電解電流、電源電壓及加工時間進行合理的控制。

Va=ηωi。

(1)

式中：η為電流效率；ω為被電解物質的體積電化學當量cm3/A·s。

當電解液的成分、濃度、加工溫度等參數確定后，陽極某點的溶解速度主要取決于通過該點的電流密度i。由公式(1)可知，在線性加工中(η=100%)加工速度直接與i成正比；在非線性加工中，加工速度隨的變化受ηω-i特性的影響，在鈍化過渡區，加工速度隨成近似二次方的規律增長[5]。故小孔毛刺根部的去除速度最快，外部則按二次方的規律降低，這一特點決定了不同大小毛刺所需的加工時間相近。

螺桿軸圓周方向有多個陣列小孔需要去毛刺，與單小孔相比，多小孔去毛刺需并聯多個電極，每個小孔加工都采用同等規格電極，由于各電極之間是并聯的，根據電工學知識可知：

(2)

若加工時采用的加工電極規格完全一致、沒有誤差，且螺桿軸陣列小孔尺寸完全一致時，對三個小孔加工則有A1=A2=A3；Δ1=Δ2=Δ3，則I1=I2=I3。由公式(2)可知，加工兩個小孔和加工三個小孔時的電流值是加工單小孔時的2倍和3倍，即隨著孔得增多，電流值呈線性增長；每個小孔的電流值與加工單個小孔時相同，考慮到電壓值、電解液、電極等都相同，則可推出：加工N個小孔時，其電流值是單小孔的N倍，其余各參數則與單小孔加工時相同。

3 加工裝置

螺桿軸內交叉陣列小孔去毛刺實驗是在自行研制出的一套設備上進行的。該設備具有去毛刺效率高，耗電少的優點。該裝置包括電源柜(含控制系統及加工電源)，電解液循環過濾及狀態檢測系統(包括電解液箱，管路，泵，節流閥，流量計，過濾網，PH值檢測傳感器和溫度、電導率檢測傳感器)，試驗臺(工作架，工作箱及安裝固定夾具)。工作過程為：首先將工件通過夾具固定在工作箱里面，隨后將液壓管路與工件相連接，構成封閉的電解液循環通道。然后打開控制系統，由控制系統控制電源與循環系統等的工作狀態，一般先控制電解液循環開關，使泵工作，最后調整好合適的電參數后打開電源，去毛刺工作開始進行，加工到設定的時間后電源自動關閉，隨后將電解液循環系統按順序依次關閉。電解液經零件的各孔噴出后，流到電解液槽里，進而回流到電解液箱里。圖3為本試驗所用設備的的系統示意圖。圖4(a)為實驗裝置實體圖，圖4(b)為電極夾具與工件夾具的安裝實體圖，圖4(c)實驗中采用的銅電極。

圖3 軸類中空零件圓周陣列小孔去毛刺系統示意圖

3.1 實驗臺

如圖4(a)所示，此實驗臺具有結構簡易、適用性強、可多方位對加工過程進行觀察的特點。工作架使用角鋼制成，并對其進行表面鍍鋅處理，具有較好的防腐防銹特性。工作箱采用有機玻璃制成，為全封閉式，有極好的透光性能，機械強度較高，絕緣性能良好，耐腐蝕，隔音效果好。在工作箱中固放有垂直升降機構與三爪中空氣動卡盤。垂直升降機構上安裝有噴頭裝置，噴頭裝置一端與液流管路相連，另一端經升降機構調整后與加工零件孔相連。三爪卡盤用來實現對零件的裝夾，此卡盤適合加工各種棒料類機械零件，通過控制卡爪夾緊進和松開動作就可實現的對工件的夾緊及電極的安裝定位，使加工時間大大縮減。如圖4(c)所示電極設計成階梯狀，結構小巧、安裝方便，為使電解作用集中在毛刺部位，將非工作部位進行了絕緣包裹，并安裝在相應的夾具上。工具夾具設計成可移動式并安裝在三爪卡盤的三個卡爪上，如圖4(b)所示，操作人員可根據自己的需要調整電極方位。在工件夾具與工具夾具之間安有絕緣墊片，以防止發生短路現象。

圖4 實驗裝置實體圖

3.2 電解液循環系統

電解液循環系統中水泵為粵華牌多級立式不銹鋼離心泵(DL8-40)，功率為4KW，額定流量8m3/h，最大壓力2.1 MPa。電解液槽為PVC板焊接而成，具有具有優質的防腐蝕性，絕緣性，耐溫性和耐沖擊性，強度高。水泵從電解液槽里抽取電解液經管路流至噴頭處進入零件內孔，液流從零件的其余孔流至工作箱，進而流回電解槽，構成一個循環系統。

3.3 電源柜

電源柜里放置有電解電源和控制系統。電源選用兆信KXN-30010D高效率恒壓、恒流型高頻開關電源，電壓范圍0～30V，最大輸出電流為100A，顯示精度為±1%±1。其對加工零件的生產率、加工精度、加工過程的穩定性、表面質量及電極耗損等技術經濟指標有很大影響，具有帶載能力強、連續工作故障率低的特點，還帶有過壓、過溫、過載、過流保護功能。控制系統用于控制加工的時間，時間值可以根據對不同零件加工要求的不同設定不同值，當設定好時間之后可以進行保存和更改。此外，控制系統具有接收并實時顯示溫度傳感器、pH值檢測傳感器的數值，當傳感器上的數值超出設定范圍時，控制系統將斷開電源。

3.4 電解液的選取

通過對電化學去毛刺理論的研究可知，最常用的電解液有NaCl、NaNO3、NaClO3水溶液。其中，NaCl電解液蝕除速度高，但雜散腐蝕嚴重，難以保證精度；NaClO3電解液散蝕能力小，加工精度高，但價格昂貴；NaNO3溶液在質量分數為30%以下時，其具有很好的非線性性能，成形精度高，對設備腐蝕性小，使用安全，價格也不高。通過綜合分析，本次試驗選用NaNO3水溶液作為電解液，濃度應控制在15%～20%，濃度過低會降低加工效率、增加極間熱損耗；濃度過高會使小孔邊沿變黑[12]。該電解液具有“活化溶解區-過渡鈍化區-穩定鈍化區-超鈍化區”的陽極極化曲線特性[13]。采用鈍化型電解液時，在過渡鈍化區和穩定鈍化區，工件表面將被氧化而形成鈍化膜，使工件性能發生變化；在超鈍化區，金屬的溶解過快。因此，去毛刺加工應控制在活化溶解區內[14]。

4 試 驗

本試驗主要是驗證圖4所示實驗裝置電化學去毛刺工藝的可行性。驗證各加工參數對毛刺去除效果的影響規律，掌握加工電壓與電解電流對加工時間的影響規律，并對多孔與單孔去毛刺下各參數的變化情況進行試驗。

實驗時，配制質量分數為19.5%的NaNO3水溶液作為電解液，溫度為21℃，電極與工件間的加工間隙取0.75 mm。當加工間隙與電解液的成分與濃度確定后，影響電化學去毛刺加工的主要參數為電流密度與加工時間，對電流密度，直接測量比較困難，但電解電流與電源電壓可反映電流密度的變化情況，故可以對電源電壓、電解電流及加工時間進行測量及研究。

首先，對單個小孔的做了一系列去毛刺試驗，試驗結果見表1。雖然毛刺初始高度不一，但由于采用徑向插入電極，去毛刺時是從毛刺的根部開始溶解，故所需的加工時間基本相同。從試驗結果可看出：在去毛刺加工中，當增大電壓后，電流值也隨之增大，使得耗電量迅速增加；當加工電壓以公差為d=1.5從15 V增加到24 V時，所需的去毛刺時間有所降低，但降低速度越來越慢；在去毛刺過程中，開始時電解電流比較高，隨著加工過程的進行逐漸降低，說明隨著電解過程的進行，毛刺逐漸被去除使得工件與工具之間的加工間隙增大，進而使電流密度開始下降，電流值也隨之下降。由公式(1)可知，去毛刺速度也有所降低。

表1 單小孔去毛刺實驗參數

加工時，將參數設置為表1所示加工參數中的任意一組，均可得到很好的加工效果。表中只列舉了電壓在15～24 V范圍的參數，當電壓低于15 V時，需要的加工時間太長，加工效率低；當電壓高于24 V時，加工時間基本不再降低，且加工零件的精度難以保證，不予考慮。根據表1，可得到電源電壓與去除毛刺時間的散點關系圖，通過分析比較，可用一個三次曲線t=aU3+bU2+cU+d近似擬合各散點值(如圖5所示)，即可用該三次多項式近似表述加工時間與電源電壓之間的關系，取曲線上四個點，代入公式計算可得：

t=-0.054 3U3+3.888 9U2-93.377 8U+769.000 0。

(3)

加工時需合理控制加工時間，當電源電壓確定后，可通過公式(3)得到近似算出所需的加工時間，進而對時間進行控制。由于加工件在圓周方向鉆有多個陣列小孔，故需要對每個孔都進行毛刺去除。試驗時，將各個電極以并聯的方式連在電源與工件之間。將電源電壓設為15 V后，分別對工件進行了單孔、雙孔及三孔去除毛刺試驗，其結果見表2。

圖5 加工時間與電壓關系圖

表2 同電壓下去毛刺實驗參數

對表2結果進行分析可得出結論：對同一個零件，無論是單孔還是多孔，只要電壓值一樣，其所需要的加工時間相同，隨著加工小孔數的增多，耗電量(P=UI)將呈近似線性增長。對電場情況研究可知，加工兩個小孔和加工三個小孔時的電流值應該是加工單小孔時的2倍和3倍，即隨著孔得增多，耗電量呈線性增長。實驗值與理論值之間存在微小差距，原因可能是電極加工時精度不高，導致A增大，Δ減小所致；也可能是多個電極加工時，由于功率比較大，導致電解液溫度升高，則電導率增大，故電流值增大。圖6所示為三孔同時加工，工作電壓15 V，加工60 s斷電前后對比圖，圖6(a)所示零件為加工前的狀態，加工后得到的零件如圖6(b)。當加工完零件后，由于電解液有一定腐蝕性，應經過清洗和防銹處理。

當加工電壓增大到21 V后繼續增大，去毛刺的所用時間雖然有所減少，但零件的加工質量有所下降。在生產應用中，為保證良好的加工質量與較高的工作效率，可采用多孔同時加工，并將電壓值選為21 V左右、加工時間取20 s進行加工。

圖6 工件去毛刺前后對比圖

5 結 論

借助電化學方法，制作了一套去毛刺裝置，利用該裝置進行了大量的實驗，成功去除了材料為20CrMnTi的螺桿軸內孔上小孔處的毛刺，并對實驗數據進行整理分析，結果表明：加工同一個零件且加工電壓值確定后，無論是進行單孔還是多孔加工，所需去毛刺時間相同，但多孔同時加工的耗電量大于單孔加工；在零件去毛刺的加工過程中，電源電壓值應控制在一定范圍內，且電解電流值隨著輸入的工作電壓增大而增大，而加工時間將會得到縮減；擬合出了加工時間隨加工電壓變化的近似公式，為控制加工時間提供了理論參考。

【參 考 文 獻】

[1] 王 懿，閆麗麗，高居濤.紫銅電極加工中毛刺產生原因與去除方法[J].模具工業，2013，39(1)：75-77.

[2] 徐支鳳.機械零件毛刺去除工藝現狀[J].機床與液壓，2010，38(8)：110-113.

[3] 劉建利.去毛刺技術綜合介紹[J].機電元件，2010(4)：49-53.

[4] Andrey T，Sung L K，Byung K K.Experimental study of burrs formed in feed direction when turning aluminum alloy Al6061-T6[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2005，45(9)：1015-1022.

[5] 陳蘭蘭.電化學去毛刺的建模與實驗研究[D].大連：大連理工大學，2009.

[6] 李小海，王振龍，趙萬生.高頻窄脈沖電流微細電解加工[J].機械工程學報，2006，42(1)：162-167.

[7] 陳遠龍，李 明，唐火紅.電化學去毛刺機床控制系統的設計[J].組合機床與自動化加工技術，2012(10)：63-68.

[8] Li Z，Niu Z.Convergence analysis of the numerical solution for cathode design of aero-engine blades in electrochemical machining[J].Chinese Journal of Aeronautics，2007，20(6)：570-576.

[9] 徐家安，云乃彰，王建業，等.電化學加工與技術[M].北京：國防工業出版社，2008.

[10] 謝俊鋒.鉆削加工毛刺的形成及解決方法[J].輕工機械，2007(1)：85-87.

[11] 劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工[M].北京：機械工業出版社，2008.

[12] 徐文驥，余自遠，孫 晶，等.微小孔電化學去毛刺試驗研究[J].航空制造技術，2011(19)：70-75.

[13] 張朝陽，朱 荻，曲寧松，等.微米級電化學加工關鍵技術研究[J].中國機械工程，2007，18(4)：403-406.

[14] 張 璧，羅紅平，周志雄，等.電化學微加工技術的新進展及關鍵技術[J].中國機械工程，2007，18(12)：1505-1511.