煤礦機械零件高硬度熱噴涂修復層電解磨削加工技術分析

摘 要：為切實提升煤礦機械零件高硬度熱噴涂修復層加工質量及效率，滿足當前煤礦機械零件修復加工需求，降低煤礦企業機械設備零件生產成本，促進煤礦企業的經濟健康發展，對煤礦機械零件高硬度熱噴涂修復層中的電解磨削加工技術進行分析與研討。從電解磨削加工技術運行機理、電解磨削加工技術的工藝性能，以及電解磨削加工技術在煤礦機械零件高硬度熱噴涂修復層中的應用，3個方面進行分析和闡述，以供參考與借鑒。

關鍵詞：煤礦機械零件；高硬度；熱噴涂修復層；電解磨削；加工技術

中圖分類號：TG580.2" " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2023）09-0040-03

0 引言

電解磨削加工技術是目前金屬材料加工領域的重要應用技術之一，其與通用的磨削技術相比，不僅可以有效地降低工件的表面粗糙程度，還可以最大限度地提高材料去除率。基于電解磨削加工技術自身運行優勢，使得該項加工技術在當前的煤礦機械零件高硬度熱噴涂修復層加工中，得到了充分的應用，可幫助煤礦企業有效地節約機械零件加工效率與質量，促進煤礦機械零件的修復加工領域的健康可持續發展。

1 電解磨削加工技術機理分析

電解磨削加工是基于陰極與陽極之間的電勢差產生的電能，通過電解作用而實現工件表面加工的一種特殊加工方法。電化學作用的基本原理如下：在一定條件下，金屬導電部分受電流作用產生電位差，然后在其兩端分別發生電極反應，分別為陰極和陽極。在陰極發生氧化反應的同時，陽極上電子向陰極運動，并被還原為氫離子和電子。當陰極上的氫離子濃度達到一定值時，陽極上電子被還原為氫氣后向陰極運動，并與陰極上的氧形成氧氣，同時產生電流。通過電解作用，工件表面形成一層加工金屬薄膜（即磨削層）。

在磨削加工過程中，電化學反應產生的作用主要有兩個方面[1]。一是基于工件表面形成的電解磨削加工區域。由于陰極附近區域的電解液中溶解有大量氫離子。所以在工件表面形成一層氫氧化物。當工件表面發生局部氧化時，氫離子濃度的提高，促進氫原子與金屬原子結合而形成氫化合物。在這個過程中，金屬與氫原子結合后會產生大量的熔鹽。如果熔鹽中的氫原子濃度過高，則會使熔融金屬在電解磨削加工時不斷溶解而形成熔融狀態。因此，在電解磨削過程中形成的熔融狀態金屬層非常薄且均勻。

二是陽極區域形成了氧化膜。該氧化膜主要起到絕緣、防腐等作用。如果工件表面沒有出現明顯腐蝕現象時，電解磨削加工產生的絕緣層便可與工件表面形成良好接觸。這種良好接觸可以防止工件表面被氧化腐蝕。電解磨削加工過程中磨削層的厚度很小，一般只有幾微米甚至更小，且在加工過程中電解液不會發生泄漏，不會污染環境，因此該技術可以實現對磨損嚴重、腐蝕嚴重的煤礦機械零件進行快速高效的修復。

2 電解磨削加工技術工藝性能分析

利用電解磨削加工技術對煤礦機械零件進行修復，既可以避免因更換新件而造成材料浪費，還能降低設備折舊等問題。

2.1 降低修復層表面粗糙程度

電解磨削使用鈍性電解液，在實際加工過程中，其所生成的鈍化膜可以最大限度地對電解加工中所產生的雜散腐蝕進行有效抑制。在進行精密以及精磨加工的過程中，作業人員可以借助電解電壓以及脈沖占空比，來對電解過程中所出現的過切現象予以消除。借助磨粒自身所攜帶的機械磨削作用，來有效提升加工尺寸的精準度以及高硬度熱噴涂修復層質量。

電解磨削加工的精細度要高于普通電解加工，高硬度熱噴涂修復層的粗糙程度是衡量電解磨削加工技術精準度的重要參考指標之一，在對電解磨削加工技術進行應用的過程中，加工區域中的電解液分布并不均勻，修復層表面的酸度以及濃差極化存在相對較大的差異，從而導致高硬度熱噴涂修復層表面的粗糙程度不能被有效地降低。

借助有關函數對電解磨削加工表面的隨意性以及周期性進行分析，分析結果顯示，修復層表面粗糙性是由于加工零件的成分不同所導致的。在實際的加工過程中，作業人員需要借助磨粒的磨削作用，以此來減少電化學陽極溶解在構件去除率中的占比，進而最大限度地降低高硬度熱噴涂修復層加工表面的粗糙程度。

在對電解磨削加工技術進行研究過程中，基于提升電解液流速條件下，電解液的沖刷作用，可以將加工區域中所產生的氫氣氣泡以及電化學反應產物進行有效清除，從而最大限度地降低電解反應對于加工流程的干擾，進一步地提升高硬度熱噴涂修復層表面加工的精細化。電解液的類型也會對表面粗糙程度產生一定的影響，若為復合材料，則可以使用水溶液作為復合材料的電解液，從而有效地降低修復層表面的粗糙程度[2]。

2.2 減少修復層表面剩余應力

電解磨削加工技術與以往的磨削加工技術相比較而言，前者的機械磨削程度明顯下降，所以會使得機械磨削應力在高硬度熱噴涂修復層表面所殘留的應力相對較小。修復層所殘留的應力一般為熱應力以及機械應力。機械應力是砂輪磨粒與修復層表面之間的擠壓作用所產生的，而熱應力是由電機意外放電以及機械磨削熱量所產生的殘余拉應力。

以工具鋼AISI-10為例，在對其進行電解磨削后，在0 V、3.66 V以及4.41 V電壓狀態下。工具鋼的表面殘余應力在電壓0 V的情況下，純機械磨削是當前材料的主要去除方式，工具鋼加工表面所產生的殘余壓應力，會隨著電壓以及電化學溶液的作用不斷增加，而表面殘余壓應力會隨之不斷地降低。所以，工具鋼的表面殘余壓應力是機械磨削作用所導致的，而電化學溶解作用對工具鋼表面殘余應力基本沒有產生很大的影響。

2.3 減少加工表面缺陷度

電解磨削加工技術具有加工溫度低以及磨削力小的特點，可以最大限度地降低磨削變質層等諸多磨削熱缺陷問題出現的概率。電解磨削加工技術的表面缺陷為雜散腐蝕，電解磨削加工過程中，雜散電流會對修復層加工表面產生二次腐蝕，并對非加工區域造成腐蝕。電解磨削加工技術在實際應用中雖然可以產生鈍化膜，并對雜散腐蝕進行抑制，但是無法在根源上對雜散腐蝕問題進行有效解決。

當前操作人員可以從以下兩個方面對雜散腐蝕進行控制。一方面，借助涂層以及掩膜技術來對陽極構件的非加工表層進行防護。另一方面對導電砂輪的非加工區域進行絕緣噴涂。在電解磨削加工中，氣體絕緣保護技術能夠進一步提高電解腐蝕的定域性，防止雜散電流對加工表面造成二次腐蝕。借助噴嘴構件對加工區域中填充壓縮空氣，借助氮氣形成絕緣保護層，從而最大限度地提升鈍化膜的穩定性。在對電解銑磨分析中，可以對導電砂輪中的端部進行絕緣噴涂，從而最大限度地降低導電砂輪對于工件槽底面的二次腐蝕[3]。

2.4 提高材料去除率

電化學陽極溶解以及砂輪磨粒機械的磨削作用，是電解磨削加工中工件材料去除工藝的重要組成部分。在進行粗磨加工的過程中，可以借助提升電解電壓以及脈沖占空比的形式，對電化學陽極溶解速率以及加工進給速度進行有效提升，以此來最大限度地提高材料去除率。在實際的加工過程中，磨料機械所產生的磨削作用，是將加工區域中的沒有被鈍化膜以及電解反應所消除的碳化物骨架進行有效去除。電解磨削力比普通磨削力低于25%～90%，并且加工區域中并沒有溫度升高的情況出現。所以電解磨削加工技術與普通磨削加工技術相，前者可以有效地提升材料的去除率。

3 電解磨削加工技術應用分析

煤炭是我國能源體系的重要組成部分，在國家能源安全戰略中發揮著重要作用。由于煤礦機械工作條件的惡劣性，使得煤礦機械零件易發生失效和損壞。其中，部分煤礦機械零件因磨損或腐蝕等原因導致失效。

目前，對于磨損嚴重的煤礦機械零件的修復方法主要有3種：更換新件、使用新材料、對零部件進行結構改造。對于磨損嚴重的零部件更換新件，往往會對產品的結構完整性造成影響，且容易造成材料浪費、設備折舊等問題；使用新材料則成本高且維修周期長；而對零部件進行結構改造雖然可以避免以上問題，但由于制造工藝復雜、加工設備昂貴等原因導致很難實現。將熱噴涂修復層作為加工媒介，對磨損嚴重的煤礦機械零件進行熱噴涂修復層電解磨削加工技術，是當前煤礦企業有效解決機械零件磨損問題的重要手段。

3.1 應用新型復合電解磨削加工技術

新型復合電解磨削加工技術與以往的磨削加工技術相比，可以有效地提升加工效率，提高修復質量，降低加工成本。

3.1.1 基于粉末射流輔助的電解磨削

將磨料進行射流輔助加工，將其與電解磨削加工技術有機結合，在電解液中適當地增加粉末磨料。等到粉末磨料與電解液有機融合后，通過高溫熔合，使得粉末磨料與電解液進行有機融合，并通過噴嘴裝置，將熔合料噴入到電解磨削加工區域。借助電化學陽極溶解作用以及導電砂輪的磨削作用，提高材料去除率，并通過粉末磨料，來對煤礦機械零件的表面進行磨削與拋光處理，以此來降低表面粗糙度。例如，作業人員可以將氯化鈉水溶液作為電解液，并將直徑為0.5 ～3 um的粉末磨料加入電解液之中。對機械零件進行電解磨削，可有效地提升煤礦機械零件修復加工質量。

3.1.2 雙電解磨削技術

為有效地降低電解磨削加工件表層粗糙度以及由于導電砂輪調整所導致的停工時間，技術人員將砂輪電解磨修整削技術（ELID）與電極磨削技術進行有機整合，形成雙電解磨削技術。雙電解磨削技術共有兩套電源系統，導電砂輪需要與兩套電源系統的正極所連接，輔助陰極需要與兩套電源系統的陰極連接。在實際的運行過程中，導電砂輪會與輔助陰極之間產生電解反應，從而對機械零件進行在線修整。工件將會輔助陰極之間產生電解反應，從而進行材料去除。雙向操作極大地提升了電解磨削加工效率，減少以導電砂輪調整所耽誤的加工時間，為煤礦機械零件修復加工節約成本。

3.1.3 基于超聲振動的電解磨削技術

技術人員將超聲振動功能應用在導電砂輪以及工件之中，可最大限度地提高材料去除率，降低表面粗糙度。超聲振動電解磨削不僅可以將電解液的電阻由4提升至2 k，有效地減少電極短路所導致的放電影響，加強加工的穩定性，還可以進一步地降低磨削應力。超聲振動電解液在流動時生成諸多的小渦流，從而使得電解鈍化層的厚度得到明顯提升，以此有效降低其法向摩擦力。

3.2 應用合金刀具的電解磨削加工技術

作業人員借助氧化鋁導電砂輪，對煤礦機械零件高硬度熱噴涂修復層進行電解磨削加工，是當前煤礦機械零件磨損修復工作的重要手段之一。氧化鋁導電砂輪的刃口半徑低于0.02 mm，加工平直度要高于以往的普通砂輪。借助金剛石導電砂輪磨削加工技術對煤礦機械零件進行修復，高硬度熱噴涂修復層的表面粗糙度一般不高于Ra0.016 um，刀刃位置十分鋒利，可以滿足當前精車精密的絲杠要求[4]。

3.3 應用合金軋輥電解磨削加工技術

借助金剛石導電砂輪進行電解磨削，軋輥的槽底精準度為±0.02 mm，工件表面粗糙程度為Ra0.2 um，煤礦機械零件的表面不會出現裂縫，也沒有過多的殘余應力，其加工效率相對較高，可以在一定程度上提升金剛石砂輪的使用時間。若是導電砂輪為金屬結合劑制造，其磨料粒度一般為60～1000目，外輪半徑為150" mm，電解液采用含量0.3%硝酸鈉、含量為0.3%的磷酸氫二鈉、含量為9.6%的亞硝酸鈉以及含量為0.3%的酒石酸鉀鈉。在對其進行粗磨時，電壓參數為12 V，電流密度一般為15～25 A，導電砂輪轉速為2 900 r/min，工件轉速為16 r/min。

除上述情況，作業人員將電解磨削加工技術充分地應用在當前煤礦機械零件高硬度熱噴涂修復層加工中，可以有效地降低加工工藝成本。修復層加工工藝成本計算公式如式（1）所示。

Cm=Q×D+B" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：Cm代表著工藝方案中的年成本，單位為元；Q代表著加工年產量，單位為件；D代表著工藝成本中單品的可變費用，單位為元；B為工藝成本中的不變費用，單位為元。

電解磨削加工技術可以有效地延長機械零件的使用時間，降低其磨損率，從而有效地減少煤礦企業對其進行加工修復的成本。電解磨削加工技術與以往的加工技術相比，不僅加工效率更快，耗損率也更低，將其應用在當前的加工中極具經濟效益。

4 結束語

將電解磨削加工技術充分地應用在煤礦機械零件高硬度熱噴涂修復層加工之中，不僅可以有效地提升加工過程中的材料去除率，降低工件表層粗糙度，還可以最大限度地降低機械零件的磨損修復效率，延長機械零件的使用時間。因此，在實際的加工過程中，作業人員需要充分地應用好電解磨削加工技術，全面提升機械零件的修復加工質量，促進當前金屬加工領域的長效平穩發展。

參考文獻

[1] 蔣佳彤，吳懷超，聶龍，等.面向高速鋼軋輥材質磨削的磨床電解磨削裝置控制系統研發[J].機床與液壓，2022，50（24）：71-76.

[2] 李晶.二維旋轉超聲輔助磨削-電解-放電展成加工機理及試驗研究[D].揚州：揚州大學，2022.

[3] 姜冠楠.高鉻高碳鋼電化學脫合金預處理磨削加工性能研究[D].大連：大連理工大學，2022.

[4] 蔣佳彤.高速鋼軋輥材質電解磨削實驗裝置進給控制系統的研究[D].貴陽：貴州大學，2022.