基于NaCl溶液的電解拋光工藝參數研究

摘 要：針對地震儀器中存在的一些形狀特殊的銅質零部件，本文提出以NaCl溶液作為電解液，通過正交試驗的方式確定銅片電解拋光工藝的最佳溫度、電解液流速和電解液濃度，并研究了通電時間對拋光效果的影響。結果表明，隨著通電時間增加，銅片表面粗糙度先減小后增大。當溫度為60℃、電解液濃度為50%、電解液流速為800mL/min、電流密度為50A/dm2、通電100s時，銅片表面粗糙度最低，為0.175μm。

關鍵詞：NaCl溶液；銅片；電解拋光；表面粗糙度

中圖分類號：TG 175" 文獻標志碼：A

在地震儀器中存在一些通過線切割加工的特殊形狀的銅材質工件，由于其體積小、形狀特殊，因此導致拋光難度大，例如二維垂直擺傾斜儀中的二維連接簧片，二維連接簧片是通過線切割的方式加工出來的，然而目前常用的線切割的加工方式難以達到所要求的厚度以及表面粗糙度，因此在機加工完成后還需要對工件進行精細加工，即拋光處理。

針對機加工零件的拋光處理，目前主流的拋光方式主要有機械拋光、化學拋光以及電解拋光等[1]。對比機械拋光，電解拋光后的零部件無應力殘余，且針對體積小、形狀特殊的工件，電解拋光能降低成本[2]。對比化學拋光，電解拋光同樣存在電解液廢液處理的問題，目前電解拋光液通常以硫酸-磷酸電解液體系為主，使用硫酸-磷酸電解液的優勢在于能縮短電解時間[3]，由于本文所針對的待拋光零件體積小、數量少且對電解加工的時間要求不高，因此可以選擇中性的氯化鈉溶液作為電解液，從而避免廢液處理的問題。

1 電解拋光試驗裝置的搭建

電解拋光又被稱為電化學加工，是以被拋光工件為陽極[4]，惰性金屬為陰極，陰陽兩極同時浸入電解液中，通過直流電源施加直流電使陽極表面溶解，增加表面光亮度[5]，達到粗糙度降低的目的，而通過控制電解拋光過程中的不同工藝參數往往能影響最終的拋光效果[6]。探究電解拋光過程中不同工藝參數對拋光效果影響的研究有很多，并取得了一定成果[7-10]。但有關以NaCl溶液作為電解液的電解拋光技術研究較少。本文選用NaCl溶液作為電解液，搭建電解實驗平臺，通過試驗探究時間、溫度、電解液流速、電流密度、電解液濃度等不同工藝參數對銅片拋光效果的影響，以獲得合適的電解拋光工藝參數。

電解拋光試驗裝置主要包括直流電源、工件陽極、電解液、工具陰極、電解池、溫度計、計時器、溫控加熱板以及水泵，如圖1所示。以待拋光的表面粗糙度Ra為0.5μm、長10mm、寬10mm、厚1mm的銅片為電極陽極，長20mm、寬20mm、厚1mm的鉛板為陰極，采用特安斯TDA155可調直流穩壓電源作為直流電源，采用中性的NaCl溶液作為電解液，采用堀揚TR200表面粗糙度儀對拋光后銅片表面的粗糙度進行測量，同一試驗品每次用粗糙度儀測量3個點位，每個點位測5次，測量結果保留誤差范圍在10%以內的數值，最后取平均值作為最終測量的粗糙度值。

2 工藝參數的正交優化以及試驗數據結果分析

2.1 正交試驗介紹

正交試驗是一種探究多因素多水平的統計學方法，又稱正交法。正交試驗可幫助研究人員更好地理解復雜系統以及如何改變系統中的因素并獲得最佳結果。正交試驗通常用于確定2個以上因素之間相互作用的方法，運用正交表對各因素的各水平的試驗方案進行排列，然后根據試驗結果進行數據分析和優化，最終得到最佳試驗方案。其大致可分為以下4個步驟。1）明確試驗目的及試驗指標。2）確定試驗因素及水平。3）根據因素及水平的數量選擇合適的正交試驗表。4）以試驗指標作為評判標準，對試驗數據進行優化，得到最優加工工藝參數。

電解拋光工藝參數主要包括時間、溫度、電解液流速、電流密度、電解液濃度等因素。本文通過正交試驗探究拋光工藝參數對拋光結果的影響規律，并對工藝參數進行優化。

2.2 正交試驗設計及實施

為了探究以NaCl溶液作為電解液，時間、溫度、電解液流速、電流密度、電解液濃度等不同因素對銅片拋光效果的影響，以拋光后銅片的表面粗糙度來代表拋光效果。選取時間（因素A）、溫度（因素B）、電解液流速（因素C）、電流密度（因素D）、電解液濃度（因素E）作為研究對象，根據每個試驗因素，選取4個水平，正交試驗具體因素及水平設定見表1。

根據表1的影響因素及其范圍，選用正交表L16（45），見表2。根據表2的順序，在保證其他外在因素相同的情況下依次進行試驗，例如試驗號1（A1B1C1D1E1）即代表要做的第一個試驗，控制電解時間為50s、電解液溫度為50℃、電流密度為50A/dm2、電解液流速為400mL/min、電解液濃度為20%，試驗完成后用粗糙度檢測儀檢測工件表面粗糙度。后面的試驗按順序依次類推，將每次試驗的結果即處理后銅片的粗糙度結果記錄在表2的最后一列。

2.3 正交試驗結果分析

正交試驗是一個多因素多水平的試驗方法，它具有正交性、均勻分散性等特點，根據正交試驗得出的試驗結果Yi，可以計算每個因素每個水平的均值Aki、Bki、Cki、Dki、Eki，從而更直觀地反映同一因素不同水平對電解拋光性能的影響趨勢。然后再根據各因素水平的Aki、Bki、Cki、Dki、Eki計算得到各個因素的極差值?Ak、?Bk、?Ck、?Dk、?Ek，極差值可以確定各個因素對電解拋光性能影響的主次順序，最后根據試驗結果獲得最優因素水平，進一步得出電解拋光的最佳工藝參數。

為了能從正交試驗中分析同一因素不同水平對電解拋光性能的影響趨勢以及確定各個因素的對電解拋光性能影響的主次順序，需要計算各因素每個水平的均值（如公式（1）～公式（5）所示），各個因素的極差值如公式（6）所示。根據表2中的試驗結果Yi依次計算因素A（電解時間）在不同水平下的均值Ak1、Ak2、Ak3、Ak4，如公式（1）所示，因素B（溫度）在不同水平下的均值Bk1、Bk2、Bk3、Bk4，如公式（2）所示，因素C（電解液流速）在不同水平下的均值Ck1、Ck2、Ck3、Ck4，如公式（3）所示，因素D（電解液流速）在不同水平下的均值Dk1、Dk2、Dk3、Dk4，如公式（4）所示，因素E（電解液濃度）在不同水平下的均值Ek1、Ek2、Ek3、Ek4，如公式（5）所示。

根據表2的試驗結果和公式（1）～公式（6）的計算，得到因素A（電解時間）、因素B（溫度）、因素C（電解液流速）、因素D（電解液流速）、因素E（電解液濃度）在不同水平下的均值以及各個因素的極差值，見表3。

通過比較各因素下的均值可知，A2B3C3D4E4和A2B3C4D4E4時電解拋光的效果最好，即當因素A（電解時間）為100s、因素B（溫度）為70℃，因素C（電解液流速）為40A/dm2或50A/dm2、因素D（電解液流速）為700mL/min、因素E（電解液濃度）為50%時電解效果最好。通過比較極差大小可知，時間對拋光效果的影響最大，其次是電流密度，接著按照順序分別是溫度、電解液濃度和電解液流速。由此可見，拋光時間和電流密度對電解拋光的影響較大。因此需要通過試驗進一步探究通電時間對銅片電解拋光的影響。

選擇溫度為60℃、電解液濃度為50%、電解液流速為800mL/min、電流密度分別為50A/dm2和60A/dm2探究不同電解時間對拋光效果的影響，試驗結果如圖2所示。當其他因素一致時，銅片的粗糙度隨著通電時間延長先變小后增大，通電100s時銅片粗糙度最小，說明通電時間過短時銅片表面的凸起不同完全溶解，而通電時間過長又會使銅片表面過度腐蝕，粗糙度反而增大。還能看出電流密度為50A/dm2時電解效果比電流密度為60A/dm2時要好，特別是隨著時間增加，電流密度越大，電解過程會反應產生大量氣體影響拋光液流速，導致拋光不均勻。

3 結語

針對地震儀器中存在的一些形狀特殊的銅質零部件，本文提出了一種以NaCl溶液作為電解液電解拋光的方法。通過正交試驗對以中性的NaCl溶液作為電解液的電解工藝進行探究，得出了拋光時間對拋光效果的影響最大的結論。當溫度為60℃、電解液濃度為50%、電解液流速為800mL/min、電流密度為50A/dm2、通電100s時，銅片表面粗糙度最低，為0.175μm。該結果可以為后續地震儀器中特殊形狀零部件的電解拋光技術研究提供了參考。

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