基于电化学法的内交叉阵列孔毛刺去除工艺

郭艳玲 朱勋鹏 李 健 王海滨

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨150040)

去毛刺是机械加工最后阶段必须进行的一项重要的技术，目前为止被应用的去毛刺方法已超过100种［1］，由于零件形状和尺寸种类繁多，采用的去毛刺方法不尽相同。毛刺虽小，但危害确很大［2-5］，对彼此相互运动零件，毛刺不仅会磨损零件表面，还会产生噪声和振动;对于电器，毛刺的存在很可能会导致短路;对液压零件，容易造成密封件切边甚至断裂;对一般零件，毛刺的存在会影响产品的装备、使用性能及寿命等，所以对毛刺的去除至关重要。对于可达性差、与主孔垂直的内部交叉阵列孔毛刺，一般的加工方法难以实现对其去除。目前国内主要采用手工的方法进行去除［6］，该方法存在去除效率低、成本高的缺点，故需寻求一种去除效率高、自动化程度高的加工方法。

电化学去毛刺是金属在电解液中发生基于电化学作用的阳极溶解而去除零件毛刺的加工工艺方法，这是一种先进的去毛刺技术，是电化学加工中发展较快、应用较广的一项工艺，它具有去除毛刺质量好、安全可靠、高效等优点，且能去除可达性差的复杂内腔部位的毛刺，现已在汽车发动机、航空航天、气动液压等领域得到运用［7-10］。本文从电化学去毛刺工艺基础展开研究，对电化学去除内交叉阵列小孔工艺装备进行了简要介绍，对加工间隙中的电场规律进行了探讨，同时分析了去毛刺过程中的流场情况，并以汽车转向器中的螺杆轴上内交叉阵列小孔毛刺去除作为实例进行实验验证，得到了良好的加工效果。

1 基本原理

电化学去毛刺是利用电能、化学能进行局部阳极溶解来达到去毛刺的目的。该方法属于非接触加工工艺，具有不受材料硬度、韧性的限制，加工表面光滑、无热变形的优点。

电化学方法去除内交叉阵列孔毛刺的具体实现流程如图1 所示。其中，通电后电源电流i=0 表示电极安放合理，而有电流值，则表明电极与工件相互之间发生短路。加工过程中，工件接电源正极，称为阳极，工具接电源负极，称为阴极，工具电极对准工件毛刺部位，且两者之间保持一定的加工间隙，以便让循环的电解液顺利通过，针对具体情况所需时间不尽相同，但一般在10～30 s 的时间内即可溶解毛刺，去毛刺的同时，在内通道相交处产生均匀、精确的倒圆边角，随后电解液将加工过程中产生的电解产物及热量冲离加工区。

电化学去除内交叉阵列孔毛刺与单一小孔毛刺去除具有共性之处，如加工原理、电解液的配置情况等，但也有其特殊性，如夹具的复杂程度、流场的设计、电极的安放方式等，与单小孔加工相比，提出了更高的要求。对阵列小孔毛刺，由于各小孔毛刺大小不等，具有分散且多处存在的特点，采用单一电极难以实现一次对整个零件所有毛刺的去除，故需采用阵列电极的加工方法，使得工装夹具的设计较之单一电极夹具复杂。阵列小孔的流场则可考虑为各个小孔流场进行并联，但这样必然使得液流管道的布置及工装夹具的设计变得十分困难，故在满足加工要求时，尽量使得各小孔共用一个流场，这使得正流式的流场布置方式不再适用。

2 工艺基础

加工间隙与电解液是决定电化学去毛刺加工工艺指标的核心工艺因素，也是阴极设计及各项工艺参数选择的首要依据。电解液是电化学去毛刺产生阳极溶解的载体，正确选用电解液是实现电化学去毛刺的基本条件。加工间隙是用以供电解液流动、进行电化学反应、排除电解产物并避免短路的一段空间，该空间对电解作用起决定性作用。加工间隙的大小受电场、流场及电化学特性的影响，而间隙的变化直接影响毛刺的溶解速度，工件的表面质量及加工精度，因而研究加工间隙变化规律对掌握电解加工工艺规律，保证加工质量及效率具有重要意义。

2.1 电解液的选取

电解液与工件及电极组成电解池，使去毛刺时能进行电化学反应，进而实现毛刺的溶解，电解液也起到排除电解产物并带走电解加工所产生的热量的作用。此外，电解液中所含的导电离子是电解池中传送电流的介质，由此可见，电解液在去毛刺过程中扮演着十分重要的作用。目前生产中常用的电解液有NaCl、NaNO3、NaClO3这3 种，NaCl 具有高效、稳定、成本低、通用性好的优点，但其对设备的腐蚀性十分严重，且加工精度不够高;NaClO3加工精度高，但成本较高、且使用过程中维护繁杂;NaNO3加工精度较高、使用安全、对设备腐蚀性小、价格也不高，但缺点是加工效率较低。加工时综合各方面条件考虑，拟选择NaNO3水溶液作为加工电解液，并考虑到NaNO3电解液在质量分数高于30%后非线性性能很差的特点，故配用质量分数为19.5%的NaNO3水溶液作为加工电解液。

2.2 数学模型建立

阵列小孔加工时采用的阵列电极是以并联的方式接至电源负极，各小孔处都采用单一进行对应加工，若忽略同一流场导致的各小孔间去毛刺时的相互影响，可将其看成单个电源与多个电解池的并联。由于电极规格一致，每个小孔在一定精度范围内可认为大小相等，则各孔处间隙变化规律基本一致。对某一小孔处可建立如图2 所示的加工示意图。在图2 所示坐标系中，电解过程中电解液沿x 轴方向流动，加工前电极由z 轴方向插入，y、z 方向条件可近似为完全相同，设初始毛刺厚度为D，初始加工间隙为Δ0，加工开始经t 时间后毛刺被溶解的厚度为h，此时极间间隙为Δ，根据几何关系满足:

对式(1)进行求导，有dΔ =dh =vadt，电化学去毛刺过程中服从法拉第定律，满足:

式中:va为电化学去毛刺速度，mm/s;η 为电流效率;ω为体积电化当量，mm3/(A·min);i 为电流密度;σ 为电解液电导率;UR为加工间隙方向上电解液的欧姆电压降，V;Δ 为电加工间隙，mm。

对式(1)及(2)进行整理，可得:

由式(3)可知，去毛刺过程中加工间隙随时间的变化逐渐增大，则加工速度逐渐降低，电解电流也随之减小。由图2 可知，当Δ =Δ0+D 时，毛刺脱落，去毛刺过程完成。此时所需的加工时间为:

由式(4)可知，电化学去毛刺所需的加工时间与工件的体积电化学当量、电解液的电导率及加工电压成反比，并与毛刺的厚度及初始加工间隙有关。若去毛刺时间t ＜t'，此时毛刺未被全部去除，则此时毛刺的厚度D'满足D' =D-(Δ-Δ0)，整理得

由式(2)可知vaΔ = ηωσUR=C，C 为常数，即电解加工速度与加工间隙相互之间呈双曲线函数变化的反比关系。实际加工中由于毛刺厚度不一以及毛刺表面微观不平度的影响，毛刺周向各点距离孔中心距离不全相等，各点处加工间隙不全等于Δ，设工件毛刺根部的最大平直度为δ，毛刺向内孔突出的部位间隙为Δ，去除速度为va，则低凹处加工间隙为Δ+δ，去除速度为v'a，则:

显然毛刺突出部位的去除速度大于低凹处，随着加工过程的进行而逐渐趋于整平的效果，且加工间隙越小，越能提高加工精度。由式(3)、式(4)可知，适当减小Δ0，选用体积电化当量低、电导率低的电解液，可使加工精度得到提高。若Δ0过小，则电路易发生短路，且对夹具精度提出了更高的要求，使得加工成本增加，因而在实际生产中，可根据工件要求的加工精度选取Δ0值。

2.3 加工间隙中的电场特性

去毛刺过程中，加工间隙中充满了高速流动的电解液，在直流电源的作用下，两极之间将保持一定的电势差，间隙电解液中有电流通过，形成一个电流场，该电场将直接影响去毛刺的效率和效果。电场一般分为3 种:静电场、导电媒质中的电场、有电流通过的导电媒质中的电场。电化学去毛刺产生的电场属于导电媒质中的电场。导电媒质的主要特征是媒质的电导率σ＞0，故其媒质内有电场存在时，就有电流流动，电流场的分布特征用电流密度i 来表示。由电场理论可知:

式中:φ 为某等位面的电位;n 为通过该点等位面的法向;且正向指向电位增长方向。

电化学去除阵列小孔去毛刺过程中，导电媒质与外电源相连，以维持连续不断的电流。但所加的电源在所研究的间隙电场之外，故电解加工间隙的电场应作为无源场。若假设电解液各向同性，则在工件边界和初始阳极边界所包围的区域内电场的电位分布服从拉普拉斯方程，即:

在电化学去毛刺过程中间隙电场的形成是在外电场作用下，电解液中的正离子向工具阴极移动，负离子向工件阳极移动，形成了从工件阳极开始流向工具阴极的正向电流，从而构成了，引入电流线和等位面，可得出加工间隙中的电场分布情况，如图3 所示。对式(7)若只考虑电流的量值而不考虑方向，有∂Φ/∂n =i/σ，则阳极表面各处法向电位变化率为∂Φ/∂n=η0i0cosθ/η σ，其中，η0、i0表示θ =0o的η、i。

2.4 流场设计及其特性

电化学去毛刺的电解液流动形式分正流式和侧流式。一般来说，正流式易于布局，工具阴极较为简单，但电解液流动方向在加工区域突变，会导致加工区流场不均匀、不稳定，影响加工质量。侧流式流场较为均匀、稳定，加工质量较好，但对工具阴极结构要求严格，非加工面绝缘要求较高。针对阵列小孔毛刺情况，由于需要多个电极，采用正流式时流场结构较之侧流式复杂，故阵列小孔去毛刺过程流场设计为侧流式，如图4 所示。

在电化学去毛刺过程中，流场对间隙的影响主要是电解液电导率的影响起作用。而电导率受电解液气泡率和温度的综合作用影响。加工时，阴极一直析出氢气，阳极溶解阳极产生电解产物，故加工间隙内所流的为气、液、固三相流，但电解产物所占体积比很小，故应将流场看做气、液两相流。在加工间隙内，假设气液两相流相互间无质量转换且各项参数均匀分布、阴阳极表面均为等位面且在垂直电解液流动方向上电位呈线性分布、电化学去毛刺各项参数不随时间变化且两极间热交换也处于热平衡状态，由各相质量连续及能量关系并综合电导率变化规律可得

式中:σ0为间隙进口处的电导率;ξ 为电导率温度影响系数;T(x)为沿流程方向上的电解液温度;T0为间隙进口处的电解液温度;n 为气泡率对电导率的影响指数，通常取n =1.5;aT为温度增加率;x 为电解液在加工间隙中的流程长度;β(x)为沿流程方向上的气泡率;ηg为析氢的电流效率;kg为析氢的质量电化当量;Rg为氢气的气体状态常数;vo为间隙进口处的流速;Δ0为间隙进口处的间隙;p 为压力。

3 加工工艺装备与电极

电化学去毛刺系统主要包括机床壳体、工艺装备、电源、输液系统、控制系统、检测反馈系统及加工电极7 个部分，其加工的系统图如图5 所示。其中，工艺装备与电极影响极间间隙，进而影响各项工艺参数。

加工工艺装备是用来实现安装、定位工件、工具阴极，按需要将电极送至合理位置，并将加工电流和电解液输送到加工区，其是电化学去毛刺加工的直接执行者。可将其分为工装夹具和喷液装置。工装夹具是保证工具电极与毛刺之间的准确定位的仪仗，并保证阴极与毛刺不会接触而造成短路，其加工精度直接影响工件去毛刺的效率与质量。此外，工装夹具还用以导电、夹紧工件的作用。对毛刺大小不等的阵列小孔工件，需采用多电极进行去毛刺加工，则工具夹具需要设计为圆周阵列且在加工前后能沿着圆周径向移动。如图5 所示夹具部分，加工时采用三爪卡盘夹紧定位工件，由于工件圆周方向有3 个阵列小孔，故可将每个电极夹具安放在三爪卡盘的一个卡爪上，通过调整工具夹具的安放位置，当卡盘夹紧工件时，电极正好进给至合适的加工位置与毛刺对应，进而保证电极与毛刺之间的初始加工间隙在0.1～1 mm 之间。图中所示电极与夹具配合面垂直度必须严格保证;工件安放时位置由与之连接输送电解液的碰头装置确定;由于卡盘行程受限，对厚度大的工件，需在工具夹具处安放行程放大装置并调整合理的放大倍数;电极安装后不必拆卸，每次加工完成后只需将卡盘松开即可将工件取走，使加工效率大大提升。

电极作为去毛刺加工的工具，设计的好坏将直接影响到去毛刺的效果，工具设计不合理将难以实现对毛刺的去除。理论上电极是指与电解质溶液相接触的电子导体及其邻近的电解液所组成的整个体系。本文所述加工电极是指工具阴极的电子导体部分，采用黄铜制成。由于工件小孔尺寸确定，若工装夹具加工精度较高，则电极的大小将直接确定初始加工间隙的大小，设小孔直径为d，电极直径为d1，则

4 加工实例

在研究过程中，对汽车循环球转向器的螺杆轴大端阵列小孔毛刺进行了电化学去毛刺试验。螺杆轴实体图如图6 所示。该螺杆轴材料为20CrMnTi，在轴大的大端圆周方向钻有3 个Φ4 mm 的阵列小孔，会留下高度为0.1～2 mm 大小不等的毛刺，由于毛刺大小不一，并且有的部分高度h ＞1 mm，故应将阴极放置在能使毛刺从根部溶解的位置上，即需采用图2 所示的加工方式进行加工，试验条件见表1。

表1 试验加工工艺参数

去毛刺过程中，需连续高速地向加工工件输送电解液，随着加工的进行，毛刺被逐渐溶解，电解产物和热量则由高速流动的电解液带走。由式(4)可知，在加工电压、电极大小及电解液成分一定时，电化学去毛刺所需的加工时间随毛刺的厚度变化呈二次曲线变化规律，即毛刺越厚，所需加工时间越长。又由式(5)可知，随着加工时间的进行，加工间隙逐渐增大，毛刺厚度逐渐减小直至毛刺全部去除。在表1 所示加工条件下，选取图6 所示一对规格一致的工件进行去毛刺加工，其中一件加工时间为45 s 时，可得出工件的加工效果如图7a 所示，此时小孔毛刺大部分已被溶解，但仍有部分未去除，显然，没被完全去除的地方毛刺较厚，但此时毛刺的厚度已经大大减小，而有的地方毛刺已经全部脱落，说明该处毛刺较其他部位薄;另一件加工时间为60 s 时，工件的加工效果如图7b 所示，由图可知，此时工件毛刺已经全部去除，且加工圆角较小，说明加工时间取60 s 较合理，由此可知该工件毛刺厚度最大值为:

5 结语

本文对内交叉阵列小孔毛刺去除工艺进行了分析研究，建立了小孔去毛刺数学模型，得出了各小孔处极间间隙的变化规律及小孔毛刺厚度与去毛刺所需时间的相互关系，并采用阵列电极的加工方法对阵列小孔毛刺去除进行了试验验证，得出的结果与理论分析相一致，为毛刺去除找出了合理的工艺参数。建模过程忽略了各小孔去毛刺时在同一流场中存在的相互影响关系，使得建模过程得到简化，但却降低了准确度，后续研究有待进一步改进。

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