电化学机械复合光整加工技术的研究现状_张志金

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉ，ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ
电化 学 机 械 复 合 光 整 加 工 （Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ）是一种非 传 统 光 整 加 工 方 法，是 利 用 电 化 学 光 整 加工作用及其与磨削加工、研磨加工等传统的机 械 加 工 作 用 的复合，创新出的 一 种 零 件 表 面 的 光 整 加 工 工 艺 技 术，由 于 结合了电化学加工与机械加工的优 点，在 航 空、航 天、汽 车 制 造 、模 具 加 工 等 领 域 具 有 很 好 的 应 用 前 景 。
电化学机械复合光整加工工艺具有如下特点： （１）加 工 范 围 广 ，加 工 效 率 高 加工过程不受材 料 强 度、硬 度 等 物 理 性 能 限 制，适 用 于 各种高强度、高硬度、高热敏性及脆性等金 属 材 料，如 硬 质 合 金、高速钢、钛合金、不锈钢、镍基合金 和 磁 钢 等；电 化 学 机 械 复合光整加工方法可以通过整体 电极 实现各 向 同 时 去 除，因 此可以实现各种复杂表面及通道的光整加工。加工硬质合 金时，与普通的金 刚 石 砂 轮 光 整 相 比，电 化 学 机 械 复 合 光 整 加 工 效 率 要 高 ３～５ 倍 。 （２）加 工 精 度 高 ，表 面 质 量 好 由于在加工过程中只是电化学钝化膜 的 生 成 与 去 除，所 以加工表面不会 产 生 硬 化 层、变 质 层，更 不 会 产 生 残 余 应 力 和变形及毛刺等表面缺陷，可以得到比机械磨削 更 高 品 质 的 表 面 。 参 数 适 当 ，其 表 面 粗 糙 度 （Ｒａ）可 小 于 ０．１６μｍ。 （３）磨 具 的 磨 损 量 小 机械磨具或磨料 主 要 用 于 刮 除 氧 化 膜，作 用 力 极 小，所 以磨损很小，缩短 了 磨 具 的 修 磨 时 间，同 时 也 延 长 了 磨 具 的 使用寿命。 （４）控 制 条 件 好 从理论上来说，通 过 控 制 电 化 学 作 用 的 加 工 参 数，就 可 以 实 现 加 工 过 程 的 控 制 ，容 易 实 现 自 动 控 制 。 （５）成 本 低 要达到同样的工艺水平，与机械加工以 及 其 它 加 工 工 艺 相比，电化学机械 复 合 光 整 加 工 所 用 设 备 投 资 少、加 工 成 本 低 ，与 常 规 的 机 械 光 整 加 工 相 比 ，成 本 一 般 为 ５０％ 甚 至 更 低 。 １．３ 加 工 过 程 中 的 影 响 因 素 电化学机械复合光整加工过程中 的影 响 因 素 很 多，包 括 电解液的选择、电 解 液 浓 度、电 解 液 温 度、电 流 密 度、加 工 电 压、磨具粒度和压 力 等。 要 获 得 良 好 的 加 工 效 果，必 须 选 择 合理的工艺参数。对于电化学机械复合光 整 加 工，最 关 键 的 问题是实现电化学作用与机械作 用的合 理 匹 配。因 此，需 要 根 据 不 同 的 工 件 形 状 、材 料 等 选 择 合 理 的 加 工 参 数 。 （１）电 解 液 的 影 响 电化学机械复合光整加工一般要求采 用 钝 性 电 解 液，具 体要根据材料及电解液的活化钝化特性作为选择的主要依 据。例如，产生阳极钝化膜的电解液中不能 含 有 活 化 能 力 很 强 的 活 性 离 子 （如 Ｃｌ－ ），一 般 使 用 以 腐 蚀 能 力 较 弱 的 ＮａＮＯ３、ＮａＮＯ２ 等 为 主 的 电 解 液，不 同 的 工 件 材 料 所 用 电 解 液的成分也不同。 （２）电 解 液 浓 度 的 影 响 电解液浓度越大，生产效率越高，但 是 杂 散 腐 蚀 严 重，不 利于整平，为了强 调 电 解 液 的 钝 化 特 性 及 非 线 性，应 采 用 较 低 的 电 解 液 浓 度 ，一 般 为 ８％ ～１５％ 。 （３）电 解 液 温 度 的 影 响 电解液温度过低会导致活化性能 差，工 件 表 面 钝 化 比 较
图 １ 电 化 学 机 械 复 合 光 整 加 工 原 理 图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ
１．２ 电 化 学 机 械 复 合 光 整 加 工 的 分 类 以 及 特 点 随着科学技术的不断发展和制造水 平 的 不 断 提 高，电 化
膜层刮去，又持续地被电化学溶解，如此 循 环 往 复，使 得 被 加 工表面高点不断 地 被 去 除，低 点 被 保 护，工 件 表 面 最 终 得 到 光 整 加 工 。 ［３－５］
１ 电 化 学 机 械 复 合 光 整 加 工
１．１ 电 化 学 机 械 复 合 光 整 加 工 的 原 理 电化学机械复合光整加工是电化学加工与机械刮削作
用组合而成的复合加工形式，加工的基本原理是 以 电 化 学 阳 极溶解为基础，利用磨具（磨料）的机械作用刮除 工 件 表 面 钝 化膜，其难点在于两种作用的相互 匹配。电 化 学 机 械 复 合 光 整加工的加工原理如图 １ 所 ［１，２］ 示，加 工 过 程 中，被 加 工 工 件 作为阳极，工具电 极 作 为 阴 极，电 解 液 循 环 通 过 阴 阳 极 之 间 的间隙，工具电 极 相 对 于 工 件 做 往 复 运 动。 在 进 行 加 工 时， 阴阳极之间有电流通过，在一定的电流参数和合 适 的 电 解 液 成分的条件下，工件阳极的金属表面 发生电 化学 钝 化 溶 解 而 生成钝化膜，这 层 钝 化 膜 会 对 工 件 表 面 形 成 一 定 的 保 护 作 用，阻止电化学作 用 对 金 属 基 体 的 进 一 步 溶 解。 在 磨 具 （磨 料）的研磨作用 下，工 件 表 面 微 观 不 平 度 各 高 点 的 钝 化 膜 首 先被清除，新鲜的 金 属 表 面 重 新 露 出 并 进 一 步 溶 解，同 时 产 生新的钝化膜，而微观表面的低点部 位的金 属基 体 由 于 钝 化 膜层的持续保护而没有被进一步溶解。每当工件表面形成 钝化膜时，磨具的往复机械运动就会 将金属 微光 表 面 的 高 点
电 化 学 机 械 复 合 光 整 加 工 技 术 的 研 究 现 状／张 志 金 等
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形式，而且还在不 断 发 展 中。 从 工 艺 方 式 的 角 度 划 分，主 要 包括电化学磁粒 光 整 加 工、磁 场 电 化 学 磁 粒 复 合 光 整 加 工、 电化学磨削、电化 学 研 磨、电 化 学 珩 磨、电 化 学 砂 带 磨 抛、电 化学超精加工、电化学磨料光整加工等 。 ［６，７］
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅ－ ｃｈａｎｉｃａｌ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
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材料导报 Ａ：综述篇
２０１２ 年 ７ 月 （上 ）第 ２６ 卷 第 ７ 期
电化学机械复合光整加工技术的研究现状＊
张 志 金 ，张 明 岐 ，曹 新 鹏 ，程 小 元
（北京航空制造工程研究所，北京 １０００２４）
摘要 介绍了电化学机械复合光整加工技术的原理、特点以及加工过程中的影响因素。综 述 了 电 化 学 机 械 复 合光整加工技术的国内外研究现状，指出了目前我国电化 学 机 械 复 合 光 整 加 工 技 术 存 在 的 问 题 ，并 探 讨 了 电 化 学 机 械复合光整加工技术的发展趋势。
２ 电化学机械复合光整加工的国内外研究现状
为了促进光整加工技术的应用，国内 外 开 展 了 大 量 的 科 学研究工作，试图提高加工工艺过程的自动化水平 。 ［８，９］
日本在电化学机械复合光整加工方面的研究较为深入。 １９８７年大森整 提 ［１０］ 出了 在 线 导 电 砂 轮 修 整 （ＥＬＩＤ）方 法，利 用磨削液的微弱电解现象对使用微细磨料铸铁纤维结合剂 金刚石砂轮 进 行 适 度 修 锐，修 锐 后 的 砂 轮 径 向 跳 动 量 小 于 １μｍ，砂 轮 表 面 光 滑 ，形 状 精 度 高 ，磨 粒 等 高 性 好 ，适 于 精 密 镜 面磨削用。前畑英彦 等 采 ［１１－１４］ 用 电 解 复 合 镜 面 研 磨 法 加 工 金属表面，并对这 种 复 合 光 整 加 工 方 法 的 工 艺 特 性、表 面 特 性进行了研究。清宫 纮 一 研 ［１５－１７］ 究 了 电 解 研 磨 法 镜 面 加 工 的原理和工艺特性，并将此种工艺应用到自由 曲 面 的 光 整 加 工中。酒井茂纪等 应 ［１８］ 用 成 对 电 极 法 对 放 电 加 工 面 进 行 脉 冲电化学光整加工，并把这一成果应用到电化 学 机 械 复 合 光 整加工技术中。
严重，容易引起阳 极 表 面 不 均 匀 溶 解 或 形 成 致 密、难 去 除 的 “黑膜”；而温度过高又会引起阳极表面的局部 过 度 腐 蚀 造 成 表面杂散缺陷，还会因不能生成钝化膜而发生 剧 烈 的 机 械 磨 削，从而导致表面烧伤。电解液的温度控制在 ４０～６０℃ 较 为 合适。
（４）电 流 密 度 的 影 响 电流密度过高，电解作用过强，导 致 工 件 表 面 质 量 下 降； 电流密度过 低，机 械 作 用 过 强，也 会 使 工 件 表 面 质 量 下 降。 电流密度的选择应以电解作用和机械作用的平衡匹配为准， 一 般 为 １０～３０Ａ／ｃｍ２。 （５）加 工 电 压 的 影 响 工作 电 压 过 低，电 解 作 用 减 弱，导 致 表 面 质 量 下 降。 工 作电压过高，工件 表 面 不 易 整 平，而 且 容 易 引 起 火 花 放 电 导 致表面粗糙度恶化。所以应该选择较低 的 电 压，如 不 锈 钢 及 镍 基 合 金 一 般 选 择 ６～１０Ｖ，轻 金 属 合 金 选 择 １６～２０Ｖ。 （６）磨 具 粒 度 和 压 力 的 影 响 磨具粒度实际上决定了瞬时电解加工作用间隙的大小， 所以应根据 光 整 表 面 精 度 及 粗 糙 度 要 求 选 择 较 小 的 粒 度。 一 般 加 工 应 选 择 ６０＃ －８０＃ 粒 度 ，精 密 光 整 或 达 到 珩 磨 质 量 时 应 选 择 １００＃ －１２０＃ 粒 度 。 此 外 ，磨 削 压 力 也 是 影 响 较 大 的因素。磨削压力大会造成机械作用过 强，同 时 会 造 成 磨 具 磨损，影响表面质量及工作效率。而磨具 的 压 力 过 小 会 造 成 机械作用过小，导 致 机 械 作 用 与 电 化 学 作 用 不 匹 配，也 会 导 致 擦 伤 、烧 伤 等 缺 陷 。 一 般 为 磨 削 压 力 不 大 于 ０．５ＭＰａ。 （７）磨 削 速 度 的 影 响 磨削速度会影响电解作用与机械作用的匹配情况。速 度过快，电解作用 增 强，机 械 作 用 降 低；速 度 过 慢，电 解 作 用 降低，机械作用增强。因此应根据加工精 度 要 求 选 择 合 适 的 磨 削 线 速 度 ，一 般 取 １０～２２ｍｍ／ｓ。