钛合金脉冲电化学光整加工工艺研究

钛合金脉冲电化学光整加工工艺研究

包胜华　吴蒙华　张念卿　张志强

(大连大学机械工程系,辽宁大连116622)

摘要:阐述了脉冲电化学抛光的基本原理。采用以甲酰胺(HCONH2)为基的非水电解液,在实验的基础上,初步分析了脉冲电流密度、脉冲宽度、脉冲占空比对光整加工质量的影响,获得了较为合理的工艺参数。

关键词:钛合金;脉冲;电化学抛光;工艺

由于钛合金具有质量轻、强度高、耐腐蚀、生物相容性好、耐热性高等特点,因而被广泛应用于各个领域[1]。尤其在生物医学领域,广泛采用以Ti-6Al-4V为主的α+β双相组织钛合金为材料制作临床用的人工骨、关节、牙等各种植入物及矫形物、手术器械、医疗仪器等[2]。目前,国内外通常采用精锻、真空精铸、冷(热)镦等非机械加工方法进行钛合金制件的成形加工,并采用电镀、机械抛光、化学镀等方法进行表面光整加工[3～4]。上述方法存在诸如工艺复杂、影响因素多、、易产生氢脆、裂纹、表面粗糙等缺点。本文以Ti-6Al-4V钛合金为对象,在甲酰胺为基的非水电解液中,进行了脉冲电化学光整加工工艺的初步研究。

1　脉冲电化学抛光的基本原理

电化学抛光是基于金属阳极的电化学溶解原理进行的。抛光时,工件为阳极,不溶性金属为阴极,两极间以电解液为导电介质,在一定的极间电压(3～18V)作用下,被抛光金属发生阳极溶解反应,在

收稿日期:2003-01-10阴极发生产生气体的反应。阳极溶解的金属离子在其表面的扩散层内逐渐堆积,形成一层粘液层,由于被抛光金属表面存在微观的凸凹不平,凸起处粘液层较薄,电阻相对较小,尖端效应又使得电力线集中,电流密度较大,离子向溶液内部的扩散速度较快,电极反应迅速,金属去除量较大;低凹处电力线较分散,电流密度较小,粘液层相对较厚,离子向溶液内部的扩散速度较慢,造成电极反应弱,金属去除量相对较少。随着抛光时间的延长,使得金属表面逐渐达到微观整平的目的。

脉冲电流电化学光整加工的实质是利用有规律的间歇供电(脉冲电流)进行间歇加工,同时改善极间加工环境[5]。加工时由于脉冲电流的间歇作用和阶跃变化,使加工间隙中的电解液发生振荡而产生压力波,压力波的搅拌作用大大改善了加工间隙中电解液的流动条件,间隙通道内的电化学产物、析气和析热得以及时、充分排除,同时加速了间隙内电解液的更新,电解液的更新将阳极溶解生成的氧化膜冲走,露出新鲜的金属表面,同时重新在工件表面快速形成一层氧化物。利用脉冲电流能有效影响阳

料板和凸模导向板采用CrWMn,热处理后硬度为56HRC。为保证精度,卸料板采用线切割机进行加工,凸模导向板采用低速走丝线切割机进行加工。

2.6　其他部分

上下垫板、凸凹固定板采用45钢,热处理后的硬度为46～52HRC。上下模座用45钢,调质、时效处理,导柱、导套材料为GCr15。卸料弹簧采用高强度优质矩形弹簧标准件。

3　结束语

定位器硬质合金级进模具从设计到加工采用了CAD/CAM一体化技术,使模具设计、加工的周期明显缩短。经过一年多的使用,证明该模具使用、维修方便,冲出的零件符合图纸要求,生产率大大提高,满足了大批量生产的要求。

参考文献:

[1]　张耀宸.机械加工工艺设计手册.北京:航空工业出版社,

1987

[2]　

郑可.实用冲压模具设计手册.北京:宇航出版社,1990

—

47

—

工艺·装备 《电加工与模具》2003年第3期

极溶解过程的动力学原理,在脉冲电流加工过程中使阳极表面始终处于极化-活化的周期性波动状态,扩大了阳极溶解范围,使电流密度曲线向高电流密度方向移动,从而进一步改善电解液的非线性特性和被加工工件的表面质量。

2　实验研究过程

2.1　钛合金表面氧化层的去除

用轧制、机械加工等方法制成的钛合金制品,其表面有一层结构复杂的氧化层(TiO、Ti2O3、Ti3O5等),实践中通常采用酸浸蚀方法去除。

2.2　工艺规范

试件材料:Ti-6Al-4V钛合金;

规格:40mm(长)×20m m(宽)×1m m(厚);

表面粗糙度R a:3.2μm左右;

极间距δ:1mm;

极间电压V:8～15V;

脉冲电流波形:矩形波;

脉冲峰值电流密度i D:6～16A/cm2;

脉冲宽度t p:50μs～10ms;

占空比t p/t i:1～1/8;

电解抛光液温度T:55～60℃;

电解抛光液流速v:30～40m m/s;

电解抛光液成分:(5%～15%)H3NO3S+(82%～92%)HCONH2+3%光亮剂A;

抛光时间:1～3min。

3　实验结果与分析

3.1　峰值电流密度i D对加工效果的影响

不同电流密度作用下抛光表面粗糙度值见表1。从表1所列数据可知,在脉冲宽度t p、脉冲占空比t p/t i一定的情况下,加大极间电压,可提高脉冲峰值电流密度i D及平均电流密度值。在钛合金电化学抛光过程中,随着i D的提高,去钝化作用加强,表1　不同i D作用下抛光面的表面粗糙度值

(t p=100μs,t p/t i=1)

序号电流密度i

D

/(A/cm2)表面粗糙度值R a/μm 160.8

280.4

3100.2

4120.2

5140.8

6161.6抛光速度加快,试件表面粗糙度值下降。但当脉冲峰值电流密度i D大于12A/cm2、平均电流密度大于6A/cm2时,由于极间间隙较小,电解抛光液流速较低,抛光区内电解液温升过快,溶液沸腾汽化,电流大部分消耗在析出气体上,导致电流效率下降,表面抛光质量变差。

3.2　脉冲宽度t p对加工效果的影响

不同脉冲宽度t p作用下抛光面的表面粗糙度值见表2。从表2所列数据可知,在脉冲峰值电流密度i D及脉冲占空比t p/t i一定的情况下,随着脉冲宽度t p的减小,试件的表面粗糙度值降低,微秒脉冲的抛光效果优于毫秒脉冲。这是因在占空比t p/t i一定时,脉冲宽度越大,电流作用时间越长,电解液更新频率减小,气泡“压力波冲击作用”减弱,从而导致加工效果下降[7]。

表2　不同t p作用下抛光面的表面粗糙度值

(i D=12A/cm2,t p/t i=1)

序号脉冲宽度t p/μs表面粗糙度值R a/μm

1500.2

21000.2

33000.4

410000.4

5100000.4

3.3　脉冲占空比对加工效果的影响

不同脉冲占空比t p/t i作用下抛光面的表面粗糙度值见表3。从表3所列数据可知,在脉冲峰值电流密度i D及脉冲宽度t p一定的情况下,随着脉冲占空比t p/t i的增大(即脉冲间歇时间t i延长),试件的表面粗糙度值有所降低,抛光速度则明显下降。这是因脉冲间隔t i的增大,使得电解液“喘歇作用”增强,更有利于加工区电解液的更新和电解产物的排出,从而导致抛光表面质量得到一定程度的提高。但脉冲间隔t i增大的同时也使得平均抛光电流密度变小,材料去除率W随之降低,抛光效率下降。

表3　不同t p/t i作用下抛光面的表面粗糙度值

(i D=12A/cm2,t p=100μs)

序号脉冲占空比t p/t i表面粗糙度值R a/μm

110.20

21/20.20

31/40.18

41/80.18

—

48

—

《电加工与模具》2003年第3期 工艺·装备