电化学光整加工对表面微观几何形貌的影响_周锦进

关键词: 微观几何形貌; 电化学; 光整; 加工
中图分类号: T G66
文章编号: 1004 ) 132X( 2006) 13 ) 1346 ) 04
Influences of Electrochemical Finishing Process on Micro- topography of Surfaces Zhou Jinjin1 A dayi # X ieeryazidan1 P ang G uibing 2 X u Wenji1 1. Dalian Universit y of T echnolo gy, Dalian, L iaoning, 116023 2. Dalian Lig ht Indust ry Inst it ut e, Dalian, L iaoning, 116034
出电化学光整加工过程是表面微观几何形貌的/ 圆角化0过程; 结合表面微观几何形貌电化学
溶解过程所建立的数学模型, 提出/ 尖峰0形表面微观几何形貌的存在有利于改善电化学光整
加工质量的观点, 并在此基础上借助强化机械作用的手段, 实现了大型反应釜内表面的光整加
工处理, 其表面粗糙度 Ra 值可在短时间内降至 01 04Lm 以下。
去观察溶解的全过程。
1. 1Cr18N i9T i 2. Q235 3. 45 钢 图 2 光整加工时间对工件表面粗糙 度的影响
1. 2 极间电场的再分布 由图 1 可知, / 尖峰0状的表面微观几何形貌,
广义而言是由尺度范围在几个微米左右, 大量随 机分布、大小各异、高度不一的/ 毛刺0构成的。在 电化学光整加工过程中, 这种微观/ 毛刺0的存在, 起着至关重要的作用, 即它可以有效地使工件阳 极表面的电场呈 现非均匀性[ 6] ( 即 电力线的/ 尖 峰0效应) 。在极间电场作用下的/ 尖峰0处, 因电 力线的集中而形成比微观轮廓其他部位更大的电 流密度, 从而使/ 尖峰0优先且大量溶解, 实现/ 强 制0型的/ 选 择0 性 溶解。图 3 所示为 利用 ANSYS 软件对极间电场所 作的模拟分析 结果。由 该图可见, 在同等条件下, / 尖峰0形顶部的电场强 度明显强于/ 圆角0 形顶部的电场强度, 而且/ 圆 角0形顶部的电力线的密度要低于/ 尖峰0形顶部 的电力线密度。因此, / 尖峰0的电化学溶解对电 场的非均匀性产生一种/ 弱化0 效应, 即非均匀性 的/ 匀化0现象。这从一个侧面说明, 在电化学光 整加工过程中, 随着表面微观几何形貌的变化, 极 间电场处于不断地重新分布之中, 而这种电场分 布的/ 再分配0导致/ 尖峰0效应的弱化。
然而, 在电化学光整加工过程中, 表面微观几 何形貌的变化不仅影响光整加工后零件的表面质 量, 而且对电化学光整加工过程也产生影响。因 此, 本文通过讨论移动式阴极电化学光整加工过 程中工件表面微观几何形貌的变化及其对电化学 光整的影响, 进而寻求了快速大幅度降低表面粗
收稿日期: 2005 ) 06 ) 06
随着电化学溶解的进行, 由于/ 尖峰0 效应的 / 弱化0, / 尖峰0形表面微观几何形貌逐渐被圆角
( a) 光整加工前
( b) 光整加工后
图 4 / 尖峰0的圆角 化
2 电化学光整加工过程的/ 侧向溶解0
为简化问题, 特作如下假设: ( 1) F araday 定律在此成立。 ( 2) 电流效率 G、工件阳极的电化学当量 X、电 解液的电导率 J、极间电压降 U 等在电化学光整 加工过程中被认为是常量。 ( 3) 阴极的表面微观几何形貌对电化学光整 加工的影响, 可以忽略不计[ 9] , 因此可认为阴极表 面是理想平面。 ( 4) 从/ 尖峰0顶部到/ 谷底0, 由于移动式阴极 几何尺寸的特性, 阴极在一次扫描( 即工具阴极相 对于工件阳极表面的移动) 过程中对工件阳极表 面微观几何轮廓上任一点的光整加工时间有限, 因此可认为在阴极一次扫描前后工件微观表面轮 廓上任一点的最大溶解速度( 即表面微观轮廓的 法线方向) 方向与阴极移动方向的夹角 Ai ( 下标 i 表示阴极的第 i 次扫描, 下同) 的增量 dAi 仅与间 隙 $i 有关。根据电化学光整加工的整平机理, 存 在 dAi 与极间 间隙成 反比 的关 系, 因此有 Ai = f ( t , 1/ $i ) U f ( 1/ $i ) , 如图 5 所示。 由于电力线的特性, 电化学溶解的最大方向 沿着表面的法线方向 n 且指向实体, 并设溶解速 度的大小为 vi , 方向如图 5 所示。 根据假设( 1) ~ ( 3) , vi = C/ $i 成立, 其中, C 为常量, C = JGX( U - E ) , 其中 E 为电极电势。
成立:
n
E lim
n→ ]
hn
=
R-
lim
n→ ]
i= 0
( DcBaidu Nhomakorabea -
Ddi )
=
K
( 3)
式中, R 为工件 阳极的表面微观轮廓的高度; K 为常量。
Key words: micro- to pog raphy; elect rochemical; f inishing; machining
0 引言
机械零部件表面质量对其使用性能有显著影 响[ 1] , 因此, 作为提高表面质量重要手段的光整加 工技术[ 2] 倍受关注。基于电化学阳极溶解原理的 电化学光整加工技术不仅拓展了电化学加工技术 的应用领域, 而且以不受工件材质及表面硬度的 制约等特性在光整加 工领域显现优 势并得到发 展。移动式阴极及脉冲电源的采用, 在改善光整 区域的电场、温度场等特性的基础上, 实现了在小 间隙条件下的电化学光整加工, 并使工件表面质 量得到显著提高[ 3] 。与传统的机械光整加工方法 相比, 电化学光整加工后的工件表面微观几何形 貌发生了显著变化[ 3] , 其独特的表面微观几何形 貌, 对工件的精度保持性、摩擦磨损、润滑条件等 的改善产生有利的影响[ 4, 5] 。
中国机械工程第 17 卷第 13 期 2006 年 7 月上半月
电化学光整加工对表面微观几何形貌的影响
周锦进1 阿达依 # 谢尔亚孜旦1 庞桂兵2 徐文骥1
1. 大连理工大学, 大连, 116023 2. 大连轻工业学院, 大连, 116034
摘要: 通过对电化学光整加工过程中所得到的工件阳极表面微观几何形貌变化的分析, 指
一定的影响。
( a) / 尖峰0 形
( b)/ 圆角0形
图 3 不同表面微观几何形貌电场强度
化, 如图 4 所示[ 7] 。原/ 尖峰0顶部的电场强度逐
渐被弱化的结果使微观轮廓其他部位的电场强度
被强化, 因此, 电化学光整加工由初期主要是/ 尖
峰0 顶 部的 溶解 逐 渐 转 化为 后 期 轮 廓 其 他部 位 溶 解的强化。为此, 有必要从/ 侧向溶解0[ 8] 的角度
d( DisinAi ) = dt
C $i
利用假设( 4) 和初始条件, 当 i X 0, t = 0 时,
Di = 0, 得到该微分方程的解为
Di =
$i
C si nAi
t
( 1)
式( 1) 表明, 表面微观轮廓上任一点在与阴极移
动方向垂直的方向上的溶解深度 Di 不仅与该点
处的间隙 $i 有关, 而且与该点处的角度 Ai 、阴极 扫描的次数、阴极移动速度等有关。
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中国机械工程第 17 卷第 13 期 2006 年 7 月上半月
图 5 工件阳极表面微观几何形貌溶解示意
在阴极扫描一次前后, 由于 dA较小, 为简化 问题, 可以认为图 5 中的 v A BC 为直角三角形。
因此, 根据上式并结合 v A BC 的几何关系及相应
的微分学知识, 下式成立:
( a) 光整加工前
( b) 光整加工后
图 1 表面微观几何形貌 的变化
电化学光整加工对表面微观几何形貌的影响 ) ) ) 周锦进 阿达依 # 谢尔亚孜旦 庞桂兵等
几何轮廓的/ 圆角化0过程。图 2 是一组利用电化 学光整加工技术所作的光整时间 t 与表面粗糙度 Ra 之间的关系实验曲线。由该图可见, 若忽略试 件材质及表面原始质量的影响, 在光整加工初始 阶段, 表面粗糙度 Ra 急剧减小, 但随着光整加工 时间的增加, 表面粗糙度 Ra 缓慢减小甚至基本 趋于稳定。这说明随着光整加工时间的增加, 电 化学光整加工的整平能力下降。值得关注的是, 在电化学光整加工过程中, 工艺参数并未作任何 调整, 除极间间隙的微量增加外( 实际上, 光整加 工所引起的极间间隙的变化不足几个微米, 对极 间间隙变化的影响可以忽略不计) , 最明显的变化 在于表面微观几何形貌的变化, 如图 1 所示。这 种表面微观几何形貌的变化对极间电场分布产生
结合图 5, 可以得到阴极在 n 次扫描后, 任一
处微观轮廓的高度为
n
E hn = R0 -
( Dci - Ddi )
( 2)
i= 0
Dci =
C $ci sinAcit
Ddi =
C $di sinAdi t
式中, (c) 和(d) 分别 表示/ 尖峰0 顶部和底部。
hn 越小, 说明整平的效果越好, 因此式( 2) 实际上
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糙度的方法, 并在此基础上实现了大型反应釜内 表面的光整加工。
1 表面微观几何形貌变化及其影响
1. 1 表面微观几何形貌的变化 传统的机械加工( 包括磨削) 手段所得到的表
面微观几何形貌是/ 尖峰0形的, 如图 1a 所示, 由 于光整加工一般均被安排为最终工艺或工序, 因 此电化学光整前的表 面微观几何形 貌基本上是 / 尖峰0形的。经电化学光整加工后的工件, 其表 面微观几何形貌发生了显著变化, 如图 1b 所示。 与光整前相比, 光整后的表面微观轮廓的尖峰明 显消失, 取而代之的是平滑的凸处及各凸凹处之 间的光滑过渡。这种表面微观几何轮廓的变化是 由于电化学光整加工机理造成的[ 3] 。因此, 从某 种意义上讲, 电化学光整加工过程就是表面微观
Abstract: By st udying the changes in micr o- t opo graphy o n surf ace of a w ork- piece in elect rochem ical finishing ( ECF ) process, it w as point ed out t hat t he changes in micro - t opogr aphy can be reg arded as the rounding pro cess o f m icro- pro file fr om t he view of m icro- geomet ry. M eanw hile, anal yzing t he mat hem atical mo del est ablished by t he elect rochemical dissolut io n of micro - prof ile, it w as pro posed t hat t he peak- like m icro - pro file w as favo rable f or ECF . By means of enhancing t he mechanical role w hich is one of t he met ho ds o bt aining peak- like micro- t opog raphy in elect rochem ical mechanical finishing , the inner surface of a larg e ret ort is f inished by ECF and t he surf ace r oug hness Ra is reduced to low er than 01 04Lm.
反映了电化学光整加工的整平质量。
由于 $ci < $di 、$ci > $ci- 1 、Aci > Adi 及 Aci > Aci- 1 , 其中, Ai I ( 0, 90b) , Aci I ( 0, 90b) , Adi I ( 0, 90b) ,
n
E 因此 ( Dci - Ddi ) 是 一个 递 减 的 级数, 即下 式 i= 0