化学光整加工在模具镜面抛光中的应用
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怎样提高电加工的精度，一直是ห้องสมุดไป่ตู้内外电加工
—————————————————————— 收稿日期：2005 - 11 - 03。 作者简介：管迎春（1983 - ），女，安徽六安人，硕士研究生，从事 模具钢加工新技术研究，地址：深圳大学城（西丽）清华校区 J 栋 307 房间。（电话） 0755 - 26036382，（电子信箱） guanyc04 @ mails . sz . tsinghua . edu . cn。
由于上述 2 个方面特点，脉冲电流加工可获得 较高的加工精度和表面质量，除了生产率一项指标 以外 ( 由于占空比的存在 , 影响加工效率 ) ，其余特 性均优于直流加工 , 如图 1 所示。实验数据见参考 文献 [ 11] 。
2. 2 高频、窄脉宽脉冲电源 虽然脉冲加工的精度较直流有所提高，特别是
整平比更为明显，但采用的频率较低 ( 工频级 ) ，脉 宽较大 ( ms 级 ) ，仍然接近于直流，故脉冲效应未充 分发挥，效果仍不够理想，加工间隙较大，精度不够 高，而加工效率则有所降低。用周期对刀、周期进给 的小间隙加工、大间隙冲刷的模式来达到较高的加
试验研究的主要目标和热点，虽取得一定的进展，但 仍没有得到很好的解决。直到上世纪 90 年代，随着 新型电子器件的发展，英、美、俄等国相继进行了脉 冲电化学加工技术的基础试验研究 [4 ～7 ]，以及此项 新技术的应用研究，使得脉冲电化学加工作为新型 光整加工工艺，较大幅度地提高了加工精度，有效地 改善了加工件的表面状况。
及电解质溶液中发生氧化还原反应，利用这种电化 学作用对金属材料加工的方法称作电化学加工法。
模具工业 2006 年第 32 卷第 4 期
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电化学加工具有无电极损耗、加工表面无变质层、 无应力层等显著优点，在很大程度上可以弥补机械 加工后表面质量不尽如人意的不足，因而在众多领 域应用广泛。但由于传统连续直流电流在电化学加 工中精度不高的原因，已无法满足现代生产微细化 的要求，在这种情况下，人们发现了脉冲电流。
脉冲电化学加工是以周期式间歇供电代替连续 供电的加工方法。与传统的直流电解加工相比，脉 冲电化学加工能从根本上改善电化学加工间隙的流 场、电场及电化学过程，从而得到了较高的蚀除能力 及较小的加工间隙，因而给出了在保证加工效率的 条件下实现模具镜面抛光的可能性[8 ,9 ]。
2 脉冲电化学加工概述 当电流通过电极及电解质溶液时，在电极表面
在国内外学者的共同努力下，通过基础研究和 工艺试验揭示并证实 MOSFET 脉冲电源能较好地满 足中小件精密加工的需要 [14 ]。它所提供的高频、窄 脉冲电流，改进了电解加工阳极溶解过程的电化学 流场和电场特性，显著提高了集中蚀除能力且稳定 加工间隙，可将加工间隙缩小到 0. 05 mm 以内，加工 精度可提高到 0. 05 mm 左右，棱边清晰度提高到 r < 0. 10 mm，表面粗糙度值也有所降低。与此同时仍 可保持电解加工高效的优点，克服直流加工中由于 极间间隙不均匀、不稳定导致的工具阴极设计、制造 复杂的缺点。最近通过实验，已在高能窄脉宽的脉 冲电源的研制方面取得了突破，极大地降低了高能 电脉冲设备的成本。
Application of impulse electrochemical finishing in the mirror polish of die &mould
GUAN %&’()*+,’ - .ANG G,/)0& 12’34&4,45 /6 A789’*57 :945;&9<3，=+5’>+5’ G;97,945 =*+//< - .3&’(+,9 U’&85;3&40 -
( 1) 能有效地影响阳极溶解过程动力学 , 提高 加工精度。当采用脉冲电流取代直流进行电解加工 时，所加脉冲电流在开始的瞬间，需消耗一部分电 量用于充双电层，即提高了电流密度，有利于减小 加工间隙，使电解作用主要在指定加工区进行，而 在非指定加工区电解作用甚微，可以提高复制精度。
( 2) 在脉冲间歇时间内，间隙通道中的电解产 物、析热、析气得以充分排出，电解液得以更新，此 外，还能产生电流的瞬时，在加工间隙中产生同步 的析气压力波，促进电解液的扰动。因而可改善流 场，降低对电解液流动特性的要求，有利于获得稳 定的、理想化的加工过程。当采用非线性的钝化型 电解液加工时，脉冲电流则可以进一步增强电解液 的非线性特性。
根据大量的实验研究和理论分析，认为脉冲电
化学抛光的机理主要是：由于工件表面的微观几何 形廓是凹凸不平的 ( 见图 2) ，在微观凸出部分离工 具阴极距离近且生成的氧化膜易扩散，而在微观凹 处离工具阴极距离远且生成的氧化膜不易扩散，因 而微观凸出部分的电阻小于微观凹处，由 U = I R 可 知，当极间电压 U 一定时电阻 R 越小则电流强度 I 越大，即微观凸出部分的电流强度大于微观凹处。 由电解定律 V = It 可知，在相同的时间内微观凸出 部分的蚀除量大于微观凹处；而微观凸出部分的比 面积小于微观凹处，由 i = I / A 可得，微观凸出部分 的电流密度大于微观凹处，即微观凸出部分电力线 分布密集，由深度蚀除速度 Va =ηωi，可得微观凸处 部分的蚀除速度大于微观凹处。由于微观凸处部分 的蚀除量和蚀除速度均大于微观凹处，周而复始最 终达到整平工件表面，降低表面粗糙度值，并出现光 亮效果的目的。
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模具制造技术
模具工业 2006 年第 32 卷第 4 期
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脉冲电化学光整加工在模具镜面抛光中的应用
管迎春，唐国翌 （清华大学 深圳研究生院，广东 深圳 580000）
摘要：综述了脉冲电化学在金属材料光整加工领域中的研究情况，介绍了脉冲电化学的加工优势，分析 了脉冲电化学光整加工的工作机理、加工工艺、实验研究以及应用状况，指出了脉冲电化学及其复合加 工工艺在实现模具镜面抛光应用中的可行性和现实性。 关键词：脉冲电化学光整加工；复合加工；镜面抛光；模具钢 中图分类号：TG662 文献标识码 A 文章编号 1001 - 2168( 2006) 04 - 0060 - 07
2. 3 脉冲电化学光整加工以及机械光整加工 脉冲电化学光整加工是在脉冲电化学加工的技
术上发展起来的新型抛光工艺，主要是利用金属在 非线性电解液中的电化学阳极溶解去除少量金属表 面层，从而对工件表面进行抛光，达到降低工件表面
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模具工业 2006 年第 32 卷第 4 期
粗糙度值和提高工件表面物理机械性能的一种表 面光整加工方法。
脉冲电化学机械光整加工则是在脉冲电化学 光整加工的基础上加入了机械加工，利用磨料磨具 对金属表面的挤压、刻划和微量磨削来提高表面粗 糙度水平。作为复合加工方式，兼具了脉冲电化学 加工和机械加工的某些特点，使得加工范围更为广 泛，加工效率更高。
脉冲电化学光整加工、脉冲电化学机械光整加 工与机械抛光相比，除了都同时降低了工件表面粗 糙度值以外，还改善了工件表面微观几何形貌 ， [15 ] 提高了工件的精度保持性、接触刚度、疲劳强度和 耐腐蚀性，降低了摩擦系数、初磨损、磨损后间隙和 黏附性，提高了工件的几何性能和精度，从而进一 步提高工件的使用性能和使用寿命 ; 脉冲电流加工 对原始表面的质量要求较直流加工要低，而且由于 阳极特性和流场特性的改变，使其在加工中对参数 的要求范围更加宽松，加工状态更为稳定，较直流 加工对工件表面有更强的整平能力；采用中性电解 液污染小，加工范围广，无附加残留应力，因此是一 种很有发展前途的光整加工工艺。 2. 3. 1 脉冲电化学光整加工
2. 1 脉冲电流与直流电流 脉冲电流是随时间作周期性脉动变化，单方向
流动的电流。脉冲电流加工实质上是利用有规律的 间歇供电进行间歇加工。目前所采用的脉冲电化学 加工，是 20 世纪 70 年代初发展起来的一种电化学 加工工艺方法。20 世纪 80 年代，RUMYANTSEV E M 从以下 2 个方面对加工机理进行了初步归纳 , 指出 脉冲电化学加工与连续加工的直流加工相比较 , 可 以改善电解间隙内流场特性的机理[10 ]。
图 1 脉冲电流和直流电流电化学光整加工效果对比
工精度，则设备较为复杂。因此，脉冲加工至今尚未 广泛用于生产。
随着近代功率电子技术的发展，新型快速功率 电子开关元件如 MOSFET、IGBT 等的出现，给出了实 现高频 ( kHz 级 ) 、窄脉宽 (µs 级 ) 电流电解加工的现 实性。20 世纪 90 年代国外在这方面研制了试验用的 MOSFET 脉冲电源，开展了基础试验研究，已获得了 较高的综合技术经济效果，显示了此项新技术有可 能较大幅度地提高加工精度、改善表面质量，加工效 率亦会有所提高，并初步揭示了其间隙过程的理化 特性，得出了提高加工精度的理论依据[12 ,13 ]。
脉冲电化学光整加工是采用脉冲电源代替直 流电源，利用非线性电解液、工具阴极与工件阳极 之间保持较小的加工间隙的一种工件表面光整加 工方法。只要改变工具阴极的形状，就既可用于规 则表面的光整加工，也可用于不规则自由曲面的光 整加工，加工适应性较强。
在脉冲电化学光整加工过程中，由于电解液高 速流过加工区，使加工区域的流场状况得到改善； 电解液的间断、周期性更新使间隙中的电解产物得 以及时排除，因而可在更高的电流密度和更小的加 工间隙下工作。采用高电流密度有利于表面加工质 量的提高，而缩小间隙可以显著改善加工精度。此 外，脉冲电流加工提供了更多的可调参数，为过程 控制提供了更大便利；使用高频、窄脉宽电流有利 于加工过程的稳定，可显著改善表面质量。经试验 研究和实际生产验证，脉冲电流电化学光整加工采 用脉冲电流替代直流电流，可显著改善零件表面加 工质量，只需极少的加工次数即可达到要求的表面 粗糙度，工件具有极好的光亮度，并且在改善光整 加工质量的同时可显著提高生产效率[16 ]。 2. 3. 1. 1 抛光机理及实验设计
=+5’>+5’ - G,9’(7/’( ?@AAAA- B+&’9C Abstract D .+5 ;5359;*+ 34945 /6 &EF,<35 5<5*4;/*+5E&34;0 &’ 4+5 9FF<&*94&/’ /6 E549< E945;&9< 6&’&3+&’( 6&5<7 9’7 4+5 <94534 7585</FE5’4 /6 &EF,<35 5<5*4;/*+5E&*9< F;/*533 45*+’/</(0 G/4+ +5;5 9’7 9G;/97 &’ ;5*5’4 059;3 H93 ;58&5H57 I .+5 9789’49(5 /6 &EF,<35 5<5*4;/*+5E&*9< F;/*533 H93 &’4;/7,*57 J 9’7 9<3/ 4+5 E5*+9’&3E /6 /F5;94&/’ - F;/*533&’( 45*+’/</(0 - 5KF5;&E5’49< ;5359;*+ 9’7 3494,3 /6 9FF<&*94&/’ H5;5 9’9<0>57 I .+5 6593&G&<&40 /6 4+5 9FF<&*94&/’ /6 &EF,<35 5<5*4;/*+5E&*9< F;/*533 9’7 &43 */EF/3&45 F;/*533 45*+’/</(0 &’ 4+5 E&;;/; F/<&3+ /6 7&5 L E/,<7 H93 &’7&*9457 I Key wordsD &EF,<35 5<5*4;/*+5E&*9< 6&’&3+&’( J */EF/3&45 F;/*533 J E&;;/; F/<&3+ J 7&5 3455<
1引言 近年来，随着工业设备和产品不断地向精密化
方向发展，传统加工方法很难胜任高精度的加工要 求，特别是对高镜面抛光性能要求的模具材料 , 问 题尤其突出。因此，采用新型加工工艺，在光整加工 领域中有着不可替代的优越性[1 ]。
作为新型加工技术一个很重要的分支，电化学 加工以其加工效率高、工具无损耗、加工后工件表 面无热影响层、结构表面光滑、无内应力、无裂纹、 加工不受材料硬度的限制等优点，在光整加工领域 中得到快速的发展[2 ,3 ]。而普通的电化学加工存在加 工精度不高的缺点。
—————————————————————— 收稿日期：2005 - 11 - 03。 作者简介：管迎春（1983 - ），女，安徽六安人，硕士研究生，从事 模具钢加工新技术研究，地址：深圳大学城（西丽）清华校区 J 栋 307 房间。（电话） 0755 - 26036382，（电子信箱） guanyc04 @ mails . sz . tsinghua . edu . cn。
由于上述 2 个方面特点，脉冲电流加工可获得 较高的加工精度和表面质量，除了生产率一项指标 以外 ( 由于占空比的存在 , 影响加工效率 ) ，其余特 性均优于直流加工 , 如图 1 所示。实验数据见参考 文献 [ 11] 。
2. 2 高频、窄脉宽脉冲电源 虽然脉冲加工的精度较直流有所提高，特别是
整平比更为明显，但采用的频率较低 ( 工频级 ) ，脉 宽较大 ( ms 级 ) ，仍然接近于直流，故脉冲效应未充 分发挥，效果仍不够理想，加工间隙较大，精度不够 高，而加工效率则有所降低。用周期对刀、周期进给 的小间隙加工、大间隙冲刷的模式来达到较高的加
试验研究的主要目标和热点，虽取得一定的进展，但 仍没有得到很好的解决。直到上世纪 90 年代，随着 新型电子器件的发展，英、美、俄等国相继进行了脉 冲电化学加工技术的基础试验研究 [4 ～7 ]，以及此项 新技术的应用研究，使得脉冲电化学加工作为新型 光整加工工艺，较大幅度地提高了加工精度，有效地 改善了加工件的表面状况。
及电解质溶液中发生氧化还原反应，利用这种电化 学作用对金属材料加工的方法称作电化学加工法。
模具工业 2006 年第 32 卷第 4 期
61
电化学加工具有无电极损耗、加工表面无变质层、 无应力层等显著优点，在很大程度上可以弥补机械 加工后表面质量不尽如人意的不足，因而在众多领 域应用广泛。但由于传统连续直流电流在电化学加 工中精度不高的原因，已无法满足现代生产微细化 的要求，在这种情况下，人们发现了脉冲电流。
脉冲电化学加工是以周期式间歇供电代替连续 供电的加工方法。与传统的直流电解加工相比，脉 冲电化学加工能从根本上改善电化学加工间隙的流 场、电场及电化学过程，从而得到了较高的蚀除能力 及较小的加工间隙，因而给出了在保证加工效率的 条件下实现模具镜面抛光的可能性[8 ,9 ]。
2 脉冲电化学加工概述 当电流通过电极及电解质溶液时，在电极表面
在国内外学者的共同努力下，通过基础研究和 工艺试验揭示并证实 MOSFET 脉冲电源能较好地满 足中小件精密加工的需要 [14 ]。它所提供的高频、窄 脉冲电流，改进了电解加工阳极溶解过程的电化学 流场和电场特性，显著提高了集中蚀除能力且稳定 加工间隙，可将加工间隙缩小到 0. 05 mm 以内，加工 精度可提高到 0. 05 mm 左右，棱边清晰度提高到 r < 0. 10 mm，表面粗糙度值也有所降低。与此同时仍 可保持电解加工高效的优点，克服直流加工中由于 极间间隙不均匀、不稳定导致的工具阴极设计、制造 复杂的缺点。最近通过实验，已在高能窄脉宽的脉 冲电源的研制方面取得了突破，极大地降低了高能 电脉冲设备的成本。
Application of impulse electrochemical finishing in the mirror polish of die &mould
GUAN %&’()*+,’ - .ANG G,/)0& 12’34&4,45 /6 A789’*57 :945;&9<3，=+5’>+5’ G;97,945 =*+//< - .3&’(+,9 U’&85;3&40 -
( 1) 能有效地影响阳极溶解过程动力学 , 提高 加工精度。当采用脉冲电流取代直流进行电解加工 时，所加脉冲电流在开始的瞬间，需消耗一部分电 量用于充双电层，即提高了电流密度，有利于减小 加工间隙，使电解作用主要在指定加工区进行，而 在非指定加工区电解作用甚微，可以提高复制精度。
( 2) 在脉冲间歇时间内，间隙通道中的电解产 物、析热、析气得以充分排出，电解液得以更新，此 外，还能产生电流的瞬时，在加工间隙中产生同步 的析气压力波，促进电解液的扰动。因而可改善流 场，降低对电解液流动特性的要求，有利于获得稳 定的、理想化的加工过程。当采用非线性的钝化型 电解液加工时，脉冲电流则可以进一步增强电解液 的非线性特性。
根据大量的实验研究和理论分析，认为脉冲电
化学抛光的机理主要是：由于工件表面的微观几何 形廓是凹凸不平的 ( 见图 2) ，在微观凸出部分离工 具阴极距离近且生成的氧化膜易扩散，而在微观凹 处离工具阴极距离远且生成的氧化膜不易扩散，因 而微观凸出部分的电阻小于微观凹处，由 U = I R 可 知，当极间电压 U 一定时电阻 R 越小则电流强度 I 越大，即微观凸出部分的电流强度大于微观凹处。 由电解定律 V = It 可知，在相同的时间内微观凸出 部分的蚀除量大于微观凹处；而微观凸出部分的比 面积小于微观凹处，由 i = I / A 可得，微观凸出部分 的电流密度大于微观凹处，即微观凸出部分电力线 分布密集，由深度蚀除速度 Va =ηωi，可得微观凸处 部分的蚀除速度大于微观凹处。由于微观凸处部分 的蚀除量和蚀除速度均大于微观凹处，周而复始最 终达到整平工件表面，降低表面粗糙度值，并出现光 亮效果的目的。
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模具工业 2006 年第 32 卷第 4 期
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脉冲电化学光整加工在模具镜面抛光中的应用
管迎春，唐国翌 （清华大学 深圳研究生院，广东 深圳 580000）
摘要：综述了脉冲电化学在金属材料光整加工领域中的研究情况，介绍了脉冲电化学的加工优势，分析 了脉冲电化学光整加工的工作机理、加工工艺、实验研究以及应用状况，指出了脉冲电化学及其复合加 工工艺在实现模具镜面抛光应用中的可行性和现实性。 关键词：脉冲电化学光整加工；复合加工；镜面抛光；模具钢 中图分类号：TG662 文献标识码 A 文章编号 1001 - 2168( 2006) 04 - 0060 - 07
2. 3 脉冲电化学光整加工以及机械光整加工 脉冲电化学光整加工是在脉冲电化学加工的技
术上发展起来的新型抛光工艺，主要是利用金属在 非线性电解液中的电化学阳极溶解去除少量金属表 面层，从而对工件表面进行抛光，达到降低工件表面
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模具工业 2006 年第 32 卷第 4 期
粗糙度值和提高工件表面物理机械性能的一种表 面光整加工方法。
脉冲电化学机械光整加工则是在脉冲电化学 光整加工的基础上加入了机械加工，利用磨料磨具 对金属表面的挤压、刻划和微量磨削来提高表面粗 糙度水平。作为复合加工方式，兼具了脉冲电化学 加工和机械加工的某些特点，使得加工范围更为广 泛，加工效率更高。
脉冲电化学光整加工、脉冲电化学机械光整加 工与机械抛光相比，除了都同时降低了工件表面粗 糙度值以外，还改善了工件表面微观几何形貌 ， [15 ] 提高了工件的精度保持性、接触刚度、疲劳强度和 耐腐蚀性，降低了摩擦系数、初磨损、磨损后间隙和 黏附性，提高了工件的几何性能和精度，从而进一 步提高工件的使用性能和使用寿命 ; 脉冲电流加工 对原始表面的质量要求较直流加工要低，而且由于 阳极特性和流场特性的改变，使其在加工中对参数 的要求范围更加宽松，加工状态更为稳定，较直流 加工对工件表面有更强的整平能力；采用中性电解 液污染小，加工范围广，无附加残留应力，因此是一 种很有发展前途的光整加工工艺。 2. 3. 1 脉冲电化学光整加工
2. 1 脉冲电流与直流电流 脉冲电流是随时间作周期性脉动变化，单方向
流动的电流。脉冲电流加工实质上是利用有规律的 间歇供电进行间歇加工。目前所采用的脉冲电化学 加工，是 20 世纪 70 年代初发展起来的一种电化学 加工工艺方法。20 世纪 80 年代，RUMYANTSEV E M 从以下 2 个方面对加工机理进行了初步归纳 , 指出 脉冲电化学加工与连续加工的直流加工相比较 , 可 以改善电解间隙内流场特性的机理[10 ]。
图 1 脉冲电流和直流电流电化学光整加工效果对比
工精度，则设备较为复杂。因此，脉冲加工至今尚未 广泛用于生产。
随着近代功率电子技术的发展，新型快速功率 电子开关元件如 MOSFET、IGBT 等的出现，给出了实 现高频 ( kHz 级 ) 、窄脉宽 (µs 级 ) 电流电解加工的现 实性。20 世纪 90 年代国外在这方面研制了试验用的 MOSFET 脉冲电源，开展了基础试验研究，已获得了 较高的综合技术经济效果，显示了此项新技术有可 能较大幅度地提高加工精度、改善表面质量，加工效 率亦会有所提高，并初步揭示了其间隙过程的理化 特性，得出了提高加工精度的理论依据[12 ,13 ]。
脉冲电化学光整加工是采用脉冲电源代替直 流电源，利用非线性电解液、工具阴极与工件阳极 之间保持较小的加工间隙的一种工件表面光整加 工方法。只要改变工具阴极的形状，就既可用于规 则表面的光整加工，也可用于不规则自由曲面的光 整加工，加工适应性较强。
在脉冲电化学光整加工过程中，由于电解液高 速流过加工区，使加工区域的流场状况得到改善； 电解液的间断、周期性更新使间隙中的电解产物得 以及时排除，因而可在更高的电流密度和更小的加 工间隙下工作。采用高电流密度有利于表面加工质 量的提高，而缩小间隙可以显著改善加工精度。此 外，脉冲电流加工提供了更多的可调参数，为过程 控制提供了更大便利；使用高频、窄脉宽电流有利 于加工过程的稳定，可显著改善表面质量。经试验 研究和实际生产验证，脉冲电流电化学光整加工采 用脉冲电流替代直流电流，可显著改善零件表面加 工质量，只需极少的加工次数即可达到要求的表面 粗糙度，工件具有极好的光亮度，并且在改善光整 加工质量的同时可显著提高生产效率[16 ]。 2. 3. 1. 1 抛光机理及实验设计
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1引言 近年来，随着工业设备和产品不断地向精密化
方向发展，传统加工方法很难胜任高精度的加工要 求，特别是对高镜面抛光性能要求的模具材料 , 问 题尤其突出。因此，采用新型加工工艺，在光整加工 领域中有着不可替代的优越性[1 ]。
作为新型加工技术一个很重要的分支，电化学 加工以其加工效率高、工具无损耗、加工后工件表 面无热影响层、结构表面光滑、无内应力、无裂纹、 加工不受材料硬度的限制等优点，在光整加工领域 中得到快速的发展[2 ,3 ]。而普通的电化学加工存在加 工精度不高的缺点。