硬质合金环电解平面磨削加工的试验研究.pdf

第5 9 卷第2 期 2 0 07 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V o ．5 9 ，N O ．2 M a y 2 0 0 7 硬质合金环电解平面磨削加工的试验研究 江正清，张作龙 中国石油大学机电工程学院，山东东营2 5 7 0 6 1 摘要通过试验的方法，研究机械密封硬质合金环电解平面磨削过程，分析电流密度、磨削压力、加工电压、磨轮线速度、工 件进给速、电解液浓度和温度等主要加工工艺参数的影响。结果表明，电解平面磨削 E C G 却能克服传统加工方法的缺陷，降低 加工成本，提高硬质合金密封环的加工精度和表面质量，甚至达到镜面加工的水平。 关键词金属材料；硬质合金环；电解平面磨削；工艺参数 中图分类号T G l 3 5 ．5 ；T G 5 8 0 ．6 9 9文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 2 0 0 2 8 0 4 硬质合金材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性 能优点，因此其在物理、化学和机械性能等方面都能 满足机械密封硬摩擦副材料的要求。机械密封硬质 合金环传统加工采用金刚石砂轮磨削和研磨剂磨削 加工方法来达到所需要的尺寸，同时保证一定的加 工精度和表面质量。这种加工方式决定了砂轮的磨 损量大、研磨剂很难回收、加工工时长，导致加工成 本居高不下，且很难达到密封所需要的加工精度和 表面质量。而电解平面磨削 E C G 却能克服上述难 题，从而降低加工成本，提高硬质合金密封环的加工 精度和表面质量，甚至达到镜面加工的水平。 1电解平面磨削的原理 电解平面磨削属于电化学机械加工的范畴，由 电解作用和机械磨削作用相结合进行加工。磨削 时，以高速旋转带磨料的金属导电磨轮作阴极，工件 作阳极，在工件与磨轮之间有流动的电解液的工作 系统。工作原理如图l 所示，导电砂轮1 与直流电 源的负极相连，工件2 接正极，加工区域送入电解液 3 ，在电解和机械磨削的双重作用下，密封环表面很 快就被磨光。当接通直流电，电流由工件通过电解 液流向磨轮，形成通路，而工件表面金属在电解作用 下发生阳极溶解，溶解的金属在电解液中变为化合 物被电解液带走。然而，在加工过程中，导电磨轮对 工件有一定的压力，同时相对工件作旋转和平移运 动。在阳极溶解过程中，阳极表面会被氧化成一层 极薄的氧化物，阻碍电流通过，影响电解继续进行， 收稿日期2 0 0 5 1 0 3 1 作者简介江正清 1 9 8 1 一 ，男，江西景德镇市人，硕士，主要从事 机械设计及制造等方面的研究。 但是刚刚形成的阳极薄膜被高速旋转的磨轮磨料迅 速磨掉，并由电解液带走，于是阳极工件上又露出新 的金属表面并继续电解。这样，电解作用和磨轮刮 除阳极薄膜的膜削作用交替进行，使工件不断地被 加工，从而达到加工的目的。然而电解磨削平面过 程中，金属主要靠电化学作用腐蚀去除，磨轮磨料仅 起刮除阳极薄膜的作用。 图1电解平面磨削加工原理 F i g ．IP r i n c i p l eo fe l e c t r o c h e m i c a lp l a n eg r i n d i n g 电解磨削平面过程中，阳极溶解过程会形成阳 极薄膜，特别是电压比较低时，这层薄膜比较容易形 成。从工件表面电流密度分布情况来看，因阳极膜 的电阻大，电流通不过或流过很小，因此有阳极膜部 分的电流密度小。工件表面上，下凹部分的阳极膜， 一方面是磨轮磨削不到，仍被留在工件表面上，另一 方面，也由于凹处距阴极较远，也增大了电阻，从而 降低了该处的电流密度，所以金属表面溶解量小，溶 解速度慢。而凸起处的阳极膜被磨轮磨掉，金属电 流密度也较大，溶解也就快，由于凸凹处金属溶解速 度的不同．故有利于达到整个金属表面的平整与光 滑，从而可获得高质量的平面。 万方数据 第2 期江正清等硬质合金环电解平面磨削加工的试验研究2 9 2买验方法 试验中采用的电解平面磨削设备是经过改造后 的立式电解平面磨床，其电解液从轴心内通入，通过 导电磨轮下端的特殊附加结构均匀的流向硬质合金 环的环形表面，工作台为电磁矩形工作台，由于硬质 合金环的弱磁性，设计了专用的加工夹具，用于装夹 硬质合金环。该试验设备电解磨轮的最小进给量≤ 0 ．0 1 m m ，可加工工件尺寸范围为 1 0 ～1 6 0 r a m 1 0 0 r a m ，电解磨头砂轮直径士2 0 0 m m 3 ～5 m m 金 刚石层厚度 ，磨头转速i 0 0 0 ～2 8 0 0 r ／m i m 可调，直 流电源容量3 0 0 A7 0 0 A ，电压0 ～2 0 V 可调。电解 液为N a N 0 2 ，N a N 0 3 ，N a 2 8 4 0 7 为主要成分的水基 电解液。 调整好立式电解平面磨床和电解磨轮后，把硬 质合金环装夹在专用的夹具上，然后固定在电磁工 作台上。试件缓慢靠近电解磨轮粗磨可用电压1 2 ～1 8 V ，电流4 0 ～5 0 A ／c m 2 ，中加工可用电压8 ～ 1 2 V ，电流2 0 ～3 0 A ／c m 2 ，精加工可用电压5 ～8 V ， 电流l O ～2 0 A ／e m 2 ，终加工可用电压2 ～5 V ，电流5 ～1 0 A ／c m 2 。磨轮转速进行变频调速控制控制在 1 2 0 02 8 0 0 r ／m i n ，纵向进给量 磨削深度 为0 ．1 ～ 0 ．0 1 m m ，每次纵向进给后矩形工作台的横向运动 需往返l ～2 次，横向往返速度可控制在0 ．0 5 m ～ 0 ．8 m ／m i n 之间，应平稳、均匀。精加工结束时，停 止纵向进给，以0 ．1 m ～0 ．2 m ／m i n 的速度横向往返 1 ～2 次，以减少机械磨削作用，增加电解作用，使试 件表面形成一层明显的钝化膜，然后进入终加工阶 段降低电压，以减少电解作用，继续横向往返l ～2 次，进行研磨抛光即能达到要求的表面粗糙度。 3电解磨削工艺参数的影响 工艺参数对磨削效率、表面粗糙度、加工精度有 很大的影响，同时各参数之间又密切相关，因此，为 了取得较好的磨削效果，往往需要通过试验来确定 各参数之间的最佳匹配。电解磨削主要工艺参数如 表1 所示。 表1电解磨削主要工艺参数 T a b l e1 P r i m a r yt e c h n i c a lp a r a m e t e ro fe l e c t r o c h e m i e a lg r i n d i n g 3 ．1 电流密度 在电解磨削过程中，电流密度是决定生产率的 主要因素，生产率随着电流密度的增大而提高，提高 电流密度可加速阳极溶解，但由此会使参数不易控 制，对加工精度不利。此外，电解磨削与纯粹的电解 加工不完全一样。它是表面钝化活化不断交替 进行的过程，当电流密度增加到一定数值时，阳极仅 仅是活化溶解而没有钝化膜的生成将会使表面光洁 度降低。同时要提高电流密度势必要提高电压，这 样也易引起火花放电，造成表面烧伤。然而，尖锐的 刀刃只有在高电流密度下才能产生。因而电流密度 一般采用粗磨为4 0 ～5 0 A ／c m 2 或更高，以不出现 火花放电为限；精磨为电流1 02 0 A ／c m 2 ；终磨加工 电流为5 ～1 0 A ／c m 2 。所以因根据不同工件的精度， 光洁度要求选择适宜的电流密度。 提高电流密度的途径有提高工作电压、缩小电 极间隙、减小电解液电阻率、提高电解液温度等。 3 ．2 加工电压 加工电压越高，电流密度越大，效率越高，但电 压过高会产生大量电火花，加速磨轮磨损，且恶化工 件表面粗糙度。电压低，工件表面电解电解速度慢， 万方数据 3 0有色金属 第5 9 卷 钝化膜不易被穿透，电解作用只在表面凸处有利于 细化粗糙度，而电压过低，电解作用减弱，接近于纯 机械磨削，不利于细化粗糙度。为了提高磨削效率， 粗磨采用1 2 ～1 8 V ，为了降低表面粗糙度精磨采用 5 ～8 V ，终加工采用0 ．5 ～2 V 。加工电压对粗糙度 的影响见图2 。 F i g ．2 I n f l u e n c eo fp r o c e s s i n ge l e c t r i c v o l t a g et Or o u g h n e s sd e g r e e 3 ．3 磨削压力 磨削压力越大，工作台走刀速度愈快，阳极金属 被活化的程度愈高，生产率也增大，过高的压力造成 磨轮直接磨削金属，容易使磨料磨损或脱落，随着压 力的不断增大，电解间隙相应减小，容易产生火花放 电。反之磨削压力过低，氧化膜去除不充分，加工效 率和表面质量都随之降低。因此磨削压力应以不产 生火花放电并能充分刮除氧化膜为原则。一般磨削 压力推荐使用O ．2 ～0 ．5 M P a 。 3 ．4 磨轮线速度 导电磨轮起着阴极导电，保持电解间隙以及刮 掉阳极薄膜的作用，它对磨削效率、表面粗糙度和加 工精度有着直接影响。因此，对磨轮应满足良好的 导电性能、足够的强度、耐磨性和使用寿命、修整方 便等技术要求。增大磨轮转速，可使电解间隙中的 电解液供应充分、交替迅速，同时提高机械磨削作 用，使生产率提高，但是，磨轮线速度超过一定的数 值之后，反而是电解液难以输入间隙 由于离心力的 增大 ，从而电流密度下降，劳动生产率液降低。一 般磨轮线速度为2 0 ～3 0 m ／s 。 3 ．5 工件进给 工件横向进给速度V a 应当平稳、均匀，并应与 电解速度同步。电解速度快，V a 应快，则效率高和 R a 值大，反之V Ⅱ应慢，则效率低和R a 值小。％对 R a 值的影响如图3 所示。加工中，V a 与磨削深度和 电流密度使相匹配的。粗糙时，磨削深度和电流密度 较大，电解速度较快，V a 可快些，控制在0 ．8 ～ 0 ．5 m ／m i n 间，精磨时，磨削深度和电流密度较小， 电解速度较慢，V a 可慢些，控制在0 ．5 ～0 ．2 m ／m i n 间，进人镜面加工时，控制在0 ．2 ～0 ．0 5m ／m i n 间， 工件表面容易获得镜面效果。 J㈦㈣ J 6 J 8 K 图3n 对R 。的影响 F i g ．3 I n f l u e n c eo fV ot oR 。 3 ．6 电解液和供给量 电解磨削是以电化学溶解为基础的。电解液的 选择对电解磨削的生产率、加工精度及表面质量有 很大的影响。电解磨削用电解液的选择，应考虑5 个方面的要求 1 能够使金属表面生成结构紧密、 粘附力强的钝化膜，以获得良好的尺寸精度和表面 粗糙度； 2 导电性好，以获得高生产率； 3 不锈蚀 机床及工夹具； 4 对人体无危害，确保人身健康； 5 经济效果好、价格便宜、来源丰富，在加工中不易 消耗。 要同时满足上述5 方面的要求是困难的。在实 际生产中，应针对不同产品的技术要求，不同的材 料，选用最佳的电解液。实验证明，亚硝酸盐最适于 硬质合金的电解磨削，还含有N O ，一，H P O 。_ ‘， C r 2 0 ，．2 等阴离子 1 导电性高，因为电解磨削主要 是电解作用，要求电解液有高的导电率，常采用 N a N 0 3 ，K N 0 3 ，K N 0 2 ； 2 腐蚀性低和电解产物溶 解能力强。在电解过程中，阳极不断溶出，为保持阳 极溶解过程的稳定性而加入络合物，如N a H P O 。， N a 3 P 0 4 ，N a K C 4 H 4 0 6 ，对硬质合金电解产物中的钨 酸盐有很好的络合性，对钴有沉淀作用。 亚硝酸钠 N a N 0 2 的主要作用是导电、氧化和 防锈。硝酸盐的作用主要是为了提高电解液的导电 性，其次是硝酸根离子有可能还原为亚硝酸根离子， 以补充电极反应过程中亚硝酸根的消耗。磷酸氢二 _ a r a _ a P 3 5 8 矗 4 2 O O O O 0 O 万方数据 第2 期江正清等硬质合金环电解平面磨削加工的试验研究3 1 钠 N a 2 H P 0 4 是弱酸强碱盐，使溶液呈弱碱性，有利 于氧化钻、氧化钨和氧化铁的溶解；磷酸氢根离子还 能与钴离子络合，生成钴的磷酸盐沉淀，有利于保持 电解液的清洁。此外，重铬酸盐 K 2 C r 2 0 ， 和亚硝酸 盐一样，都是强钝化剂，而且可以防止金属正离子或 金属氧化物在阴极上沉积。 电解液的导电能力、腐蚀能力、化学成分、浓度、 温度、酸碱性都对电解磨削的表面质量和生产效率 有影响。电解液是靠溶液中的正负离子移动而导电 的，随着温度的升高，其导电能力增强，浓度增加，在 一定限度内导电能力也增强，但浓度太高时，由于 正、负离子间相互作用力增强，导电能力反而下降。 试验结果表明，电解液浓度为5 ％～1 0 ％较好，磨削 时，电解液的温度在1 0 ～4 0 ℃之间为宜。因硬质合 参考文献 金生成的氧化物C o O ，W O ，，T i O ，易溶入碱性溶液 中，为获得较好的加工质量，应采用较低p H 的电解 液，以p H 6 ～9 为宜。 电解液的流量应保证充分并均匀地进入电解间 隙，一般立式电解平面磨床电解液的流量为5 ～ 1 5 L ／r a i n ，电解液喷嘴的安装也很重要。因为这有 助于将电解作用限制在磨轮和工件相接触的加工间 隙之间。一般电解液的压力为1 4 ～7 0 k P a ，温度一 般控制在1 9 ～3 3 ℃之间。 3 ．7 其他影响因素 试验发现除上述影响因素外被加工材料的性 质、机械因素、加工间隙、工件与磨轮的接触面积等 参数对加工精度也有不可忽视的作用。这些参数的 匹配有待于进一步的深入研究。 [ 1 ] 航空制造工程手册总编委会．航空制造工程手册．特种加工分册[ M ] ．北京航空工业出版社，1 9 9 3 1 3 1 6 6 [ 2 ] 王建业，徐家文．电解加工原理与应用M ] ．北京国防工业出版社，2 0 0 1 3 1 9 2 ． [ 3 ] 李伯民，赵波．现代磨削技术[ M ] ．北京机械工业出版社，2 0 0 3 1 2 1 8 5 ． [ 4 ] 余承业．特种加工新技术[ M ] ．北京国防工业出版社，1 9 9 5 2 2 4 3 1 5 ． [ 5 ] 张建华．机密与特种加工技术[ M ] ．北京机械工业出版社，2 0 0 3 1 1 6 1 6 2 ． [ 6 ] 曾涛．机械密封的摩擦副材料[ J ] ．润滑与密封，1 9 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f f e c t so ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e rs u c ha st h ee l e c t r i cc u r r e n td e n s i t y ，e l e c t r i cv o l t a g e ， t h er o t a t i o nr a t eo fw h e e la n dc h a r g i n gr a t eo ft h ep a r t ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r eo ft h ee l e c t r o l y t e o nt h ep r o c e s s i n ga r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef a u l t i n e s si nt r a d i t i o n a lw o r k i n gp r o c e s sc a nb es u r m o u n t e d ，t h eo p e r a t i n gc o s tm a yb ed e c r e a s e d ，a n dt h ew o r k i n gp r e c i s ea n ds u r f a c eq u a l i t yo ft h eh a r da l l o yr i n g c a nb ei m p r o v e d ，t h ee f f e c to ft h em i r r o rg r i n d i n gc o u l db ea c h i e v e di nt h eb e s t ，b yu s eo ft h ee l e c t r o c h e m i c a l p l a n eg r i n d i n gp r o c e s s ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；h a r da l l o yr i n g ；e l e c t r o c h e m i c a lp l a n eg r i n d i n g ；t e c h n i c a lp 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