巴氏合金模具的机械电解复合抛光研究

彼岸花开

针对具有复杂曲面的巴氏合金模具的难抛光，低效率等问题，在数控机床上将电解加工和机械抛光相复合，对模具型腔进行高效抛光，可以获得良好的表面质量，由于采用CAD/CAM技术保证了加工精度，提高了加工效率。本文探讨了数控机床机械电解复合抛光的机理，并分析了抛光结果。
关键词：巴氏合金；抛光；CAD/CAM
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2 D4 Y& ]6 `# g1 引 言
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" G8 q. R. q) W1 W1 v0 Y利用数控技术对工件进行机械电解复合抛光，降低其表面粗糙度，是近几年来发展起来的一种高效率、高精度的加工方法，特别适用于巴氏合金、不锈钢、钛合金、纯铁、耐热钢、铝等难加工材料的加工。

5 e3 B! t+ w( b3 q巴氏合金的金相组织特点即软基体（ Sb在 Sn中的固溶体）上分布硬质点SnSb相，并含有合金结晶时阻止比重小的SnSb相上浮的硬质点Cu6Sn5相，各相金相组织差别大，给磨削或研磨带来了困难,如用刚性砂轮磨削和研磨表面时，砂轮上硬的磨粒脱落后，易嵌入巴氏合金的软基体内，并且磨屑将砂轮堵塞，使砂轮变钝，导致磨削层严重挤压变形，工件表层金属晶格的严重扭曲使得表层产生加工硬化，并且刚性砂轮易划伤工件表面，因此工件表面质量降低。对于质量要求高的工件，不得不采用手工研磨，效率低，质量不易控制。

' h6 F7 D- Y5 x/ V( X本文针对巴氏合金的特点，采用弹性抛光片对巴氏合金制蜡模具，在数控机床上进行机械电解抛光。可以有效地解决以上问题，使得模具表面质量明显提高。
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3 Y5 D4 V6 t  q* L9 m1 j/ u2 试验研究

% F/ h2 r  I/ F6 P# [9 V1) 电解液： 20%的NaNO3水溶液，在不通电时，它呈稳定的中性，对工件和设备不会造成腐蚀，电解液使用后，可以过滤、回收，因此不会造成环境污染；
) p" c# v3 Y' B+ c+ y( m2 S5 V3 k, Q" l2) 电解电源： 直流稳压电源；
3) 电源参数： 电流密度为0.1-0.2A/cm2；
4) 主轴转速： 3000转/分；
; a( K7 K: }% z5) 阴极形式： 紫铜球头型抛光头，铜材料的导电性保证了电解作用的有效进行；
7 G' {3 A7 E+ T9 `- q$ t& F" V6 _(6) 待加工表面的粗糙度： Ra=1.6µm 。
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3 加工原理
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试验中，在数控铣床的主轴上固定一个球型抛光头，在底部固定抛光片。电解液由喷嘴进入到工件和抛光头之间，起到电解和冷却的作用，电解液可以由电解槽的出口进行回收、过滤、重复使用。工件接直流电源的正极，抛光头通过一个碳刷和直流电源的负极相连。当抛光头在数控程序的控制下旋转，并以一定的压力通过不织布压在工件的加工表面上，电解液流向抛光面的同时电解电源也接通。工件表面在电解化学作用和机械研磨的二重作用下进行抛光，使得抛光速度加快，加工表面质量明显提高。

图1 抛光原理结构简图

4 电解化学作用

电解液流到抛光面以后，当在两电极之间通一直流电时，电解液在电场作用下产生正离子和负离子，正离子移向阴极（抛光头），负离子移向阳极（工件）。负离子与工件相互作用，工件被逐渐溶解，同时，在低电流密度下使工件表面失去了原来的活性，产生一层几乎不导电，且比重很大的钝化膜，使溶解过程减慢。由于零件表面粗糙不平，在电化学反应时，凸起部位所产生的钝化膜比凹处生成的厚度要小一些。而且由于凸起处的钝化膜受电力线的冲击和液体的搅拌作用力较大，再加上凸起处离阴极较近，电场强度大，依据尖端放电的原理容易失去电子，形成的正电荷高度集中在凸起处。因此，阳极（工件）周围的阴离子优先和凸起处的阳离子发生作用，所以凸起处的金属溶解速度比凹处的要快些，工件表面被抛光整平。
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5 机械研磨作用

本试验采用的抛光片是由耐水耐油的高分子纤维粘结剂，以及在纤维上面的AL2O3磨粒构成，形成了既柔软又结实的无纺抛光片。其磨粒粒度1000，图2为它的微观结构图。此种抛光片还具有良好的透水性、耐腐蚀性和磨粒分布的均匀性，以及良好的弹性。
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当抛光头旋转起来以后，抛光片与工件表面有相对运动，所以抛光片上的磨料迅速将钝化膜刮除，露出了新的金属基体，新的金属基体表面上又产生钝化膜，又被刮除。因此电解作用和机械擦除作用交替进行，使工件表面逐步被磨平。

由于磨粒研磨作用去除钝化膜而使电流效率显著提高，抛光去除量增加，这就是电解和机械的复合作用的结果。试验研究表明，机械作用促进电流效率增加，抛光效果的好坏则主要决定于磨粒的机械研磨作用与电解作用的平衡。电解作用主要取决于电解电流，电流密度太高，容易产生电解杂散腐蚀甚至点蚀；电流密度过低，机械作用就会过强，粗糙度值升高。

(a)抛光片示意图 (b)抛光片SEM图
图2 抛光片的微观结构图

6 CAD/CAM的流程
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图3给出了CAD/CAM的流程图，图4是模具的模拟加工图。本实验采用了ug软件,CAD/CAM的应用，保证了加工的安全性、高效性，高精度和可靠性，且可重复性强，对大批量的模具生产提供了一个有效的加工途径。

图3 CAD/CAM流程图

7 [/ |. j+ I; [% `& L: M( }3 ~图4 模具模拟加工图

7 结论
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4 ~% U( ~0 Z8 q$ r% i% W4 X8 H机械电解复合抛光模具，明显提高了抛光效率，改善了抛光质量，使巴氏合金模具抛光后的表面达到Ra0.1。没有机械加工易产生的表面灼伤、划痕、加工硬化表面等缺陷。为难加工材料的复杂曲面工件的抛光提供了一种很好的加工方法。
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