采用电火花加工后工件表面电脉冲光整技术解析

在电火花成型表面上进行了脉冲电化学光整加工技术的实验研究。研究表明：脉冲电流密度、脉冲频率及极间间隙对表面光整效果有显著影响。通过实验给出了合适的工艺参数值。该工艺可将Ra1.6μm的普通电火花加工表面光整达到Ra0.042μm的表面。

现代工业中，电火花加工（电火花线切割，电火花穿孔机，电火花成型机，电火花去毛刺机）等被广泛地应用于模具制造和难加工材料的加工中。然而由于电火花成型加工（EDM）过程中，加工后的表面会产生微观组织变化、再结晶，并存在热损伤区、残余应力等缺陷，该类表面比普通机械加工表面更难以抛光。电化学抛光用于Ra0.8μm以下的表面时效果较好，可获得Ra0.2μm左右的表面，但很难获得更好的表面。电化学机械加工（ECMM）可获得粗糙度值为Ra0.2μm的高质量表面，但它不适合加工粗糙度大于Ra1.6μm的表面。EDM成型的模具表面粗糙度一般大于Ra1.6μm。

因此，研究效率更高且可直接应用于EDM粗糙表面的光整技术是十分必要的。脉冲电化学光整加工技术（PECF）是近年来发展起来的一种非传统光整加工技术。与上述工艺相比，该工艺使用脉冲电流和中性电解液，而且只需一个简单的工具阴极和一台脉冲电源。另外该工艺不受材料表面硬度的限制，不产生切削力，在工件表面几乎不产生加工温升，因此不易产生工件变形。

本文研究了将脉冲电化学表面光整加工工艺应用到电火花成型表面的基础问题，并通过试验取得理想效果。

1 实验原理

图1是电火花成型表面的脉冲电化学光整加工原理示意图。工件接脉冲电源阳极，工具接脉冲电源的阴极。两极之间保持一定的间隙。电解液由泵供给到工件和工具阴极之间。光整加工过程中工具阴极由步进电动机控制实现往复运动。

在脉冲电化学光整加工过程中，由于电火花成型加工后所得到的粗糙表面同时存在着高点和凹坑，使微观电场分布呈现非均匀性，高点处电力线集中而形成较大电流密度，电化学反应速度较快，金属溶解也快；在凹谷处，电力线分散而形成较小电流密度，电化学反应速度较慢，金属溶解也慢。另一方面则由于采用了中性电解液，在阳极金属表面发生电化学溶解的同时，阳极表面还会形成一层钝化膜，该钝化膜将会缓解阳极溶解的进一步进行。因此，阳极金属表面高点处较薄的钝化膜具有较小电阻，电流密度较大，对电化学反应速度影响不大，对金属溶解速度影响也不大；而阳极金属表面凹谷处较厚的钝化膜具有较大电阻，电流密度较小，电化学反应速度会进一步减慢，金属溶解也进一步减慢。

 这样，在以上两种情况的同时作用下，高点凸起处金属溶解较快，而凹谷处金属溶解较慢，随着脉冲电化学光整加工的进行，工件凹凸处的差值逐渐减小，最终工件表面得到整平，减小了表面粗糙度值，达到光整加工的目的。

2 实验方案

试件材料：9CrWMn钢，平面，30mm×50mm

原始表面：普通EDM加工，粗糙度：Ra1.6μm。

阴极材料：铜或不锈钢

电解液成分：NaNO3(10％～20％)+H2O+添加剂．

极间间隙：0.3～0.6mm

阴极轴向往复移动速度：5～20mm/s

极间电压：12～30V

脉冲电流密度：40～50A／cm2

脉冲频率：１～20kHz

占空比：10％～30％

实验结果表明，上述工艺参数合理匹配，就能获得良好的光整加工效果。

3 主要工艺参数的影响

3.1 脉冲电流密度的影响

脉冲电流密度对光整加工的效果影响很大。在光整加工过程中，当电流密度较小时，电流效率很低，阳极表面完全为黑色膜层所覆盖，表明阳极处于完全钝化状态（如图2a）；随着电流密度的增大，电流效率急剧升高。观察阳极表面，可发现黑膜覆盖的面积在迅速减小，光亮部分逐渐扩大。这表明阳极钝化减弱，钝化膜溶解，向超钝化过渡（如图2b）；电流密度继续增大时，电流效率达到最大值，并且逐渐趋于稳定，阳极黑膜逐渐溶解，表面全部现出光亮。这表明阳极处于超钝化溶解状态（如图2c）。

3.2 脉冲频率的影响

脉冲频率的变化并不影响脉冲电流密度，但脉冲频率的增加有助于产生压力波，从而改善流场并使电解液去极化，有助于提高表面质量。

图3是在其它工艺参数相同的情况下，脉冲频率对表面粗糙度值Ra的影响。脉冲频率越高，所获得表面的Ra值就越小，并且近似呈指数关系。因此脉冲电化学光整加工宜使用高的脉冲频率。但是过高的脉冲频率对表面粗糙度值的降低已不产生显著影响，并且会增加电源的设计和可靠性难度。

3.3 极间间隙的影响

脉冲电化学光整加工需要小的极间间隙，当极间间隙减小时会提高整平作用，有利于提高加工精度，改善表面质量。通过实验发现该值以0.3～0.6mm较为合适。但极间间隙过小，会使液流阻力过大，电流密度增大，使电解液温升过快，电解产物及其产生的热量来不及排出，易导致短路现象，反而影响加工精度和表面质量。而极间间隙过大则会使脉冲电流密度降低，电解液供给不充分，甚至使光整加工基本不产生效果。

4 实验结果

图4a是电火花加工后的试件表面图片，图4b是脉冲电化学光整后的试件表面图片。图5是相对应的表面粗糙度曲线。由图中可以看出，电火花加工所产生的表面上的凸起基本上都被光整整平了，光整后的表面没有明显的凸起和凹坑。这样的表面不但粗糙度好，而且支撑长度率也高。

脉冲电化学光整加工过程中，同时存在着宏观整平与微观整平现象。宏观整平现象是由电流分布来控制的，阳极整平速度由轮廓的几何形状和常规的电化学条件所决定，较粗糙的原始表面经过电化学光整加工后，粗糙度或波纹度值逐渐减小，工件表面被整平；微观光整作用是由表面动力学来控制的，它是结晶学腐蚀受表面不同晶位上原子的无序移动所抑制的结果。当电流密度在临界电流密度以上时可获得光亮的表面。

(高度放大V=5000，

水平放大H=200)

(b)PECF后，Ra =0.042μm

(高度放大V=2000，水平放大H=50)

(a)PECF前，Ra =1.6μm

       脉冲电化学光整加工技术是一种新型的光整加工技术，经研究已可以应用于普通电火花加工后表面的光整。该工艺不产生切削力和切削热，工具阴极无损耗，使用中性电解液，对环境危害小，工艺过程也相对简单。

获得良好的表面质量的关键是工艺参数的合理匹配。在光整加工过程中，脉冲电流密度应大于临界电流密度值，极间间隙也要控制在合理的范围内。

       脉冲电化学光整加工技术通过与数控技术的结合也可以应用到其他复杂曲面的光整加工中，并且可以应用到一些模具型腔的光整加工中。但对于不同材料，要想得到理想表面，其工艺参数如电流密度、极间间隙等还需要进一步的实验和研究。
苏州中航长风数控科技有限公司（http://www.zhcfsz.com）多年从事电火花机床系列的生产，研发，其下目前投放市场的产品有：线切割机床，去毛刺机床，中走丝线切割，火花机，电火花成型机，电火花小孔机，取断丝锥机等-公司一条龙服务，提供技术支持。