（机械制造及其自动化专业论文）齿轮脉冲电化学光整加工及其控制系统的研究.pdf

摘要 零件表面质量对零件的耐磨性、抗疲劳强度、抗腐蚀性 寿命、可靠性都有很大的影响。光整加工是改善表面质量的 加工工艺方法不断涌现，脉冲电化学光整加工作为一种新的 它的巨大发展潜力。 脉冲电化学光整加工以离子溶解形式去除工件表层金属 切削热的作用，所以加工后的工件表面与机械加工表面相比 层e 平滑的表面形貌降低了在零件表面形成应力集中源的可 疲劳性。 齿轮作为机械传动的关键部件，应用在航空航天、化工、 如何降低传动噪音、提高使用寿命一直是机械领域内研究的 1 j j 工方法形成的表面质量对齿轮的噪音、寿命影响差别很大 加工后表面粗糙度低、微观几何形貌平滑，不仅使齿轮寿命 大幅度降低。 及接触刚度等使用性能以及 重要手段，近年来新的光整 工艺方法已经初步显示出了 ，加工中因为没有切削力和 无附加切削痕迹、塑性变形 能性，因此提高了零件的抗 冶金、建筑等各行各业中， 热点问题。研究表明，不同 。齿面经过脉冲电化学光整 大幅度提高而日工作噪音也 的理艺过工通项并 亥 出备结设总验，亡j (析了分汁沦殴理艺 与工究工研加验整实光础学基化行电进冲工脉加轮整齿光& 口 学结 bf o 电性冲特脉艺 对工过与通性 文特本学 正 扯与：卤 种顺 。 胸，瓠 工件 轮 一一一 一 一 ；辱驸暇 僻勰 勤 a b s tr a o t s u r f a c e q u a l i t yo fp a r t s h a s g r e a ti n f u e n c eo nt h eo p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c es u c ha s w e a r i n gq u a l i t y , f i g u r es t r e n g t h ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dc o n t a c ts t i f f n e s s f i n i s h i n gi st h ew a y t o i m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t y i nr e c e n ty e a r s ，m a n yn e wf i n i s h i n gt e c h n i q u e sh a v eb e e n d e v e l o p e d p u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n g ( p e c f ) ，a san e wt e c h n i q u e ，h a sd e m o n s t r a t e dt h e g r e a tp o t e n t i a lf o rd e v e l o p m e n t p u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n gr e m o v e st h em e t a lo ft h es u r f a c eb ye l e c t r o c h e m i c a l d i s s o l u t i o n b e c a u s eo fn oc u t t i n g f o r c e ，c u t t i n gh e a t ，t h e r e a r en oc u t t i n g m a r k ，p l a s t i c d e f o r m a t i o n l a y e r o nt h es u r f a c e so ft h e p a r t s s m o o t hs u r f a c et o w st h e c h a n c eo fs t r e s s c o n c e n t r a t i o n ，s of a t i g u es t r e n g t hi se n h a n c e d g e a r , a sam a i np a r ti nt h em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n h a sb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c h a sa v i a t i o n i n d u s t r y , c h e m i c a li n d u s t r y , m e t a l l u r g yi n d u s t r y h o wt or e d u c et h en o i s ea n d e n h a n c et h e1 i f eo f g e a rh a v eb e e no n e o ft h em o s td i s c u s s e ds u b j e c t si r lt h em e c h a n i c a lf i e l d t h e p r e s e n ts t u d i e sh a v er e v e a l e dt h a tt h et o o t hs u r f a c ep r o d u c e db yd i f f e r e n t f i n i s h i n g p r o c e s s e s i n f l u e n c e st h en o i s ea n dl i f eo ft h eg e a ri nd i f f e r e n t w a y s t h el o w e rs u r f a c e r o u g h n e s sa n ds m o o t hm i c r o f o r mb y e l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n gn o to n l ye n h a n c eh i 曲l yt h el i f e o f g e a r ，b u tr e d u c e t h en o i s e t h i sp a p e rs t u d i e st h ep u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n gb ye x p e r i m e n t sa n dt h e o r y , a n d c o n c l u d e st h ee l e c t r o c h e m i c a la n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h et e c h n i q u e s i nt h ep a d e r t h e t e c l m i q u eo fg e a rp u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n gh a sb e e nd e v e l o p e d ，a n dt h ed e v i c eh a sb e e n d e s i g n e da n d a c o m p u t e r - b a s e dp c c o n t r o ls y s t e mb a s eo f u p p e ra n dl o w e rs t r u c t u r eh a sb e e n d e s i g n e dt or e m o v ee q u a b l yt h et o o t hs u r f a c e ，a sar e s u l t ，i ti m p r o v e st h ed i m e n s i o n a la c c u r a c y a n ds t i r f a c eq u a l i t y f i n a l l y , af u z z yl o g i cc o n t r o l l e rh a sb e e ni n t r o d u c e di 1 1p e c f t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tp e c pm i g h ti m p r o v et h el u b r i c i t y ，r e d u c et h ew e a r i n g ， i m p r o v et h ef a t i g u es t r e n g t ho f p a r t s t h et e c h n i q u e sc a nb ee x t e n d e dt oo t h e rp o l i s h i n gp r o c e s s t oi m p r o v es n r f a c eq u a l i t y k e y w o r d s ：p u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n g ( p e c f )f i n i s h i n g f u z z yl o g i cc o n t r o l g e a rs u r f a c eq u a l i t y 塑丝! 堡苎l ! 些兰垄鳖型王丝鉴望型墨竺堕型! j l 绪论 1 1 光整加工概述 零件的表面质量直接关系到零件的使用寿命和运行状况，随着工业技术的不断发展人 们对零件尤其是精密零件的表面质量要求越来越高，不断提出新的技术指标。光整加工 是指那些旨在提高零件表面质量为目的的各种加工方法和加工技术【9 】。通常零件毛坯在经 过铸锻、冲压、焊接等工艺获得规定的尺寸、几何形状后，表面常常存在诸如表面氧化、 粘砂等许多缺陷，因此在进入下一道工序前必须对毛坯零件进行表面光整加工；当零件 经最后一道工序加工后，也会在零件的表面留下不同程度的粗糙表面及各种各样的缺陷， 如毛刺b 边、微观裂纹等。这些缺陷的存在会影响产品的装配精度、性能和使用寿命。 即使表面没有缺陷，在有些场合也会对零件的表面粗糙度提出更高的要求。例如，对于 化学反应釜来说如果内壁粗糙度太大，常引起物料挂壁，严重就会导致生产中断，维修 周期频繁，经济损失巨大，因此表面粗糙度通常要求民 i j w ( l 为电解液沿间隙流动方向距 离，w 为电解液平均流动速度) 。因此，对单脉冲的分析也能说明全部系列脉冲。为了 建立合理的数学模型，做以下假设：极间间隙中电解液电导率恒定为k ；阳极溶解电流效 率n 为常数；电极电位u = e a - e c 保持不变。提出模型的假设还有： 通过电极没有热传递进入或离开间隙区； 在恻隙整个宽度上温度恒定，且等于整个断面的平均温度； 当脉冲导通时，阳极溶解的电流效率是恒定的； 出r 使用极短的脉冲导通时间，产生的气体可阱认为均匀一致； 在 ：述假设下，焦耳热是影响间隙中电解液性质的决定因素，电解液的电导挈k 可 以表示为： k = c o ( 1 + m o )( 2 9 ) 1嘈弋叶ldl 齿轮脉冲【b 化学光整加t 及j e 挖制系统的研究 式巾【) 一甲均的温度增量( 0 = t - t o ) t o 一电极的初始温度 k 。一在t 。小r 电解液的电导率 at 一在t o 时电导率的温度系数 电流密度i 可用欧姆定律表示： i ：k o ( 1 + 护) u o - a u( 2 一l o ) 5 式中u o 一电压脉冲的量值 u 一电压脉冲的过压 s 一间隙尺寸 在脉冲导通时间，金属蚀除率可用法拉第定律得到： 譬瑙f ( 2 - - 1 1 ) d f 式中 kv 一有效体积电化当量 为确定由焦耳热引起的平均温度0 的变化，可写出其能量平衡方程式 掣+ _ a ( p e g o o e , s ) 耳u o ( 2 _ 1 2 ) 西融 式中p 。一电解液的密度 c 。一电解液的比热 该式中的对流项，对于具有短脉冲导通时间t p 署q ls t r o u t t a l 数s t = l w 铲 i 的脉冲电 化学光整加工可以忽略。忽略对流项意味着在该特定情况下，s 和e 仅取决于时间。因此， 式( 2 1 2 ) 变为： d ( s 们 i u o o j 2 了 ( 2 1 3 ) 班印o 。 联立式( 2 一1 1 ) 和( 2 2 3 ) ，得到下述方程： j 辈：婴( 1 一塑型) ( 2 1 4 ) d 。e c p 、u o 。 对于脉冲电化学光整加工，k 。p 。c ) u o “1 ，因而可以忽略不计。下面的方程组可建立用 来描小间隙加工过程： 警删俐丁k f f u o - a u ) d o ：盯。f 1 + 甜咿) u o ( u - o - a u 一) d t ?j s zo 疋p ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 齿轮脉冲电化学光整dr i t _ 及其控制系统的研究 例贻条件为在t = 0 时，s = s o 和0 = 0 。觯方程( 2 一l s ) , n ( 2 - 1 6 ) ，得到温度增量。为 目：l e x p a , ( u o - 万a u ) u o c o f 一1 ( 2 - 1 7 ) s i 血c p 假设最小间隙尺寸记作s + ，可有式( 2 一1 7 ) 得出 s =( 2 一1 8 ) 式中o 。= ，i 、。一t 。t 。：电解液的沸点温度。 上式表明，较短的脉冲导通时间，将允许脉冲电化学光整加工在较小的间隙尺寸工 作。即在相同电压下，对于小间隙加工，短的脉冲导通时问极为重要。这一点对于采用 高频窄脉宽的脉冲电化学光整加工提供了理论上的重要依据。 应用脉冲电化学光整加工，可以提高集中蚀除能力并且减小最小加工问隙，极间间 隙的减小能够提高整平作用、加工精度和表面质量。从脉冲电化学光整加工极间间隙特 性分析可知，减小加工间隙有利于提高加工精度，改善表面质量。但是间隙过小，则会 使液流阻力过大，电流密度增大，使电解液温升过快，电化学产物产生的热量来不及排 出，反而影响加工精度和表面质量。 2 3 脉冲电化学光整加工基础实验 影响脉冲电化学光整加工的工艺因素众多，如电解液成份、浓度、脉冲电流频率、占 空比、电流密度等，这些因素的变化都会对加工后的表面质量带来影响。为了更好的掌 握这些因素与加工质量的关系，以及脉冲电化学光整加工的工艺特性，我们设计了一套 实验装置进行基础实验，实验装置原理如图2 - 6 。 电解碡 金属( 阳极) 图2 - 6 实验装置示意 f i g 2 6 s k e t c ho f e c pe x p e r i m e n ts e t u p 为_ 厂防止电檄的边缘效应对工具电极及工件四周进行了屏蔽，电解液从电极中问以f 流的方式供给，从四周流回电解槽，同时提供一定的背压以改善流场不均对加工效果造 成的影响。 2 3 1 工艺参数对加工效果的影晌 堕竺堕苎l 垫些堂堂鳖塑三丝! ! 篓型墨堑箜婴塑 实验条件 脉冲电源，试验机床，电极巾1 0 r a m 的黄铜，通液孑l 3 r a m ，试验金属4 5 号钢。 1 电解液的影响 电化学加工中常用的电解液有n a c l 、n a n 0 3 、n a c l 0 3 三种，其中n a c l 由于杂散腐 蚀性大导致加工精度不高并且对设备的腐蚀性也较大，因此目前采用的越来越少； n a n 0 ，正好弥补了n a c l 电解液的缺点，但加工效率比n a c l 电解液要低；用n a c l 0 3 作 电解液虽然加： 精度较高，但成本却是n a n 0 3 电解液的2 - 3 倍，且使用过程复杂，因此 府用范阐极小。综上所述，在脉冲电化学光整加工中n a n 0 3 电解液通常为首选电解液。 1 i 电流密度和溶解速度的关系 从图2 7 中可以看出，在相同的电流密度下，n a c i 做电解液时金属的溶解速度要高 于n a n 0 3 和n a c l 0 3 电解液时。 2 l 釜， 馘 矧 萋。 电流密度( a l r n m o ) 图2 7 电流密度与溶解速度关系曲线 f i g 2 7t h ee f f e c to f c u r r e n td e n s i t yo nt h ed i s s o l u t i o ns p e e d 1 2 加工间隙与电流效率 图2 - 8 是在n a c l 和n a n 0 3 的电解液中所测定的加工间隙大d , * t l 电流效率的关系曲线 图。 底面间隙( m m ) 幽2 - 8 加工间隙与电流效率曲线 耳g ，2 8t h ee f f e c to f i n t e r - - e l e c t r o d eg a po nc u i t e n te f f i c i e n c y 图2 - 9 是测定的电流密度和电流效率的关系曲线。 齿轮脉冲电化学光整加工及其控制系统的研究 电流密度( a c m 2 ) 幽2 - 9 电流密度和电流效率的关系曲线 f i g 2 9c u r v eo fc u r r e n td e n s i t ya n de f f i c i e n c y 由图2 - 8 可以看出n a n 0 3 作电解液时，随着间隙的增大电流效率降低，也就意味着 电流密度随间隙的增大而降低。综合以上这些可以得出这样的结论：n a c l 做电解液时加 工速度与加工间隙成线性关系变化，n a n 0 3 作电解液时加工速度与加工间隙成非线性关 系，加工间隙越大加工速度降低的越快。正是n a n 0 3 电解液的这种特性，使远离电极的 工件部分的溶解速度极低甚至不溶解，出现了间隙平均化作用，避免了n a c l 作电解液时 出现的杂散腐蚀现象，这对光整加工极为有利，因此我们将n a n 0 3 作为脉冲电化学光整 加工的主要电解液，以下的各项基础实验也是基于n a n 0 3 电解液进行的。 2 3 2 脉冲参数对加工特性的影晌 1 脉冲电流对n i 曲线的影响 通过对棚同材料的金属进行电化学加工可以发现，采用直流电时，当电流密度小于某 一值i 。之前，金属表面被一层黑色氧化膜所覆盖，电化学反应几乎没有进行。当电流密 度大于i 。后，金属的溶解速度随电流的增大迅速增大，进入钝化状态。当改用脉冲电流 后，整个反应过程与直流电流大致相同，只是切断电流i o 值变大，同时加工后的表面有 光泽。切断电流i 。值变大意味着整个n i 曲线向高电流区移动。改变了阳极极化特性， 扩大了钝化溶解的范围，使超钝化只在高电流下发生，这一点对电化学光整十分有利。 2 脉冲参数对表面质量的影响 采用2 0 左右n a n 0 3 电解液，温度3 5 左右，r a 为0 4 9 m 的4 5 钢进行光整加工。 2 l 脉冲频率与表面粗糙度 八改变脉冲频率保持其它参数不变，分别对4 5 钢板5 个不同部分进行光整加工，试 验结果如下 2 2 占空比与表面粗糙度 齿轮j 埭冲电化学光整加= | = 披其捧制系统的研究 占空比是指一个脉冲内供电时间t 。与关断时问哳和t o 。的和之比，下面是凋整不j 刊 t 。_ t 丁之实验结果： 2 3 电流密度与表面粗糙度 电流密度是至关重要的参数不仅影响加工效率，而且对加工后的工件表面质量也有 报人影响，下砸是组在f = 1 5 k h z ，d = l ，不同电流密度下加工后所测的表面粗糙度r 。值。 根据以上几组数据分别作出脉冲频率、脉宽、电流密度与实验工件表面粗糙度的关 系曲线如图2 - 1 0 所示。 言 j 茁 艨冲频率ch z 电流密度( a m m 2 ) 齿轮脉冲 u 化学光整加t 及1e 控制系统的研究 脉宽( m s l 图2 一1 0 表面粗糙度与脉冲参数变化关系 f i g 2 - 1 0v a r i a t i o ni nr aw i t hp u l s ec u r r e n tp a r a m e t e r 通过上幽u j 以石出表面粗糙度随脉冲频率的升高呈下降趋势，脉冲频率越高加工后的 工件表面粗糙度越低，同时表面粗糙度随脉冲电流脉宽的增大呈增大趋势，由此可见在 脉冲电化学光整加工中采用高频窄脉冲电流能够得到更好的表面质量。 可以看出在电流密度由小变大的过程中，在小电流密度时由于金属阳极时处于钝化溶 锵状念，金属表面始终被一层黑色钝化膜所覆盖，电化学反应进展缓慢，整平效果很差。 随着电流密度的逐渐增大阳极金属表面粗糙度逐渐降低，但当电流密度超过一定值后， r 。值反而增大，这是由于超钝化现象所引起的，与前面所说的电极极化相吻合。图2 一1 1 的儿幅图片是在实验时所拍下的不同电流密度下加工后的工件表面照片。四幅图片依次 是电流密度从小到大的顺序拍摄的，最后为理想的加工效果，表面均匀光整 ( 冉) cc)(d) 图2 - 1 1 不同电流密度f 加：r 后的r 件表面 f i g2 - 1 1r e s p d c t i v em i c r o g r a p h so ft h es u r f a c ew i t hr e s p e c t i r ec u r r e n td e n s i t v 齿轮脉冲u 化学光整如i - i ：及其控制系统的研究 2 3 3 电解液浓度对表面质量的影响 通常情况下，电解液的浓度越大金属的蚀除速度也越太，但当电解液的浓度超过一 定限度后会严重影响表面质量。大量的实验表明，采用n 。n 吼电解液加工钢件及铁极金属 时浓度应该控制在1 0 一2 0 为宜。图2 1 2 为n 。n o ；电解液浓度和表面粗糙度关系的实验 数据曲线。 图2 1 2 电解液浓度对表面粗糙度的影响 ( ) 从图中可以看出浓度对加工表面质量的影响。电解液浓度越高，电导率越大，表面 粗糙度降低。实验证明，当温度为2 0 时，在1 5 n a n o 。溶液得到了比在i o n a n o 。溶液 中要好得多的光整加工表面。说明随着溶液浓度的提高，电阻率的降低，有利于提高光 整加工的表面质量。实验结果表明，对于脉冲电化学光整加工采用的电解液浓度在选择 时有一定的范围。一般来说，n a n o ：；电解液的浓度在5 2 5 之间选取时，光整加工性能较 好。：溶液浓度低于5 时，溶液电阻率较大，不利于电流密度的提高，为提高电流密 度i m 施加的较高加工电压容易出现极j - 百j 放电现象。同时，极阃溶液的高电阻会产生大量 的热量，造成加工区过热烧焦，损坏脉冲电化学光整加工用的工具电极。当溶液浓度过 高( 高于2 5 ) 时，电解液的非线性特性变坏。同时，过高的电解液浓度容易出现结晶、 易燃等现象，腐蚀性也较强，不利于机床设备的维护，不利于光整加工工艺的推广实施。 2 4 正交实验与参数的最优化 通过以上实验掌握了脉冲电化学光整加工的基本加工特性，但以上结果都是基于单 因素的，实际加工中所得到的表面质量是以上多种因素综合作用的结果，为更好的制定 出合理的加工参数，下蘧设计了正交实验。 实验日的：寻求最优的工圭三参数组合，获得最佳的加工表面质量。 考察指标：表面粗糙度值r a ( “m ) 。 根据上面的实验分析，可知对加工表面质量影响的主要因素有电流密度( a c m ! ) 、脉 冲频率( k h 7 ) 、占空比、电解液浓度( ) 、工具电极移动速度( m m s ) 、加工间隙( m m ) 等。 愀抛艾限 菏抛，对电流密度、脉冲频率、电解液浓度、工具电极移动速度分别取四级水 滞 ! 苎 雌 喁 一g 邑d 出 街轮脉冲i b 化学光整加 ：= 及 控制系统的研究 平，占窄比、加工问隙分别取二级水平。因素水平表如表2 一l 所示。 表2 - 1 因素水平表 t a b2 一ll e v e l o ff a c t o r s 乜搬逋度 v ( m n l ，s ) b 脉冲频率 f f k h z ) 电流密度 i ( a c m 2 ) d 加工间隙 s ( m m ) e 占空比 d i b 解液浓度 ( ) 8 1 0 1 2 o 6 0 8 1 4 0 5 0 5 5 0 5 08 1 o 1 2 1 3 2 0 2 5 41 4 1 26 0 15 巍j 顶百环画淳雨丽砑三两面丽甄西丽藉匿莉蕊交 表l 1n ( 4 4 2 3 ) d 7 ，表头设计如表所示。 表2 - 2 表头设计 ! 竺：! ：! ! 竺! ! ! ! ! ! 生生 冈素ab cde f ? 昙鬲毒i = 一兰 ! ! 。丈验过烈刷结果如表2 - 3 所示。 画出指标与因素的关系图，如图2 - 1 3 所示。 02 1 0 02 0 0 0 1 9 0 0 1 8 0 r a ( um ) 创2 - 1 3 指标与冈素芙系图 f i g 2 1 3c u r v eo f i n d e x e sa n df a c t o r e s 实验结果分析： 由表2 - 3 和图2 1 3 可以看出： 4 1 ) 各影响冈索对r a 影响的主次顺序依次是( 主一次) ：d b c a e f 。 2 ) 从直接分析结果看，第1 2 号实验效果最好即r a 最小，其水平组合是a ：，b 1 c ? d e ：f 。 3 ) 从图2 一1 3 可以得出，最好的组合是a 。b ：，c 。d ，e 。f 。 4 ) 这组组合没有经过实验，所以我们根据这组合进行了实验验证。选取的工艺参数 塑竺壁苎皇些堂垄望型三丝! ! 丝型至竺竺型翌一一一 分别是v = 1 2 m m s ，f = 1 k - l z ，i = 5 0 a c m 2 ，s = 0 5 m m ，d = l 2 ，w = 2 0 ，经过对4 5 钢的加 工塌后的r a = 0 1 3 um 。 表2 3 正交实验结果 t a b 2 * 3r e s u l to f t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t abcd efa l234 567 r a ( i jr n ) 1l 11111 101 8 21 22212 201 6 2 l33321 20 2 0 41 44422 10 2 3 5 21 2322 1 01 7 62 2l421 2o2 0 7234l1 220 1 6 8 243211 102 0 9 313412 20 2 2 1 03 24311 10 1 7 1 1 33l222 10 1 6 1 2 342l21 2015 1 3 414221 20 18 1 4 423122 101 8 1 5432 4l110 1 7 1 6 441312 2o 2 2 2 5 脉冲电化学光整；o n e 表面质量及应用 2 5 1 脉冲电化学光整加工表面质量 脉冲电化学光整加工表面质量是指经过脉冲电化学光整加工后的工件的表面及表面 齿轮脉冲l u 化学光整加工及其挎制系统的研究 层的几何、物理性能，主要包括零件的表面粗糙度、几何纹理、表面层组织的改变。脉 冲电化学光整加工依靠电化学反应以离子形式去除零件的表层金属，因此在加工过程中 就不会产乍象机械加工由于机械作用力而导致的表面塑性变形层，也不会产生残余应力， 也不会产生其它电加工后所产生的再铸层。脉冲电化学光整加工表面微观几何形貌平滑， 与切削加工后的“尖峰状”表面形貌显著不同，如图2 ，1 4 所示，表面质量在各个方向上 大体相同。脉冲电化学光整加工表面粗糙度可以直接达到镜面级，相对其它光整加工工 序简单。图2 1 5 是零件经脉冲电化学光整加工加工前后的表层剖面图。 图2 1 4 机械加工与脉冲电化学光整加工表面轮廓 f i g 2 1 4 c o m p a r i s o n o f t h es u r f a c ef i g u r e o f m e c h a i - z i c a la n d e c p 图2 ，1 5 脉冲电化学光整加工前后形貌 f i g 2 15c o m p a r i s o no f h es u r 曩a c ep r o f i l eb e f o r ea n da f t e re c p 2 5 2 脉冲电化学光整加工的应用 1 型腔的光整加工 在模具制造领域内常常应用电火花加工型腔，但电火花加工后往往在零件的表层形 成再铸层( 也称白层) ，这会对模具的使用性能造成很大的影响，所以需要光整加工去除 此层，采用脉冲电化学光整加工可以实现这一目的。在电火花加工后，可以在原有的电 火花机床上将工作介质抉为n a n 0 3 溶液进行加工，图2 1 6 为加工前后表恧层组织对比。 图2 1 6e c p 为加： 前后表面层组织 f i g ，2 1 6 c r o s s s e c b o no f m i c r o s t r a c t u r eb e f o r ea n da l t e re c p 齿轮脉冲i u 化学光整力工技其控制系统的 i 】究 2 脉冲电化学去毛刺 毛刺是机械切削加工的必然产物，因此对于一些精密零件去除产品上的毛刺是必不 可少的。随着材料向高硬、高强、高韧方向的发展以及新型的复杂的整体结构日益增多， 因此去毛刺的难度也越来越大，传统的手工锉毛刺的工艺已经远远不能满足需要了。电 化学去毛刺工艺是一种先进的去毛刺工艺方法，只要正确的选择电解液配方、合理的设 计： 具阴极及流场，便可发挥电解加工的优越性，成功地去除用机械方法不易去掉的毛 刺，”u hf j l 女r 的表面质量。通过阳极溶解，既使尖角棱边倒圆角，又可去除加工表面 的变质层，改善加工表面的物理、化学、机械性能。并且1 0 0 去除加工部位的毛刺，确 保零件的加工质量及产品的工作可靠性。尤其适用于阀体零件内腔中的环槽、交叉孔端 的毛刺去除。生产效率比传统的手工工艺高l o 倍以上，已经在航空、汽车等领域内得到了 广泛应用。 3 光亮刻字 采用脉冲电化学刻字可以解决直流刻字中字形不完整、不清晰、深度浅的问题，字 型完整、轮廓清晰、复制性好，并且字痕有光泽。与电火花刻字相比效率较高，蚀刻深 度要深于激光刻字，脉冲电化学刻字可以应用于轴承、模具等。 本章小结 脉冲电化学光整加工以周期供电的脉冲电流代替连续供电的直流电，并辅以流动的电 解液使阳极工件发生周期的电化学溶解反应。这种周期的电化学溶解反应有利于电化学 光整加工，使去极化、间隙状念等特性能在脉冲电流的断电间隙内得以及时恢复起始状 态，行| = _ | 能及时排除电解产物、散热，这些使整个电化学反应的物理、化学特性发生了 一系列的变化。脉冲电化学光整加工时出现了反向电流和压力波，反向电流使脉冲效应 大大增强，进一步改善了加工效果。压力波出现极大改善了间隙流场特性，压力波随脉 冲电流频率的提高而提高，压力波对极间的电解液起搅拌作用，使流场更加均匀，去极 化作用也相应加强，间隙内的电解液填充性能更好。 通过脉冲电化学光整加工可以大幅度降低零件表面粗糙度，而且加工后的零件表面具 有平滑的微观形貌，对零件的使用性能会产生巨大的影响。 实验表明，影响脉冲电化学光整加工的因素很多。电解液的成份、浓度、温度等都会 对加工质量产生影响，选择非线性电解液有利于表面质量的改善。脉冲频率、脉冲宽度、 占空比等脉冲参数改变对间隙过程的物理、化学特性会产生影响。一般情况下，频率越 高，脉宽越窄，占空比越小，脉冲效应就越强，理化特性的变化就越大。通过实验表明， 脉冲宽度和脉冲频率对表面质量影响很大。当脉冲频率一定时，脉冲间隔时问过长，则 有效加工时间过短，电化学作用较弱，生产率较低。如果脉冲间隔时间过短，则电化学 产物不能及时排除，会降低表面质量。另外，脉冲加工提供了更多的可调参数，为过程 控制提供了便利。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。 脉冲电化学光整加工时，必须正确选择电流密度。电流密度过大则深度蚀除速度大，加 剧杂散腐蚀，整平能力下降。电流密度过小则蚀除速度过低，延长加工时间并产生杂敞 腐蚀，影响加工质量，降低生产率。 齿轮脉冲电化学光整加工砹，控制系统的研究 3 齿轮脉冲电化学光整加工 3 1 齿轮光整加工与表面质量 目前，我国齿轮行业经过几十年的发展已经颇具规模，据资料显示国内的生产厂家及 从业人员人数均位居世界首位，但总产值却与之规模相差甚远。整个行业内设计、生产 水平参差不起，从总体上来看仍是比较落后。不仅大部分精密齿轮及重载齿轮主要依赖 进口，而鼠每年还要进口磨齿机等许多生产设备。 ! f i 何提高齿轮精度一直是齿轮制造业内热门话题，因为精度提高不仅提高传动效率也 会使齿轮传动噪声降低、使用寿命延长。但提高齿轮制造精度随之而来的是生产成本的 成倍增加，这正是国内广大生产厂家所不愿意面对的问题。 长期以来人们一直着力于通过提高精度解决问题，而忽略了一个影响传动噪声和使用 寿命的重要的因素齿面表面质量。近几年大量的实验工作表明，通过合理的改善提 高齿面表面质量可以大幅度提高齿轮使用寿命和降低传动噪声”“3 。 3 1 1 齿面润滑与粗糙度的关系 根据弹性流体动力润滑理论，可知润滑状态可由由膜厚比九来判断。”1 x = h 麻 式中 h 油膜厚度 r 1 、r 2 两接触面的粗糙度 肖 ( 2 3 ) 时，载荷完全由油膜承担，0 4 ( 2 3 ) 时，油膜与不平点共同承 担载荷，x 0 。4 时，油膜不承担载荷。当油膜厚度h 一定时，r l 、r 2 越小，x 越大，油 膜承载能力就越大。由此可见，通过光整加工使齿轮齿面表面粗糙度降低改变了啮合齿 面间的润滑状态，齿轮齿面油膜承载能力就越大齿轮齿面磨损就越小，齿轮寿命也就越 长。 3 1 2 各种不同加工方法后的表面质量的对比 1 珩齿 珩齿可以去除齿面的划痕，降低齿面的粗糙度，尤其是近年来出现的蜗杆珩齿和内啮 合珩迭方法，使珩齿的效率大大提高，糖度修正能力大为改善，但也有其不足之处。主 要表现为：加工过程要经常修整珩磨轮，齿轮的质量在很大程度上依赖操作者的经验， 所以珩齿精度不稳定“”。另外，珩磨轮的几何精度、磨料和基体物理性能、切削性能 等技术指标不易测定。每批珩磨后的齿轮质量指标很难达到一致。这也是珩磨工艺不稳 定的另一重要因素。 2 抛齿和研齿 抛齿和研齿只能有限提高齿轮的表面质量，不能或只能有限修正齿轮的加工误差， 况且这两种光整方法的加工效率很低，齿轮精度取决于前序的加工精度，不适于大批量 生产，只适用于对齿轮表瓦粗糙度要求极高的场合。 齿轮脉冲 u 化学光整加t 及其控制系统的研究 孵i | 虽然能自 较好的提高齿轮几何精度，但是具加工后的齿面微观表面质量并不是最佳。 表而粗糙度不如珩齿和研齿低，滚齿、插齿、磨齿的切削轨迹如图3 - 1 ( a ) 。当所加工齿轮 为直齿时，啮合齿轮的切削轨迹与啮合轨迹平行，这样易引起表面沟槽问相互咬合，为最 小埋怨的摩擦副。剃齿、珩齿切削轨迹如图3 - l ( b ) 所示。其切削轨迹与啮合轨迹呈较大交 叉角，啮合时可使沟槽间的相互咬合明显减小，为较理想的摩擦副。 幽3 - 1 切削轨迹对比 f i g 3 1c o m p a r i s o no f c u t t i n gt r a c k s 3 脉冲电化学光整加工 脉冲电化学光整加工由于采用的是离子溶解形式去除的方式，所以加工后的齿面没有 1 m ”咀山法因为刀具或磨料作用所留下的痕迹，表面平滑，为比较理想的摩擦副。 与抛齿和研齿相比，脉冲电化学光整加工加工效率较高，加工后的微观表面几何形貌要 比抛齿和研齿好得多，但加工后的表面粗糙度不及抛齿和研齿，如图3 - 2 。 磨齿珩齿 剃齿 脉冲电化学 图3 - 2 表面形貌对比 f i g 3 - 2c o m p a r i s o no f m i c r o g r a p h so f t h es l l l f a c e 与珩齿相比脉冲电化学光整加工没有工具的磨损，加工过程中不需要进行经常修整。 与磨齿相比脉冲电化学光整加工去除量小，对前道工序的修f 能力远远不及，因此并不 能提高齿轮精度。与研齿相比，不仅表面粗糙度值低，而且由于研齿中采用的磨料，使 研齿后的齿面多呈被磨料滚压留下的深坑和磨料切削留下的犁沟以及被翻毛刺和微裂 纹，这螳毛刺在涧滑不良的情况下使两齿面继续研磨而加剧了磨损，微裂纹在高速交替 找付的作刳l 、檄易发生扩散，产生疲劳效应导致轮齿断裂。脉冲电化学光整加工存在的 最大缺点就是影响加工因素较多，工艺不稳定性较大。 齿轮脉冲电化学光整加工及其控制系统的研究 3 1 3 齿轮脉冲电化学机械光整加工的实验结果分析 通过脉冲电化学机械方法对齿轮齿面进行光整加工的原理如图3 - 3 所示。 幽3 - 3 出轮脉冲电化学机械光整加l f i g3 - 3p n n c l p l eo f g e a re l e c t r o c h e m i c a lm e c h a n i c a lm a c h i n i n g 在被加工齿轮的一侧置以同一模数的齿轮作为工具阴极，使二者相互啮合，被加工齿轮 与电源诈极相连，工作时二者作啮合运动通过电化学反应达到去除齿面金属的目的。同 刚另侧置以一珩磨轮，用以去除电化学反应过程中在阳极齿面生成的钝化膜。 应用脉冲电化学机械光整加工工艺为美国某著名汽车公司加工齿轮，取得了满意的效 果，r 家的检测报告如下：抛光的8 2 0 6 卡车减速箱齿轮( 长轴和齿轮共三对) ，全部通 过了1 0 0 小时疲劳强度实验，且实验后无任何破损迹象。这是一个非常严苛的实验，齿 面接触应力超过35 g p a ，齿轮在抛光前经过滚齿和剃齿，再热处理( 齿面硬度为h r c 6 0 - - 6 2 ) ，如不抛光，则平均寿命只有1 2 一t 5 小时( 主要破损为接触疲劳) 。抛光的另一缉 齿轮世成功的通过了1 0 0 小时的减速箱台架实验，结果令人满意。图3 4 为脉冲电化学 机械光整加工齿轮齿面加工前后对比照片。 图3 4 齿轮加工前后对比 f i g3 4c o m p a r i s o no f g e a rb e f o r ea n da f t e re m m 大量的实验数据足以说明通过对齿面进行电化学光整加工可以大幅度提高齿轮使用 寿命和降低传动噪声。 3 2 齿轮脉冲电化学光整加工 一 为了简化齿轮脉冲电化学机械光整加工工艺，决定在加工过程中去除机械方法而采用 哳轮脉冲l 也化学光整力t 及其拎制系统的研究 脉冲电化学光整加工工艺直接对齿轮齿面进行光整加工。通过前面章节的分析，可以推 测脉冲电化学光整加工同样可以大幅度提高齿轮使用寿命和降低传动噪声。 3 2 1 齿轮脉冲电化学光整加工工艺原理 齿轮脉冲电化学光整加工与脉冲电化学机械光整加工原理基本相似，只是在加工形式 上去除了珩磨轮即免去了机械作用，完全靠工艺参数的调整达到在加工过程中去除氧化 膜的目的。 3 2 2 齿轮脉冲电化学光整加工工艺的实现 齿轮脉冲电化学光整加工工艺的实现可以有不同的方式，如果按着阴极的形式可以 分为两大类：整体阴极连续啮合方式、移动仿形阴极方式 1 整体阴极连续啮合方式 采用一个与被加工齿轮同样模数的齿轮作为加工阴极，并与被加工齿轮保持一定问 隙啮合在一起，中间通以电解液这样就可以对被啮合的齿面进行光整加工了。然后使阴 极齿轮旋转通过相应的传动装置带动被加工齿轮旋转，最终完成对所有齿面的光整加工。 如图3 5 所示。 图3 - 5 摧体阴极方式 f i g 3 5m o d e l o f e n t i r ec a t h o d e 2 移动仿形阴极方式 采用一个与被加工齿轮轮齿相吻合形状的阴极( 如图3 - 6 所示) ，这个仿形阴极的厚 度可以小于被加工齿轮的厚度，加工时仿形阴极有驱动装置沿齿轮的齿向( 如果是直齿 轮即平行于安装主轴方向) 方向反复移动，最后完成对两侧齿面的加工。然后依靠分度 装置旋转一个角度a = 3 6 0 。z ，实现对下一个齿的加工。 对比以上两种加工形式，可以看出二者各有优缺点。移动仿形阴极方式的优点就是 对齿轮的精度保持性好不破坏齿轮原有精度，因此通常用在对精度要求极高的精密齿轮 的光整加丁上。这种方式与整体阴极连续啮合方式相比的缺点就是效率没有耵者高。但 足对r 一些大型重载齿轮，采用整体阴极连续啮合方式显然不可取。 如果按着阳极齿轮的安装形式又可分为立式加工和卧式加工两大类。如果罔4 5 为俯 视图，那么称之为卧式加工，如果图4 5 为侧视图我们将此 十d n m 形式称为立式加工。卧 式加工电解液喷液嘴可以正对加工区域进行喷射，电解槽内电解液须浸没齿轮或者略低 齿轮脉冲- u 化学光控3 1 v 及其控制系统的研究 于齿轮上表面，这样习嘈保证加工区域内的电解液充分。对于立式加工，电解槽内f 电解 液仅须浸没或者略低于齿轮轴高度。 剧3 - 6 移动仿形阴极方式 f i g 3 - 6 m o d e l o f m o v i n g c o n t o u rc a t h o d e 3 2 3 齿轮脉冲电化学光整加工装置 图3 - 5 脉冲电化学光整加工装置 f i g 3 5g e a re m ms e t u p 齿轮脉冲电化学光整加工装置如图3 5 所示。主轴l 的回转运动由步进电机带动皮带 轮实现，阴极齿轮安装在主轴的另一侧，被加工齿轮作为阳极安装在主轴2 上。由于脉 7 l 1 咆化学光整加工采用的是两极非接触加工，所以被加工齿轮必须有另。轴即主轴2 来 驱动主轴2 通过一对传动齿轮始终保持与主轴1 同步。阴极齿轮比标准齿轮缩小一圈， 这样工作时阴极齿轮与被加工齿轮的轮齿之间实现了类似啮合的运动，但是二者之问始 终保持着一定的f 日j 隙，这个间隙即避免短路又是加工间隙，问隙的大小可以根据加工的 实际需要通过调整块进行微调。 脉冲电源两极分别通过碳块电刷经主轴l 、2 与阴阳两极齿轮相连，这样可以保证对 齿轮脉冲电化学光