一種不銹鋼模具的復合拋光工藝

孟超王珊

（焦作大學機電工程學院 河南焦作）

對具有復雜曲面的不銹鋼模具拋光，目前普遍采用手工或剛性磨具拋光方式。由于不銹鋼具有高強度、高韌性和導熱性能差等難加工的特點，用剛性模具拋光時的磨削力和磨削熱都很大，工件表面易產生微裂紋、殘余應力、冷作硬化和燒傷等缺陷，效率和自動化程度低，采用磁力電解機械復合拋光和CAD/CAM相結合的工藝可改變這一狀況。

一、數學建模及實驗設備

應用Pro/ENGINEER軟件中的CAD模塊建立被拋光件的數學模型，加工表面為一球冠，球體半徑25mm。此CAD模型，為后續的CAM建立了模型基礎。

參數選擇：電解液為15%的NaNO3水溶液，在不通電時呈穩定中性，對工件和設備不會造成腐蝕，用完的電解液可過濾回收，不會造成環境污染。電解電源為直流穩壓電源，電流0.1～0.2A。陰極為紫銅球頭型拋光頭，銅材料的導電性保證了電解作用的有效進行。試驗用拋光零件的表面粗糙度Ra=1.6μm。試驗設備見圖1。

圖1 實驗設備圖

在數控銑床的主軸上固定一個紫銅球型拋光頭，在底部固定拋光片。電解液由噴嘴進入到工件和拋光頭之間，起電解和冷卻的作用。電解液可以由電解槽的出口進行回收過濾，重復使用不會造成污染。工件接直流電源正極，拋光頭通過一個碳刷和直流電源負極相連。當拋光頭在數控程序的控制下旋轉，并以一定的壓力通過不織布材料的拋光片壓在工件的待拋光表面上，電解液流向拋光面的同時電解電源也接通。工件表面在電解化學作用和機械研磨的雙重作用下進行拋光，使得拋光速度加快，表面加工質量明顯提高。

二、復合拋光原理

1.電解作用拋光機理

電解液流到拋光面以后，當在兩電極之間通一直流電時，電解液在電場作用被電離，正離子移向陰極拋光頭，負離子移向陽極工件。負離子與工件相互作用，工件被逐漸溶解，同時在低電流密度作用下使工件表面逐漸失去了原來的活性，生成了一層幾乎不導電且比重很大的鈍化膜，使溶解過程減慢。由于零件表面粗糙不平，在電化學反應時，凸起部位所產生的鈍化膜比凹處生成的厚度要小一些。由于凸起處的鈍化膜受電力線的沖擊和液體的攪拌作用力較大，再加上凸起處離陰極較近，電場強度大，依據尖端放電的原理，形成的正電荷高度集中在凸起處。因此，陰極工件周圍的陰離子優先和凸起處的陰離子發生作用，所以凸起處的金屬溶解速度比凹處的要快，工件表面被拋光整平（圖2）。

圖2 工件表面宏觀平整

2.磁場作用拋光機理

圖3 有無磁場時的運動軌跡

在陰極兩側分別放若干個磁極，構成一個垂直于電場方向的磁場。此時在電解區內，電場中的帶電粒子將受到磁場洛侖茲力的作用。經理倫推導，可得到有無磁場時帶電粒子的運動軌跡方程，由計算機模擬其運動軌跡（圖3）。有磁場時帶電粒子的運動軌跡為螺旋線型，顯然有磁場時帶電粒子的運動軌跡更復雜。為了減少濃差極化現象，在電解拋光中引入磁場，洛侖茲力使帶電粒子的活性增加了。在試驗中可觀察到：沒有磁場時，兩極間隙處的電解液流動較平穩，加入磁場后，電解液有“翻花”的現象，即從宏觀上可看到洛侖茲力對電解液的“攪拌”作用（圖4）。帶電粒子活性的增加，減少了電極表面附近的濃差極化和電化學極化現象的產生，使工件表面與電解液之間的電化學反應不但趨于均勻，而且加快了反應速度。

圖4 磁場對電解液的攪拌作用

三、數控加工與拋光CAM

為確保加工質量精度和提高加工速率，這里應用PowerMILL完成試驗工件數控加工與拋光CAM部分。PowerMILL具有運算速度快、針對性強等優點，并提供了完善的加工策略。PowerMILL的具體工作流程如圖5所示。先導入模型，然后按圖5流程進行。

圖5 PowerMILL工作流程圖

可選的加工刀具路徑很多，考慮到時間和機床的限制并為了保證較高的拋光質量，只選擇了PowerMILL獨特的螺旋等高精度加工策略。這種加工技術綜合了螺旋加工和高精度加工策略的優點，刀具負荷更穩定，提刀次數更少，可縮短加工時間，減少刀具損壞概率，還可改善加工表面質量。

圖6 拋光前Ra=1.6μm

四、試驗結果及分析

應用電解磁力復合拋光工藝使工件由拋光的 Ra=1～2μm，達到了鏡面光度。圖6、圖7為拋光前后表面粗糙度測量值，圖8為試驗件拋光前后對比圖。拋光后的表面不存在劃傷、腐蝕、加工硬化和表面燒傷等問題。

圖7 拋光后Ra=0.03μm

圖8 工件拋光前后對比

五、結論

利用復合拋光工藝顯著提高了不銹鋼模具的表面質量，為同類型的高硬度工件的拋光加工，提供了一種可行的參考方法。