硬質陽極化孔鉸孔的工藝研究

2022-02-24 13:54:16李智超

新型工業化 2022年12期

李智超

中航工業慶安集團有限公司，陜西西安，710077

0 引言

鋁及鋁合金材料具有質量低、強度高、可焊性好、易成型、加工成本低等特點，在機械制造和國防裝備中得到廣泛應用。它們的用途僅次于鋼鐵，是第二類金屬材料。但鋁及鋁合金材料的硬度、耐磨性和耐腐蝕性不理想，需要進行硬質陽極氧化處理，以獲得與基體良好的附著力和一定厚度的膜層，才能滿足現代工業的要求，用于高硬度、耐腐蝕、重量輕的結構材料。然而，典型的硫酸硬質陽極氧化工藝氧化率低、生產效率低、能耗高、工藝成本高、薄膜燒蝕率高。

1 典型硬質陽極氧化工藝

目前制備硬質陽極氧化膜的方法有很多，其中典型的硬質陽極氧化工藝以中或高濃度硫酸或有機酸為電解液的主要成分，采用低溫直流電解法。其主要特點是電解液成分簡單，易于分析調整；氧化膜厚度易于控制；該過程簡單方便。目前典型的硬質陽極氧化工藝是使用高濃度硫酸溶液，浴溫小，負溫大，電流密度大，終止電壓過高，工藝條件差，直接導致薄膜生長速度慢，膜厚硬度小，燒蝕率高，生產成本高，生產周期長，能耗和設備投資大，不能滿足市場發展的要求[1]。

硬質陽極氧化膜的形成是電化學和化學反應的結果。隨著致密氧化膜的形成，氧化電壓急劇上升并產生大量熱量，加速了氧化膜的溶解。因此，必須嚴格控制罐體輕度氧化電壓。陽極氧化膜的生長速度和性能主要取決于電解液的組成和濃度、電壓、電流密度、溫度和氧化時間，而陽極氧化膜的形成和化學溶解受動態平衡過程的影響。此外，還應考慮攪拌方式和速度、懸浮裝置、水質、輔助電極材料、面積和電極間距、材料成分、退火、拋光等預處理工藝對氧化膜性能的影響。因此，隨著現代工業的發展，應在現有硬質陽極氧化技術的基礎上，結合當前高效節能生產的要求，提高鋁合金材料的表面保護水平。開發高效節能性能的薄膜鋁及鋁合金硬質陽極氧化技術不僅必要，而且意義重大[2]。

2 現階段加工方法及新方法確定

2.1 現階段加工方法

對鋁合金表面硬質陽極化處理后的孔的加工工藝，現階段主要為研磨，以此來保證孔徑及表面粗糙度。研磨屬于人工操作，對操作者的技能要求很高，硬質陽極化孔的粗糙度為Ra0.4，人工難以保證。

研磨加工的特點：加工時間較長，對技能水平要求較高，一些短孔加工不夠穩定，易出現孔變形、喇叭等情況，返工率較高，表面粗糙度無法一次保證，需經過多次研磨才能達到設計圖紙的要求[3]。

2.2 新方法的提出

研磨一般是鑄鐵棒與剛玉研磨膏與機體產生磨削，將硬質陽極氧化膜層的顆粒進行修正和拋光，達到去除微尺寸和提高粗糙度的目的。現在的PCD鉸刀的刀具壽命長、硬度高、導熱系數高。PCD刀具的基本特點為：①PCD的硬度可達8000HV，是硬質合金的8～12倍；②PCD的導熱系數為700W/mK，是硬質合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和銅，因此PCD刀具傳熱快；③PCD的摩擦系數一般只有0.1～0.3（硬質合金的摩擦系數為0.4～1），所以PCD刀具可以顯著降低切削力；④PCD的熱膨脹系數僅為0.9×10-6～1.18×10-6，僅相當于硬質合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；⑤PCD刀具與有色金屬和非金屬材料之間的親和力很小，在加工切屑的過程中不易鍵合在刀具尖端形成切屑瘤。

針對以上問題，經過研究探討，并做了相關試驗，確定采用PCD鉸刀通過機床來加工硬質陽極化孔，以此來提高加工效率，并且保證孔徑及表面粗糙度[4]。

3 加工工藝確定

硬質陽極化膜層均勻地覆蓋在零件機體的表面，隨著零件的微觀表面特征變化而變化，膜層在微觀上對零件表面波紋狀覆蓋，對零件鍍前的粗糙度進行監控。由圖1可知，試驗前粗糙度越好，硬陽后孔的粗糙度越好，硬質陽極化孔的加工方案為表面處理前鏜孔，保證孔徑單邊0.02mm左右余量及表面粗糙度在0.4以下，硬質陽極化后在機床上用PCD鉸刀對其加工，保證孔徑及表面粗糙度。

圖1 硬質陽極化膜層散點圖

鉸孔工藝的確定：PCD鉸刀即聚晶金剛石鉸刀，有著很高的鋒利程度和硬度，鉸刀鉸孔時，PCD刀片與硬質陽極化膜層產生較高的車削和磨削運動，鋒利的刀尖使得膜層表面的微觀酥松顆粒進行剝離，PCD有較高的耐磨性，與膜層進行磨削和拋光，對表面進行修正，提高表面粗糙度。如圖2，刀具有較高的耐磨性，鉸孔穩定性高[5]。