電解磨削加工注射器針尖工藝研究

元良月 金洙吉 牛 林

（大連理工大學，大連 116000）

一次性無菌注射器是廣泛使用的醫(yī)療器械，其中針尖是注射器質(zhì)量好壞的決定性因素。針尖毛刺質(zhì)量與刺進人體組織的刺入力大小直接相關，影響著操作注射器的難易程度、患者的痛感體驗以及對患者皮膚組織的破壞程度等[1-2]。

產(chǎn)生毛刺缺陷的主要原因可以歸結(jié)為切削力下材料塑性變形和部分殘余未斷的切屑[3]。注射器針尖壁薄、材料軟、剛性差，極易在加工過程中產(chǎn)生塑性變形生成毛刺缺陷。目前，實際生產(chǎn)中采用機械磨削方法，很難加工出沒有毛刺的針尖。因此，針尖磨削后需要泡入電解池進行后處理，借用電解加工的尖端效應，放電去除前步工序中產(chǎn)生的毛刺[4]。多步工序處理大大降低了注射器的生產(chǎn)效率，如何克服毛刺缺陷是當今注射器針尖生產(chǎn)的一大痛點。

電解磨削（Electro-Chemical Grinding，ECG） 是一種將電化學溶解與機械磨削作用有機結(jié)合去除毛刺的特種加工技術[5]。金屬工件在電流和電解液的共同作用下發(fā)生電化學腐蝕，表面生成鈍化膜。砂輪磨粒優(yōu)先刮擦去除鈍化膜，去除鈍化膜后工件露出新的金屬基體，基體繼續(xù)被腐蝕，如此循環(huán)往復。砂輪磨粒優(yōu)先刮擦易于加工的鈍化膜而不直接刮擦金屬基體，因此該種工藝相較于傳統(tǒng)機械加工具有低切削力、加工表面質(zhì)量好等優(yōu)勢，非常適用于加工弱剛性、薄壁工件[6]。又因其結(jié)合了機械去除的效應，相較于放電加工更加快捷。同時，電化學腐蝕作用對細小切屑存在一定的尖端效應，對未斷切屑有去除作用。可見，電解磨削工藝適用于弱剛性薄壁針管的無毛刺 加工。

本文針對S304針管進行電解磨削工藝試驗研究，探究其工藝規(guī)律，并選取合適的加工參數(shù)，以得到更好的加工質(zhì)量。

1 試驗設計

1.1 試驗裝置與試樣制備

試驗裝置如圖1所示。針管作為陽極，固定于1∶3斜臺上，隨電解池完成縱向進給。砂輪作為陰極，在豎直方向進給。陽極和陰極同時浸于電解液。

圖1 電解磨削加工針尖試驗裝置

砂輪選擇青銅基立方氮化硼磨粒砂輪，磨料粒度為120#。連接砂輪的高精度立式端面磨床固定于氣浮隔振平臺，空氣電主軸軸頭徑向跳動小于0.1 μm，端面跳動小于0.2 μm，三軸定位精度均為±1 μm。

待加工針管外徑為1 mm，壁厚為0.2 mm，總長為30 mm，伸出夾具的懸臂部分長為10 mm，材料為S304不銹鋼。針尖統(tǒng)一經(jīng)過2 000目砂紙磨拋處理，初始斜面為1∶3。

1.2 電解液選用

試驗采用每升250 g NaNO3和30 g NaCl溶液作為電解液。NaNO3溶液在S304不銹鋼材料上表現(xiàn)出良好的鈍化特性[7]，可幫助金屬表面氧化生成易于加工的鈍化膜。NaCl成分可適當增加電解液的活化作用，加快毛刺的電化學溶解。

1.3 試驗方案

以加工后針管側(cè)壁的腐蝕區(qū)域大小為評價依據(jù)，探究加工電壓對側(cè)壁腐蝕程度的影響規(guī)律。定焦拍攝加工后側(cè)壁照片，以腐蝕區(qū)長度表征腐蝕程度，繪制腐蝕程度-加工電壓影響規(guī)律折線圖。

以毛刺質(zhì)量為評價依據(jù)，分別進行3組單因素試驗，探究加工電壓、進給速度以及切深對針尖毛刺質(zhì)量的影響規(guī)律。為減小對刀時產(chǎn)生毛刺的影響，每組試驗以給定參數(shù)走刀3次，試驗后定焦拍攝斜切面照片。已知單根毛刺尺寸由高度、厚度等指標表示[8]，且生產(chǎn)中常用顯微鏡下觀察毛刺根數(shù)的方法判斷毛刺總量，因此量取最長毛刺長度表征毛刺尺寸，MATLAB計算毛刺面積表征毛刺總量，繪制毛刺質(zhì)量-加工參數(shù)影響規(guī)律折線圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 針管側(cè)壁腐蝕規(guī)律

電化學作用不止發(fā)生于待加工面，過高的電壓還給針管側(cè)壁造成腐蝕。依據(jù)法拉第定律[9]，腐蝕程度會隨電壓增大而增大。接近針尖下緣的部位更容易被腐蝕，腐蝕區(qū)域大小能夠反映腐蝕程度的高低。

采用進給速度為1.5 mm·s-1，切深為40 μm，砂輪轉(zhuǎn)速為8 000 r·m-1，電源頻率為30 kHz，占空比為40%，走刀一次，得到不同加工電壓下側(cè)壁腐蝕狀態(tài)如圖2所示。未被腐蝕的側(cè)壁表面可見均勻的金屬光澤，腐蝕區(qū)域則呈黑灰色，無光澤。加工電壓對側(cè)壁腐蝕程度的影響規(guī)律，如圖3所示。可見：加工電壓為9 V及以下，側(cè)壁未見明顯腐蝕；加工電壓為10 V及以上，腐蝕區(qū)域自切面邊緣至根部的長度隨電壓升高而增大。因此，9 V及以下為加工電壓的可用區(qū)間。

圖2 不同加工電壓下側(cè)壁腐蝕狀態(tài)

圖3 加工電壓對側(cè)壁腐蝕程度的影響規(guī)律

2.2 針尖毛刺質(zhì)量影響因素

給定進給速度為1 mm·s-1，切深為40 μm，砂輪轉(zhuǎn)速為8 000 r·m-1，電源頻率為30 kHz，占空比為40%。加工電壓分別采用5 V、6 V、7 V、8 V、9 V，走刀3次，得到針尖質(zhì)量如圖4所示。加工電壓對針尖毛刺質(zhì)量的影響規(guī)律，如圖5所示。可見：毛刺長度和面積隨電壓增大而減小；電壓為9 V時，毛刺長度趨于0 μm。

圖4 不同加工電壓下針尖加工質(zhì)量

圖5 加工電壓對針尖毛刺質(zhì)量的影響規(guī)律

給定加工電壓為9 V，切深為40 μm，砂輪轉(zhuǎn)速為8 000 r·m-1，電源頻率為30 kHz，占空比為40%。進給速度分別采用0.5 mm·s-1、1.0 mm·s-1、1.5 mm·s-1、 2.0 mm·s-1、2.5 mm·s-1，走刀3次，得到針尖質(zhì)量如圖6所示。進給速度對針尖毛刺質(zhì)量的影響規(guī)律，如圖7所示。可見：毛刺長度和面積隨進給速度增大而增大；進給速度為0.5 mm·s-1時，針尖完全無毛刺，機械刮擦痕跡不明顯。

圖6 不同進給速度下針尖加工質(zhì)量

圖7 進給速度對針尖毛刺質(zhì)量的影響規(guī)律

給定加工電壓為9 V，進給速度為1 mm·s-1，砂輪轉(zhuǎn)速為8 000 r·m-1，電源頻率為30 kHz，占空比為40%。切深分別采用20 μm、40 μm、60 μm、80 μm、100 μm，走刀3次，得到針尖質(zhì)量如圖8所示。切深對針尖毛刺質(zhì)量的影響規(guī)律，如圖9所示。可見，毛刺長度和面積隨切深增大而增大；當切深達到80 μm時，針尖和內(nèi)孔出現(xiàn)大片毛刺。

圖8 不同切深下針尖加工質(zhì)量

圖9 切深對針尖毛刺質(zhì)量的影響規(guī)律

加工電壓、進給速度和切削深度3項參數(shù)，直接影響電化學溶解和機械磨削作用的強弱。若電化學與機械作用達到有機配合，則毛刺少，加工質(zhì)量好。

加工電壓越小，電化學作用越弱，機械刮擦作用相較于電化學作用越強，切削力越大。因此，針尖由于塑性變形產(chǎn)生的毛刺更長更厚，內(nèi)孔下緣也產(chǎn)生大片毛刺。另外，在電壓較小時，電化學作用不足以去除未斷的切屑，因此切面邊緣殘留有較多細小毛刺。

試驗進給速度為0.5 mm·s-1時，電化學溶解作用與機械作用配合相當，磨粒幾乎不直接刮擦金屬基體，因此針尖完全無毛刺。當進給速度加快時，砂輪停留時間變短，電化學作用變?nèi)酰瑱C械作用增強，不僅會產(chǎn)生更多塑性形變，而且不能被及時去除邊沿切屑，造成毛刺缺陷嚴重。因此，粗加工可采用較大的進給速度，精加工則需放慢進給速度。

切削深度增加，切削力隨之增大，毛刺缺陷更嚴重。當切深達到80 μm時，即使有電化學作用配合，切削力也足以致使尖端和內(nèi)孔下緣產(chǎn)生大片毛刺。可見，粗加工可采用較大切深。同時，建議慎選取80 μm以上切深，因為此時易產(chǎn)生在后續(xù)加工中難以去除的毛刺。

3 結(jié)論

將電解磨削工藝應用于一次性注射器針尖的加工，通過工藝試驗探究主要加工參數(shù)對側(cè)壁腐蝕和毛刺缺陷的影響規(guī)律。

（1）綜合對比不同電壓下加工質(zhì)量的表現(xiàn)可知，所提方法加工質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)機械磨削，可以實現(xiàn)注射器針尖的無毛刺加工，滿足質(zhì)量要求。

（2）其余條件相同，加工電壓越高，毛刺越少。過高的電壓會在針管側(cè)壁造成腐蝕，腐蝕程度隨電壓增大而增大。本文針尖電解磨削的理想電壓為9 V。

（3）其余條件相同，進給速度越高，毛刺缺陷越嚴重；切深越大，毛刺缺陷越嚴重。加工參數(shù)選擇進給速度為0.5 mm·s-1、切深為40 μm時，針尖完全無毛刺。