4.3电解磨削加工

4.3　电解磨削加工

4.3.1　电解磨削加工基本原理

电解磨削是由电解作用和机械磨削作用相互复合而进行加工的，比电解加工具有较好的加工精度和表面粗糙度，比机械磨削有较高的生产率。

如图4.19所示为电解磨削装置构成简图。导电砂轮2接直流电源1的负极，被加工工件3接正极，工件在一定的压力下与导电砂轮相接触。通过喷嘴4向加工区域喷射电解液，在电解和机械磨削的复合作用下，工件表面很快被磨削，去除余量并达到一定的表面粗糙度。

图4.19　电解磨削装置构成简图

1—电源；2—导电砂轮；3—工件；4—喷嘴

如图4.20所示为电解磨削加工原理示意图。在极间电压的作用下，电流从工件通过电解液流向导电砂轮，形成导电回路，于是工件(阳极)表面发生阳极溶解作用(电化学腐蚀)，被氧化成为一层极薄的氧化物薄膜5，一般称为阳极钝化膜。但刚形成的阳极钝化膜迅速被导电砂轮中的磨粒2刮除，在阳极工件上又露出新的金属表面并继续被电解。这样由电解作用和刮除薄膜的磨削作用交替进行，使工件连续地被加工，直至达到一定的尺寸精度和表面粗糙度。

图4.20　电解磨削原理示意图

1—导电砂轮；2—磨粒；3—工件；4—电解液；5—氧化物薄膜

电解磨削过程中。电化学作用在工件表面形成阳极钝化膜，由砂轮磨削作用去除钝化膜并整平工件表面，而金属的去除取决于所采用的极间电压的高低，或主要靠电解作用(极间电压较高时)，或主要靠机械磨削作用(极间电压较低时)。电解磨削时电化学阳极溶解的机理和电解加工相似，不同之处是电解加工的阳极表面形成的钝化膜是靠活性离子(如Clˉ离子)进行活化，或靠提高电极电位去破坏(活化)而使阳极表面的金属不断溶解、去除的，其加工电流很大，溶解速度也很快，电解产物的排除靠高速流动的电解液的冲刷作用；电解磨削时阳极表面形成的钝化膜是靠砂轮的磨削作用，即机械刮削去除的。因此，电解加工时必须采用压力较高、流量较大的泵，而电解磨削一般可采用小型离心泵。另外，电解磨削是靠砂轮磨料来刮除具有一定硬度和黏度的阳极钝化膜，其形状和尺寸精度主要是由砂轮相对工件的成型运动来控制的，因此，电解液中不能含有活化能力过强的活性离子如Clˉ等，而是多采用腐蚀能力较弱的钝性电解液，如以NaNO₃，NaClO₃等为主要成分的电解液，以提高电解磨削成型精度。

4.3.2　电解磨削加工的特点

(1)可加工高硬度材料

由于它是基于电解和磨削的复合作用去除金属，因此只要选择合适的电解液就可用来加工任何高硬度与高韧性的金属材料。

(2)加工效率高

以磨削硬质合金为例，与普通的金刚石砂轮磨削相比较，电解磨削的加工效率要高3～5倍。

(3)加工精度与表面质量好

因为砂轮主要用于刮除阳极薄膜，磨削力和磨削热都很小，不会产生磨削毛刺、裂纹、烧伤现象，加工表面粗糙度R_a可小于0.16 μm。

(4)砂轮损耗量小

以磨削硬质合金为例，普通磨削时，碳化硅砂轮的磨损量为切除硬质合金质量的400%～600%；电解磨削时，砂轮的磨损量不超过硬质合金切除量的50%～100%。与普通金刚石砂轮磨削相比较，电解磨削的金刚石砂轮的消耗速度仅为它们的1/10～1/5。

(5)需要对机床、夹具等采取防腐防锈措施

需要增加通风、排气装置；需要增加直流电源、电解液过滤、循环装置等附属设备。

4.3.3　中极法电解磨削

当电流密度一定时，如果导电面积大，通过的电量也大，单位时间内去除的材料也越多。所以可以增加两极之间的导电面积来提高生产率，而且这样的加工稳定性也高。当磨削外圆时工件和砂轮之间的接触面积也小，这时需要采用中极法来增加接触面积(见图4.21)。其原理是:在普通砂轮之外再增加一个中间电极作为阴极，工件接正极，砂轮不导电，电解作用只在工件和中间阴极之间产生，而砂轮只起刮除钝化膜的作用，这样大大提高了生产率。其缺点是磨削不同外径的零件时，中间电极需要更换。

图4.21　中极法电解磨削

1—普通砂轮；2—工件；3—电解液喷嘴；4—电解液；5—中间电极

4.3.4　影响电解磨削速度和精度的因素

(1)影响电解磨削生产率的主要因素

1)电化学当量

电化学当量是按照法拉第定律计算出单位电量理论上所电解蚀除的金属量，如铁的电化学当量为133 mm³/(A· h)。电解磨削和电解加工一样，可根据需要去除的金属量来估算所需的电流和时间。但由于电解时阴极上可能有气体析出，多损耗一部分电能，则电流效率可能小于100%；另外，由于电解磨削时存在机械磨削的作用，则总的金属去除量除了电解蚀除部分外，还包括机械磨削部分，故电流效率可能大于100%。由于工件材料实际上是由多种金属元素组成的，各金属成分以及杂质的电化学当量不一样，因此电解蚀除速度会有差别(尤其在金属晶格边缘)，使表面粗糙度变差。

2)电流密度

提高电流密度能加速阴极溶解。对电解磨削，提高电流密度的途径主要有:

①提高工件电压。

②适当增加磨削深度。

③提高电解液的电导率，包括提高电解液的浓度和工作温度。

3)导电砂轮(阴极)与工件间的导电面积

当电流密度一定时，通过的电量与导电面积成正比。阴极和工件的接触面积越大，通过的电量越多，单位时间内的金属去除量越大。因此，应尽可能增加两极之间的导电面积，以达到提高生产率的目的。当磨削外圆时，工件和砂轮之间的接触面积较小，为此，可采用“中极法”，如图4.21所示。

4)磨削压力

磨削压力越大、工作台移动速度越快，阳极金属表面被活化的程度越高，生产率也随之提高。但过高的压力容易使磨料磨损或脱落，减小加工间隙，影响电解液的输入，引起火花放电或发生短路现象，将使生产率下降。

(2)影响加工精度的因素

1)电解液

电解液的成分直接影响到阳极表面钝化膜的性质。如果所生成的钝化膜的结构疏松，对工件表面的保护能力差，加工精度就低。要获得高精度的零件，在加工过程中工件表面应生成一层结构紧密、均匀的、保护性能优良的阳极镀膜。钝性电解液形成的阳极钝化膜不易受到破坏。硼酸盐、磷酸盐等弱电解质的水溶液都是较好的钝性电解液。

加工硬质合金时，要适当控制电解液的pH值，因为硬质合金的氧化物易溶于碱性溶液中。要得到较厚的阳极钝化膜，不应采用高pH值的电解液，一般为pH＝7～9。

2)阴极导电面积和磨料轨迹

电解磨削平面时，常常采用碗状砂轮以增大阴极面积，但工件往复运动时，阴、阳极上各点的相对运动速度和轨迹的往复运动程度并不相等，砂轮边缘线速度高，进给方向两侧轨迹的重复程度大，磨削量较多，磨出的工件可能呈凸形状，如图4.22(a)所示。为此，可采用“复合轨迹”的办法来消除或减缓上述负面影响，如图4.22(b)所示。

图4.22　电解磨削磨粒运动轨迹对加工表面形状的影响

3)被加工材料的性质

对成分复杂的合金材料，由于不同金属元素的电极电位不同，阳极溶解速度也不同，特别是电解磨削硬质合金时，问题更为严重。因此，要研究适合多种金属元素同时均匀溶解的电解液配方，这是改善多金属材料电解磨削的主要途径。

4)机械因素

电解磨削过程中，阳极表面的活化主要靠机械磨削作用完成，因此机床的成型运动精度、夹具精度、磨轮精度对加工精度的影响是不可忽视的。其中，导电砂轮占有重要地位，它不但直接影响加工精度，而且影响到砂轮／工件极间状态，即影响砂轮／工件接触的紧密程度或极间间隙的大小。电解磨削的加工间隙是由砂轮保证的，为此，除了精确修整砂轮外，砂轮磨料应选择较硬的、耐磨损的；采用中极法磨削时，应保证阴极的形状正确。

(3)影响表面粗糙度的因素

1)电参数

工作电压是影响表面粗糙度的主要因素。工作电压低，工作表面电解溶解速度慢，钝化膜不易被穿透，对工件表面的加工以机械磨削作用为主，因而电解和磨削两者的加工作用都只在表面凸起处进行，有利于提高工件的整形和尺寸精度。因此，精加工时应选用较低的工作电压，但不能低于合金因素的最高分解电压。例如，加工WC-Co系硬质合金时，工作电压不能低于1.7 V(因Co的分解电压为1.2 V，WC为1.7 V)。加工Ti-Co系硬质合金时不低于3 V(因TiC的分解电压为3 V)。考虑到欧姆压降，其加工电压应更高一些。工作电压过低，会使电解作用减弱，生产率降低，表面质量变坏。过高时，加工则以电解去除为主，砂轮与工件表面之间甚至会产生类似于电解加工的间隙，则表面不易整平，使表面粗糙度恶化，电解磨削较合理的工作电压一般为(5～12) V。此外还应与砂轮切深、进给速度相匹配。

电流密度过高，电解作用过强，表面粗糙度不好。电流密度过低，机械作用过强，也会使表面粗糙度变坏。因此，电解磨削时电流密度的选择应使电解作用和机械作用匹配恰当。一般讲，粗加工阶段，以去除余量为主，则选择电流密度高、电解作用强的参数；精加工阶段，则以保证整形和尺寸精度为主，故需选择电流密度低、电解作用弱、机械磨削作用相对占优的加工参数。

2)电解液

电解液的成分和浓度是影响钝化膜性质和厚度的主要因素。为了改善表面粗糙度，常常选用钝性或半钝性电解液。为了使电解作用正常进行，间隙中应充满电解液，因此电解液的流量必须充足，而且应予以过滤以保持电解液的清洁度。

3)工件材料性质

加工材料对加工表面粗糙度的影响如前所述影响加工精度的分析相同，由于材料中含不同元素、不同晶相结构，或材质缺陷、不均匀等原因，因而各处微观电极电位存在差异，从而引起不均匀溶解，影响加工表面的粗糙度。

4)机械因素

磨料粒度越细，一方面，越能均匀地去除凸起部分的钝化膜，另一方面使加工间隙减小，这两种作用都加快了整平速度，有利于改善表面粗糙度。但如果磨料过细，加工间隙过小，容易引起火花而降低表面质量。一般粒度可在(40～100)目内选取。

由于去除的是比较软的钝化膜，因此，磨料的硬度对表面粗糙度的影响不大。磨削压力太小，难以去除钝化膜；磨削压力过大，机械作用过强，磨料磨损加快，使表面粗糙度恶化。实践表明:电解磨削终了时，切断电源进行短时间的机械修磨，可改善表面的粗糙度和光亮度。

4.3.5　电解磨削用电解液、设备和砂轮

(1)电解液的选择

电解磨削电解液的选择，应考虑以下5方面的要求:

①能使金属表面生成结构致密、黏附力强的钝化膜，以获得良好的尺寸和降低表面粗糙度。

②导电性好，生产率高。

③对机床及工夹具腐蚀性小。

④对人体无伤害。

⑤经济效果好、价格便宜、来源丰富，在加工中不易消耗。

要同时满足上述5个方面的要求是困难的，在实际生产中，应针对不同产品的技术要求，不同的材料，选用合适的电解液。表4.4列出了几种典型的电解磨削电解液。所列电解液中，亚硝酸钠的主要作用是导电、氧化和防锈。硝酸盐的作用主要是为了提高电解液的导电性，其次是硝酸根离子有可能还原为亚硝酸根离子，以补充电极反应过程中亚硝酸根的消耗。磷酸氢二钠是弱酸强碱盐，使溶液呈弱碱性，有利于氧化钴、氧化钨和氧化铁的溶解；磷酸氢根离子还能与钴离子络合，生成钴的沉淀物，有利于保持电解液的清洁。重铬酸盐和亚硝酸盐一样，都是强钝化剂，而且可防止金属正离子或金属氧化物在阴极上沉淀。硼砂作为添加剂，使工件表面生成较厚的结构致密的钝化膜，在一定程度上对工件棱边和尖角起到了保护作用。酒石酸盐是钴离子的良好结合剂，有利于电解液的清洁，促进钴的溶解。

需要特别指出的是，NaNO₂对人体有毒害作用，误食一定量可能导致中毒，甚至死亡。因此，在保管、使用、直至最后废液处理的全过程都要特别重视。

(2)电解磨削设备

电解磨削设备可分为电解工具磨床、卧式或立式电解平面磨床、电解外圆磨床、电解内圆磨床及电解成型磨床。它与普通磨床的主要区别是:带有直流电源及电解液供给系统，工具与工件间绝缘，机床有防腐处理及抽风装置。

对电解磨削用的直流电源，要求有可调的电压(5～12 V)和较硬的外特性，最大工作电流视加工面积和所需生产率，一般为10～1 000 A。只要功率许可，一般可与电解加工的直流电源设备通用。

供应电解液的循环泵一般用小型离心泵，但最好是耐腐蚀的。还应该有过滤和沉淀电解液杂质的装置。在电解过程中，有时会产生对人体有害的气体，因此在机床上最好设有强制抽气装置或中和装置，至少应在空气流通好的地点操作。

电解液的喷射一般用管子和扁平喷嘴，喷嘴接在砂轮的上方，向工作区域喷射电解液。电解磨床与一般磨床相仿，在没有专用磨床时，可用一般磨床改装，主要改装工作如下:

①增加电刷导电装置。

②将砂轮主轴和床身绝缘，要避免电流在轴承的摩擦面间流过。

③将工件、夹具和机床绝缘。

④增加机床对电解液的防溅、防锈装置。为了减轻和避免机床的腐蚀，机床与电解液接触的部分应选用耐腐蚀材料。

(3)电解磨削砂轮

电解磨削一般需要导电砂轮，常用的有铜基和石墨两种。铜基导电砂轮的导电性好，加工间隙可采用反拷法得到，即把电解砂轮接电源正极，进行电解，此时铜基逐渐被溶解下来，达到所需的溶解量(即加工间隙值)后，停止反拷，磨粒暴露在铜基之外的尺寸即为所需的加工间隙。铜基砂轮的加工生产率较高。石墨砂轮不能反拷加工，磨削时石墨与工件之间会火花放电，同时具有电解磨削和电火花磨削双重作用。但在断电后的精磨过程中，石墨具有润滑、抛光的作用，可获得较好的表面粗糙度。导电砂轮的磨料有烧结刚玉、白刚玉、高强度陶瓷、碳化硅、碳化硼、人造宝石、金刚石等多种。最常用的是金刚石导电砂轮，因为金刚石磨粒具有很高的耐磨性，能比较稳定地保持两极间的距离，使加工间隙稳定，而且可以在断电后对硬质合金一类的高硬材料进行精磨，可提高精度和改善表面粗糙度。如表4.9所示列出了几种导电砂轮的特性。

表4.9　常用导电砂轮的种类与特性

4.3.6　电解磨削典型应用

电解磨削由于集中了电解加工和机械磨削的优点，因此，在生产中已用来磨削一些高硬度的零件，如各种硬质合金刀具、量具、挤压拉丝模具、轧辊等。对于普通磨削很难加工的小孔、深孔、薄壁筒、细长杆零件等，电解磨削也显示出优越性，其应用范围正在日益扩大。

(1)硬质合金刀具的电解磨削

用氧化铝导电砂轮磨削硬质合金车刀和铣刀，表面粗糙度R_a可达0.2～0.1 μm，刃口半径小于0.2 mm，平直度也较普通砂轮磨削的好。

采用金刚石导电砂轮电解磨削加工精密丝杠的硬质合金成型车刀，表面粗糙度可小于R_a0.016 μm，刃口非常锋利，完全达到精车精密丝杠的要求。所用电解液为亚硝酸钠9.6%，硝酸钠0.2%，磷酸氢二钠0.3%的水溶液，加入少量的甘油，可改善表面粗糙度。电压为6～8 V，加工时的压力为0.1 MPa。实践证明，采用电解磨削工艺不仅比单纯用金刚石砂轮磨削时的效率提高2～3倍，而且大大节省了金刚石砂轮，一个金刚石导电砂轮可使用5～6年。

图4.23　硬质合金轧辊

(2)硬质合金轧辊的电解磨削

某硬质合金轧辊如图4.23所示。采用金刚石导电砂轮进行电解成型磨削，轧辊的型槽精度达±0.02 mm，型槽位置精度达±0.01 mm，表面粗糙度达R_a0.2 μm，工件无微裂纹、无残余应力等缺陷，不仅加工效率高，而且大大提高了金刚石砂轮的使用寿命，磨削比达138。

所采用的导电磨轮为金属(铜粉)结合剂的人造金刚石砂轮，磨料粒度为60～1 000目，外圆磨轮直径为矱300 mm，磨削型槽的成型磨轮直径为矱260 mm。

电解液成分为亚硝酸钠9.6%，硝酸钠0.3%，磷酸氢二钠0.3%，酒石酸钾钠0.1%，其余为水。粗磨的加工参数为电压12 V，电流密度(15～25)A/cm²，砂轮转速2 900 r/min，工件转速0.025 r/min，一次进刀深度2.5 mm。精加工的加工参数为电压10 V，工件转速16 r/min，工作台移动速度0.6 mm/min。