鄭 雷，郭鐘寧，李遠波，劉國躍

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006）

電化學磁力研磨復合工具的設計

鄭 雷，郭鐘寧，李遠波，劉國躍

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006）

復合工具是復合工藝的核心，其結構形式直接決定了復合工藝的實現(xiàn)形式及工藝特性。根據(jù)電化學與磁力研磨各自的工藝特點，針對平面類零件，提出了中空式電磁極相間復合結構的設計方案。采用有限元方法對加工間隙內(nèi)的磁場分布進行了分析，優(yōu)化了工具結構參數(shù)，具有一定的應用價值。

電化學；磁力研磨；復合工具；有限元方法

電化學磁力研磨復合加工是將電化學加工技術與磁力研磨加工技術相結合的一種非傳統(tǒng)的零件表面光整加工方法，它結合了電化學加工與磁力研磨加工的優(yōu)點，因此在航空航天、汽車制造、模具加工等領域具有良好的應用前景[1-2]。

電化學磁力研磨復合加工是以電化學陽極溶解原理為基礎，利用磨粒的機械作用刮除工件鈍化膜的一種復合加工方法。在加工過程中，工件作為陽極，工具電極作為陰極，在兩者間隙中通入電解液。在一定的加工條件下，工件表面由于電化學的鈍化作用生成一層致密的鈍化膜，這層鈍化膜對工件表面有一定的保護作用，可阻止電化學作用對金屬的溶解。在磁力研磨的作用下，工件表面微觀不平度高點的鈍化膜首先被刮除，露出新鮮的金屬表面被進一步溶解。每當工件表面形成鈍化膜時，磨粒持續(xù)的機械運動就會將金屬微觀表面高點的鈍化膜刮除，使電化學溶解繼續(xù)進行。如此循環(huán)往復，工件表面高點不斷被去除，從而使工件表面粗糙度不斷改善，達到光整加工的效果[3-4]。

1 常用電磁極復合一體式工具結構

對于電化學磁力研磨復合加工，電化學與磁力研磨相疊加的加工方式，決定著復合加工的效果。文獻[5]展示了第1種一體式復合工具（圖1），該結構形式在一定程度上解決了采用含鐵相成分的鐵磁性磨料在復合過程中出現(xiàn)的短路問題。但由于整個磁力研磨加工間隙充滿了鐵磁性磨料，而電化學工作間隙處于鐵磁性磨料的包圍中，導致反應產(chǎn)物無法及時排出，外界的電解液也很難進入電化學加工間隙，這會對電化學過程產(chǎn)生一些不良影響。同時，從電化學與磁力研磨的分布區(qū)域分析，這種復

合屬于一種時序上的工藝迭代，加工后的試件表面經(jīng)過磁力研磨-電化學-磁力研磨的先后迭代，鈍化膜的生成與去除并不是一個動態(tài)過程。

圖1 一體式復合工具結構一

第2種一體式復合工具則是直接在金屬磁極上通電，使其成為電化學反應的陰極（圖2），然后在鐵磁性磨料中混入13%～18%的電解液，使電化學反應能夠進行[6-7]。由于電解液含量過低，且磁力研磨過程中的溫升還會導致電解液蒸發(fā)減少，使電化學反應強度降低。

圖2 一體式復合工具結構二

第3種一體式復合工具的設計采取工件回轉、工具固定的方式（圖3）[8]，但這種結構只能用于拋光軸類零件。此外，由于需要留出供電解液通過的間隙，必須在復合工具上開槽，這會使電化學加工間隙比磁力研磨的加工間隙還大，電化學加工效率必然會受到影響。

圖3 一體式復合工具結構三

2 電磁極相間復合一體式工具

任何一種復合工藝的出發(fā)點都是希望能實現(xiàn)兩種或更多種工藝的優(yōu)勢結合，但每一種加工工藝都具有各自的特性，如何綜合各自特點、發(fā)揮各自優(yōu)勢是復合工藝需要解決的主要問題[9-10]。

電化學與磁力研磨在以下方面存在著差異：

（1）去除機理。電化學與磁力研磨是兩種不同的加工方式。磁力研磨屬于接觸式切削加工，鐵磁性磨料需與工件接觸，并以一定的壓力作用在工件表面。而電化學屬于非接觸加工，工具與工件之間需保持一定間隙，且間隙中必須充滿電解液，加工效率和表面質(zhì)量與間隙內(nèi)電解液狀態(tài)相關。在傳統(tǒng)電化學加工中，陽極溶解產(chǎn)物由流動的電解液帶走，為了防止產(chǎn)物在陽極表面堆積，穩(wěn)定而高效的電化學加工過程需要加工間隙內(nèi)充滿流速均勻、清潔的電解液。當采用電、磁極復合一體工具時，便存在電解液沖擊鐵磁性磨料的問題。因此，存在接觸與非接觸、電解液液流與磨料填充的問題。

（2）工作間隙參數(shù)。對于電化學加工，如不考慮加工過程的極化現(xiàn)象且其他參數(shù)恒定時，加工間隙的大小實際上決定了電流密度，會直接影響加工效率。小的加工間隙可獲得更高的加工效率，且有利于減少散雜腐蝕，傳統(tǒng)電化學加工的間隙在0.02～1 mm之間。而磁力研磨的工作間隙決定了鐵磁性磨料所形成的磨料刷的空間，影響磨料刷的柔性與研磨壓力，較優(yōu)的范圍為1～3 mm。在復合工具的設計過程中，必須考慮這種差異性。

（3）鐵磁性磨料與短路。在目前的研究中，磁力研磨所采用的磨料大多為鐵粉或含純鐵成分的導磁性顆粒。在選取磨料和設計工具時，必須防止電化學工作區(qū)域短路。

（4）磨料殘余。磨料殘留在已加工表面是磁力研磨的正?，F(xiàn)象，但工件表面被磨料覆蓋，可能會對電化學加工效果造成不良影響。

因此，對于電磁復合一體的工具而言，需解決間距差異和電解液通液的問題：磁力研磨工作間隙1～3 mm，電化學加工間隙0.05～1 mm；電化學加工間隙內(nèi)需持續(xù)供液，磁力研磨間隙內(nèi)則需充滿鐵磁性磨料。綜合考慮后，提出了中空電磁極相間復合工具的設計方案（圖4）。

圖4 中空式電磁極相間復合工具

復合工具的工作端面分為電化學工作區(qū)與磁力研磨工作區(qū)兩部分。為了形成兩個不干涉的工作間隙，用黃銅等非鐵磁性金屬材料作為復合工具的

陰極材料，電工純鐵作為磁極材料，這種設計的優(yōu)點是電化學與磁力研磨的工作間隙獨立，且能加入不同長度的嵌片，實現(xiàn)電化學與磁力研磨不同的加工間隙。由于復合工具芯部的磁力研磨效率較低，為了便于電解液達到電化學工作區(qū)，在芯部設計了黃銅材質(zhì)的電解液通道。中空通道半徑是電解液能否達到電化學工作區(qū)的關鍵參數(shù)之一，本文主要從中空通道半徑與磨料刷形貌的關系進行建模分析。

如圖5所示，x代表取樣線段上點到中空磁極中心的距離，rn為中空管道半徑，r1為工具半徑。從圖5a可看出，在開放式磁路中，隨著rn的增加，從工具磁極的內(nèi)孔邊緣到磁極外圓柱面邊緣 （x∈(rn，r1)）的磁感強度分布曲線變得相對平緩。內(nèi)孔增大意味著內(nèi)孔邊緣與磁極外圓柱面邊緣的間距減小，即當內(nèi)外半徑的差值減小時，工具工作端面的磁場分布會變得相對均勻。在x∈(0，rn)的范圍內(nèi)，曲線呈陡直上升趨勢；隨著rn值的增加，上升的斜率隨之降低。在通道邊緣位置(x=rn)與外圓柱面邊緣位置(x= r1)，曲線都出現(xiàn)尖角，這可能是由邊緣過渡處產(chǎn)生的邊角效應所引起的，其中以外邊緣處最為嚴重。均勻磁場能有效提高加工的均勻性，因此在復合工具的設計過程中，需考慮邊角效應，并盡量降低這種效應的影響。

工件表面的磁感強度分布見圖5b，其體現(xiàn)出不同的趨勢：當rn=1 mm時，磁感強度分布曲線在x∈(0～7 mm)的范圍幾乎為水平線，磁感強度不變；在x＞7 mm的范圍，曲線陡直下降，磁感強度急劇下降。rn=2 mm與rn=1 mm曲線的趨勢基本一致。但當rn=4 mm時，曲線先上升再下降；同時，磁感強度的最大值移到x=r1附近?？傮w而言，隨著rn值的增加，工件上對應工具芯部的位置與磁極區(qū)域磁場分布的不均度增加；從電解液通過的角度來講，芯部的磁場強度越低越好。因此，這種不均度是有益的。此外，在工件表面x＞r1的一段范圍內(nèi)，磁感強度不為零，表明磨料刷在工件表面的直徑大于磁極直徑。

綜合工具和工件表面的磁場分布情況，可推測出磨料刷的形貌：中空磁極芯部位置會形成一個倒錐形的空腔 （圖6a），且空腔隨著rn值的減小而減小。當rn值較小時，可能無法形成容納電解液通過的空腔。因此，合適的通液管道直徑是保證電解液能到達電化學工作區(qū)的條件之一（圖6b）。然而，從磁場分布來看，只要工件中心處的磁感強度不為零，在不考慮電解液壓力的情況下，是難以達到如圖6b所示的圓臺型空腔的。因此，若采用芯部通電解液的結構，則電解液需具備一定的壓力。從rn=4 mm時工件上的磁感強度分布來看，當x=0時，B仍然有0.4 T左右。這說明rn=4 mm時，工件上的磨料刷仍將覆蓋住電解液出液位置。因此，為了進一步減小電解液供液壓力，復合工具芯部的電解液通道半徑需繼續(xù)增加。

圖5 開放式磁路在不同電解液通道半徑下的工件及工具表面磁場分布

圖6 中空磁極鐵磁性磨料分布

3 結論

電化學與磁力研磨的復合形式對電化學磁力研磨加工有著至關重要的作用。

（1）采用中空電磁極相間的復合工具，可解決電化學加工與磁力研磨過程中出現(xiàn)的差異問題，使

電化學加工與磁力研磨加工各自擁有獨立的加工間隙；且在加工過程中，使鈍化膜的生成與去除成為一個動態(tài)過程。

（2）復合工具頭的中空通道對于電解液順利到達加工區(qū)域有著重要的作用。通過有限元分析可發(fā)現(xiàn)：當中空通道的半徑增大時，中空通道處的磁場強度有降低的趨勢，將有利于電解液順利到達加工區(qū)域。另外，減小內(nèi)外半徑的差值，工具頭端面的磁場分布會更均勻。

（3）工件表面的磁感應強度沿工件半徑的方向逐漸減小，且在x>7 mm后，迅速減小。增大中空通道半徑，將增大工件表面磁場強度分布不均勻的程度，這種不均勻是有益于加工的。

本文對電化學磁力研磨復合工具所作的分析是遠遠不夠的，對于電化學磁力研磨的復合形式，還有待進一步的研究。

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圖11 拋光前后型腔表面對比

圖12 拋光前的表面粗糙度

4 結論

圖13 拋光后的表面粗糙度

在電火花線切割貫通形型腔模具時，切割得到形狀與型腔完全吻合的型芯，在附加磁源后制成磁性拋光磨具，用其對貫通形型腔模具進行拋光，不僅可提高對不同型腔模具的普適性，還極大地降低了拋光成本。型腔表面粗糙度值從拋光前的Ra2.761 μm降低至拋光后的Ra0.463 μm。

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Compounded Tool Design for the Hybrid Process of Electrochemical Magnetic Abrasive Finishing

Zheng Lei，Guo Zhongning，Li Yuanbo，Liu Guoyue
（Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

The compounded tool is the center part of the hybrid process of electrochemical magnetic abrasive.Its structure and shape decide directly the form of achievement and the properties of the hybrid process.According to the characters of the electrochemical machining process and magnetic abrasive finishing process，a structure of electrodes separated by magnetic pole is proposed for the plane parts.By applying the finite element method，the magnetic field model of the working gap has been built and analysed to optimize the parameters.Results show that the compounded tool designed for the hybrid process of electrochemical magnetic abrasive finishing is available and provided with a certain application value.

electrochemical；magnetic abrasive finishing；compound tool；finite element method

TG662

A

1009－279X（2014）02－0025-04

2013-11-14

鄭雷，男，1987年生，碩士研究生。