王思聰，後藤昭弘，中田篤史

（1.靜岡理工科大學(xué)機(jī)械工學(xué)科，日本靜岡縣袋井市437-8555；2.靜岡理工科大學(xué)電氣電子工學(xué)科，日本靜岡縣袋井市437-8555）

硬質(zhì)合金具有很高的硬度、強(qiáng)度以及耐磨性和耐腐蝕性，被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。由于硬質(zhì)合金硬度高，使用一般的切削工具很難對(duì)其加工，目前主要采用電火花加工方式進(jìn)行加工，但加工速度慢且加工表面會(huì)產(chǎn)生細(xì)小裂痕；也有采用PCD刀具進(jìn)行加工，但工具費(fèi)用很高且加工速度較慢。

電解加工作為硬質(zhì)合金的高速加工方法而備受關(guān)注。就一般金屬材料的電解加工而言，把電極和工件浸入電解液中，以工件為陽(yáng)極、工具電極為陰極，電極間通電后發(fā)生電解反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)工件的高速加工。鎢鈷硬質(zhì)合金則有所不同，作為非金屬材料的WC也要同Co一起被加工去除，過(guò)去的研究表明，需通過(guò)去除Co的電解反應(yīng)及去除WC的化學(xué)反應(yīng)的組合方法來(lái)達(dá)到這一目的，即：當(dāng)工具電極作為陰極時(shí)，工件陽(yáng)極的硬質(zhì)合金中的WC由于被氧化而變?yōu)榱薟O3，當(dāng)電流停止作用或是極性反轉(zhuǎn)以后，與OH-離子發(fā)生反應(yīng)，生成的Na2WO4溶解于電解液中，達(dá)到去除WC的目的。使用單極性電源時(shí)，向電解液中添加NaOH等物質(zhì)，可使電解液達(dá)到堿性，去除WO3。因?yàn)樘砑恿薔aOH等物質(zhì)的電解液呈強(qiáng)堿性，所以帶來(lái)了操作安全的問(wèn)題，且隨著工件加工面積的增大，如果不調(diào)整電解液中NaOH的比例，會(huì)使加工變得更加困難。為了解決這些問(wèn)題，研究人員使用了中性電解液和雙極性電源。當(dāng)工件為陰極的時(shí)候，工件周邊的電解液通過(guò)電解反應(yīng)達(dá)到堿性，從而去除WO3。使用中性電解液可使操作安全問(wèn)題得以改善，但隨之而來(lái)的是雙極性電源的使用喪失了電解加工的工具電極無(wú)消耗的優(yōu)點(diǎn)。過(guò)去的研究表明，在電解液中添加CoCl2后，工具電極（石墨）長(zhǎng)度的消耗問(wèn)題得到了有效抑制，但對(duì)于工具電極的邊角及形狀的精度問(wèn)題沒(méi)有進(jìn)行研究[1-2]。因此，本文使用中性電解液和單極性電流電解加工鎢鈷硬質(zhì)合金，以達(dá)到工具電極無(wú)消耗的目的。

1 單極性電流電解加工硬質(zhì)合金的構(gòu)想

使用雙極性電源電解加工硬質(zhì)合金，當(dāng)工件作為陰極時(shí)，工件附近會(huì)由于電解反應(yīng)產(chǎn)生NaOH溶液。通過(guò)以下反應(yīng)可加工去除生成的氧化物：

利用上述反應(yīng)原理，開展了對(duì)單極性電源電解加工硬質(zhì)合金方法的研究[3]。如圖1所示，電解液槽中的電解液在流向加工槽的途中能生成堿性電解液。根據(jù)該設(shè)想，提出的提案為：在電解液流向工具電極（即電解液流向加工間隙）前，設(shè)置陽(yáng)極和陰極兩個(gè)電極并加上直流電壓，陰極側(cè)通過(guò)電解反應(yīng)可產(chǎn)生NaOH，含有NaOH的堿性電解液流向加工間隙進(jìn)行加工；陽(yáng)極側(cè)的酸性電解液流過(guò)加工槽返回電解液槽中。堿性的強(qiáng)弱由電解液的流量及電解時(shí)通過(guò)的電荷決定，加工部分所用的電解液呈堿性，加工槽中及返回電解液槽中的電解液基本呈中性。

圖1 單極性電解加工的構(gòu)想

2 電解液pH值的條件

為了達(dá)到WO3溶解的目的，對(duì)WO3在不同pH值的電解液中的溶解情況進(jìn)行了調(diào)查。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的NaCl電解液中，對(duì)尺寸為11 mm×11 mm的硬質(zhì)合金（WC：87%；Co：13%）使用石墨電極進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。將硬質(zhì)合金工件設(shè)定為陽(yáng)極，以約12 A的直流電對(duì)其加工2 min。由于是采用直流電加工的緣故，考慮被加工面有以WO3作為主要成分的藍(lán)黑色物質(zhì)附著[4]，將此狀態(tài)的硬質(zhì)合金浸入調(diào)整過(guò)pH值的NaCl和NaOH混合溶液中，并輕輕地?cái)嚢杞? min。從圖2可看出，當(dāng)pH值小于10.3時(shí)，浸泡后的硬質(zhì)合金同加工后的硬質(zhì)合金相比，WO3的狀態(tài)基本未發(fā)生變化；而當(dāng)pH值大于10.3時(shí)，青黑色的物質(zhì)已被去除。因此，在電解加工硬質(zhì)合金時(shí)，電解液的pH值達(dá)到10.3以上為合適條件。

圖2 不同pH值對(duì)硬質(zhì)合金中WO3的影響

3 NaCl電解液的電解加工實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以NaCl溶液為電解液。在正式實(shí)驗(yàn)之前做了準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)：向燒杯中倒入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的NaCl電解液（100 mL水中添加了15 g NaCl），其pH值約為7.2；將一對(duì)石墨電極浸入電解液中，加上約10 V的電壓，經(jīng)過(guò)數(shù)十秒，使電解液的pH值變?yōu)榧s10。這是由于電解反應(yīng)產(chǎn)生了NaOH，同時(shí)有氣體（Cl2）揮發(fā)。利用該現(xiàn)象，在電解液從電解液槽流向電極的過(guò)程中進(jìn)行電解反應(yīng)，并嘗試在陰、陽(yáng)兩極周圍的溶液無(wú)隔離的狀態(tài)下，開展將陰極周圍的溶液流入加工間隙中的加工實(shí)驗(yàn)（圖3）。此時(shí)，加工間隙流出的電解液同預(yù)想的結(jié)果相反，其pH值約為6.8，呈弱酸性。推測(cè)其原因是：電解反應(yīng)后產(chǎn)生的氣體（Cl2）在電解電極間溶解，發(fā)生了如式（3）所示的反應(yīng)，且有酸性物質(zhì)生成：

圖3 單極性電源加工

由以上結(jié)果可知，根據(jù)當(dāng)初的設(shè)想（圖1），為了使電解反應(yīng)后的陽(yáng)極周圍和陰極周圍的電解液能夠分開，制作了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置。使電解液從實(shí)驗(yàn)裝置的入口處流入，在裝置內(nèi)進(jìn)行電解反應(yīng)，并在靠近陽(yáng)極和靠近陰極的地方設(shè)置了電解液的出口。實(shí)際上，電解反應(yīng)后酸性電解液與堿性電解液混雜在一起，無(wú)法實(shí)現(xiàn)酸堿溶液的分離，故沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。

圖4 電解液電解實(shí)驗(yàn)裝置1

4 利用陽(yáng)離子交換膜的電解液分離

為了使電解反應(yīng)后的酸性溶液與堿性溶液不再混雜，引入了陽(yáng)離子交換膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。陽(yáng)離子交換膜是對(duì)陽(yáng)離子有選擇作用的膜，即陽(yáng)離子可透過(guò)交換膜，而陰離子不能通過(guò)。利用陽(yáng)離子交換膜隔開電解反應(yīng)的電解液，使陰極側(cè)不再受到Cl2氣體的干擾，從而實(shí)現(xiàn)陰極側(cè)導(dǎo)出堿性電解液的構(gòu)想。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置。在陽(yáng)極石墨電極與陰極石墨電極之間加入陽(yáng)離子交換膜，由于水分子不能通過(guò)陽(yáng)離子交換膜，實(shí)驗(yàn)時(shí)的電解液將在電解液入口前分開，并分別由兩個(gè)入口進(jìn)入陽(yáng)極一側(cè)和陰極一側(cè)；而實(shí)驗(yàn)裝置的中間被陽(yáng)離子交換膜隔開，形成“兩室”，分別進(jìn)行電解反應(yīng)，反應(yīng)后的電解液由陽(yáng)極一側(cè)和陰極一側(cè)分開流出。陽(yáng)極周圍的電解液通過(guò)加工槽直接流入電解液槽中，陰極周圍的電解液通過(guò)電極的電解液出口噴出，并在進(jìn)行電解加工之后流回電解液槽中。實(shí)驗(yàn)的目的是使用中性電解液，僅在加工過(guò)程中呈堿性，返回電解液槽中的電解液基本呈中性。

使用電解實(shí)驗(yàn)裝置2對(duì)產(chǎn)生的堿性電解液的pH值情況進(jìn)行了研究。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的NaCl溶液以約4 L/min的流量通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)整電解反應(yīng)的電流，分別對(duì)從陽(yáng)極和陰極流出的電解液的pH值進(jìn)行測(cè)定。將電解反應(yīng)的電流值分別設(shè)定為5、10、15、20 A，電解液的 pH 值測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖 6。 根據(jù)圖6所示情況，同時(shí)引出了電流值直到30 A的pH值測(cè)定結(jié)果的近似線，并應(yīng)用于后面的實(shí)驗(yàn)中。利用陽(yáng)離子交換膜進(jìn)行電解反應(yīng)，堿性溶液與酸性溶液不會(huì)互相混雜，能達(dá)到分離的目的，于是在加工間隙處可獲得堿性電解液。

圖5 電解液電解實(shí)驗(yàn)裝置2

圖6 電解反應(yīng)后的電解液pH值

5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

利用自制的電解實(shí)驗(yàn)裝置，采用單極性脈沖電流進(jìn)行了硬質(zhì)合金的電解加工實(shí)驗(yàn)。電解加工時(shí)，采用脈沖寬度為14 ms、脈沖間隔為6 ms、電壓為20 V、電流約為10 A；工具電極選用尺寸為10 mm×10 mm的石墨電極，其中間為直徑3 mm的電解液出口；工件選用尺寸為11 mm×11 mm的硬質(zhì)合金（WC：87%；Co：13%）； 初始加工間隙約為 0.1 mm；電解液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的NaCl溶液，其流量的目標(biāo)值為4 L/min，但由于實(shí)驗(yàn)裝置的問(wèn)題及加工間隙狹窄，電解液流量未能達(dá)到設(shè)定目標(biāo)，加工時(shí)電解液對(duì)生成物的沖刷不夠充分。因此，在電解加工進(jìn)行了5 s之后，加工停止，將加工間隙調(diào)整至約0.2 mm再進(jìn)行沖刷。循環(huán)往復(fù)以上過(guò)程，當(dāng)進(jìn)給量為30μm時(shí)，完成了電解加工實(shí)驗(yàn)。加工過(guò)程中，電解液電解反應(yīng)的電流設(shè)定為30 A，加工間隙流出的電解液pH值變化范圍約為10.3～10.7，電解反應(yīng)發(fā)生后直接返回電解液槽中的酸性溶液pH值為3.8，當(dāng)酸性溶液與堿性溶液混合后，電解液槽中的電解液pH值約為7.8，基本達(dá)到中性效果。

圖7是電解加工實(shí)驗(yàn)后的硬質(zhì)合金實(shí)物?？煽闯觯捎梦窗l(fā)生電解反應(yīng)的電解液加工后，硬質(zhì)合金表面全部呈現(xiàn)色彩效果 （由于加工深度較淺，圖中顯示效果不是很明顯）；而采用已發(fā)生電解反應(yīng)的堿性電解液加工的硬質(zhì)合金表面的色彩物質(zhì)被全部消除。由此可推測(cè)，采用發(fā)生電解反應(yīng)后的堿性電解液可以達(dá)到去除WO3的目的。

圖7 不同電解液電解加工后的硬質(zhì)合金

6 兩極性電源電解加工的電極消耗調(diào)查

為了對(duì)比兩極性電源加工與單極性電源加工時(shí)的電極消耗情況，首先對(duì)兩極性電源加工時(shí)的電極消耗情況進(jìn)行了調(diào)查。為便于區(qū)分消耗部分與未消耗部分，將工具電極與工件錯(cuò)開放置，邊緣處不進(jìn)行加工。工件作為陽(yáng)極的時(shí)間與整個(gè)加工時(shí)間的比被稱為“Duty”。本實(shí)驗(yàn)采用加工電壓20 V以及過(guò)去研究[5]的達(dá)到最大加工速度的Duty70%作為加工電壓的條件；工具電極選用10 mm×10 mm的石墨電極，中間為直徑約3 mm的電解液出口；工件采用11 mm×11 mm 的硬質(zhì)合金（WC：87%；Co：13%）；電解液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的NaCl溶液，以1 L/min的流速進(jìn)行沖刷。在工具電極與工件的間距約為0.1 mm時(shí)開始加工，在電流值明顯降低時(shí)手動(dòng)進(jìn)給電極，當(dāng)進(jìn)給至1 mm時(shí)加工結(jié)束。加工時(shí)的電流值約為±30 A，加工時(shí)間約為3 min。

為了清楚地觀測(cè)加工后的電極消耗部分，采用掃描電鏡（SEM）從側(cè)面對(duì)加工后的電極進(jìn)行放大觀察。由圖8可明確分辨出加工部分與未加工部分，且能確認(rèn)采用兩極性電源加工時(shí)，存在電極消耗的現(xiàn)象。電極消耗的測(cè)評(píng)方法見(jiàn)圖9，選擇5個(gè)點(diǎn)對(duì)加工前、后的電極長(zhǎng)度進(jìn)行比較，將變化的平均值作為電極的消耗值。由測(cè)定結(jié)果可知，電極約消耗了0.22 mm。雖然電極的進(jìn)給量為1 mm，但實(shí)際的加工深度只有0.9 mm。

7 單極性電源電解加工的電極消耗調(diào)查

為了明確單極性電源電解加工時(shí)的電極消耗，利用前文提到的電氣分解裝置進(jìn)行了單極性加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，對(duì)電解加工裝置進(jìn)行了更新。如圖10所示，采用便于更換部件的設(shè)計(jì)，電解液的電解反應(yīng)方式不變，利用密閉橡膠圈更易拆裝，從而使實(shí)驗(yàn)?zāi)芨咝У剡M(jìn)行。

圖8 兩極性電源加工后的電極SEM圖像

圖9 電極消耗的評(píng)價(jià)方法

圖10 電解液電解裝置3

單極性加工實(shí)驗(yàn)的方法與兩極性加工相同，將工具電極和工件錯(cuò)置，工件殘存有未加工部分。電解加工的電源采用脈沖電源，設(shè)定電壓為10 V、脈寬為6 ms、脈間為14 ms；電解液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaCl溶液；工具電極選用10 mm×10 mm的石墨電極，中間是直徑為3 mm的電解液出口；工件采用 11 mm×11 mm 的硬質(zhì)合金 （WC：87%；Co：13%）。電解液流量設(shè)定為2 L/min，但由于實(shí)驗(yàn)裝置的原因及極間距離狹小的緣故，流量未能達(dá)到設(shè)定值。工具電極和工件的間距約為0.1 mm，電流值減小時(shí)電極進(jìn)給2μm，重復(fù)這個(gè)過(guò)程進(jìn)行加工，工具電極的進(jìn)給量為0.3 mm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電解電流值為50 A，極間流過(guò)的堿性電解液pH值的范圍約為10.8～11.1，實(shí)驗(yàn)中的加工電流約為1.3～1.5 A。

采用電解反應(yīng)后的堿性電解液進(jìn)行加工，工件未見(jiàn)色彩物質(zhì)附著于表面，即堿性電解液能使WO3溶解的情況得到了驗(yàn)證。使用后的工具電極表面在加工所用的部分能看到變色的情況，但目視沒(méi)有電極消耗。為了更進(jìn)一步觀察電極消耗的情況，從加工使用過(guò)的部分的側(cè)面進(jìn)行觀察。如圖11所示，方框部分使用SEM擴(kuò)大60倍進(jìn)行觀察，可確認(rèn)工具電極沒(méi)有消耗。因此，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，采用中性電解液實(shí)現(xiàn)工具電極無(wú)消耗加工得到了確認(rèn)。本次實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置與雙極性電源加工所采用的實(shí)驗(yàn)裝置不同、加工條件也有所不同，今后將會(huì)使用相同的加工條件再次進(jìn)行比較。

圖11 單極性電源加工后的電極（×60）

8 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于利用中性電解液且電極無(wú)損耗進(jìn)行電解加工硬質(zhì)合金，提出了在電解液流動(dòng)途中設(shè)置電解反應(yīng)發(fā)生裝置，僅在加工過(guò)程中電解液呈堿性的方法。在電解反應(yīng)發(fā)生裝置中放置陽(yáng)離子交換膜，利用石墨電極對(duì)電解液進(jìn)行電解反應(yīng)，電解后的酸、堿性電解液能夠分離開來(lái)，使用生成的堿性電解液能有效去除硬質(zhì)合金中的WC。使用兩極性電源加工時(shí)，工具電極會(huì)有約20%的消耗率；而采用單極性電源加工時(shí)，可實(shí)現(xiàn)工具電極無(wú)消耗加工。