随着控制、传感器和自动化技术的进步,电化学研磨比以往任何时候都更加精确和高效,为传统的小众工艺开辟了新的应用。

心电图机内部

ECG 过程需要直流电源、导电砂轮(通常由磨料、铜和树脂粘合剂组成)、电解液(通常是硝酸钠)和由导电和反应材料制成的工件,例如钢、不锈钢钢、铬镍合金或高温合金。

尽管它经历了稳定的增长,但电化学研磨 (ECG) 主要被称为利基工艺。开发于 1930 年代,1950 年代在美国流行,用于磨削硬质合金刀具。当时,研磨硬质合金的唯一其他方法是使用昂贵的天然金刚石砂轮。ECG 具有磨削硬质合金等难切削材料的能力,这种工艺在生产切削工具时很受欢迎。但是随着一次性工具插件和模制近净工具形状的开发,心电图的受欢迎程度下降了。现在,它主要用于处理具有挑战性的材料和薄壁、易碎工件的应用,包括管道切断、医疗设备和飞机发动机零件。

但根据心电图设备供应商 Tridex(一家Glebar公司)业务发展副总裁 Tom Travia 的说法,随着技术的进步,该过程的潜在应用再次增加。今天的 ECG 为加工具有挑战性的合金提供了一种越来越有效的选择,医疗等行业的 OEM 将其视为加工这些材料中精密部件的有效方法。

什么是电化学研磨?

ECG 是一种结合电化学加工和磨削的混合工艺。

显示直流电源、阳极、阴极、砂轮、电解液喷嘴、工件、换向器和接触刷的电化学研磨过程图

在电化学磨削 (ECG) 中,工件变成阳极,砂轮变成阴极,以电化学和机械方式从工件上去除材料。

电化学加工是一种电解操作,其中工件成为阳极,而切削工具(在 ECG 的情况下为砂轮)成为阴极。当直流电在阳极和阴极之间流动时,它会产生类似于电镀的反应,但不是从阳极获取材料并将其沉积到阴极上,而是从阳极去除材料并在电解液中冲走. ECG 通过用砂轮机械切割金属,同时以电化学方式溶解材料,使电化学加工更进一步。“理论上,您可以在磨削时降低材料的硬度并使其部分分解,从而使砂轮以低得多的力进行切割,”Travia 解释说。

在某些方面,ECG 类似于传统的磨削——一些相同的规则适用。例如,编程和设置的工作方式大致相同。工件夹具也非常相似,唯一的区别是心电图夹具需要由耐腐蚀材料制成,并允许与工件电接触。“有些东西与传统磨削略有不同,”Travia 说,“但如果有人在磨削方面经验丰富,他们会很快发现差异。” 他补充说,Tridex 客户在添加他们的第一台心电图机时根本没有磨削经验是很常见的。

该过程需要一些特殊设备,包括直流电源。它还需要一个导电砂轮。标准心电图轮由磨料(如 CBN、金刚石、氧化铝或碳化硅)、铜和树脂粘合剂组成。粘合剂和砂砾尺寸因应用而异。Tridex 使用的砂轮尺寸范围从 0.004 到 4.0 英寸宽。这些标准砂轮适用于大多数应用,但铜或钛等工件材料需要为这些材料制造的砂轮。

电解液是心电图过程的重要组成部分。它喷洒在砂轮和工件上,类似于冷却剂。但根据 Travia 的说法,它的功能非常不同。虽然它确实具有一些冷却特性,但 ECG 不会产生太多热量,因此目标不是像在其他加工操作中那样用尽可能多的流体淹没该过程。“电解液是这个过程的一部分,这意味着如果你改变电解液的流速,它会影响切割出来的方式,”他解释道。因此,该过程需要保持特定的电解液流量,以确保切口无毛刺且在公差范围内。“有一些事情会涉及到,不仅仅是转动阀门,”他补充道。“心流量是心电图的一个重要变量。” 电解液本身本质上就是各种盐水。硝酸钠通常溶解在这种液体中,因为它的腐蚀性不大,足够温和,操作员可以使用它,而且具有成本效益。与任何其他金属加工液一样,电解液会被金属污染,因此需要过滤并最终更换并妥善处理。“通常,我们的机器有一个用于过滤的离心机,因此您可以从中尽可能多地去除细小颗粒,”他说。“这通常会大大延长电解质的寿命,在某些情况下会加倍。” 因此需要对其进行过滤,并最终将其更换并妥善处理。“通常,我们的机器有一个用于过滤的离心机,因此您可以从中尽可能多地去除细小颗粒,”他说。“这通常会大大延长电解质的寿命,在某些情况下会加倍。” 因此需要对其进行过滤,并最终将其更换并妥善处理。“通常,我们的机器有一个用于过滤的离心机,因此您可以从中尽可能多地去除细小颗粒,”他说。“这通常会大大延长电解质的寿命,在某些情况下会加倍。”

心电图只能在由导电材料制成的工件上进行。这包括范围广泛的材料,包括工具钢、不锈钢、大多数铬镍合金和高温合金。除了导电外,该材料还必须具有电化学反应性。例如,虽然铂具有导电性,但它的电化学反应性不足以用于心电图。

电化学研磨的好处

用心电图切割的小管

与磨削和其他形式的加工相比,ECG 具有许多优点。电化学过程降低了切削力,延长了砂轮寿命并消除了修整的需要。并且由于心电图不会在工件上留下毛刺或重铸层,因此可以消除二次操作。

心电图的最大好处之一是,无论硬度如何,电化学过程都可以氧化工件材料,并减少切割它所需的力。这意味着心电图工艺比传统的磨削工艺具有更长的砂轮寿命。根据 Travia 的说法,传统磨削应用的 G 比率(去除多少金属与消耗多少砂轮的比率)通常为 1 或小于 1,而 ECG 应用的 G 比率范围可以从 20 到超过100。

ECG 还具有轻松切割难加工材料的能力。这是因为这些材料,包括铬、钴和镍,在电化学过程中具有高反应性并且容易溶解。具有高比例这些材料的合金,例如 Inconel、Hastelloy 和 Waspaloy,可以通过 ECG 自由切割,但在传统加工中提出了挑战。“例如,当您将一块硬质合金放入 Inconel 时,您必须缓慢切削,刀具寿命不长,而且会发生加工硬化,”Travia 说。“加工起来并不容易,但它适用于电化学研磨。” ECG 还可以加工更常见的材料,包括铝和铜,但它并不总是最具成本效益的解决方案。“很容易切割铝材,”他指出。

ECG 在相对较低的热量下切割材料,这与在高温下运行的工艺(例如 EDM 和激光切割)不同。在这些过程中材料的快速加热和冷却可能会导致冶金变化,从而使材料硬化并使二次操作(例如钻孔和攻丝)变得困难。它还往往会留下容易开裂的热影响区或重铸层。这是管材切割中的常见问题,尤其是飞机发动机。这些管子的末端通常是喇叭形的,因此可以添加配件。如果它有重铸层,它可能会破裂并导致在生产过程结束时报废昂贵的零件。可以移除重铸层,但这样做会增加一个步骤。

ECG 的另一个好处是它的砂轮不需要修整。由于电化学过程软化了工件材料并且电解液将其中的一些材料冲走,因此材料不会像在传统磨削过程中那样被填充到砂轮中。“因此,您的车轮最初可能会花费更多,但它会持续更长时间,”Travia 说。这也意味着 ECG 比传统磨削工艺更快,尤其是那些需要连续修整的磨削工艺,例如缓进给磨削。尽管砂轮的使用寿命更长,但它们不会永远持续下去——它们会变得更小,并且形成的砂轮最终会变形,需要重新修整。

心电图还可以消除许多次要过程。它不会留下毛刺,虽然 EDM 和激光也可以无毛刺切割,但 ECG 提供了轻微的边缘断裂和良好的表面光洁度。

用于电化学研磨

尽管心电图作为一个利基过程而享有盛誉,但它具有广泛的潜力

关闭关节镜剃须刀上的牙齿

由于心电图可以轻松切割高温合金,因此常用于航空航天工业。心电图在医疗行业的使用也在增长,用于生产皮下注射针头和这种关节镜剃须刀等部件。

应用程序。Travia 说,在确定心电图是否适合某个应用时,首先要问的问题是:“砂轮能否创造出您需要的形状?” 如果可以,值得研究心电图。该工艺可以替代许多传统的磨削应用,包括传统的成形磨削。“在大多数情况下,ECG 可以比传统磨削更快地去除更多金属,并且砂轮寿命更长,”他说。

Travia 说,在确定心电图是否适合某个应用时,首先要问的问题是:“砂轮能否创造出您需要的形状?” 如果可以,值得研究心电图。

心电图不能代替所有的机加工和磨削操作。对于需要大量去除材料的应用(包括许多铣削、车削和表面磨削工艺)来说,它没有意义。“如果增加切口的大小,就会增加电源所需的电流量,”Travia 解释说。“我们通常不会制造超过 1,000 安培的电源,而 1,000 安培是一个很大的削减。”

ECG 最常见的两个终端市场是医疗和航空航天。尽管这两个领域的零件几何形状可能非常不同,但它们使用许多常见的材料,尤其是高温合金,ECG 可以比传统的加工方法更容易地切割这些材料。这些领域也往往具有薄壁、易碎部件,例如针和蜂窝形状,ECG 擅长加工这些部件。

ECG 最大的增长领域之一是用于医疗领域的磨针,包括皮下注射针、手术针、套管针和活检针。传统的针式研磨机留下的毛刺必须通过喷砂或电抛光去除。然而,这些过程会使针尖变钝。“用钝针进行注射不会很愉快,”特拉维亚说。ECG 可用于有效地研磨大部分针头,然后在最后调整参数以形成没有大毛刺的锋利尖端。

ECG 的另一个增长领域是管道切断。使用标准夹具,Tridex 的 ECG 机器可以切割直径从 0.010 到 3 英寸的管子和电线。这些管子的应用范围从皮下注射针头到飞机发动机中的较小管子。

心电图技术的进步

与其他加工工艺一样,ECG 技术近年来也取得了进步。“我们希望能够最大程度地控制流程中的所有变量,”Travia 谈到 Tridex 的策略时说。控制系统总体上得到了改进,使这种加工过程和其他加工过程一样,更加准确和可重复。

近年来,电解质管理也有所改善。“我们能够更好地控制流量,”Travia 说。“我们能够监测电解质的各种参数。随着电解液的变化,我们可以更好地控制和调整切割参数。” 例如,当溶液被使用时,它会吸收金属并变得更具导电性,可能会影响切割。传感器现在可以测量溶解在溶液中的盐量及其导电性,以及流量、温度和 pH 值。Tridex 机器还使用一种方法来确定何时更改解决方案,这是用户以前在没有太多技术基础的情况下做出的决定。

Tridex被 Glebar 收购也使公司能够探索自动化。Glebar 已经自动化其导丝和无心磨床已有一段时间了,Tridex 正在将这种经验应用到自己的产品中。“现在我们是一家公司,我们开始寻找各种自动化应用程序,”Travia 说。该公司现在提供带有托盘穿梭车的电化学研磨机,使用户能够在机器工作时装载和卸载零件。这减少了加载时间,有时甚至为零。据他说,“这很受欢迎,因为它可以显着提高生产力。” 在一个例子中,一位客户在传统 ECG 上每小时获得 30 个零件,而无需更改任何其他东西,就能将托盘穿梭机的吞吐量提高到每小时 100 个零件。用户可以通过添加机器人来装载和卸载机器,从而使托盘穿梭系统更进一步。Tridex 还在为其点磨机开发一个自动化系统,其中将包括一个机器管理机器人。

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