一种机械-电解复合抛光装置的制作方法

本实用新型属于抛光技术领域，具体来说涉及一种机械-电解复合抛光装置。

背景技术：

目前核电、石化等大型设备的安全问题已成为其设计制造的首要考虑问题，特别是核岛一回路系统中的应力腐蚀开裂问题。为此，压力容器和蒸汽发生器等大型装备的焊接已用耐蚀性更好的镍基690合金及其焊接材料替代了不锈钢及其焊接材料，以提高整体材料的强度和韧性。但是，根据目前美国epri研究结果表明，镍基690合金及其焊接接头如果存在过大的残余应力，则会严重影响制造过程和接头强度，长期服役过程中可能产生焊接裂纹、脆性断裂、应力腐蚀开裂等失效问题。

正是基于此点，很多核电设计厂家在新的设计标准中，在原来手工打磨的基础上，要求对镍基合金焊接区再进行表面电解抛光，以此提高光洁度，缓解残余应力问题。目前我国还没有这种局部电解抛光的设备，也缺少相关经验。主要存在以下几方面的困难：(1)属于窄间隙多角度曲面的局部抛光；(2)焊接部位形状复杂，通常以不同角度的曲面居多，用常规的抛光方法难以实现；(3)镍基合金耐蚀性好，难以直接抛光(抛光程度难以控制)，且国内缺乏相关抛光参数数据。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种机械-电解复合抛光装置，该机械-电解复合抛光装置携带方便，操作简单，特别适合对大型设备的三维焊接部位的多角度曲面的局部抛光，可节约手工打磨时间，降低整体抛光成本。

本实用新型的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种机械-电解复合抛光装置，包括：直流电源、研磨接头、空心轴步进电机、输入管和输出管，其中，

所述研磨接头为一内部形成有腔的壳体，在所述壳体的底端形成有一开口，在所述开口的边缘下连接有用于在被抛光工件上剖光的弹性研磨材料；

所述第一连接管的一端与空心轴步进电机的空心轴固装，另一端与所述壳体的顶端固装，第一连接管旋转后所述弹性研磨材料在被抛光工件上剖光；

所述第二连接管的一端位于所述壳体内并固装有一阴极材料，另一端穿过所述壳体的顶端伸入第一连接管内再穿出至空心轴步进电机外通过一支架与所述空心轴步进电机固装；

所述输入管的一端连通电解液，另一端位于所述壳体内；

所述输出管的一端位于所述壳体内，另一端位于所述壳体外；

所述直流电源的负极与所述阴极材料电连接，所述被抛光工件作为阳极，所述直流电源的正极与被抛光工件电连接。

在上述技术方案中，在所述输入管上安装有流量计。

在上述技术方案中，在所述输入管上安装有过滤器。

在上述技术方案中，在所述输入管上安装有向所述壳体内输入液体的输液泵。

在上述技术方案中，所述第一连接管的材质为不锈钢。

在上述技术方案中，所述第一连接管与第二连接管的轴平行；所述输入管和输出管的一端均连通电解液，另一端在第二连接管内沿第二连接管的长度方向穿入至所述壳体内。

在上述技术方案中，所述输入管和输出管位于所述壳体内的一端穿过阴极材料。

在上述技术方案中，所述第一连接管具有弹性，以使弹性研磨材料剖光时该弹性研磨材料贴合被抛光工件的表面。

在上述技术方案中，所述弹性研磨材料为抛光砂纸、粗砂轮或抛光绒布；所述被抛光工件的表面为平面或弧面。

上述机械-电解复合抛光装置的使用方法，包括以下步骤：将弹性研磨材料贴在被抛光工件的表面，使输入管持续向壳体内输入电解液，开启直流电源，使第一连接管旋转，以使被抛光工件在被剖光的同时接触所述电解液。

在上述技术方案中，所述输入管中电解液的流量为40-100ml/min。

在上述技术方案中，阳极电流密度为0.4～0.6a/cm²。

本实用新型机械-电解复合抛光装置能够缩短抛光工件的研磨周期缩短，抛光成本降低，工件表面抛光精度高，并且抛光设备携带方便，操作简单，便于现场施工，具体如下：

1、可应用于复杂结构的研磨与抛光，尤其是适用于窄间隙、多角度(10-90度)、多曲面(凸面、凹面、马鞍形等)的研磨与抛光；

2、一般复杂结构多采用手工研磨，效率低，如从粗砂轮到细砂轮(800号砂纸)约需要30分钟，本机械-电解复合抛光装置一次性研磨抛光约需要现有技术的1/3时间；

3、在研磨精度方面，在手工细砂轮打磨的基础上可提高一个1级光洁度，如图5所示。

附图说明

图1为本实用新型的机械-电解复合抛光装置的结构示意图；

图2为本实用新型的机械-电解复合抛光装置的结构示意图；

图3为被抛光工件表面粗糙度随抛光时间和电流密度的变化曲线；

图4为抛光电流密度和时间对抛光效果的交互影响；

图5为不同弹性研磨材料抛光后被抛光工件表面的光洁度对比图。

其中，1为直流电源，2为被抛光工件，3为弹性研磨材料，4为研磨接头，5为第一连接管，6为空心轴步进电机，7为输入管，8为输出管，9为阴极材料，10为流量计，11为过滤器，12为输液泵，13为电解液，14为第二连接管。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的机械-电解复合抛光装置。

空心轴步进电机的型号：20bygh30-0604a-zk2.5。

实施例1

如图1所示，包括：直流电源1、研磨接头4、空心轴步进电机6、输入管7和输出管8，其中，研磨接头4为一内部形成有腔的壳体，在壳体的底端形成有一开口，在开口的边缘下连接有用于在被抛光工件2上剖光的弹性研磨材料3；壳体用不导电、耐酸耐腐蚀的材料制成，例如聚四氟乙烯(商品名为teflon)、聚氯乙烯(pvc)、聚偏二氟乙烯(pvdf)以及聚丙烯等，优先选择pvdf。

第一连接管5的一端与空心轴步进电机6的空心轴固装，另一端与壳体的顶端固装，第一连接管5旋转后弹性研磨材料3在被抛光工件2上剖光；第二连接管14的一端位于壳体内并固装有一阴极材料9，另一端穿过壳体的顶端伸入第一连接管5内再穿出至空心轴步进电机6外通过支架(图中未示出)与该空心轴步进电机6固装；第一连接管5与第二连接管14的轴平行。输入管7的一端连通电解液13，另一端位于壳体内；电解液的浓度和组成成分根据被抛光工件不同材质而定。

输出管8的一端位于壳体内，另一端位于壳体外。

直流电源1的负极通过一电线与阴极材料9电连接，电线从第二连接管14位于壳体外的一端穿入第二连接管14内，顺沿第二连接管14的长度方向延伸，直至与阴极材料9电连接；被抛光工件2作为阳极，直流电源1的正极与被抛光工件2电连接。

上述机械-电解复合抛光装置的使用方法，包括以下步骤：将弹性研磨材料3贴在被抛光工件2的表面，使输入管7持续向壳体内输入电解液13以使壳体内充满电解液13，开启直流电源1，使第一连接管旋转，弹性研磨材料3不断地研磨被抛光工件2的表面，被抛光工件2在被剖光的同时接触电解液13。抛光电极和研磨接头相对被抛光工件作往复运动，使机械研磨与电解抛光有机地结合。在电解抛光过程中，从被抛光工件2中迁移出的金属离子可聚积在阴极上，可用去除镀层的方法将阴极上的金属聚积层或镀层去掉，阴极可按照适当的工作周期对其进行更换。抛光接头在工件上作往复运动，直至接头移动覆盖所有的需要被抛光的表面，此时抛光过程结束。

输入管7中电解液13的流量为约为60ml/min；阳极电流密度为0.4～0.6a/cm²。

实施例2

在实施例1的基础上，从靠近阴极材料9的一端开始，在输入管7上依次安装有流量计10、过滤器11和向壳体内输入液体(电解液)的输液泵12。输液泵为液压泵，可以为离心泵或隔膜泵等，其要求为耐酸、耐腐蚀。根据需要，在输出管8上也可安装一输液泵(图中未示出)，用于从壳体内泵出电解液。流量计10也应该是耐酸、耐腐蚀和能够通过杂质。

输入管7和输出管8的一端连通电解液13，另一端在第二连接管14内沿第二连接管14的长度方向穿入至壳体内，以使输入管7的端口和输出管8的端口位于壳体内，输入管7用于向壳体内输入电解液，输出管8用于将电解液输出至壳体外，保持壳体内始终充满电解液。弹性研磨材料3为抛光砂纸、粗砂轮或抛光绒布。研磨往复运动的移动速率为10-30次/分。

实施例3

被抛光工件2的表面为平面或弧面，当被抛光工件2的表面为弧面(曲面)时，在实施例2的基础上，第一连接管5具有弹性，以使弹性研磨材料3剖光时该弹性研磨材料3随着被抛光工件2的曲面角度的变化而自动调整，能够更贴合被抛光工件2的表面。第一连接管5的材质为不锈钢。如图2所示，研磨接头会根据被抛光工件2的表面的不同角度自动调整结合面。

阴极材料可采用导电材料，例如可以为不锈钢、铅(pb)或铂(pb)等，优先选择不锈钢。

实施例4

被抛光工件2(20mm*20mm)作为阳极，下面将某核电压力容器上封头crdm管座镍基合金密封焊接部位作为被抛光工件2进行举例说明，被抛光工件2采用santdvik公司的镍基sanicro69焊材堆焊而成。

不锈钢作为阴极(阴极材料9的材质为不锈钢)，用输液泵12将电解液13泵入输入管使电解液循环起来，然后，开启直流电源1，并通过阴、阳极的间隙距离，调节到相应的电流、电压值，抛光开始。

在本实施例中，电解液由硫酸(h2so4)和磷酸(h3po4)水溶液组成，硫酸(h2so4)和磷酸(h3po4)水溶液的体积比为2:8，硫酸的质量分数为98％，磷酸(h3po4)水溶液中磷酸的质量分数为85％。

如图3所示，基于弹性研磨材料3采用粗砂轮打磨的基础上，本实用新型的机械-电解复合抛光装置选取了两种阳极电流密度，一种是0.31a/cm²，一种是0.48a/cm²。随着抛光时间的延长，较大电流密度(0.48a/cm²)的抛光效果明显好于低密度值。同时可以发现，本实用新型机械-电解复合抛光装置对试样表面的整平作用，在最初的5min里达到最大整平速度，然后缓慢下降，直至几乎保持不变。因此，本实用新型的机械-电解复合抛光装置能够在较短时间内完成抛光。

图4中综合考虑本实用新型的机械-电解复合抛光装置抛光电流密度和抛光时间对电解抛光效果的交互影响。随着电流密度的增加，所需抛光时间减小，且呈一定的抛物线关系。但电流密度太小，抛光速度慢，效率低下且效果不好；电流密度较大时，易出现局部腐蚀的现象。因此，选取合适的电流密度和时间尤为重要。从实验分析结果来看，选择0.4-0.6a/cm²，3-5min最为合适。

图5中本实用新型的机械-电解复合抛光装置通过不同号砂纸打磨来模拟不同的表面粗糙度的抛光效果。弹性研磨材料3通过粘合剂粘着在开口的边缘上，弹性研磨材料3分别采用#240砂纸、#400砂纸、#800砂纸、#1000砂纸、#60砂纸、#100砂纸、细砂轮和粗砂轮。电解抛光所能达到的表面抛光效果与原始表面以及研磨砂纸粗细有关，一般可提高1-2级；并且初始表面越光滑平整，研磨砂纸颗粒越细小，电解抛光效果越好。表面粗糙度可从ra>3μm抛光到ra＝0.1，并且所需时间仅约为人工研磨精抛光的三分之一。

焊接试件表面一般打磨工序后粗糙度不均匀，ra在1.4-4.2之间，本实用新型的机械-电解复合抛光装置通过不同号砂纸打磨来模拟不同的表面粗糙度。由图5可知，电解抛光所能达到的表面抛光效果与原始表面粗糙度有关，一般可提高1-2级；并且初始表面越光滑平整，电解抛光效果越好。

本实用新型的机械-电解复合抛光装置的应力测试结果

为了进一步验证本实用新型机械-电解复合抛光装置对表面应力的改善作用，对砂纸打磨和使用本实用新型的机械-电解复合抛光装置电解抛光的焊接镍基合金试样的表面进行了x射线应力测定，其结果如表1所示。

表1砂纸打磨和电解抛光的残余应力测量结果

由表1可知，经400#砂纸打磨的试样存在很大的表面残余应力(高达821mpa)。用机械-电解复合抛光装置经1-2min电解抛光后的试样表面的应力明显减小，经5min电解抛光后原来的拉应力转变为压应力。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。