电解磨削加工注射器针尖工艺研究
时间：2023-01-17 08:40:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
元良月 金洙吉 牛 林
（大连理工大学，大连 116000）
一次性无菌注射器是广泛使用的医疗器械，其中针尖是注射器质量好坏的决定性因素。针尖毛刺质量与刺进人体组织的刺入力大小直接相关，影响着操作注射器的难易程度、患者的痛感体验以及对患者皮肤组织的破坏程度等[1-2]。
产生毛刺缺陷的主要原因可以归结为切削力下材料塑性变形和部分残余未断的切屑[3]。注射器针尖壁薄、材料软、刚性差，极易在加工过程中产生塑性变形生成毛刺缺陷。目前，实际生产中采用机械磨削方法，很难加工出没有毛刺的针尖。因此，针尖磨削后需要泡入电解池进行后处理，借用电解加工的尖端效应，放电去除前步工序中产生的毛刺[4]。多步工序处理大大降低了注射器的生产效率，如何克服毛刺缺陷是当今注射器针尖生产的一大痛点。
电解磨削（Electro-Chemical Grinding，ECG） 是一种将电化学溶解与机械磨削作用有机结合去除毛刺的特种加工技术[5]。金属工件在电流和电解液的共同作用下发生电化学腐蚀，表面生成钝化膜。砂轮磨粒优先刮擦去除钝化膜，去除钝化膜后工件露出新的金属基体，基体继续被腐蚀，如此循环往复。砂轮磨粒优先刮擦易于加工的钝化膜而不直接刮擦金属基体，因此该种工艺相较于传统机械加工具有低切削力、加工表面质量好等优势，非常适用于加工弱刚性、薄壁工件[6]。又因其结合了机械去除的效应，相较于放电加工更加快捷。同时，电化学腐蚀作用对细小切屑存在一定的尖端效应，对未断切屑有去除作用。可见，电解磨削工艺适用于弱刚性薄壁针管的无毛刺 加工。
本文针对S304针管进行电解磨削工艺试验研究，探究其工艺规律，并选取合适的加工参数，以得到更好的加工质量。
1.1 试验装置与试样制备
试验装置如图1所示。针管作为阳极，固定于1∶3斜台上，随电解池完成纵向进给。砂轮作为阴极，在竖直方向进给。阳极和阴极同时浸于电解液。
图1 电解磨削加工针尖试验装置
砂轮选择青铜基立方氮化硼磨粒砂轮，磨料粒度为120#。连接砂轮的高精度立式端面磨床固定于气浮隔振平台，空气电主轴轴头径向跳动小于0.1 μm，端面跳动小于0.2 μm，三轴定位精度均为±1 μm。
待加工针管外径为1 mm，壁厚为0.2 mm，总长为30 mm，伸出夹具的悬臂部分长为10 mm，材料为S304不锈钢。针尖统一经过2 000目砂纸磨抛处理，初始斜面为1∶3。
1.2 电解液选用
试验采用每升250 g NaNO3和30 g NaCl溶液作为电解液。NaNO3溶液在S304不锈钢材料上表现出良好的钝化特性[7]，可帮助金属表面氧化生成易于加工的钝化膜。NaCl成分可适当增加电解液的活化作用，加快毛刺的电化学溶解。
1.3 试验方案
以加工后针管侧壁的腐蚀区域大小为评价依据，探究加工电压对侧壁腐蚀程度的影响规律。定焦拍摄加工后侧壁照片，以腐蚀区长度表征腐蚀程度，绘制腐蚀程度-加工电压影响规律折线图。
以毛刺质量为评价依据，分别进行3组单因素试验，探究加工电压、进给速度以及切深对针尖毛刺质量的影响规律。为减小对刀时产生毛刺的影响，每组试验以给定参数走刀3次，试验后定焦拍摄斜切面照片。已知单根毛刺尺寸由高度、厚度等指标表示[8]，且生产中常用显微镜下观察毛刺根数的方法判断毛刺总量，因此量取最长毛刺长度表征毛刺尺寸，MATLAB计算毛刺面积表征毛刺总量，绘制毛刺质量-加工参数影响规律折线图。
2.1 针管侧壁腐蚀规律
电化学作用不止发生于待加工面，过高的电压还给针管侧壁造成腐蚀。依据法拉第定律[9]，腐蚀程度会随电压增大而增大。接近针尖下缘的部位更容易被腐蚀，腐蚀区域大小能够反映腐蚀程度的高低。
采用进给速度为1.5 mm·s-1，切深为40 μm，砂轮转速为8 000 r·m-1，电源频率为30 kHz，占空比为40%，走刀一次，得到不同加工电压下侧壁腐蚀状态如图2所示。未被腐蚀的侧壁表面可见均匀的金属光泽，腐蚀区域则呈黑灰色，无光泽。加工电压对侧壁腐蚀程度的影响规律，如图3所示。可见：加工电压为9 V及以下，侧壁未见明显腐蚀；
加工电压为10 V及以上，腐蚀区域自切面边缘至根部的长度随电压升高而增大。因此，9 V及以下为加工电压的可用区间。
图2 不同加工电压下侧壁腐蚀状态
图3 加工电压对侧壁腐蚀程度的影响规律
2.2 针尖毛刺质量影响因素
给定进给速度为1 mm·s-1，切深为40 μm，砂轮转速为8 000 r·m-1，电源频率为30 kHz，占空比为40%。加工电压分别采用5 V、6 V、7 V、8 V、9 V，走刀3次，得到针尖质量如图4所示。加工电压对针尖毛刺质量的影响规律，如图5所示。可见：毛刺长度和面积随电压增大而减小；
电压为9 V时，毛刺长度趋于0 μm。
图4 不同加工电压下针尖加工质量
图5 加工电压对针尖毛刺质量的影响规律
给定加工电压为9 V，切深为40 μm，砂轮转速为8 000 r·m-1，电源频率为30 kHz，占空比为40%。进给速度分别采用0.5 mm·s-1、1.0 mm·s-1、1.5 mm·s-1、 2.0 mm·s-1、2.5 mm·s-1，走刀3次，得到针尖质量如图6所示。进给速度对针尖毛刺质量的影响规律，如图7所示。可见：毛刺长度和面积随进给速度增大而增大；
进给速度为0.5 mm·s-1时，针尖完全无毛刺，机械刮擦痕迹不明显。
图6 不同进给速度下针尖加工质量
图7 进给速度对针尖毛刺质量的影响规律
给定加工电压为9 V，进给速度为1 mm·s-1，砂轮转速为8 000 r·m-1，电源频率为30 kHz，占空比为40%。切深分别采用20 μm、40 μm、60 μm、80 μm、100 μm，走刀3次，得到针尖质量如图8所示。切深对针尖毛刺质量的影响规律，如图9所示。可见，毛刺长度和面积随切深增大而增大；
当切深达到80 μm时，针尖和内孔出现大片毛刺。
图8 不同切深下针尖加工质量
图9 切深对针尖毛刺质量的影响规律
加工电压、进给速度和切削深度3项参数，直接影响电化学溶解和机械磨削作用的强弱。若电化学与机械作用达到有机配合，则毛刺少，加工质量好。
加工电压越小，电化学作用越弱，机械刮擦作用相较于电化学作用越强，切削力越大。因此，针尖由于塑性变形产生的毛刺更长更厚，内孔下缘也产生大片毛刺。另外，在电压较小时，电化学作用不足以去除未断的切屑，因此切面边缘残留有较多细小毛刺。
试验进给速度为0.5 mm·s-1时，电化学溶解作用与机械作用配合相当，磨粒几乎不直接刮擦金属基体，因此针尖完全无毛刺。当进给速度加快时，砂轮停留时间变短，电化学作用变弱，机械作用增强，不仅会产生更多塑性形变，而且不能被及时去除边沿切屑，造成毛刺缺陷严重。因此，粗加工可采用较大的进给速度，精加工则需放慢进给速度。
切削深度增加，切削力随之增大，毛刺缺陷更严重。当切深达到80 μm时，即使有电化学作用配合，切削力也足以致使尖端和内孔下缘产生大片毛刺。可见，粗加工可采用较大切深。同时，建议慎选取80 μm以上切深，因为此时易产生在后续加工中难以去除的毛刺。
将电解磨削工艺应用于一次性注射器针尖的加工，通过工艺试验探究主要加工参数对侧壁腐蚀和毛刺缺陷的影响规律。
（1）综合对比不同电压下加工质量的表现可知，所提方法加工质量明显优于传统机械磨削，可以实现注射器针尖的无毛刺加工，满足质量要求。
（2）其余条件相同，加工电压越高，毛刺越少。过高的电压会在针管侧壁造成腐蚀，腐蚀程度随电压增大而增大。本文针尖电解磨削的理想电压为9 V。
（3）其余条件相同，进给速度越高，毛刺缺陷越严重；
切深越大，毛刺缺陷越严重。加工参数选择进给速度为0.5 mm·s-1、切深为40 μm时，针尖完全无毛刺。
