劉澤祥,康 敏

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇南京210031)

當(dāng)今制造業(yè)正面臨著來(lái)自難加工材料的挑戰(zhàn),如:加工零件的高精度、高表面質(zhì)量、復(fù)雜形狀和高成本。難加工材料在現(xiàn)代制造工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越重要,特別是在航天航空、汽車(chē)、模具等制造領(lǐng)域,其突出的材料屬性(如:高強(qiáng)度、耐熱性、耐磨性、耐腐蝕性等),在提高產(chǎn)品性能方面取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。利用單一傳統(tǒng)的加工方法已不能有效地對(duì)其進(jìn)行加工,這就促成兩種或兩種以上加工方法的復(fù)合。面對(duì)材料的高硬度和成形零件的復(fù)雜性,特種加工成為加工領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問(wèn)題[1-3]。

孔的加工約占機(jī)械加工總量的三分之一。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)小孔、深小孔還未提出確切的定義,一般說(shuō)來(lái),將直徑小于3 mm的孔稱(chēng)為小孔,將深徑比大于5的孔稱(chēng)為深小孔。在孔的加工中,尤其以深小孔、異形孔的加工最為困難[4-5]。

為解決難加工材料上的深小孔加工這一技術(shù)難題,特別是具有復(fù)雜型面或干涉結(jié)構(gòu)零件的深小孔,本文通過(guò)對(duì)一臺(tái)小型立銑床的機(jī)械本體進(jìn)行改裝,設(shè)計(jì)了具有X、Y、Z 3個(gè)平動(dòng)軸和超聲振動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)的數(shù)控旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工機(jī)床,并在某公司的GUC-400-ESV型連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制器基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng),通過(guò)對(duì)3個(gè)平動(dòng)軸的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)深小孔的旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工。

1 超聲電解復(fù)合加工技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

超聲加工和電解加工單一工藝的研究及應(yīng)用已有較長(zhǎng)的時(shí)間,并逐漸成為較成熟的加工手段,在國(guó)內(nèi)外的軍事工業(yè)及民用工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。但針對(duì)不同的加工對(duì)象、加工條件和加工要求,在某種程度上還存在著一定的缺陷,如:超聲加工難加工金屬材料時(shí)效率極低甚至不能加工;電解加工對(duì)所有金屬材料都能加工,但在加工表面易形成一層鈍化膜,阻礙電解加工的繼續(xù)進(jìn)行。因此,為進(jìn)一步發(fā)掘電解加工及超聲加工機(jī)理的優(yōu)勢(shì),國(guó)內(nèi)外科研人員考慮把超聲振動(dòng)引入到電解加工中,使超聲、電解作用有機(jī)復(fù)合,發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì),利用超聲磨粒沖擊和超聲“空化”作用來(lái)破壞電解加工中產(chǎn)生的鈍化膜、加速加工產(chǎn)物的排出,從而彌補(bǔ)電解加工存在的不足[6-8]。

俄羅斯、德國(guó)等國(guó)外科研人員開(kāi)展了有關(guān)超聲加工和電解加工復(fù)合工藝方法的研究,并取得了一定的實(shí)用性進(jìn)展,形成了超聲電解復(fù)合加工機(jī)床的系列產(chǎn)品。波蘭先進(jìn)制造技術(shù)研究所的Ruszaj等人將工具陰極的超聲振動(dòng)引入到電解加工中,大大改善了加工表面粗糙度[9]。埃及學(xué)者Hewidy等人研究了低頻振動(dòng)的電解加工,結(jié)果表明:應(yīng)用低頻振動(dòng)改變加工間隙內(nèi)的物理狀態(tài),是提高加工精度和加工表面質(zhì)量的有效手段之一[10]。印度學(xué)者Bhattacharyya等人開(kāi)發(fā)的微型工具振動(dòng)系統(tǒng)用于微細(xì)電解加工,研究了振動(dòng)頻率、振幅、電解液濃度對(duì)微細(xì)孔加工精度、材料去除率的影響[11]。臺(tái)灣學(xué)者Pa P S在超聲電解復(fù)合光整加工方面做了深入研究,研制出超聲磁場(chǎng)電解復(fù)合光整加工技術(shù),并設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證[12-13]。

我國(guó)對(duì)超聲電解復(fù)合加工技術(shù)的研究最初在光整加工方面,應(yīng)用超聲電解復(fù)合技術(shù)進(jìn)行光整加工,能提高加工速度、加工精度和表面質(zhì)量,是一種有效的鏡面加工方法[14-16]。

南京航空航天大學(xué)在超聲電解復(fù)合加工技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展過(guò)基礎(chǔ)性研究[17-18],對(duì)超聲電解復(fù)合加工機(jī)理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了初步探討,利用自行研制的變幅桿和不同截面的微細(xì)陰極工具頭,開(kāi)展了一系列超聲電解復(fù)合微細(xì)加工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),初步證實(shí)了這種復(fù)合技術(shù)的可行性和優(yōu)點(diǎn)[19-21]。

國(guó)內(nèi)外超聲電解復(fù)合加工技術(shù)的研究,主要是利用超聲振動(dòng)沖擊與“空化”作用去除電解鈍化膜,排除產(chǎn)物并及時(shí)更新電解液,改善加工間隙狀況。不采用磨粒,單靠超聲“空化”作用,不能有效地去除鈍化膜,采用游離磨粒雖然能有效去除鈍化膜,但由于游離的磨粒隨機(jī)破壞鈍化膜,勢(shì)必不利于電解的定域性加工。針對(duì)超聲電解復(fù)合加工技術(shù)存在的不足,提出將磨粒電鍍或燒結(jié)在工具頭上,實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工設(shè)想。超聲高頻振動(dòng)迫使鍍有磨粒的陰極敲擊工件陽(yáng)極表面電解加工所形成的鈍化膜,使工件露出新的金屬層,電解加工得以繼續(xù)進(jìn)行且定域性有所提高。為進(jìn)一步研究該技術(shù),研制了一臺(tái)旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置。

2 旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置的設(shè)計(jì)

將旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)分為機(jī)床本體、旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)系統(tǒng)、電解液系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四部分。

2.1 機(jī)床本體的設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工機(jī)床本體的X、Y、Z的平動(dòng)是通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)3個(gè)PZT-200滾珠絲杠滑臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,滾珠絲杠的定位精度為0.02 mm,重復(fù)定位精度為0.01 mm。為了保證在加工過(guò)程中與機(jī)床絕緣,采用大理石 T型工作臺(tái),其表面按照P0級(jí)加工,四周開(kāi)槽用于鑲嵌金屬,以便和工作箱螺紋連接。工作箱與大理石工作臺(tái)連接時(shí),應(yīng)在兩者之間加上薄橡膠板用于密封,螺紋鎖緊后,在連接處涂上密封膠,使工作箱密封性好,不漏液。工作箱由亞克力材料制成,亞克力板透明、耐臟,有利于觀察試驗(yàn)過(guò)程中的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置用來(lái)滿(mǎn)足電解加工設(shè)備要求[6-7]。

2.2 旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前,電解加工深小孔最大的問(wèn)題是電解液難以進(jìn)入到加工區(qū)域,且因加工區(qū)域空間狹小,電解加工產(chǎn)物不能及時(shí)排除而導(dǎo)致加工速度低,加工精度和表面質(zhì)量較差[9-11]。為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工深小孔,要求振動(dòng)系統(tǒng)回轉(zhuǎn)精度不大于0.02 mm,采用內(nèi)噴式電解加工,使電解加工產(chǎn)物在超聲高頻振動(dòng)及主軸旋轉(zhuǎn)作用下排除出加工區(qū)域,提高加工速度,改善加工精度和表面質(zhì)量。為此,設(shè)計(jì)了頻率為20 kHz的旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)系統(tǒng)。

旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置首先要考慮的是如何將電解液引入,實(shí)現(xiàn)內(nèi)噴加工?？紤]將電解液經(jīng)變幅桿引入和經(jīng)換能器引入兩種方案,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,確定電解液經(jīng)換能器引入。設(shè)備要求在耐腐蝕不銹鋼材料上加工直徑為5 mm的電解液流道,從而給超聲振動(dòng)系統(tǒng)的制造帶來(lái)了困難。為方便超聲振動(dòng)系統(tǒng)的制造、提高回轉(zhuǎn)精度,設(shè)計(jì)了由1/4波長(zhǎng)換能器、1/4波長(zhǎng)變幅桿組成的振動(dòng)系統(tǒng)。如圖1、圖2所示,采用1/4波長(zhǎng)設(shè)計(jì)超聲振動(dòng)系統(tǒng),無(wú)論質(zhì)量還是回轉(zhuǎn)精度,都得到了改善。變幅桿法蘭位于振動(dòng)系統(tǒng)的位移節(jié)點(diǎn),即振動(dòng)最微弱的位置,因而將旋轉(zhuǎn)內(nèi)腔、旋轉(zhuǎn)座在變幅桿法蘭處通過(guò)螺釘鎖緊連接而不影響振動(dòng)系統(tǒng)。換能器的后端蓋是存在超聲振動(dòng)的,不銹鋼導(dǎo)液管和換能器的不銹鋼預(yù)定螺釘若采用硬接觸連接方式,將會(huì)影響到整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng),振動(dòng)頻率的改變使系統(tǒng)停止工作,因而在連接時(shí)為確保兩者不直接接觸,采用了一種特殊的軟連接方式來(lái)滿(mǎn)足超聲振動(dòng)系統(tǒng)的要求。振動(dòng)系統(tǒng)處于密封腔中,避免與電解液接觸而發(fā)生腐蝕,通過(guò)調(diào)心螺母調(diào)整振動(dòng)系統(tǒng)回轉(zhuǎn)精度,來(lái)滿(mǎn)足加工要求。不銹鋼的導(dǎo)液管連接一高精度的旋轉(zhuǎn)接頭,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合內(nèi)噴加工。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,所設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)系統(tǒng)體積小,質(zhì)量輕,旋轉(zhuǎn)阻尼小,回轉(zhuǎn)精度不高于0.02 mm,轉(zhuǎn)速大大提高,在0～3 000 r/min連續(xù)可調(diào),振幅在30～80 μm,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.3 電解液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電解液在電解加工系統(tǒng)中所起的作用與在一般電化學(xué)裝置里一樣,具有導(dǎo)電介質(zhì)和反應(yīng)介質(zhì)的功能。同時(shí),由于電解加工的電流密度很高,電解液必須高速流動(dòng),及時(shí)帶走反應(yīng)產(chǎn)物和熱量[6]。電解液的離子活潑性與溫度有著直接的聯(lián)系,必須保證電解液一定的溫度。因此,電解液系統(tǒng)主要由電解液槽、凈化裝置、熱交換器和泵等組成。

電解液箱分為供液槽和回液槽。電解液經(jīng)精過(guò)濾后進(jìn)入泵體,向機(jī)床供液,再由工作箱進(jìn)入回液槽,電解液沉淀后通過(guò)粗過(guò)濾網(wǎng)再流向供液槽,這有利于電解液的凈化。電解液泵為耐腐離心泵,最大揚(yáng)程187 m,流量4.2 m3/h,壓力調(diào)節(jié)范圍為0～1.8 MPa。電解液箱由不銹鋼材料制成,具有凈化、沉淀和過(guò)濾的功能。電解液溫度是影響電解液活性的主要因素之一,將直接影響電解加工速率。采用管式熱交換器與恒溫控制器構(gòu)成了電解液恒溫系統(tǒng),保證了電解液處于設(shè)定的溫度。電解液系統(tǒng)原理見(jiàn)圖3。整個(gè)管路壓力調(diào)節(jié)方便,并可觀察加工過(guò)程中管路流量、壓力情況。

圖3 電解液系統(tǒng)示意圖

2.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是影響超聲電解復(fù)合加工能否順利進(jìn)行,達(dá)到所要求精度的關(guān)鍵因素?？刂葡到y(tǒng)硬件由GUC系列運(yùn)動(dòng)控制器、各軸伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)繼電器等組成,控制系統(tǒng)硬件見(jiàn)圖4。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),其系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)是封閉的,存在著各數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品軟硬件不兼容、系統(tǒng)功能固定、人機(jī)界面不靈活等缺陷。本試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)是在應(yīng)用某公司出品的GUC-400-ESV型連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制器基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

GUC系列運(yùn)動(dòng)控制器是嵌入式PC與運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)合為一體的產(chǎn)品,與“工業(yè)計(jì)算機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制器”結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相比,具有更高的可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾能力和更高的性?xún)r(jià)比。該產(chǎn)品具有優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)控制性能,其運(yùn)動(dòng)控制支持直線(xiàn)插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ),帶緩沖區(qū)的速度前瞻及小線(xiàn)段預(yù)處理功能等特別適用于高速度、高精度運(yùn)動(dòng)控制要求的場(chǎng)合;該運(yùn)動(dòng)控制器還提供高速I(mǎi)/O現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)擴(kuò)展接口,可進(jìn)行 I/O的擴(kuò)展,能滿(mǎn)足多I/O點(diǎn)控制的要求,其四軸的電機(jī)控制信號(hào)涵蓋了每軸Home、Index及探針硬件捕獲功能和每軸正負(fù)限位及伺服報(bào)警的輸入。基于以上優(yōu)點(diǎn),本試驗(yàn)裝置選用GUC-400-ESV型運(yùn)動(dòng)控制器,對(duì)超聲電解復(fù)合加工過(guò)程進(jìn)行了精確控制。

3 旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工深小孔初步研究

為驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置的可行性,以加工電壓、加工間隙、陰極轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和電解液壓力為試驗(yàn)因素,不銹鋼毛細(xì)管為陰極(外徑1.8 mm,內(nèi)徑1.4 mm,外徑用環(huán)氧樹(shù)脂絕緣),在8 mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板上進(jìn)行通孔加工試驗(yàn)。以孔的入口直徑、表面粗糙度為評(píng)價(jià)指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

圖5 加工電壓對(duì)孔質(zhì)量的影響

圖5是加工電壓對(duì)孔質(zhì)量的影響。從圖中可看出,隨著電壓的增大,通孔入口直徑 d1呈增大趨勢(shì)。電壓增大,電流密度增加,加工速度也增加,材料去除率也增大,因而孔的入口直徑變大。同時(shí),電壓增大,使孔的表面粗糙度值先增大后減小。大多數(shù)情況下,表面質(zhì)量隨電流密度的增大而改善[6],8 V、9 V時(shí)的表面粗糙度值增大的原因有待進(jìn)一步研究。對(duì)于加工電壓這個(gè)因素來(lái)說(shuō),表面質(zhì)量和入口直徑兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)是相互矛盾的,兩者不能同時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài),最佳電壓范圍為8～9 V。

圖6是進(jìn)給速度對(duì)孔質(zhì)量的影響。隨著進(jìn)給速度的增加,加工時(shí)間減少,入口直徑 d1也隨之減小,但由于試驗(yàn)誤差和測(cè)量誤差,入口直徑變化不明顯。表面粗糙度值隨著進(jìn)給速度的增加先減小后增加,說(shuō)明對(duì)超聲電解復(fù)合加工而言,當(dāng)其他因素一定時(shí),存在著一個(gè)最佳進(jìn)給速度,該速度與金屬的溶解速度相當(dāng),則表面粗糙度就好,低于或高于該范圍的速度,都將使表面粗糙度值增大。對(duì)進(jìn)給速度這個(gè)因素,存在著最佳進(jìn)給速度范圍(本試驗(yàn)為1.4～1.6 mm/min),使入口直徑和表面粗糙度能同時(shí)達(dá)到較好的加工效果。

圖6 進(jìn)給速度對(duì)孔質(zhì)量的影響

圖7是加工間隙對(duì)孔質(zhì)量的影響。加工間隙對(duì)入口直徑 d1和表面粗糙度的影響有著明顯的區(qū)別。隨著初始間隙的增大,入口直徑呈先減小后增大的趨勢(shì),表面粗糙度值則呈先增大后減小的趨勢(shì)。由此可看出,加工間隙對(duì)入口直徑和表面粗糙度這兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)是矛盾的,兩者不能兼顧。

圖7 加工間隙對(duì)孔質(zhì)量的影響

圖8是陰極轉(zhuǎn)速對(duì)孔質(zhì)量的影響。隨著陰極轉(zhuǎn)速的等倍數(shù)增大,孔的入口直徑d1隨之減小。陰極轉(zhuǎn)速的提高,會(huì)使陽(yáng)極來(lái)不及反應(yīng),而陰極又進(jìn)入另一個(gè)離子交換過(guò)程,這樣,使入口直徑變小,而表面粗糙度值變大。這說(shuō)明轉(zhuǎn)速過(guò)快可能會(huì)造成二次反應(yīng)不能及時(shí)進(jìn)行,因而表面粗糙度值也變大。

圖8 陰極轉(zhuǎn)速對(duì)孔質(zhì)量的影響

圖9是旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工深小孔實(shí)物。通過(guò)試驗(yàn),完成了通孔的加工,證明了所研制機(jī)床的可靠性及可行性。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析,揭示了各加工參數(shù)對(duì)評(píng)定指標(biāo)的變化規(guī)律。同時(shí),上述變化規(guī)律用傳統(tǒng)的電解加工理論無(wú)法解釋,進(jìn)而為以后的超聲電解復(fù)合加工提供了基礎(chǔ)。

圖9 加工實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于GUC系列運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控超聲電解復(fù)合加工裝置,為滿(mǎn)足深小孔的超聲電解復(fù)合加工要求,特別設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)系統(tǒng),電解液循環(huán)系統(tǒng)有良好的密封和耐腐性能,確保加工能正常、穩(wěn)定地進(jìn)行;以模塊化的思想設(shè)計(jì)了開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng),編制了針對(duì)該裝置運(yùn)動(dòng)及控制系統(tǒng)的后置處理程序。初步試驗(yàn)分析了加工電壓、進(jìn)給速度、加工間隙和陰極旋轉(zhuǎn)速度對(duì)孔的加工尺寸精度及表面粗糙度的影響,為今后的研究提供了基礎(chǔ)。

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