許 越，干為民

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022；2.常州工學(xué)院江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213002）

近年來，機(jī)械零件不斷向著結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、加工難度大的方向發(fā)展，零件的精度要求高、材料硬度高，尤其像一些整體構(gòu)件的型腔，型面加工可達(dá)性很差，且薄壁整體構(gòu)件較多，采用常規(guī)加工極易變形，給加工制造帶來了很大的困難。人們研究了很多新的加工方法，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的目標(biāo)。其中，數(shù)控技術(shù)與電解加工技術(shù)的集成，就是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要技術(shù)途徑。

電解加工不受加工材料本身力學(xué)性能的限制，適用于復(fù)雜型面零件的加工；且生產(chǎn)效率高，加工出的工件表面質(zhì)量好，可獲得較低的表面粗糙度值。在電解加工過程中，陰極在理論上沒有損耗，所以在正常情況下，設(shè)計(jì)出來的陰極可長期使用。

1 加工間隙分析

電解加工主要是間隙加工，其加工間隙主要有3種：①在加工進(jìn)給方向上，陰極與陽極之間的間隙稱為底面加工間隙；②在與進(jìn)給方向垂直方向上的表面加工中，陰極與陽極之間的間隙稱為側(cè)面間隙；③在三維表面加工中，除了端面間隙外都被稱為法向間隙。底面間隙主要影響著工件加工區(qū)橫截面上的復(fù)制精度；而側(cè)面間隙影響著縱截面上的成形精度，產(chǎn)生側(cè)面間隙的主要原因是電解加工所引起的二次腐蝕[1]。

在電解加工實(shí)際應(yīng)用中，為使問題簡化且又能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，常采用近似分析的方法，最常用的是cosθ法。它是基于以下簡化電場的假設(shè)條件下進(jìn)行研究的：歐姆定律在陽極表面、陰極表面及整個(gè)加工間隙電解液中都成立；工具陰極和工件陽極表面為不同電位值的等位面；金屬陽極溶解過程中的電流效率η在加工零件表面所有區(qū)段都相同；同一電流線上的電解液電導(dǎo)率κ相同。

基于上述簡化電場的假設(shè)條件及電流線長度計(jì)算的近似處理，根據(jù)歐姆定律和法拉第定律，結(jié)合圖1可得電解加工的端面間隙為：

式中：η為電流效率；ω為體積電化當(dāng)量；κ為電解液的電導(dǎo)率；U為陰極與工件之間的外加電壓；δE為陰、陽極極化電位值總和；va為工件在θ處的電解速度。而電解加工的側(cè)面間隙會在加工過程中隨著端面的加工自然形成[2]。

圖1 電解速度與加工間隙示意圖

假設(shè)工具陰極以速度v恒速進(jìn)給，無論陰極的進(jìn)給速度v及加工初始間隙Δ0為何值，總會有一個(gè)時(shí)刻使va=v，即工件的電解速度與陰極的進(jìn)給速度相等，兩者達(dá)到動態(tài)平衡。此時(shí)，加工間隙將會穩(wěn)定不變，即平衡加工間隙為：

研究加工過程的間隙變化規(guī)律，對掌握電解加工工藝規(guī)律、保證加工過程的穩(wěn)定及加工精度有著重要的意義。本課題以工業(yè)上應(yīng)用較多的金屬碳鋼作為加工對象，在其上電解加工一條圓弧形異形型腔通道，具體的研究內(nèi)容有：①分析型腔的具體形狀，對加工陰極進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證加工通道內(nèi)電解液流動順暢，通道內(nèi)各個(gè)地方不缺液；②利用數(shù)控電解加工的方法在一整塊構(gòu)件上加工復(fù)雜的異形型腔，進(jìn)而打通整個(gè)構(gòu)件；③對加工后的工藝參數(shù)進(jìn)行記錄，并將加工后的實(shí)際尺寸與理論尺寸進(jìn)行對比，分析誤差，并對加工結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。

2 試驗(yàn)設(shè)備與陰極設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的設(shè)備包括數(shù)控電解加工機(jī)床、加工電源及電解液系統(tǒng)（圖2）。五軸數(shù)控電解加工機(jī)床可加工工件的尺寸受加工空間尺寸的影響，適合加工體積小、重量輕的工件[3]。加工電源是高頻開關(guān)電源，輸出電流為0～20 000 A，輸出電壓為0～300 V，其效率高，體積小，且穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度高，可靠性好。電解液是產(chǎn)生電解加工陽極溶解的載體，試驗(yàn)選用NaNO3電解液，其加工精度高，應(yīng)用面較廣。電解液系統(tǒng)采用二級過濾，在泵入口處及機(jī)床管路入口處均設(shè)有過濾網(wǎng)，管路壓力由溢流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，壓力范圍為0.1～1.1 MPa，電解液溫度可通過加熱器與冷風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)節(jié)，電解液循環(huán)控制裝置主要由高壓泵和過濾泵組成[4]。

圖2 數(shù)控電解加工裝置示意圖

2.2 陰極設(shè)計(jì)

電解加工使用的陰極一般可分為外噴式、內(nèi)噴式兩種，外噴式電極用于對已加工型面進(jìn)行精加工，而內(nèi)噴式電極常用于在實(shí)體上開槽及復(fù)雜型面的光整加工?？紤]到加工效率與型腔的復(fù)雜程度，試驗(yàn)選用內(nèi)噴式陰極。

內(nèi)噴式陰極除了在外形設(shè)計(jì)方面必須保證其加工形狀的要求以外，在陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還應(yīng)滿足以下原則[5]：① 流場合理，保證流場分布均勻；②剛性好；③防止干涉。加工型腔的大小有限，必須保證陰極不與已加工面發(fā)生干涉；④結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好。

根據(jù)型腔的形狀及其加工特點(diǎn)，結(jié)合電解加工異形腔的加工方案，加工陰極的設(shè)計(jì)見圖3。該陰極背后為進(jìn)水孔，同時(shí)陰極的下方也設(shè)有出水槽，這樣可保證在加工時(shí)，陰極的下端不會缺液。在整個(gè)加工過程中，由于采用內(nèi)噴的加工方式，所以在型腔內(nèi)加工可避免供液難的問題。同時(shí)，陰極根部進(jìn)水口較大，有利于陰極的進(jìn)水。而陰極前端的出水口較小，這樣可增加出水口處的壓力，有利于整個(gè)加工。

圖3 異形腔的加工陰極設(shè)計(jì)示意圖

加工時(shí)，陰極進(jìn)給速度越快，加工間隙就越?。幌喾?，陰極進(jìn)給速度越慢，加工間隙就越大。陰極根部的法向進(jìn)給速度最大[6]，所以其根部的加工間隙最小。在選取進(jìn)給速度等加工參數(shù)時(shí)，要特別注意此處的加工間隙。

2.3 陰極與工件之間的加工對刀

加工整體裝配見圖4。加工過程中，工具陰極與工件之間的距離不停地向著平衡間隙變化，所以在加工開始前，預(yù)留的初始加工間隙應(yīng)大于平衡間隙。在加工過程中，隨著陰極刀具不斷進(jìn)給，一旦工件的溶解速度低于工具的進(jìn)給速度，加工間隙越來越小，就會產(chǎn)生短路現(xiàn)象。所以加工前的準(zhǔn)確對刀，設(shè)置精確的初始加工間隙是保證穩(wěn)定加工的必要條件。通過計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)分析，本試驗(yàn)將初始加工間隙設(shè)定為1 mm。

圖4 試驗(yàn)初始加工位置

3 異形型腔試驗(yàn)加工工藝研究

3.1 加工參數(shù)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

控制電解液中NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%～13%，選取加工電壓、陰極進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、電解液壓力、電解液溫度5個(gè)因素建立正交試驗(yàn)（表1）。

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到加工電壓與電解液溫度對加工去除量的影響最大，其次是陰極進(jìn)給速度，最后是電解液壓力與主軸轉(zhuǎn)速。最優(yōu)水平組合為A4B3C4D5E4。其中，電解液溫度一般在30～40℃范圍內(nèi)是最有利的，溫度過高會嚴(yán)重影響工件的表面質(zhì)量，且會燙傷軟管[7]。

從理論上來說，電壓越大，加工蝕除效果就越好，但同時(shí)電流密度也會過大，使腐蝕速度過快，極易引起火花、短路等現(xiàn)象，造成工件表面燒傷，從而降低表面質(zhì)量。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

加工完成后，異形型腔完全被打通（圖5）。取出工件可發(fā)現(xiàn)，型腔內(nèi)壁十分光滑，工件表面沒有傷疤，也沒有流痕，說明加工中電解液流動通暢，陰極的流場設(shè)計(jì)合理[8]。

圖5 加工完成后內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 加工試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)采用劃分網(wǎng)格的方法進(jìn)行加工數(shù)據(jù)測量，并與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析誤差。為了更好地分析數(shù)據(jù)，將已加工的工件從中間剖開，用儀器劃線尺在型腔橫向上每10 mm劃一條直線，在縱向上每20 mm劃一條直線（圖6）。然后對這些網(wǎng)格逐一測量，就可得到型腔的尺寸數(shù)據(jù)值。

圖6 型腔的剖面劃線圖

將型腔上的理論數(shù)據(jù)與實(shí)際加工數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（表2）。分析可得，型腔加工尺寸越大的地方，誤差也越大，其中，在縱向上的最大誤差已達(dá)0.18 mm。雖然本次試驗(yàn)的誤差在允許的誤差范圍之內(nèi)，但試驗(yàn)仍有需改進(jìn)的地方。

表2 實(shí)際型腔數(shù)據(jù)與理論型腔數(shù)據(jù)對比表 mm

（1）陰極的設(shè)計(jì)尺寸可再做調(diào)整。從尺寸數(shù)據(jù)可看出，根部數(shù)據(jù)誤差較大，通過適當(dāng)調(diào)整陰極根部的尺寸，使液流通道更勻稱，從而能減少工件根部的加工誤差。

（2）改進(jìn)加工電源。電解加工的電源主要有直流電源與脈沖電源兩種。本次試驗(yàn)采用的是直流電源，相對于脈沖電源而言，加工精度不高，所以今后的試驗(yàn)可考慮逐步采用脈沖電源。

4 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)分析了異形型腔的加工工藝及其工藝規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）利用數(shù)控電解加工技術(shù)能解決普通機(jī)械加工技術(shù)無法解決的復(fù)雜型腔的加工問題。

（2）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電解加工過程中最大的加工速度可達(dá)2 mm/min，其加工效率相比電火花加工快了將近10倍。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，電解加工可獲得較高的表面精度，工件表面最大的誤差為0.18 mm。

[1] 趙建社.整體構(gòu)件異形型腔組合電解加工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

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