鮮潔宇,康 敏,傅秀清

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

隨著科技的發(fā)展,在不少產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中有許多裝備往往要在高溫、高壓等惡劣環(huán)境中工作,因而有一些零件必須采用性能優(yōu)良的特殊材料來制造,如高溫合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等。而這些材料的切削加工性較差,制造零件相對比較困難。尤其是加工細(xì)長軸和薄壁回轉(zhuǎn)件等結(jié)構(gòu)剛性較差的零件困難更大[1,2]。

電解加工技術(shù)是利用金屬在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的原理加工金屬材料,具有工具陰極無損耗、無宏觀切削力、適宜加工各種難切削材料零件及薄壁件、加工效率高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點,因而在制造業(yè)中獲得了大量應(yīng)用。數(shù)控電解車削加工技術(shù)綜合了數(shù)控、車削與電解3種加工技術(shù)的特點,通過數(shù)控系統(tǒng)控制工件以一定速度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、工具陰極以車削加工的運(yùn)動方式進(jìn)給,實現(xiàn)難加工材料回轉(zhuǎn)件的電解車削加工,其原理見圖1[3,4]。

圖1 電解車削加工原理圖

1 試驗裝置

試驗裝置由CW6140普通車床改造而成,結(jié)構(gòu)示意見圖2,包括電源、床身、主軸、各軸運(yùn)動系統(tǒng)、陰極支架、電解液系統(tǒng)、溫控裝置、控制系統(tǒng)。其機(jī)械本體整流電源正極輸出端與碳刷相連,碳刷與工件相接觸,整流電源的負(fù)極與工具陰極相連,工具陰極安裝在陰極支架上,陰極支架安裝在機(jī)床的橫向拖板上。加工過程在密封且有排氣裝置的工作箱中進(jìn)行,工作箱設(shè)有排液口,電解液通過排液口循環(huán)至電解槽中。主軸電機(jī)通過夾頭帶動工件旋轉(zhuǎn),X向伺服電機(jī)驅(qū)動陰極縱向移動,Z向伺服電機(jī)驅(qū)動工件箱和陰極橫向進(jìn)給運(yùn)動。

圖2 數(shù)控電解車削機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

電解液循環(huán)系統(tǒng)采用二級過濾方式,分別在泵入口處和機(jī)床管路入口處設(shè)置過濾網(wǎng),回液槽與供液槽分開,電解液經(jīng)過兩次沉淀后再流向供液槽重復(fù)使用,這有利于電解液的凈化、冷卻。工具陰極采用組合式直線刃內(nèi)噴陰極(圖3);電源選用硅整流電源,電壓8～24 V可調(diào),額定電流 5～200 A,工作時可顯示即時電壓、電流值。數(shù)控系統(tǒng)采用“IPC+PMAC”的硬件結(jié)構(gòu)平臺和用Visual C++6.0開發(fā)的軟件體系,通過控制工具陰極和工件陽極之間的相對運(yùn)動,滿足電解車削加工回轉(zhuǎn)件的需要。

圖3 工具陰極實物圖

2 圓柱面回轉(zhuǎn)件電解車削加工試驗及分析

2.1 試驗方案

試驗采用圓柱面零件,其水平安裝于機(jī)床主軸的一對頂尖上(圖1)。選擇不同的工藝參數(shù)進(jìn)行加工試驗,加工示意見圖4[5]。

圖4 電解車削加工圓柱面示意圖

2.2 加工參數(shù)設(shè)置

試驗所用電解液為相對密度1.15的NaCl溶液,溫度 t=38℃,工作壓力 p=1.8MPa,工件材料為1Cr18Ni9Ti,工作電壓分別取 20、16、12、8 V,主軸轉(zhuǎn)速分別取0.03125,0.0625,0.125,0.25 r/min,初始加工間隙0.1mm。

2.3 實驗結(jié)果及分析

傳統(tǒng)車削加工中刀具的進(jìn)給量決定材料的去除量,粗加工時一般采用較大的進(jìn)給量,精加工時采用較小的進(jìn)給量。與傳統(tǒng)車削加工不同,電解車削加工中,材料的去除量不僅與陰極的進(jìn)給量有關(guān),還與加工間隙、主軸轉(zhuǎn)速、電源參數(shù)、電解液參數(shù)等有關(guān),各工藝參數(shù)對加工精度有不同影響。本文主要對不同主軸轉(zhuǎn)速條件下加工過程中加工間隙變化和電流變化展開討論。

(1)主軸轉(zhuǎn)速對加工后間隙變化的影響

加工間隙對電解加工成形精度起著最終的決定作用[3]。試驗中采用分圈間歇進(jìn)給的加工方式,得到圖4所示的加工間隙隨主軸轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。不同工作電壓下,加工間隙變化的趨勢一致。隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高,加工間隙逐漸減小,對應(yīng)的電解去除厚度也逐漸減小,因此采用較大的主軸轉(zhuǎn)速,可獲得較小的電解去除量(小余量加工),從而可達(dá)到較高的加工精度;加工間隙的大小直接影響表面粗糙度值的高低,降低工作電壓,提高主軸轉(zhuǎn)速,加工間隙和電解蝕除量同時減小,因而可降低表面粗糙度值,提高表面加工質(zhì)量。

圖5 加工間隙隨主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

(2)主軸轉(zhuǎn)速對電流變化的影響

研究電解加工成形規(guī)律時,電流到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)意味著加工進(jìn)入平衡狀態(tài)[3]。因此,電流的變化是電解車削加工的重要研究參數(shù)。試驗后得到圖5所示的電流隨主軸轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。不同工作電壓下,電流變化的趨勢一致。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大,陰陽極間電化學(xué)反應(yīng)的時間減少,因而單位時間內(nèi)去除的材料減小,體現(xiàn)在試驗中即為加工一圈后測得的間隙減小,間隙減小導(dǎo)致了電流值的增大。

圖6 電流隨主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

3 結(jié)束語

本文進(jìn)行了圓柱面回轉(zhuǎn)件的數(shù)控電解車削加工基礎(chǔ)工藝試驗研究,主要討論了不同主軸轉(zhuǎn)速條件下加工過程中加工間隙變化和電流變化的規(guī)律。研究結(jié)果表明:降低工作電壓,提高主軸轉(zhuǎn)速,可有效地提高加工精度和表面質(zhì)量;電解車削加工技術(shù)可用于難加工材料回轉(zhuǎn)件的加工,有待于做進(jìn)一步的研究。

[1] 鮮潔宇.數(shù)控電解車削加工裝置設(shè)計與實驗[D].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

[2] 李家偉.細(xì)長軸加工方法探略[J].現(xiàn)代制造技術(shù),2007,34(9):63-64.

[3] 徐家文,云乃彰,王建業(yè),等.電化學(xué)加工技術(shù)——原理、工藝及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[4] Kangmin,Yang Yong,Fu Xiuqing.Study on numerical controlled electrochemical turning[J].Materials Science Forum,2009,626-627:351-356.

[5] 康敏,趙建設(shè),徐家文.矩形截面內(nèi)噴式陰極展成電解加工平面的工藝試驗[J].電加工與模具,2004(5):21-23.