劉海擁,康 敏,傅秀清,馬小波

(南京農(nóng)業(yè)大學工學院,江蘇南京210031)

電解加工是基于電化學陽極溶解的原理來去除金屬材料的,加工中工具陰極無損耗、無宏觀切削力,適宜加工各種難切削加工材料零件,且加工效率高、表面質(zhì)量好,在制造業(yè)中獲得了大量應用。傳統(tǒng)的電解加工成形陰極采用拷貝式加工,陰極的設計、制造困難,且由于陰極形狀復雜、加工面積大、影響因素多,使加工的復制精度和重復精度都不太高。為了解決上述問題,國外從20世紀80年代末開始研究數(shù)控展成電解加工,它綜合了數(shù)控加工與電解加工兩者的技術特點,避免了復雜成形陰極的設計與制造,投產(chǎn)周期短,適用加工范圍廣,加工柔性大,可用于小批量、多品種甚至單件試制的生產(chǎn)中[1～2]。

1 球頭陰極展成電解加工原理

球頭陰極展成電解加工是利用簡單形狀的球頭陰極,通過計算機控制陰極相對工件的運動來加工復雜型面的電解加工方法,其加工原理見圖1[3]。

圖1 球頭陰極展成電解加工原理

球頭半徑為R,轉(zhuǎn)動速度為n,進給速度為 Vp,極間初始間隙為S1。加工時,工件接直流電源的正極,球頭陰極接直流電源的負極,電解液以一定壓力從球頭陰極底部的小孔噴射出來,通過改變初始參數(shù),得到一系列不同的切削深度S1與表面粗糙度。

2 試驗裝置

球頭陰極展成電解加工試驗是在自行研制的5軸數(shù)控電解加工試驗裝置上進行的,裝置包括:機床本體、電解液系統(tǒng)、電源以及控制系統(tǒng)(圖2)。機床本體是試驗裝置的主體,它的運動有沿 X、Y、Z軸的平動、繞Y軸的擺動(B)和繞Z軸的回轉(zhuǎn)(C)。電解液系統(tǒng)采用二級過濾方式,可將一定溫度、濃度的電解液以0～2.0 MPa的壓力輸送到加工區(qū)域。電源選用硅整流電源,電壓0～24 V連續(xù)可調(diào),額定電流200 A,帶有短路保護功能,可適時顯示電壓、電流值?？刂葡到y(tǒng)采用“IPC+PMAC”結(jié)構(gòu)構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺,其中以IPC為主控計算機,以多軸運動控制器PMAC為系統(tǒng)從機,構(gòu)成主從分布式結(jié)構(gòu)體系;控制軟件采用靈活的高級計算機語言(Visual C++)編程,實現(xiàn)PMAC對高性能伺服運動的控制[4,5]。

圖2 5軸數(shù)控電解加工試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗方案

工件材料:1Cr18Ni9Ti;陰極材料:紫銅;電解液:NaCl水溶液,密度為 1.14 g/ml;電解液溫度:40℃,球頭陰極半徑R:5 mm。

本文選用L25(56)正交試驗表,5個因素:電壓U、電解液壓力 P、初始間隙 S1、陰極轉(zhuǎn)速n、進給速度 Vp,所有因素取五水平,如表1所示。本試驗的指標為表面粗糙度,數(shù)值越小越好。

表1 正交試驗安排表

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 極差分析

極差分析見表2。

表2 極差分析表

(1)根據(jù)極差的大小排出各因素從主到次的順序如下:進給速度＞陰極轉(zhuǎn)速＞電壓＞初始間隙＞電解液壓力。

(2)指標隨各因素的變化趨勢如圖3所示。圖3是用表1各因素的水平和表2中的 T1～T5值繪出的。

從圖3可看出電壓從8～24 V,Ra先增大后減小;電解液壓力從1.0～1.8 MPa,Ra先減小后增大;初始間隙從0.1～0.3 mm,在 0.2 mm 處 Ra獲得最小值,之后便逐漸增大;陰極轉(zhuǎn)速從200～600 r/min,Ra先減小后略有增大;陰極進給速度從10～50 mm/min,Ra逐漸減小。

由圖3可知表面粗糙度值最小時各因素的取值分別為:電壓 U取1水平,電解液壓力 P取4水平,初始間隙S1取3水平,陰極轉(zhuǎn)速 n取4水平,進給速度 Vp取5水平,即電壓8 V、電解液壓力1.6 MPa、初始間隙0.2 mm 、陰極轉(zhuǎn)速 500 r/min、進給速度50 mm/min。

4.2 方差分析

方差分析如表3所示。根據(jù)方差分析,進給速度 Vp在顯著性水平α=0.01上顯著。

表3 方差分析表

5 結(jié)論

(1)對試驗結(jié)果進行極差分析可知,在電壓為8 V、電解液壓力為1.6 MPa、初始間隙為0.2 mm、陰極轉(zhuǎn)速為500 r/min、進給速度為 50 mm/min時,加工表面粗糙度值最小。同時可得出陰極進給速度值越大,表面質(zhì)量越好,但其他參數(shù)有一定的限制。

(2)根據(jù)方差分析可得到,進給速度對表面粗糙度的影響最大,進給速度越大,表面粗糙度值越小,表面質(zhì)量也越好。

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

[2]Kang Min,Xu Jiawen.Study on the shaping law of precision numerical controlled electrochemical contour evolution machining[J].Key Engineering Materials,2008,375-376:72-76.

[3]朱樹敏,陳遠龍.電化學加工技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

[4]傅秀清,康敏,楊勇.基于PMAC5軸數(shù)控電解加工機床的設計[J].電加工與模具,2009(2):62-65.

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