梁延德，舒利明,，夏恒，何福本

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024；2.東京農(nóng)工大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)工程系，日本東京 184-8588）

電解制備同軸微細(xì)電極組件偏心誤差的分析與修正研究

梁延德1，舒利明1,2，夏恒2，何福本1

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024；2.東京農(nóng)工大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)工程系，日本東京 184-8588）

在微細(xì)電極電解制備過程中，由于電極裝夾不當(dāng)?shù)仍颍瑫鹜S微細(xì)電極組件產(chǎn)生偏心誤差。通過分析電解制備過程，運(yùn)用高速圖像采集手段對加工過程中的電極邊緣進(jìn)行動態(tài)影像采集，并運(yùn)用圖像處理方法進(jìn)行偏心誤差量化分析。在此基礎(chǔ)上提出工藝修正對策，通過適當(dāng)改變電解間隙和陽極轉(zhuǎn)速，可較好地實(shí)現(xiàn)對偏心誤差的糾正。

微細(xì)電極；電解制備；偏心誤差；圖像處理

對于微細(xì)孔、微細(xì)三維結(jié)構(gòu)的加工，通常有電化學(xué)放電加工、電火花加工、電解加工、電解電火花復(fù)合加工、超聲復(fù)合放電加工、超聲復(fù)合電解加工等方法[1-2]。這些方法通常利用微細(xì)電極作為加工工具，對零件進(jìn)行電加工操作，因此，電極自身的誤差會直接影響零件的加工質(zhì)量。目前，微細(xì)電極的制備方法主要有：線電極電火花磨削法、塊電極反拷法、單脈沖放電法、電火花沉降法、電解加工法、電化學(xué)沉降法等[3-8]。其中，電解加工法由于具有加工效率高、成形表面粗糙度好、無熱影響層、無內(nèi)部應(yīng)力、不受材料硬度限制等優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用于微細(xì)電極加工領(lǐng)域。

為了提高微細(xì)電極的電解制備精度，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗研究，發(fā)現(xiàn)利用工件電極高速旋轉(zhuǎn)以增強(qiáng)電解液攪拌，可有效提高加工穩(wěn)定性和效率[9-10]。同時，在利用加工得到的微細(xì)電極進(jìn)行后續(xù)微細(xì)加工時，為避免二次裝夾引入的誤差，一般將制得的微細(xì)電極連同其夾持主軸作為工具電極組件，在高轉(zhuǎn)速下，對工件進(jìn)行微細(xì)電加工操作[9]。在電解制備微細(xì)電極過程中，主軸一般具有較高精度，其回轉(zhuǎn)誤差可忽略不計，因而微細(xì)電極與旋轉(zhuǎn)主軸之間的安裝誤差成為電極組件的主要誤差來源。此類誤差主要包括電極徑向跳動誤差和軸線角度偏擺誤差。通常情況下，被夾持電極相對于主軸軸線的角度偏擺誤差遠(yuǎn)小于徑向跳動誤差，故安裝誤差可簡化為電極的徑向跳動誤差，即因電極幾何軸線與實(shí)際旋轉(zhuǎn)軸線不重合而產(chǎn)生了偏心量。

針對上述問題，本文在自行研制的微細(xì)電解加工實(shí)驗平臺上，建立一套基于高速視覺采集與圖像處理的檢測裝置，測量旋轉(zhuǎn)電極組件的偏心量大小。在惰性電解液環(huán)境中，分析和研究改變電極轉(zhuǎn)速、加工間隙等參數(shù)對電極組件偏心量的影響。

1 電解制備實(shí)驗平臺

實(shí)驗采用的微細(xì)電極制備裝置及系統(tǒng)組成見圖1，由恒流式脈沖電源、電解加工實(shí)驗裝置、高速攝影機(jī)及PC機(jī)組成。其中，電解加工實(shí)驗裝置由三自由度移動平臺、可旋轉(zhuǎn)精密主軸及電解池組成，工件電極位置可在X、Y、Z 3個方向上進(jìn)行調(diào)整，以保證工件電極與工具電極之間的相對位置。

圖1 電解制備實(shí)驗系統(tǒng)

采用KEYENCE VW-9000高速顯微攝像機(jī)對實(shí)際加工過程進(jìn)行拍攝，觀察并確定工件電極幾何軸線與旋轉(zhuǎn)軸線之間的空間位置及組件偏心量的大小。在惰性電解液中，采用恒流脈沖電源對初始直徑為300 μm的碳化鎢（WC）電極進(jìn)行電解制備，具體實(shí)驗加工參數(shù)見表1。

表1 加工參數(shù)表

電解制備微細(xì)電極的原理見圖2。工件（微細(xì)電極）初始直徑為D，加工后的直徑為d，工件電極浸入溶液深度為L1，由于水表面張力作用，液面以上的工件被加工高度為L2，加工間隙為G，工具電極厚度為H，電極轉(zhuǎn)速為S。

圖2 微細(xì)電極制備原理示意圖

2 數(shù)據(jù)處理

在實(shí)際加工過程中，工件電極一直浸沒在電解液中，高速攝影機(jī)無法對加工過程進(jìn)行實(shí)時拍攝，因此需采用定時拍攝的方法完成數(shù)據(jù)采集。在保證攝像機(jī)空間位置和工件電極轉(zhuǎn)速不變的前提下，每隔一定的時間段，操作實(shí)驗平臺將工件電極和主軸沿Z軸方向移出電解液，并通過高速攝影機(jī)采集電極的旋轉(zhuǎn)圖像。然后，采用相關(guān)圖像處理技術(shù)對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析[11]，判定電極在旋轉(zhuǎn)時的幾何外邊緣及其旋轉(zhuǎn)軸線的位置，具體數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

由于實(shí)驗設(shè)定的高速攝影機(jī)圖像采集頻率和采集時的電極轉(zhuǎn)速分別為1000 fps、2000 r/min，同時結(jié)合實(shí)驗觀察結(jié)果，確定所需處理的圖像數(shù)量為30幀。對圖片進(jìn)行灰度處理，提取各圖片的像素數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的二維數(shù)組后，再將數(shù)組疊加起來，可得到層高為30的三維矩陣。提取三維矩陣在層高方向上的最大值，重組并轉(zhuǎn)化為平面二維數(shù)組，再運(yùn)用一階Roberts算子對矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行微分處理，可得矩陣行向的兩個極大值位置，即圖像的輪廓邊界。疊加處理前后的電極圖像見圖4。

圖4 疊加處理前后的工件電極圖像

如圖4b所示，幾何軸線1、2分別是通過以外包絡(luò)面1與外包絡(luò)面2為電極輪廓右側(cè)、左側(cè)為邊界，同時結(jié)合單幀圖像（圖4a）的電極直徑確定的。提取處理后圖像的左、右軸線位置數(shù)據(jù)，與攝影機(jī)光學(xué)標(biāo)尺進(jìn)行對比，采用最小二乘法計算出兩軸線上各點(diǎn)距離的平均偏差，作為組件偏心量。經(jīng)實(shí)驗觀察發(fā)現(xiàn)，在提取圖像邊界輪廓過程中存在基本像素點(diǎn)的隨機(jī)測量誤差，結(jié)合光學(xué)標(biāo)尺的像素尺寸，經(jīng)換算可得一個像素點(diǎn)的幾何誤差約為2.11 μm。因此，在本數(shù)據(jù)處理中引入±2.11 μm的誤差棒，以保證測量和數(shù)據(jù)處理結(jié)果的正確性。

3 偏心誤差分析與實(shí)驗

3.1 電極轉(zhuǎn)速對偏心誤差的影響

實(shí)驗證明在不同工件電極轉(zhuǎn)速下，其加工精度存在很大的差別，因此，電極轉(zhuǎn)速是影響微細(xì)電極制備精度的重要因素[9]?；谏鲜鰧?shí)驗系統(tǒng)和條件，通過有規(guī)律的改變電極轉(zhuǎn)速，研究其對電極制備過程中偏心誤差的影響。圖5是不同電極轉(zhuǎn)速下的組件偏心量變化情況?？煽闯?，當(dāng)電極轉(zhuǎn)速為0 r/min時，其偏心量變化規(guī)律呈拋物線形，與初始偏心量相比，加工完成后的組件偏心誤差較大；當(dāng)電極轉(zhuǎn)速達(dá)到1000 r/min后，偏心量先不斷減小，而后穩(wěn)定在±5 μm的變化范圍內(nèi)。通過對比可發(fā)現(xiàn)，在主軸旋轉(zhuǎn)的情況下，組件偏心量均遵循先減小、后維持在一定范圍內(nèi)的變化規(guī)律。

圖5 不同電極轉(zhuǎn)速下的偏心量變化對比圖

由于在不同裝夾條件下，各組實(shí)驗條件的組件初始偏心量也不相同，因此，無法通過上述實(shí)驗數(shù)據(jù)有效地判斷轉(zhuǎn)速大小對組件偏心誤差修正的效果。本實(shí)驗通過比較初始偏心量與加工結(jié)束后的偏心減小量大小，引入“偏心去除百分比”的概念，作為轉(zhuǎn)速對偏心誤差影響程度的指標(biāo)，其分析結(jié)果見圖6?？煽闯?，當(dāng)電極轉(zhuǎn)速為0 r/min時，偏心去除百分比呈負(fù)值，表明電極在不旋轉(zhuǎn)時，加工完成后的偏心誤差大于組件的初始偏心誤差；隨著電極轉(zhuǎn)速的增大，偏心去除百分比逐漸變?yōu)檎?；?dāng)轉(zhuǎn)速超過1000 r/min后，偏心去除百分比幾乎保持不變，穩(wěn)定在40%左右。因此可推斷，當(dāng)電極轉(zhuǎn)速較低時，提高轉(zhuǎn)速有利于減小組件的偏心誤差；當(dāng)電極轉(zhuǎn)速提高到一定值后，再提高轉(zhuǎn)速將不再具備提高偏心誤差修正的能力。

圖6 不同電極轉(zhuǎn)速下的偏心去除百分比

3.2 加工間隙對偏心誤差的影響

電解加工過程中，工件電極和工具電極之間的加工間隙大小是直接影響微細(xì)電極制備質(zhì)量的重要因素[12]。通過設(shè)定電極轉(zhuǎn)速為2000 r/min不變，研究加工間隙對偏心誤差修正能力的影響，實(shí)驗結(jié)果見圖7。由于在電解加工中，加工間隙的大小直接影響加工速率的快慢。在加工間隙為100 μm的情況下，當(dāng)加工時間達(dá)到80 s時，工件電極尖端已開始消失，故其加工時間設(shè)定為80 s，其余實(shí)驗的加工時間均設(shè)定為90 s。由圖7可看出，各加工間隙下的偏心量均呈先減小、后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，組件的偏心誤差均得到了不同程度的改善。

圖7 不同加工間隙下的偏心量變化情況

同樣地，為減少初始偏心量不同對實(shí)驗結(jié)果的影響，引用偏心去除百分比對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖8）?？煽闯?，當(dāng)加工間隙為100 μm時，偏心去除百分比為16%，偏心量減少效果不明顯；而當(dāng)加工間隙為500 μm時，偏心去除百分比為45%，偏心量明顯減小。因此可推斷，在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增大加工間隙，可有效提高對偏心誤差的修正能力。

圖8 不同加工間隙下的偏心去除百分比

4 結(jié)論

針對微細(xì)電加工電極組件的電解制備方法，設(shè)計了一套具有檢測功能的微細(xì)電解加工實(shí)驗裝置，并應(yīng)用圖像采集和數(shù)據(jù)分析等方法，對電極組件制備過程中的偏心誤差進(jìn)行了檢測和分析。實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，通過改變電極轉(zhuǎn)速和加工間隙等實(shí)驗參數(shù)，可有效減小系統(tǒng)偏心量，并得到以下結(jié)論：

（1）在電解制備微細(xì)電極組件過程中，改變電極轉(zhuǎn)速可修正組件偏心誤差。隨著轉(zhuǎn)速的提高，偏心修正能力逐漸變強(qiáng)，但達(dá)到某一閾值后，其偏心修正能力趨于穩(wěn)定。

（2）在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增大電極間的加工間隙，偏心誤差的修正能力也會逐漸增強(qiáng)。

（3）隨著加工時間的增加，無論改變電極轉(zhuǎn)速或調(diào)整加工間隙，偏心誤差修正效果均趨于穩(wěn)定。

當(dāng)然，微細(xì)電極的電解制備加工中還有一些關(guān)鍵技術(shù)需要研究，如何確定電極偏心去除的反應(yīng)機(jī)理及小偏心誤差下的偏心修正，都是下一步的工作計劃和內(nèi)容。

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書訊

《第15屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集》

本書共分上、下兩冊，收錄了第15屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議錄用的論文165篇，全面展示了近年來我國特種加工領(lǐng)域?qū)W術(shù)理論研究和自主技術(shù)創(chuàng)新的成果。上冊由綜述、電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花微細(xì)加工、電弧加工5個部分組成，下冊由電化學(xué)加工、激光加工、增材制造、超聲加工、其他特種加工5個部分組成。本書可供特種加工領(lǐng)域的專家學(xué)者、科技人員、管理干部、技術(shù)工人及院校師生閱讀和參考。每冊工本費(fèi)100元（含郵費(fèi)）。

◆購書款郵匯：[215011]蘇州高新區(qū)金山路180號電加工與模具編輯部。電話：0512-67274541。

Analysis and Correction Research on Eccentric Error of Micro Electrode Assembly in the Processing of Electrochemical Machining

Liang Yande1，Shu Liming1,2，Xia Heng2，He Fuben1
（1.Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；
2.Tokyo University of Agriculture and Technology，Tokyo 184-8588，Japan）

Because of the improper clamping,there are the eccentric errors in the processing of electrochemical machining for the micro electrode.It is necessary to analyze the processing of electrochemical machining，to design a system for detecting the eccentric errors，in which a high-speed CCD is applied to capture images during manufacturing.Through extracting the edges of the electrode and image data processing，the eccentric errors are measured and confirmed.The different comparing experiments indicate that adjusting the rotational speed of electrode and changing the machining gap properly can improve the index of the eccentric error effectively.

micro electrode；electrochemical machining；eccentric error；image processing

TG662

A

1009－279X（2014）04－0024-04

2014-03-05

梁延德，男，1953年生，教授。