張京超，田明鑫，徐文驥，劉 新

（大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024）

細長階梯孔在航空航天、汽車及醫(yī)用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]，目前主要采用機械加工方法對其進行加工，但在加工過程中存在軸線易歪斜、刀具易振動及冷卻散熱條件差等問題[2]，對不銹鋼、高溫合金等難加工材料更是難以加工。電解擴孔在加工過程中不會產(chǎn)生機械力，加工效率高，加工后的表面不會產(chǎn)生應(yīng)力和毛刺，特別是采用多孔同時加工方式時，其效果更明顯，加工后的工件表面粗糙度值可達Ra1.25 μm以下，細長孔的成形加工精度一般為±0.025 mm～±0.05 mm[3-5]，故電解擴孔是細長孔擴孔加工較合適的加工方法之一。

國外對細長孔電解加工的研究主要圍繞深孔加工[6]，而國內(nèi)對細長孔電解加工的研究主要針對通孔的加工。卓開富設(shè)計了螺旋電極，在45鋼上對長25 mm、直徑12.5 mm的通孔進行擴孔加工，得到圓度幾乎為零的工件內(nèi)孔[7]；唐霖設(shè)計并搭建了立式刻槽和擴孔電解加工裝置，可對長度600 mm以下的刻槽和擴孔零件進行加工[8]；李兆龍等用直徑2.1 mm的管狀電極加工出了變截面的深小孔[9]。

目前，國內(nèi)外針對超過50 mm細長孔和深孔進行電解擴孔的研究不多，針對細長階梯孔進行電解擴孔的研究更是未見報道。本文擬建立一種新型電解擴孔成形加工裝置，以實現(xiàn)孔深200 mm以上的內(nèi)孔階梯孔的擴孔加工。

1 細長階梯孔電解擴孔裝置的設(shè)計

細長孔工件結(jié)構(gòu)見圖1。擴孔前，孔內(nèi)徑為d2，孔長度為L；電解擴孔后，可加工出內(nèi)徑為d1、長度為L0的階梯孔。

圖1 工件結(jié)構(gòu)圖

針對工件結(jié)構(gòu)設(shè)計的電解擴孔加工裝置見圖2。加工時，工件陽極和工具陰極的間隙中充滿了流動的電解液，在電場作用下，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陽極的被加工表面不斷溶解，直至得到符合要求的加工表面。

圖2 電解擴孔加工裝置示意圖

1.1 裝置的組成

電解擴孔成形加工裝置的組成見圖3，總體上主要由加工裝置、脈沖電源、自動控制系統(tǒng)及電解液系統(tǒng)組成。其中，加工裝置包括工作臺、工件、電極、進給裝置及電極、工件的裝夾裝置等；電源為電解擴孔成形加工提供能量；本設(shè)計還采用脈沖電源自動控制系統(tǒng)控制加工裝置各部分的相互運動，保證電解擴孔的正常運行；電解液系統(tǒng)為電解加工提供介質(zhì)，保證電路的導通性，并帶走電解加工的產(chǎn)物及熱量。

圖3 裝置組成框圖

1.2 工具電極的設(shè)計

設(shè)計工具電極時，首先根據(jù)工件結(jié)構(gòu)確定工具電極的結(jié)構(gòu)尺寸，工件為細長管結(jié)構(gòu)，故設(shè)計的工具電極也為細長桿結(jié)構(gòu)（圖4）。工具電極由電極桿和電極片兩部分組成。電極桿包圍電極片，可起保護絕緣的作用；電極片只露出加工區(qū)域的長度，用來進行電解加工。電極片選用紫銅材料，電極桿選用PVC材料，并采用環(huán)氧樹脂對露出的電極片側(cè)壁進行絕緣。

1.3 夾具的設(shè)計

圖4 電極結(jié)構(gòu)圖

夾具結(jié)構(gòu)見圖5。夾具由支承結(jié)構(gòu)和壓緊結(jié)構(gòu)兩部分組成，2個固定于不銹鋼支承板上的軸承輪作為支承結(jié)構(gòu)支承工件，1個固定于不銹鋼壓板上的軸承輪作為壓緊結(jié)構(gòu)壓緊工件。支承板和壓板間用彈性墊片連接，確保工件受到的壓緊力適度，進而保證工件在軸承輪之間受到的摩擦力適度，使工件在加工過程中能穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動。前后共2組夾具用于工件的裝夾，可限制工件的4個自由度。

圖5 夾具結(jié)構(gòu)圖

1.4 驅(qū)動裝置的設(shè)計

工件的驅(qū)動裝置與夾具的結(jié)構(gòu)相似 （圖6），工件下方由2個軸承輪固定支承工件，步進電機帶動壓緊在工件上的膠輪驅(qū)動工件做旋轉(zhuǎn)運動，工件的轉(zhuǎn)速可通過調(diào)節(jié)步進電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。

圖6 驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)圖

1.5 進給裝置的設(shè)計

電解加工時，加工間隙會逐漸變大，影響加工的正常進行，甚至可能導致加工停止。為保證電解擴孔加工間隙大小的穩(wěn)定性，需設(shè)計工件的進給裝置，從而帶動工件做進給運動。進給裝置由步進電機、滑臺、滑塊及滑軌組成（圖7），滑臺、滑軌固定于固定工作臺上，移動工作臺固定于滑塊和滑臺之上。當步進電機帶動滑臺運動時，移動工作臺隨之運動，以此實現(xiàn)工件沿徑向的進給運動。

1.6 加工裝置示意圖

完成設(shè)計并組合的加工裝置見圖8，可將其分為固定工作臺和移動工作臺兩部分。固定工作臺主要由滑臺、密封裝置、電極支承架、滑軌滑塊等組成；移動工作臺主要由步進電機、主動輪、支撐輪、壓輪、壓板及電刷等組成。

圖7 進給裝置結(jié)構(gòu)圖

圖8 加工裝置示意圖

2 驅(qū)動控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)可實現(xiàn)工件連續(xù)進給、短路回退及原點回歸等運動功能，還可對加工間隙電壓進行檢測監(jiān)控及控制開關(guān)的通斷。

2.1 驅(qū)動控制系統(tǒng)的組成

驅(qū)動控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。其中，硬件主要由PLC主機、步進電機驅(qū)動器、定位控制模塊及電源等組成，實物見圖9；軟件為PLC控制程序，采用梯形圖進行設(shè)計，可進行模塊化編寫，調(diào)試方便，能適應(yīng)工件不同的加工需要。

圖9 驅(qū)動系統(tǒng)實物圖

2.2 驅(qū)動控制系統(tǒng)的工作線路

驅(qū)動控制系統(tǒng)的線路分布見圖10。PLC主機和定位模塊01PU通過線纜實現(xiàn)通訊，對PLC主機輸入不同信號后，定位模塊就會輸出不同的驅(qū)動信號，驅(qū)動器CSD5807接收這些不同的驅(qū)動信號后，便會輸出正向或反向的脈沖信號，從而實現(xiàn)工件在Y軸上的正、反向運動。

圖10 驅(qū)動系統(tǒng)線路圖

2.3 驅(qū)動控制程序

驅(qū)動控制程序運用WPLsoft軟件進行編寫，包括程序初始化、參數(shù)設(shè)置和運動控制三部分。

電解擴孔加工試驗使用寸動模式，其梯形圖見圖11。當M1000=on時，讀取現(xiàn)在位置和速度；當M1002=on時，定位模塊控制寄存器CR10#寫入K10，并設(shè)定為寸動模式；當X4=on時，寸動模式下輸出正向脈沖；當X6=on時，寸動模式下輸出反向脈沖；當X4=off且X6=off時，寸動模式停止動作。

圖11 寸動模式梯形圖

3 結(jié)論

（1）本文針對細長孔難以擴孔加工的問題，搭建了細長孔脈沖電解擴孔裝置，并設(shè)計了驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，編寫了驅(qū)動控制程序，可通過改變模塊化的控制系統(tǒng)程序，實現(xiàn)不同的加工需求。

（2）建立的進給裝置可在驅(qū)動控制系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)工件徑向且精度較高的定位和進給，并可根據(jù)具體加工要求，改變工具陰極的形狀和尺寸，加工出變徑孔及不規(guī)則形狀內(nèi)孔，具有較好的柔性。

[1] 袁思波，于振濤，皇甫強，等.鈦合金細長孔的鉆削工藝研究[J].稀有金屬快報，2005，24（12）：38-40.

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[6] 傅軍英，張明岐.深細孔與超深小孔電化學加工技術(shù)應(yīng)用分析 [C]//第14屆全國特種加工學術(shù)會議論文集[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2011：384-387.

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