楊 宇,李湘生,孫紅偉
(浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院,浙江杭州310018)
旋轉(zhuǎn)電極電解線切割厚不銹鋼板實驗研究
楊 宇,李湘生,孫紅偉
(浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院,浙江杭州310018)
設(shè)計制造了電極可旋轉(zhuǎn)的電解加工機床,采用軸向沖液的方式對6 mm厚的304不銹鋼進行電解線切割加工實驗。通過改變加工電壓、電極旋轉(zhuǎn)速度、進給速度等參數(shù)來研究不同參數(shù)對電解線切割工藝的影響。
電解線切割;旋轉(zhuǎn)電極;電極旋轉(zhuǎn)速度;進給速度
304不銹鋼具有良好的冷、熱加工性能及良好的耐蝕性,實際生產(chǎn)中常采用沖壓折彎工藝進行加工,但傳統(tǒng)機械加工方法難以加工出具有復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的不銹鋼零件。而采用旋轉(zhuǎn)電極作為線電極進行電解線切割加工實驗,對于研究電解磨削具有重要意義[1]。
電解加工不受材料力學(xué)性能限制,適合加工難切削材料和復(fù)雜零件,但它受制于介質(zhì)流場、雜散腐蝕特別是鈍化膜的影響,加工穩(wěn)定性和精度很難保證。在電解線切割加工時,待加工的金屬工件接電源正極,電極絲接電源負極,在兩極接通直流或脈沖直流電源。隨著電壓的增加,在陰陽兩極形成了穩(wěn)定的電場,電解液中的陰陽離子分別向陽極、陰極移動,從而形成完整的導(dǎo)電回路;陽極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),金屬材料被電解,陰極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)而析出氫氣,且不損耗電極[2]。電極絲可在與之垂直的二維平面上任意移動,理論上電解線切割可加工出任意平面圖形,但在實際加工中,特別是加工高深寬比結(jié)構(gòu)時,易出現(xiàn)排屑困難、進給速度慢、加工易短路等缺陷。
目前,國內(nèi)對電解線切割的研究較多。朱兵等為解決加工高深寬比結(jié)構(gòu)時的排屑問題,采用了軸向沖液的方法,加工出了縫寬160 μm、深寬比高達30的微型花鍵[3]。劉向蕾等利用高速旋轉(zhuǎn)的陰極工具加工微小孔,發(fā)現(xiàn)孔的圓度有所提高[4]。鮑關(guān)培等采用游離磨料多線切割的方法加工太陽能硅片,通過在加工過程中給硅錠和切割線施加電場產(chǎn)生陽極鈍化或腐蝕,有效降低了切割負載,提高了切割效率,改善了硅片表面質(zhì)量[5]。王明環(huán)等利用低速旋轉(zhuǎn)的陰極工具,使電解加工區(qū)域的產(chǎn)物快速排出,有利于加工的順利進行;并通過實驗研究發(fā)現(xiàn),陰極工具的旋轉(zhuǎn)可加快加工間隙的電解液流動[6]。
從目前的研究成果看,使用高速旋轉(zhuǎn)電極進行電解線切割加工厚不銹鋼板未有涉及。為填補空白,本文設(shè)計研發(fā)了可使電極做高速旋轉(zhuǎn)的電解加工機,并采用軸向沖液技術(shù)對304不銹鋼厚鋼板進行了一系列電解線切割實驗,以探究加工電壓、電極旋轉(zhuǎn)速度、進給速度、電解液濃度等參數(shù)對電解線切割工藝的影響。
旋轉(zhuǎn)電極電解線切割實驗系統(tǒng)包括脈沖電源、電解液過濾循環(huán)系統(tǒng)、機身及其附屬機構(gòu)、控制系統(tǒng)等部分(圖1)。機床底座為具有較高強度與剛度的灰鑄鐵材料中空方管,它能確保旋轉(zhuǎn)電極電解加工機運動平穩(wěn)、精確且安全可靠[7]。底座上方左側(cè)安裝X、Y軸加工運動平臺,可直接控制機頭運動。機頭安裝Z軸加工運動平臺,可隨X、Y軸在XOY平面內(nèi)運動,在Z軸運動平臺上裝有旋轉(zhuǎn)裝夾機構(gòu),可裝夾電極絲以實現(xiàn)電極絲自轉(zhuǎn)。底座上方右側(cè)安裝電解池,其與底座之間有塑料板絕緣,在電解池中安裝加工平臺,以實現(xiàn)工件的裝夾及電極的固定。加工電源置于機床旁,其負極接到旋轉(zhuǎn)電極絲上,正極接到工件上。電解液過濾循環(huán)系統(tǒng)安裝在機床右側(cè),過濾后的電解液用泵運送到旋轉(zhuǎn)電極絲上,形成由陰極電極絲、陽極工件、電解液組成的電解系統(tǒng);流過工件的電解液變?yōu)榧庸U液再流回電解池,池中的廢液直接流進過濾系統(tǒng),實現(xiàn)電解液過濾循環(huán)利用??刂乒裰糜跈C床左側(cè),控制系統(tǒng)直接連接機身中的伺服電機、光電開關(guān)、旋轉(zhuǎn)電極裝夾機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動電機、電解液過濾循環(huán)系統(tǒng)等,從而實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)電極電解加工實驗系統(tǒng)的控制。
圖1 旋轉(zhuǎn)電極電解線切割實驗系統(tǒng)示意圖
控制系統(tǒng)對于旋轉(zhuǎn)電極電解線切割加工機床來說是電解過程的控制中心。如圖3所示,數(shù)控系統(tǒng)通過脈沖控制X、Y、Z軸的交流永磁同步伺服電機,以滿足電解加工要求。每個運動平臺上裝有三個光電限位開關(guān),分別為左、右側(cè)極限位置和零點位置。光電開關(guān)與控制系統(tǒng)的內(nèi)部PLC相連,實現(xiàn)各軸運動平臺的行程保護和原點定位。通過數(shù)控系統(tǒng)界面的控制按鈕可實現(xiàn)二個水泵的開關(guān)及電解液的過濾循環(huán)。
電機運轉(zhuǎn)通過同步帶帶動電極旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)動比為1.2∶1,調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)電極的變速旋轉(zhuǎn)。保持其他參數(shù)不變,僅改變電機轉(zhuǎn)速,對厚度6 mm的304不銹鋼板進行電解線切割加工實驗。實驗參數(shù)如下:電解液為NaCl質(zhì)量分數(shù)8%的溶液,電極進給速度為0.15 mm/min,加工電壓為15 V,直線電極為直徑2 mm的不銹鋼,電機轉(zhuǎn)速分別取500、1000、1500、2000 r/min。從圖9可看出,當電機轉(zhuǎn)速低于1000 r/min時,縫寬隨著轉(zhuǎn)速增加而增大;當電機轉(zhuǎn)速高于1000 r/min時,縫寬幾乎不變。為了加強對比,增加了一組電極不旋轉(zhuǎn)的切割實驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn):在進給速度0.15 mm/min、加工電壓15 V的條件下,易發(fā)生短路。分析原因:電極旋轉(zhuǎn)可使電極產(chǎn)生的絮狀物迅速排出,防止短路,對于加工高深厚比結(jié)構(gòu)的金屬具有重要意義;隨著電極旋轉(zhuǎn)加快,電極擺動增強,縫寬增大;當電機轉(zhuǎn)速提高至1000 r/min以上,電極旋轉(zhuǎn)將穩(wěn)定在1000 r/min的狀態(tài),故縫寬幾乎不變。
電解液過濾循環(huán)系統(tǒng)由一級沉淀池、二級沉淀池、過濾網(wǎng)、過濾罩1、過濾罩2、清液池、電解池、噴液嘴、過濾器、泵1、泵2、液位開關(guān)組成(圖 2)。 其中,一級沉淀池、二級沉淀池、清液池共同組成電解液箱體部分,該部分材料采用聚乙烯塑料,具有較強的耐腐蝕性[8]。電解池同樣采用聚乙烯塑料,可避免電解廢液對電解池的腐蝕。
圖2 電解液過濾循環(huán)系統(tǒng)示意圖
隨著雜質(zhì)累積,電解液越來越渾濁,會直接影響電解加工過程。在加工過程中,良好的電解液過濾凈化系統(tǒng)能實現(xiàn)電解液的自動供給、廢液回收與過濾等智能化功能。
通過對2001~2017年發(fā)表在管理學(xué)國際主流期刊(USDallas 24種期刊和Financial Times Top 50)和組織行為學(xué)權(quán)威期刊上的56篇實證研究論文進行分析,可以發(fā)現(xiàn),大多數(shù)研究聚焦于個人特質(zhì)和工作特征如何調(diào)節(jié)工作重塑誘因?qū)χ厮苄袨榈挠绊懀Ⅱ炞C工作重塑對主客觀結(jié)果的影響。
圖3 機床控制系統(tǒng)示意圖
在電解線切割加工過程中,側(cè)面間隙對加工效率和精度起決定作用,其大小和形狀決定了工件切割加工縫寬的尺寸和形狀,也是陰極設(shè)計制作的重要依據(jù)。
保持其他參數(shù)不變,僅改變加工電壓,對厚度為6 mm的304不銹鋼板進行電解線切割加工實驗。實驗參數(shù)如下:電解液為質(zhì)量分數(shù)8%的NaCl溶液,電極進給速度為0.15 mm/min,電機轉(zhuǎn)速為1000 r/min,直線電極為直徑2 mm的不銹鋼,加工電壓分別取6、9、12、15、18 V。 從圖 8 可看出,隨著加工電壓的增加,切割縫寬增大,加工精度降低。分析原因:在相同的電解液和電極進給速度下,隨著陰、陽極的電壓增加,加工間隙中的電解液壓降也增加,使電解效率提高,也使雜散腐蝕增大,從而導(dǎo)致縫寬變大,加工精度降低。
圖4 旋轉(zhuǎn)電極裝夾及運動裝置的正視圖
圖5 旋轉(zhuǎn)電極裝夾及運動裝置的三維圖
由于金屬絲軸向受到高速流動的電解液沖擊,易發(fā)生抖動。金屬絲的細微抖動不僅會使加工路徑軌跡發(fā)生偏移,影響加工精度,且在小間隙加工條件下易引起與工件間的短路。因此,在上導(dǎo)絲軸導(dǎo)絲嘴上面加有彈簧固定裝置,以使電極絲繃緊。
噴嘴結(jié)構(gòu)包括噴液嘴內(nèi)套和外套,如圖6所示,內(nèi)、外套均為旋轉(zhuǎn)類零件且采用螺栓連接。電解液從噴液嘴外套的側(cè)面進入,從噴液嘴內(nèi)套與噴液嘴外套的下方間隙噴出,并順著旋轉(zhuǎn)電極向下流。
圖6 噴液嘴機構(gòu)示意圖
噴嘴采用尼龍材料,它具有機械強度高、韌性好、耐疲勞性能突出、表面光滑、摩擦系數(shù)小、耐磨、耐腐蝕、有自熄性、無毒無臭等優(yōu)良特性。由于電解液具有腐蝕性,且噴嘴內(nèi)部壓力較大,噴嘴各部件連接強度要求較高,對噴嘴氣密性要求也較高[9]。
采用旋轉(zhuǎn)電極和軸向沖液的方式對不銹鋼厚鋼板進行電解線切割加工,可有效去除電解產(chǎn)物,提高切割效率。但高速旋轉(zhuǎn)的電極在加工時的穩(wěn)定性一直是電解線切割裝置的控制難點。為了有效地實現(xiàn)電極旋轉(zhuǎn)和軸向沖液,進而使電解線切割厚鋼板順利進行,本文設(shè)計了旋轉(zhuǎn)電極的裝夾和運動裝置,以及軸向沖液的噴嘴。
根據(jù)圖7可得縫寬的數(shù)學(xué)表達式為:
雖然我國整體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上已經(jīng)實現(xiàn)向“三二一”的轉(zhuǎn)型,但我國總體布局上實施的是地區(qū)化發(fā)展戰(zhàn)略。各區(qū)域處于不同發(fā)展階段,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換速度差距大,經(jīng)濟發(fā)展不平衡,造成地區(qū)之間資源、資金、技術(shù)和人才的割裂。
式中:L為縫寬,mm;η為電流效率;ω為體積電化學(xué)當量,mm3/(A·h);κ 為電解液電導(dǎo)率,1/(Ω·mm);UR為電解液電壓降,V;d為電極絲直徑,mm;Vy為電極進給速度,mm/min。
本文基于多源數(shù)據(jù),首先采用假設(shè)檢驗方法對我國兩化融合整體績效進行實證分析,進而探索性地研究兩化融合在增強企業(yè)價值創(chuàng)造能力、推動行業(yè)綜合發(fā)展、提升經(jīng)濟發(fā)展質(zhì)量等方面績效產(chǎn)生的機理,相關(guān)指標設(shè)計及數(shù)據(jù)來源如表1所示。①各研究對象的兩化融合發(fā)展水平及兩化融合關(guān)鍵指標等數(shù)據(jù)均來源于兩化融合服務(wù)平臺的兩化融合評估系統(tǒng)(www.cspiii.com/pg/)數(shù)據(jù)庫;②上市企業(yè)總市值來源于Wind數(shù)據(jù)庫;③重點行業(yè)全要素生產(chǎn)率、第二產(chǎn)業(yè)投入產(chǎn)出比和全要素生產(chǎn)率均來源于國務(wù)院發(fā)展研究中心信息網(wǎng)數(shù)據(jù)庫;④第二產(chǎn)業(yè)人均增加值來源于國家統(tǒng)計局。
電解液濃度變化會使溶液中的導(dǎo)電離子發(fā)生變化,增加電解液電導(dǎo)率會提高電解加工效率,但同時也會增加雜散電流腐蝕。因此,通過改變電解液中NaCl的質(zhì)量分數(shù)來探究其與切割縫寬的關(guān)系。實驗條件如下:電極進給速度為0.15 mm/min,電機轉(zhuǎn)速為1000 r/min,加工電壓為15 V,不銹鋼電極絲直徑為2 mm,選取NaCl質(zhì)量分數(shù)分別為6%、8%、10%、12%、14%的電解液。從圖11可看出,隨著NaCl質(zhì)量分數(shù)的增加,縫寬也相應(yīng)增大,這與理論推導(dǎo)的結(jié)果一致。分析原因:在電壓不變的條件下,質(zhì)量分數(shù)越大,電解電流越大,導(dǎo)致處于活躍狀態(tài)的電解區(qū)域變大,從而使切縫變寬。另外,雜散腐蝕會隨著氯離子的增加而增強,進一步導(dǎo)致縫寬增大、精度降低。
如圖4、圖5所示,旋轉(zhuǎn)電極裝夾裝置的軸承座固定架由上、下水平板及與水平板連接的支撐板一體成型,固定在電解加工機頭固定座上,支撐板的上、下部分別固定上主動帶軸軸承座和下主動帶軸軸承座,上、下水平板的末端分別固定上從動帶軸軸承座和下從動帶軸軸承座。電機固定在上主動帶軸軸承座正上方的電解加工機頭固定座上,并與上主動帶軸軸承座的動力輸入端通過第三聯(lián)軸器連接,動力輸入端的同步帶輪與上從動帶軸軸承座動力輸入端的同步帶輪通過上同步帶連接,上從動帶軸軸承座的動力輸出端通過上導(dǎo)絲軸導(dǎo)絲嘴連接電極的上端。上主動帶軸軸承座的動力輸出端通過第二聯(lián)軸器連接到同步連軸的上端,下主動帶軸軸承座的動力輸入端通過第一聯(lián)軸器連接到同步連軸的下端。下主動帶軸軸承座動力輸出端的同步帶輪與下從動帶軸軸承座動力輸入端的同步帶輪通過下同步帶連接,下從動帶軸軸承座的動力輸出端通過下導(dǎo)絲軸導(dǎo)絲嘴連接電極的下端。
圖7 旋轉(zhuǎn)電極電解線切割加工原理圖
圖8 加工電壓與縫寬的關(guān)系
大壩臨潰時的特殊氣象氣候和交通運輸狀況。歷史上大量潰壩事件告訴我們,潰壩稀有事件往往發(fā)生在風雨交加、天黑夜深、道路狹窄、通信不暢、缺乏有效照明等極為不利之時,給護壩人員以措手不及的突然襲擊,可能弄得手忙腳亂,昏頭轉(zhuǎn)向,因此要給予特別關(guān)注。
圖9 電機轉(zhuǎn)速與縫寬的關(guān)系
根據(jù)式(1)可知,電極進給速度越大,縫寬越小。但對于切割厚不銹鋼板而言,存在更多的不可控因素。在電解液為NaCl質(zhì)量分數(shù)8%的溶液、電機轉(zhuǎn)速為1000 r/min、加工電壓為15 V、不銹鋼電極絲直徑為2 mm的條件下,分別取電極進給速度為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 mm/min, 得到的切割縫寬與電極進給速度的關(guān)系見圖10??煽闯?,縫寬隨著電極進給速度的增加而減小,這與理論模型的變化一致。分析原因:在其他工藝參數(shù)不變的前提下,電極進給速度較低時,工件與電極的電解反應(yīng)時間長、雜散腐蝕大,導(dǎo)致縫寬大、精度低;而當電極進給速度增加到一定值時又會發(fā)生短路,故須通過改變其他工藝參數(shù)才能使電極進給速度進一步增加。也就是說,在其他工藝參數(shù)不變的條件下,電極進給速度存在最大值。
3.2.2 嚴密觀察患者 護士應(yīng)經(jīng)常巡視病房,早發(fā)現(xiàn)、早防范有精神異動患者,采取外緊內(nèi)松的管理模式,做好患者的心理疏導(dǎo),鼓勵患者參加適度的體育鍛煉、文娛活動分散患者注意力,不讓患者存在自卑;精神異常發(fā)作時及時采取約束帶和暫時性的保護性隔離措施。
圖10 電極進給速度與縫寬的關(guān)系
朱曉侖從不放松對自己的要求,做到對黨忠誠、個人干凈、敢于擔當、不怕困難。柳南區(qū)食品藥品監(jiān)管工作量是一直因地域廣、人口結(jié)構(gòu)復(fù)雜而位列柳州市四城區(qū)之首,監(jiān)管對象占柳州市1/3以上,監(jiān)管壓力非常之大。朱曉侖一手抓創(chuàng)建,一手抓監(jiān)管,全力推進食品藥品監(jiān)管各項工作。他帶領(lǐng)全局同志建立了城區(qū)三級監(jiān)管體系,探索創(chuàng)新的服務(wù)模式,使基層食品藥品體制改革取得突破進展,食品藥品安全監(jiān)管職能承接有序,監(jiān)管工作穩(wěn)中有升。2015年,成功承辦廣西示范性藥品突發(fā)事件應(yīng)急演練,得到國家總局和自治區(qū)局高度好評。
圖11 電解液濃度與縫寬的關(guān)系
本文采用高速旋轉(zhuǎn)電極電解線切割6 mm厚的304不銹鋼板,通過實驗得出以下結(jié)論:
(1)采用旋轉(zhuǎn)電極電解線切割高深厚比的高硬合金是可行的,且電極旋轉(zhuǎn)可有效排出電解產(chǎn)生的絮狀物,提高加工效率。但必須保證電極在高速旋轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性,才能既高效、又準確地實現(xiàn)電解線切割,這對設(shè)計制造旋轉(zhuǎn)電極的裝夾裝置是個挑戰(zhàn)。實驗的順利進行驗證了課題組設(shè)計制造的旋轉(zhuǎn)電極的可靠性,但該旋轉(zhuǎn)電極依然可在沖液、轉(zhuǎn)動和平動方面做優(yōu)化,這是研究改進旋轉(zhuǎn)電極的重中之重。
(2)旋轉(zhuǎn)電極電解線切割工藝受加工電壓、電極進給速度和電解液濃度的影響較大,在提高電解加工效率的同時也會降低加工精度,使工件形狀和尺寸的不可控性增加。因此,在今后的電解加工工藝研究中,將會考慮改變電解液種類和電解液流速來提高加工精度。
(3)采用旋轉(zhuǎn)電極電解線切割厚不銹鋼板時,電極進給速度受加工電壓和電解液濃度的制約,在給定加工電壓和電解液濃度的條件下,進給速度存在最大值,若超過此值,加工過程中易出現(xiàn)短路,加工無法正常進行。因此,探究不同電壓和電解液濃度下的最大進給速度對提高電解線切割效率具有重要意義。
課程標準是規(guī)定某一學(xué)科的課程性質(zhì)、課程目標、內(nèi)容目標、實施建議的教學(xué)指導(dǎo)性文件。基于就業(yè)視角的高職課程標準符合職業(yè)教育的規(guī)律,適應(yīng)職業(yè)學(xué)校學(xué)生的學(xué)習(xí)和身心發(fā)展特點。高等職業(yè)教育課程標準要以提高學(xué)生就業(yè)質(zhì)量為中心,課程內(nèi)容的選取,既要體現(xiàn)高職高專的特點,又要創(chuàng)新;既要符合經(jīng)濟潮流,又要符合用人實際;既要有前瞻性,又要有務(wù)實性。
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第一屆4D打印技術(shù)論壇在武漢舉行
第一屆4D打印技術(shù)論壇于2017年6月28日在武漢舉行。本次論壇由中國機械工程學(xué)會特種加工分會主辦、華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室承辦,論壇的主題是“交流、創(chuàng)新、協(xié)作、共進”。論壇主席、華中科技大學(xué)材料學(xué)院黨委書記史玉升教授和中國機械工程學(xué)會特種加工分會秘書長徐均良分別在開幕式上致辭。
4D打印相對于3D打印多了一個時間維度,3D物體在特定條件下隨時間可按設(shè)計要求自動變換形狀,它是3D打印技術(shù)與先進材料技術(shù)的深度交叉融合,在美國及歐洲已開展了面向軍事、醫(yī)療等方面的前沿研究,得到了越來越多專家學(xué)者的關(guān)注。
圍繞4D打印的設(shè)計、材料、裝備、工藝與應(yīng)用,來自比利時魯汶大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、沈陽飛機設(shè)計研究所、上海航天設(shè)備制造總廠、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位的20多名專家學(xué)者發(fā)表報告或進行交流,對4D打印技術(shù)進行了比較深入的剖析并充分交換了意見,取得了比較好的效果,受到了參加論壇的一百多名科技工作者的歡迎。論壇的舉辦對從不同角度理解4D打印概念,拓寬4D打印的發(fā)展思路和方向,集思廣益,促進4D打印技術(shù)在我國的快速發(fā)展與應(yīng)用具有積極意義。
(中國機械工程學(xué)會特種加工分會)
Experimental Study on Electrolytic Wire Cutting Thick Stainless Steel Plate with Rotating Electrode
YANG Yu,LI Xiangsheng,SUN Hongwei
( School of Mechanical Engineering and Automation,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China )
An electrochemical machining machine was manufactured,which can make the electrode rotate.The experiment was conducted on 304 stainless steel with a thickness of 6 mm.During the experiment,the influence of different parameters on the electrochemical cutting process was studied by changing the processing voltage,electrode rotation speed,feed rate and other parameters.
electrolytic wire cutting;rotating electrode;electrode rotation speed;feed rate
TG662
A
1009-279X(2017)04-0029-05
2017-03-13
楊宇,男,1991年生,碩士研究生。