黃紹服，張 強(qiáng)，李紅艷

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南232001）

在電加工過(guò)程中，工具電極的高速旋轉(zhuǎn)有利于加工過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行[1]，但由于工具電極高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)其進(jìn)行引電非常困難，研究人員就此提出了各種解決方法。Yahagi、馮光磊等在研究微細(xì)電火花加工時(shí)，提出了非接觸給電式高轉(zhuǎn)速下的微細(xì)電火花加工方法，將脈沖電源與給電電極、工具電極和工件進(jìn)行串聯(lián)連接，給電電極和非接觸測(cè)量電極采用與電極保持器相對(duì)套接的金屬圓筒，通過(guò)電容耦合實(shí)現(xiàn)對(duì)工具電極的非接觸給電，以及對(duì)極間電壓信號(hào)的非接觸測(cè)量，解決了工具電極引電問(wèn)題；該方法通過(guò)改變相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)每次放電能量，也能對(duì)非接觸給電的微細(xì)電火花加工進(jìn)行伺服控制，其不足之處在于需準(zhǔn)確測(cè)量多個(gè)極間電壓來(lái)間接得出加工間隙電壓，測(cè)量要求較嚴(yán)格[2-3]。黃紹服在研究工具電極高速旋轉(zhuǎn)電化學(xué)放電加工時(shí)，設(shè)計(jì)了基于引電軸承的引電裝置，將引電軸承與電主軸伸出端過(guò)盈配合，把絕緣電刷套在引電軸承上，通過(guò)調(diào)節(jié)引電螺釘施加在外套上的力，使?jié)L動(dòng)體和內(nèi)外圈保持接觸，以保證電主軸既能高速旋轉(zhuǎn)又能導(dǎo)電，從而實(shí)現(xiàn)加工；該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在滿足電加工條件的同時(shí)，也會(huì)因引電軸承內(nèi)部滾珠的高速滾動(dòng)造成嚴(yán)重磨損，使其使用壽命不理想[1]。徐惠宇在研究微細(xì)電解加工系統(tǒng)時(shí)，提出采用對(duì)稱布置的低損耗碳刷對(duì)高速旋轉(zhuǎn)軸引電的方法，用彈簧維持碳刷和轉(zhuǎn)軸的可靠接觸，能保證可靠引電，但仍存在高轉(zhuǎn)速時(shí)碳刷磨損的問(wèn)題[4]。何定華提出一種新型水銀導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，解決了電鍍行業(yè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的導(dǎo)電問(wèn)題，且該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于維護(hù)；但由于水銀易揮發(fā)，對(duì)環(huán)境和操作人員安全會(huì)造成威脅，且該方法對(duì)裝置的密封要求極高[5]。本文基于迷宮密封原理，提出了一種新型工具電極高速旋轉(zhuǎn)電加工引電裝置，并對(duì)其導(dǎo)電性能進(jìn)行了驗(yàn)證研究。

1 引電裝置

1.1 工作原理

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了引電裝置，其工作原理見(jiàn)圖1，實(shí)物見(jiàn)圖2，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。該裝置內(nèi)裝有適量導(dǎo)電液，旋轉(zhuǎn)副為導(dǎo)電材料，固定副和上端蓋為非導(dǎo)電材料。在電加工時(shí)，電主軸帶動(dòng)工具電極高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，電主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)副高速旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)導(dǎo)線連接電源負(fù)極和引電螺釘，從而構(gòu)成閉合回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)工具電極的引電?；芈返捻樞蛞来螢椋弘娫簇?fù)極、引電螺釘、導(dǎo)電液、旋轉(zhuǎn)副、電主軸轉(zhuǎn)軸、電極夾具、工具電極、工作液、工件、電源正極。

圖1 電加工原理示意圖

圖2 引電裝置實(shí)物圖

圖3 引電裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 內(nèi)部流場(chǎng)仿真分析

在導(dǎo)電液為水及室溫條件下，建立引電裝置內(nèi)部流場(chǎng)模型，利用CFX軟件對(duì)主軸轉(zhuǎn)速分別為18 000、24 000、30 000、36 000 r/min 時(shí)的引電裝置內(nèi)部流場(chǎng)情況進(jìn)行仿真分析。

1.2.1 電主軸轉(zhuǎn)速與裝置內(nèi)導(dǎo)電液分布的關(guān)系

圖4～圖6是裝置內(nèi)導(dǎo)電液在不同電主軸轉(zhuǎn)速時(shí)的分布情況。由圖6所示的裝置下半部分可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)速提高，固定副下端的導(dǎo)電液越來(lái)越少，大部分液體隨著壁面運(yùn)動(dòng)集中于上端蓋斜面內(nèi)表面處。在重力作用下，導(dǎo)電液又下落至底端，之后在離心力的作用下再次向上運(yùn)動(dòng)，并重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，液體沿上端蓋有溢出情況，與仿真結(jié)果一致，處理方式是將上端蓋出口密封。引電螺釘安裝在底部位置，保證其在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能一直與導(dǎo)電液接觸，從而保證實(shí)驗(yàn)電路處于閉合狀態(tài)。

圖4 不同電主軸轉(zhuǎn)速時(shí)的裝置內(nèi)導(dǎo)電液分布情況

1.2.2 電主軸轉(zhuǎn)速與液體速度分布的關(guān)系

由圖7可看出，裝置內(nèi)的液體速度方向均是遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸軸心處的方向，這與圖6所示的固定副底部液體僅存在于離轉(zhuǎn)軸最遠(yuǎn)處的底部位置是一致的，說(shuō)明液體不會(huì)向轉(zhuǎn)軸軸心處運(yùn)動(dòng)，即迷宮密封結(jié)構(gòu)是有益的，可滿足使用要求，且在實(shí)際加工過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生液體從內(nèi)測(cè)滲漏的現(xiàn)象。

圖5 不同電主軸轉(zhuǎn)速時(shí)的裝置中剖面處導(dǎo)電液分布情況

圖6 不同電主軸轉(zhuǎn)速時(shí)的裝置底部導(dǎo)電液分布情況

圖7 不同電主軸轉(zhuǎn)速時(shí)的中剖面處導(dǎo)電液速度分布情況

2 導(dǎo)電能力驗(yàn)證

為了驗(yàn)證引電裝置的導(dǎo)電能力，設(shè)計(jì)了不同轉(zhuǎn)速下工具電極高速旋轉(zhuǎn)電解加工的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，基本參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)采用不同濃度的氯化鈉溶液作為導(dǎo)電液，對(duì)比在不同濃度的導(dǎo)電液條件下工作回路中的電流大小，將實(shí)驗(yàn)電流信號(hào)進(jìn)行去干擾處理后得到的電流波形見(jiàn)圖8～圖11。從微觀角度對(duì)其解釋如下：在進(jìn)行電極高速旋轉(zhuǎn)電解水時(shí)，工具電極表面生成氫氣，由于水的密度遠(yuǎn)大于氫氣，在離心力作用下，氫氣更易向電極表面運(yùn)動(dòng)，從而附著在電極表面并形成氣膜，使極間阻值增大，故回路電流變小，在加工波形圖上表現(xiàn)為電流數(shù)值較小。隨著電解加工持續(xù)進(jìn)行，生成的氫氣越來(lái)越多，在電極表面附著的氫氣泡融合成更大的氣泡，當(dāng)氣泡大到一定程度后，大氣泡在離心力的作用下脫離工具電極表面，極間阻值瞬間降低、回路電流瞬間變大，此時(shí)加工電流數(shù)值發(fā)生跳躍，產(chǎn)生了峰值點(diǎn)，但這一時(shí)間極其短暫，緊接著電解產(chǎn)生的氫氣氣泡再次附著于電極表面，并重復(fù)上述過(guò)程。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖12是引電裝置的導(dǎo)電能力趨勢(shì)圖?？梢?jiàn)，隨著電主軸轉(zhuǎn)速提高，引電裝置的導(dǎo)電能力呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榇藭r(shí)導(dǎo)電液離心力逐漸增大，更多的導(dǎo)電液沿著固定副內(nèi)壁向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致下端導(dǎo)電液較少、底部氣體含量增多，進(jìn)而使極間阻值增大，電加工回路電流變小。但隨著鹽溶液濃度提高，引電裝置的導(dǎo)電能力又逐漸增強(qiáng)，這是因?yàn)槿芤褐械膸щ婋x子濃度增大，有利于導(dǎo)電。通過(guò)比較可知：電主軸轉(zhuǎn)速的變化比鹽溶液濃度的變化對(duì)引電裝置導(dǎo)電性的影響更大。雖然鹽溶液濃度對(duì)導(dǎo)電性的增強(qiáng)有所幫助，但在加工過(guò)程中，引電裝置內(nèi)同時(shí)進(jìn)行著電解水的化學(xué)作用，使鹽溶液的離子不斷析出，溶液的離子濃度不斷降低，其導(dǎo)電性反而變化不大，故濃度的變化并不能顯著提高導(dǎo)電能力。但在實(shí)際加工中，提高鹽溶液濃度可作為轉(zhuǎn)速提高時(shí)導(dǎo)電性降低的一種補(bǔ)償方式。另外，由于鹽溶液的離子不斷析出，故應(yīng)及時(shí)更新導(dǎo)電液，本實(shí)驗(yàn)在連續(xù)加工20 min后更換一次導(dǎo)電液。

圖8 導(dǎo)電液濃度為0 g/10 mL時(shí)的電流波形

圖9 導(dǎo)電液濃度1 g/10 mL時(shí)的電流波形

圖10 導(dǎo)電液濃度為2 g/10mL時(shí)的電流波形

圖11 導(dǎo)電液濃度為3 g/10 mL時(shí)的電流波形

圖12 引電裝置的導(dǎo)電能力趨勢(shì)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文依照旋轉(zhuǎn)軸迷宮油封原理設(shè)計(jì)了工具電極高速旋轉(zhuǎn)電化學(xué)放電加工引電裝置，借助流場(chǎng)分析軟件，對(duì)引電裝置內(nèi)部流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了仿真分析，得出了電主軸轉(zhuǎn)速越大，引電裝置可靠性越好的結(jié)論。另外，對(duì)工具電極高速旋轉(zhuǎn)電加工時(shí)引電裝置的引電能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了該裝置可滿足工具電極高速旋轉(zhuǎn)電加工的引電要求。

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