王蕾，魏曾，李學(xué)輝

（青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院，山東青島266061）

電解加工是在金屬電化學(xué)溶解原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它以離子的形式對工件進(jìn)行去除，最終加工出滿足要求的零件。在電解加工過程中，工具電極作為陰極與電源負(fù)極相連，工件作為陽極與電源正極相連，陰、陽兩極被控制在一定的間隙內(nèi)；工件陽極在電解液中不斷地發(fā)生溶解，工具陰極向工件陽極不斷地進(jìn)給，電解產(chǎn)物不斷地被流動的電解液沖走，最終將零件復(fù)制加工成形。電解加工具有效率高、工具無損耗、加工表面無熱影響層以及無內(nèi)應(yīng)力、無裂紋、不受加工材料硬度限制等優(yōu)點[1]。

國內(nèi)外研究人員對電解加工技術(shù)開展了廣泛的研究。Munda等運用自制機床結(jié)構(gòu)、RSM技術(shù)和微處理器來控制進(jìn)給，使微細(xì)電解加工系統(tǒng)的加工間隙達(dá)到10～15 μm[2]。王建業(yè)研究了高頻、窄脈沖電解加工技術(shù)，其最小加工間隙達(dá)0～0.5 mm[3]。劉改紅等研制了采用音圈電機伺服驅(qū)動的微細(xì)電解加工裝置，并初步開發(fā)了工具電極伺服控制軟件；在工具電極進(jìn)給過程中，實時檢測加工極間電壓和電流，對電極運動實施伺服控制，并以實現(xiàn)較高精度的微細(xì)電解加工為目標(biāo)，提出了一種綜合集成陣列微細(xì)電極、工具電極側(cè)面絕緣、微小加工間隙伺服控制、高頻窄脈沖電源、非線性低濃度電解液等方法的工藝路線[4]。王明環(huán)通過采用成形工具電極增加了反應(yīng)面積，使每次放電蝕除量增加，從而提高了微細(xì)電解加工效率[5]。

本文就加工臺階孔或直孔的電解加工裝置進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)加工臺階孔的方法是：先用小鉆針鉆一個通孔，再用大鉆針鉆一個半通孔，既費時、費力，還會產(chǎn)生切削力和熱變形，加工精度也不佳。而本文所設(shè)計的裝置在加工臺階孔或直孔時，利用電化學(xué)原理，以離子形式去除材料，具有加工表面無冷作硬化層和熱再鑄層、孔口無毛刺和飛邊、加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點[5]。

1 電解加工機床和工具電極的研制

1.1 機床結(jié)構(gòu)及驅(qū)動控制

電解加工機床的機架結(jié)構(gòu)采用立柱式，其結(jié)構(gòu)簡單，立柱易加工。機床的進(jìn)給機構(gòu)包括Z軸進(jìn)給機構(gòu)和水平進(jìn)給機構(gòu)。Z軸進(jìn)給可通過立柱的連接架上、下移動，能有效保證主軸與工作臺的垂直度，該進(jìn)給機構(gòu)由機床主控制界面控制；水平進(jìn)給機構(gòu)包括X、Y兩個方向，工作平臺固定在水平進(jìn)給機構(gòu)上，該進(jìn)給機構(gòu)由步進(jìn)電機控制，采用滾珠絲杠螺母副作為運動執(zhí)行元件，滾動直線導(dǎo)軌副為導(dǎo)向支承。機床結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 機床結(jié)構(gòu)模型

采用DM860/DMA860H數(shù)字式兩相步進(jìn)電機驅(qū)動器進(jìn)行微細(xì)電解小孔加工。該驅(qū)動器采用最新32位DSP技術(shù)，具有超低振動噪聲、內(nèi)置高細(xì)分、參數(shù)自動整定功能。由于采用了內(nèi)置微細(xì)分技術(shù)，即使在低細(xì)分的條件下，也能達(dá)到高細(xì)分的效果，在低、中、高速運行時都很平穩(wěn)，且噪聲很小。該驅(qū)動器內(nèi)部集成了參數(shù)自動整定功能，可針對不同電機自動生成最優(yōu)運行參數(shù)，最大限度地發(fā)揮電機的性能。主軸驅(qū)動電路見圖2。

圖2 主軸驅(qū)動電路圖

DM860/DMA860H驅(qū)動器采用差分式接口電路（可適用差分信號）、單端共陰及共陽等接口，并內(nèi)置高速光電耦合器，允許接收長線驅(qū)動器，集電極開路和PNP輸出電路的信號。在環(huán)境惡劣的場合，建議采用長線驅(qū)動器電路，其抗干擾能力強。

如圖3所示，以集電極開路和PNP輸出為例，當(dāng)VCC值為5 V時，R短接；當(dāng)VCC值為12 V時，R為1 K，大于1/8 W電阻；當(dāng)VCC值為24 V時，R為2 K，大于1/8 W電阻。

圖3 輸入接口電路

此外，通過設(shè)置機床的狀態(tài)指示燈來說明具體的加工故障。例如：綠色LED為電源指示燈，當(dāng)驅(qū)動器接通電源時為常亮狀態(tài)，當(dāng)驅(qū)動器切斷電源時為熄滅狀態(tài)；紅色LED為故障指示燈，當(dāng)出現(xiàn)故障時，會以3 s為周期循環(huán)閃爍，當(dāng)故障被清除時為熄滅狀態(tài)。其中，紅色LED在3 s內(nèi)的閃爍次數(shù)代表不同的故障信息，具體情況見表1。

表1 LED燈閃爍故障說明

1.2 機床主軸控制裝置

電解加工機床的控制主界面見圖4。主要參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速為±60～±999.9 r/min；Z軸進(jìn)給速度為±0.02～±0.33 mm/s，進(jìn)給量為±0.02～±150 mm。不同的加工參數(shù)可通過型號選擇界面（圖5）來設(shè)置，加工過程中可將提前設(shè)置好的型號下載至PLC，點擊返回主界面進(jìn)行下一步操作，停頓時間在0.1～99.9 s范圍間。

圖4 機床控制主界面

圖5 型號選擇界面

1.3 機床水平進(jìn)給機構(gòu)

電解加工機床的水平運動進(jìn)給機構(gòu)采用滾珠絲杠螺母副作為運動執(zhí)行元件，滾動直線導(dǎo)軌副為導(dǎo)向支承，可將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，具有精度高、效率高、壽命長、磨損系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點，非常適用于小型數(shù)控機床[6]。本設(shè)計的水平進(jìn)給機構(gòu)由兩個直線運動的進(jìn)給機構(gòu)組成十字工作臺，其主要參數(shù)見表2，單個直線運動的進(jìn)給機構(gòu)見圖6[6]。

表2 十字工作臺的主要參數(shù)mm

圖6 單個直線運動的進(jìn)給機構(gòu)

機床的水平運動進(jìn)給機構(gòu)采用步進(jìn)電機進(jìn)行控制，與伺服電機控制相比，其在加工過程中的起動、驅(qū)動速度較小，不會因速度過高而引起丟步和力矩下降，且低速時出現(xiàn)的低頻振動現(xiàn)象可通過驅(qū)動器的細(xì)分技術(shù)來克服。

1.4 工具電極

針對臺階孔和直孔的電解加工，還研制了專用的工具電極。如圖7所示，在用于裝夾電極的固定端1上設(shè)有與單片機和電解液循環(huán)系統(tǒng)相連接的接口；2、3均為用于加工臺階孔的工具電極本體；4為用于加工直孔的工具電極本體；5為用于噴射電解液的通孔。

圖7 工具電極結(jié)構(gòu)簡圖

2 驗證實驗

為了驗證所設(shè)計的電解加工機床的可行性，選取厚度500 μm、長度60 mm、寬度20 mm的304不銹鋼作為工件材料進(jìn)行直孔電解加工實驗，自制工具電極直徑為200 μm，電解液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaNO3溶液。

利用普通電解加工機床和自制電解加工機床，在相同的工藝參數(shù)條件下進(jìn)行直孔電解加工對比實驗，實驗分三組進(jìn)行，加工結(jié)果見圖8?？煽闯觯诘谝唤M實驗中，普通機床加工的孔徑為304 μm，自制機床加工的孔徑為294 μm，孔徑相差10 μm；在第二組實驗中，普通機床加工的孔徑為336 μm，自制機床加工的孔徑為323 μm，孔徑相差13 μm；在第三組實驗中，普通機床加工的孔徑為325 μm，自制機床加工的孔徑為310 μm，孔徑相差15 μm。雖然三組實驗加工的孔徑有差異，但均顯示自制機床的加工孔徑比普通機床的加工孔徑小，說明自制機床的加工精度比普通機床高。不同的機床加工出的直孔實物圖見圖9。

圖8 兩種機床加工孔徑對比

圖9 不同機床電解加工直孔實物圖

3 結(jié)束語

本文所設(shè)計的電解加工裝置及電解液循環(huán)系統(tǒng)都采取了防腐蝕的措施，工具電極外表面涂有絕緣層，在整個加工過程中裝置運行平穩(wěn)、剛性好，可加工出滿足一定加工精度要求的直孔和臺階孔。與普通機床相比，在加工精度及孔徑尺寸方面都有很好的改善，且當(dāng)需要同時對一個工件進(jìn)行臺階孔和直孔加工時，其優(yōu)勢更加明顯，不需更換工具電極即可直接加工，進(jìn)一步提高了加工效率。

[1] 賈繼欣，曲寧松，房曉龍，等.毛細(xì)管電極電液束加工微小孔試驗研究[J].電加工與模具，2011（2）：29-32.

[2] MUNDAJ，BHATTACHARYYAB.Investigationinto electrochemical micromachining(EMM)through response surface methodology based approach[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，35（7-8）：821-832.

[3] 王建業(yè).電解加工技術(shù)的新發(fā)展--高頻窄脈沖電流電解加工[J].電加工與模具，1998（2）：37-41.

[4] 劉改紅，李勇，陳旭鵬，等.微細(xì)電解加工用電極的側(cè)壁絕緣及應(yīng)用實驗[J].電加工與模具，2009（4）：28-31，39.

[5] 王明環(huán).微細(xì)電解加工實驗研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[6] 曾繁章.微細(xì)電解加工裝備開發(fā)與實驗研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2006.