張明岐 ，潘志福 ，傅軍英 ，翟士民 ，金 歐

（1.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2.北京京儀椿樹整流器有限公司，北京 100040）

電液束工藝是為了滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制孔需求而發(fā)展起來的優(yōu)質(zhì)小孔加工技術(shù)。電液束加工孔的表面不會(huì)產(chǎn)生再鑄層、微裂紋及熱影響區(qū)[1]，避免了熱加工帶來的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，電液束加工小孔的孔口過渡圓滑、孔壁平直，無(wú)毛刺，孔表面粗糙度值低，微觀組織保持完整[2]。因此，電液束加工以其公認(rèn)的高品質(zhì)迅速成為先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)中的重要制孔技術(shù)。

電液束加工一般采用毛細(xì)玻璃管作為電極，適合加工直徑為0.2～1.2 mm的小孔[3]，但對(duì)于直徑超過1.2 mm的導(dǎo)向葉片氣膜冷卻孔來說，現(xiàn)有的電液束加工技術(shù)由于毛細(xì)玻璃管電極強(qiáng)度、剛性的限制，難以實(shí)現(xiàn)正常加工。而對(duì)于要求很高的航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶材料葉片冷卻孔，傳統(tǒng)的激光、電火花等加工工藝因易產(chǎn)生再鑄層、微裂紋等缺陷而難以勝任高品質(zhì)加工；對(duì)于其他武器裝備中出現(xiàn)的高品質(zhì)大深徑比超長(zhǎng)深孔，至今仍沒有良好的加工技術(shù)解決途徑。

金屬型管加工技術(shù)是建立在電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理上，將電液束加工與傳統(tǒng)電解加工相結(jié)合的一種孔加工技術(shù)。以外表面涂覆絕緣涂層的金屬型管作為電極，以酸性溶液作為電解液，加工過程中金屬工件接直流電源正極，金屬型管電極接電源負(fù)極，使凈化的酸性溶液通過金屬型管內(nèi)腔流入加工區(qū)域，進(jìn)而對(duì)陽(yáng)極工件進(jìn)行“溶解”加工[4]。其中，金屬型管電液束加工自動(dòng)極性變換電源是應(yīng)金屬管電極表層沉積變化而研制的新型加工電源，用于穩(wěn)定金屬型管電液束加工過程，并優(yōu)化小孔加工質(zhì)量，其加工過程原理見圖1。

金屬型管電液束加工無(wú)應(yīng)力和電極損耗，加工表面不產(chǎn)生再鑄層、微裂紋及熱影響區(qū)，和玻璃管電極電液束加工技術(shù)相比，在保證電極強(qiáng)度與剛性方面具有更高的優(yōu)勢(shì)，更適合較大直徑孔的高品質(zhì)加工[5]。通過超長(zhǎng)管電極或異型電極的制備，可使更大深徑比的小孔和各種異型孔的加工成為可能。

圖1 金屬型管電液束自動(dòng)極性變換加工原理示意圖

1 金屬型管電液束加工電源要求

在金屬型管電液束加工過程中，陽(yáng)極工件與金屬型管電極端部的臨近部分不斷地被高速溶解；同時(shí)，電解液中的工件鈍化所形成的正離子團(tuán)會(huì)從陽(yáng)極區(qū)域以電泳形式轉(zhuǎn)移到陰極區(qū)域，在沖刷不利時(shí)會(huì)吸附和粘結(jié)于工具陰極表面，這就相當(dāng)于陰極的形狀、尺寸發(fā)生了改變，導(dǎo)致了加工誤差的產(chǎn)生，難以保證小孔加工的直線度（圖2）。由于陰極吸附作用在加工過程中會(huì)不斷累加，導(dǎo)致極間間隙阻抗增大、加工能耗增大，改變了工具陰極表面的電化學(xué)特性，進(jìn)而影響工件陽(yáng)極去除特性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)短路現(xiàn)象。

圖2 陰極沉積影響加工孔型尺寸示意圖

國(guó)內(nèi)外研究表明：在脈沖電解加工中，脈沖電流關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)的短時(shí)反向電流能有效消除陰極吸附并去極化，加速對(duì)上一脈沖周波中的陽(yáng)極表面鈍化產(chǎn)物的活化作用，提高陽(yáng)極表面的活化程度[6]。由此可見，反向電流施加的主要目的是防止陰極端部出現(xiàn)沉積薄膜而阻礙陽(yáng)極溶解[7]，對(duì)提高加工穩(wěn)定性具有重要作用。

因此，針對(duì)金屬型管電液束加工過程中出現(xiàn)的陰極吸附而發(fā)生極化、難以保證孔形或不能持續(xù)加工等現(xiàn)象，提出了自動(dòng)極性變換電源的技術(shù)要求，該技術(shù)通過加工過程中定時(shí)自動(dòng)加載反向電壓，有效消除陰極吸附并去極化。但施加反向電壓需掌握其幅值，如果反向電壓幅值偏大，會(huì)導(dǎo)致工具陰極發(fā)生電化學(xué)溶解，反之則不能有效發(fā)揮反向電流去陰極沉積的作用[8]；再者，電源的波形、電壓、穩(wěn)壓精度和短路保護(hù)功能都直接影響陽(yáng)極溶解過程[9]。因此，既要滿足極性變換的特殊功能，又要保證電源的輸出品質(zhì)，以此為主要技術(shù)要求研制金屬型管電液束加工專用電源，作為金屬型管電液束加工工藝的重要硬件基礎(chǔ)。

金屬型管電液束加工在供電制度上與普通電液束加工有很大區(qū)別，專用電源需具備極性自動(dòng)換向功能，如圖3所示，在電源持續(xù)正向工作一段時(shí)間后，自動(dòng)變換成反向電壓，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)反極性去除陰極沉積，以保證加工過程的順利進(jìn)行，進(jìn)而突破深孔持續(xù)送進(jìn)加工技術(shù)并保證加工孔形精度。

圖3 定時(shí)施加反極性示意圖

根據(jù)金屬型管電液束加工需求，專用電源應(yīng)具備幾項(xiàng)基本功能：

（1）穩(wěn)壓工作方式。加工時(shí)，先預(yù)調(diào)到設(shè)定電壓值，并在加工過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓，且正、反向電壓均可設(shè)置。

（2）穩(wěn)流工作方式：在面板上先預(yù)設(shè)穩(wěn)流值，加工開始時(shí)按穩(wěn)壓方式進(jìn)行，當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到預(yù)設(shè)的穩(wěn)流值時(shí)，電源自動(dòng)變換到穩(wěn)流工作狀態(tài)。其中，在反向電壓工作時(shí)，僅需穩(wěn)壓控制方式。

（3）可實(shí)現(xiàn)加工過程中的自動(dòng)換向功能。在持續(xù)施加正向電壓工作一段時(shí)間后，自動(dòng)施加反向電壓，如此進(jìn)行往復(fù)連續(xù)工作，且正、反向電壓及其工作時(shí)間均可設(shè)置。其中，正向電壓工作段可采用穩(wěn)流工作方式。

（4）具備限流值可調(diào)的限流關(guān)斷功能、火花和過流短路關(guān)斷功能。

2 金屬型管加工電源的研制

在研制金屬型管加工專用電源時(shí)，除了常規(guī)直流電源的額定電流、額定電壓、紋波系數(shù)、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度外，還應(yīng)保證滿足自動(dòng)換向的工作指標(biāo)，包括正、反向電壓值及其持續(xù)時(shí)間、穩(wěn)壓/穩(wěn)流模式變換等。電源制作完成后，還應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)檢查，利用模擬負(fù)載進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，測(cè)定電源的各種性能指標(biāo)。最后，需對(duì)電源進(jìn)行實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)測(cè)試，確定輸出正向電壓值與時(shí)間、反向電壓值與時(shí)間等電源加工參數(shù)范圍，并驗(yàn)證電源的功能及可靠性。

在金屬型管加工過程中，電源工作的可靠性要求高，在穩(wěn)壓或穩(wěn)流模式下需控制波紋度，同時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)電源極性切換的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。此外，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，應(yīng)能保證及時(shí)切斷電源，以防工件與電極的燒傷。因此，研制專用電源時(shí)，需解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：

（1）正、反極性的可靠切換與穩(wěn)定輸出

為了保證輸出品質(zhì)，電源技術(shù)方案采用三相橋式整流結(jié)構(gòu)，帶平衡電抗器的雙反星形整流電路，并采用晶閘管整流方式。考慮到金屬型管電液束加工電壓恒定的要求，在變壓器原邊增加用于調(diào)整輸出電壓的抽頭，控制晶閘管在較大觸發(fā)角時(shí)輸出的紋波水平。晶閘管采用反并聯(lián)模塊，用于實(shí)現(xiàn)反向電壓輸出（圖4）。設(shè)計(jì)的勵(lì)磁電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析見圖5，系統(tǒng)流程見圖6。

圖4 電源波形示意圖

圖5 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析原理圖

圖6 系統(tǒng)流程框圖

專用電源的硬件電路包括主電路和控制電路兩個(gè)部分。主電路主要包括反并聯(lián)二極管的調(diào)壓電路及對(duì)應(yīng)的變壓器；控制電路主要包括主控制器、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)采樣電路、過熱等保護(hù)電路、觸摸屏人機(jī)界面及CAN通訊電路等。每一塊DSP控制板對(duì)應(yīng)一組輸出方式，電壓、電流信號(hào)經(jīng)真有效值電路采樣后，由PID運(yùn)算導(dǎo)通周期，再與給定量對(duì)比后控制導(dǎo)通角的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流電壓的穩(wěn)壓、輸出調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)選用一塊控制板作為主板，進(jìn)行時(shí)間信號(hào)輸入及正向電壓脈沖輸出，兩塊控制板間通過CAN總線實(shí)現(xiàn)通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)另一塊DSP板的反向電壓脈沖輸出。此外，主板還進(jìn)行主接觸器的分合閘控制及故障發(fā)生后的分勵(lì)保護(hù)。

控制系統(tǒng)通過采用TMS320LF2407A型控制器為核心的DSP控制板實(shí)現(xiàn)，而雙窄脈沖觸發(fā)由事件管理器模塊EVA和EVB中的PWM通道實(shí)現(xiàn)。該型號(hào)DSP帶有16個(gè)內(nèi)置采樣/保持的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC，配合外部真有效值采樣電路可完成電流及電壓轉(zhuǎn)換，也可完成溫度、壓力的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電源輸出的閉環(huán)控制及故障報(bào)警等功能。電源通過測(cè)試后，紋波系數(shù)達(dá)到2%（50%負(fù)荷條件下），兩種輸出模式中的穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度達(dá)到0.5%。

（2）通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)極性切換的自動(dòng)化控制

通過高性能數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制，重點(diǎn)開展三方面的研究：①數(shù)字化的電源系統(tǒng)控制可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流等數(shù)據(jù)，發(fā)生故障時(shí)迅速啟動(dòng)保護(hù)；實(shí)現(xiàn)功率閉環(huán)的PID控制算法；雙窄脈沖的計(jì)算生成、移向角計(jì)算及完善的過流過壓保護(hù)功能；② 數(shù)字化的人機(jī)交互平臺(tái)可通過Modbus通信與通態(tài)觸摸屏進(jìn)行串口通信，操作直觀方便；③ 雙DSP通信控制，通過CAN總線方式實(shí)現(xiàn)雙DSP板的協(xié)調(diào)工作。

專用電源的主程序流程見圖7。為了便于操作及程序兼容，系統(tǒng)通過觸摸屏與DSP控制板經(jīng)由RS485通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示及參數(shù)設(shè)定。采用Modbus協(xié)議通過主從方式實(shí)現(xiàn)通信，主機(jī)數(shù)據(jù)幀包含從站地址信息和讀寫數(shù)據(jù)的功能碼，從機(jī)在接收與自己地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀信息后，根據(jù)功能代碼做出相關(guān)響應(yīng)，并按不同的功能代碼組成數(shù)據(jù)幀或操作回應(yīng)幀進(jìn)行回應(yīng)；若地址不符，則不予處理。

圖7 主程序流程圖

（3）實(shí)現(xiàn)加工過程中的短路保護(hù)功能

在金屬型管電液束加工過程中，由于加工區(qū)狀態(tài)改變，包括陰極沉積、阻塞、空穴、熱沸騰等原因，會(huì)使陰極與工件接觸而發(fā)生短路，進(jìn)而導(dǎo)致加工過程中斷，電極和工件被燒傷甚至報(bào)廢。因此，可靠的短路保護(hù)已成為加工電源的基本功能。

在電解加工過程中，加工電流的正向或負(fù)向產(chǎn)生突變是短路的重要前兆。檢測(cè)電路由集成運(yùn)算放大器組成，通過給定基準(zhǔn)電壓與實(shí)際輸出電壓的比較產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，達(dá)到檢測(cè)的目的；當(dāng)檢測(cè)到短路信號(hào)后，再由電源執(zhí)行關(guān)斷。短路信號(hào)檢測(cè)原理示意見圖8。

圖8 方法短路信號(hào)檢測(cè)原理圖

在設(shè)計(jì)檢測(cè)電路時(shí)，需合理設(shè)定和調(diào)節(jié)信號(hào)檢測(cè)的靈敏度，保證只在監(jiān)測(cè)到的短路預(yù)兆信號(hào)達(dá)到此水平時(shí)，切斷保護(hù)系統(tǒng)才動(dòng)作。這是由于短路預(yù)兆信號(hào)小于某臨界值時(shí)，不一定會(huì)引發(fā)短路，而此臨界值又隨著不同的加工狀況而異。針對(duì)不同的直流整流加工電源波形和加工狀態(tài)，加工過程中的短路預(yù)兆信號(hào)的表現(xiàn)形式采用可存儲(chǔ)示波器進(jìn)行信號(hào)的捕捉儲(chǔ)存，據(jù)此分析短路預(yù)兆信號(hào)的出現(xiàn)規(guī)律，作為系統(tǒng)研制、調(diào)試的主要技術(shù)參數(shù)依據(jù)。

測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用模擬短路的方法進(jìn)行：一是在模擬負(fù)載上快速調(diào)節(jié)電阻值，同時(shí)調(diào)節(jié)比較器參數(shù)即靈敏度；二是在電源輸出的正負(fù)極各接入多股粗導(dǎo)線，實(shí)驗(yàn)時(shí)分別抽出一股細(xì)導(dǎo)線進(jìn)行短接。測(cè)試時(shí)，在示波器上觀察切斷時(shí)間 （從信號(hào)檢測(cè)至電源關(guān)斷、大電流降為零的總時(shí)間），多次實(shí)測(cè)切斷時(shí)間Toff為50～150 μs。測(cè)試實(shí)驗(yàn)基本實(shí)現(xiàn)了加工面在短路時(shí)無(wú)明顯燒傷。

加工電源制造安裝后，經(jīng)靜態(tài)檢驗(yàn)，其功能與指標(biāo)均達(dá)到預(yù)設(shè)要求。電源的額定電流為1000 A、額定電壓為24 V、反向電壓值為0.5～4 V、正向工作時(shí)間為 0.1～50 s、反向工作時(shí)間為 0.05～5 s，電源的實(shí)物照與主控界面分別見圖9和圖10。該專用電源實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓與穩(wěn)流兩種工作方式和加工過程中的自動(dòng)換向功能，可通過設(shè)置確定正、反向電壓及其持續(xù)時(shí)間。圖11是電源工作過程中自動(dòng)變換正向與反向電流的兩種狀態(tài)。該電源運(yùn)行穩(wěn)定，正、反極性輸出可靠，可用于后續(xù)的金屬型管加工實(shí)驗(yàn)。

圖9 電源內(nèi)部實(shí)物照

圖10 電源主控界面

圖11 電加工過程中的電流波形圖

3 工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

電液束加工專用電源經(jīng)靜態(tài)調(diào)試后，進(jìn)行了工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。通過合理選擇正、反向電壓幅值和工作時(shí)間，既能實(shí)現(xiàn)材料的有效去除，又能及時(shí)溶解陰極沉積產(chǎn)物，防止發(fā)生短路或因陰極沉積影響加工的孔型和精度。

將自動(dòng)極性變換電源連接電液束加工設(shè)備及輸液系統(tǒng)，通過金屬型管小孔加工實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)電極狀態(tài)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)電極拋光圈擴(kuò)大，且出現(xiàn)了局部保護(hù)層脫落現(xiàn)象。主要原因是反向電壓施加不合理，導(dǎo)致陰極腐蝕；調(diào)整反向電壓參數(shù)后繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后檢查電極，未發(fā)現(xiàn)絕緣涂層脫落現(xiàn)象。由此可看出，反向電壓施加的持續(xù)時(shí)間是關(guān)鍵的調(diào)節(jié)參數(shù)。

反向電壓施加實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖12?？煽闯?，當(dāng)反向電壓低于2 V時(shí)，可獲得陰極無(wú)損傷的參數(shù)；隨著反向電壓施加時(shí)長(zhǎng)的增加，陰極損傷呈線性增加趨勢(shì)；當(dāng)反向電壓超過3 V時(shí)，電極損傷幾乎不可避免。由圖12還可看出，當(dāng)反向電壓為0.5、0.8 V時(shí)，均出現(xiàn)了瞬時(shí)短路火花。反向電壓的大小及施加時(shí)間的選擇是基于保證電極不被反向電壓腐蝕為主要依據(jù)，即電源參數(shù)以保全電極拋光圈大小為前提。結(jié)合國(guó)內(nèi)外資料及本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定電源的正、反向電壓參數(shù)為：正向電壓15～20 V，施加10～30 s；反向電壓 1～2 V，施加 0.5～1 s。

圖12 反向電壓施加試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

金屬型管電液束加工技術(shù)是典型的電化學(xué)冷加工制孔工藝，適合大孔徑的高品質(zhì)孔加工，加工孔的深徑比可達(dá)300∶1，是實(shí)現(xiàn)超深孔及異型深孔加工的有效解決方法。自動(dòng)極性變換電源可有效解決金屬型管電液束加工過程中陰極沉積的動(dòng)態(tài)去除，實(shí)現(xiàn)陰極沉積狀態(tài)的自動(dòng)有效控制。本文通過工藝試驗(yàn)，證明了金屬型管電液束加工工藝的可行性，確定了參數(shù)優(yōu)化方向，獲得了電源正、反向電壓參數(shù)：正向電壓 15～20 V，施加 10～30 s；反向電壓1～2 V，施加 0.5～1 s。