陸曉淳，許慶平，顧林峰，季希寧，周 明

（ 蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇 蘇州 215011 ）

近年來，隨著汽車船舶發(fā)動機控制技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)動機缸體為適應(yīng)油路精細化控制并提高燃燒效率，缸體油道內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越復(fù)雜，缸體需要去除毛刺的精細部位增多，去除不到位會增加油路堵塞的風(fēng)險。 電化學(xué)去毛刺是一種非接觸式的加工方式，能實現(xiàn)發(fā)動機缸體多油路毛刺的有效去除。 眾多學(xué)者針對電化學(xué)去毛刺開展了機理分析和設(shè)計工作。 呂蒙[1]根據(jù)脈沖電化學(xué)去毛刺加工的電源工藝參數(shù)和柔性化加工要求， 設(shè)計了高效能、數(shù)字化的大功率脈沖加工電源，使其能滿足大多數(shù)情況下去毛刺加工對電源參數(shù)的要求。 劉嘉航[2]利用計算機仿真技術(shù)對電化學(xué)去毛刺加工過程中的流場和電場進行分析，優(yōu)化了交叉孔毛刺去除的電解液流動方式，再從液壓閥去除毛刺效率和加工要求的角度考慮，設(shè)計了適合去毛刺的脈沖電源及關(guān)鍵部件，使得交叉孔邊緣的毛刺得以完全去除。 程紅亮[3]分別對固定式陰極脈沖電解加工和恒間隙脈沖電解加工的加工機理進行分析，從本質(zhì)上確定了工藝參數(shù)及對精度指標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而提高了電解去毛刺的加工精度。

本文通過研究多回路脈沖電化學(xué)去毛刺精整技術(shù)，采用脈沖型電解電源，研制出在一次加工中能夠?qū)崿F(xiàn)同一零件不同去毛刺部位、 不同毛刺形態(tài)、不同毛刺去除要求的電化學(xué)多回路脈沖去毛刺設(shè)備，并與電化學(xué)多回路直流去毛刺設(shè)備進行了實際加工對比，檢驗設(shè)備的加工性能。

1 電化學(xué)多回路脈沖去毛刺設(shè)備的設(shè)計

1.1 主機設(shè)計

主機是數(shù)控機床的主體，其性能對工件的加工精度、 加工效率與表面質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)發(fā)動機缸體油道形狀和位置分布，主機設(shè)計采用臥式布局[4]，具有結(jié)構(gòu)剛性大、設(shè)備精度高、穩(wěn)定性好、精度保持性好等優(yōu)點。

主機采用全防腐鋼板焊接結(jié)構(gòu)，工作區(qū)域由全不銹鋼制成。 工作臺前后移動的設(shè)計使工件的裝卸在機床加工區(qū)域外進行，雙導(dǎo)柱的形式使防濺防腐更為可靠，“兩銷一面”的工件定位方式和工作臺前端的機械限位擋塊，使工件上料定位更加穩(wěn)定。

1.2 工具電極設(shè)計

為實現(xiàn)缸體油道多個交叉孔的同步加工，在單電極單回路放電基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)計了多回路加工結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)與電極布位如圖1 所示。 根據(jù)圖中設(shè)置的左上電極、右上電極、左電極及右電極回路，形成了四電極四回路放電結(jié)構(gòu)。 在加工時，多頭工具電極與工件各自形成單獨的加工回路獨立加工，互不干涉。 工具電極的進給及回退由對應(yīng)的氣缸控制，其結(jié)構(gòu)采用雙導(dǎo)柱形式，并在左、右工具電極的兩導(dǎo)柱前端裝有電極導(dǎo)向器組件，可使電極到達工件的毛刺部位。

圖1 多頭多回路電極位置

根據(jù)發(fā)動機缸體的實際毛刺情況，應(yīng)用防腐蝕放電遮蔽技術(shù)對多頭工具電極進行了合理設(shè)計，在保證缸體工件高效去除毛刺的同時，保護非毛刺部位表面的原始精度和質(zhì)量[5]，單個工具電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。 電極桿材料為奧氏體不銹鋼，具有很好的剛性和耐腐蝕性，在其外部熱熔包裹一層厚度約2 mm 的三丙聚丙烯材料，用于絕緣遮蔽，牢固且耐磨。 各電極頭單獨固定在電極桿上，便于損傷后的更換，降低電極使用成本。

圖2 電極設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

電極的設(shè)計采用內(nèi)沖液結(jié)構(gòu)，僅在和毛刺相貫線形狀相同位置開設(shè)出液縫，寬度約為1 mm；相較外沖液，由于工作液噴口為相貫線形狀，所噴工作液全部作用于毛刺放電溶解， 提高工作液使用效率，使得近端和遠端的各個電極頭及各個電極桿沖液壓力與流量都保持一致，保證加工余量的均勻。

1.3 脈沖電源設(shè)計

針對多回路的特點設(shè)計脈沖電源形成四路獨立的放電回路，每一路脈沖電源的脈沖寬度、脈沖間隔、頻率和加工時間都可獨立控制[6]。 圖3 是多回路脈沖電源的工作原理，用戶可根據(jù)零件各部位毛刺大小和加工品質(zhì)要求，調(diào)用數(shù)據(jù)庫參數(shù)，精準控制零件各部位毛刺的去除量，實現(xiàn)發(fā)動機缸體不同部位毛刺的精準去除。

圖3 多回路電源總體結(jié)構(gòu)圖

該電源采用了多回路隔離、協(xié)調(diào)、抗干擾技術(shù)，具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流特性，可實現(xiàn)多回路電源加工電流的分配及過流、過壓、超溫、過載保護[7]。 電源系統(tǒng)由直流與脈沖兩部分構(gòu)成，直流部分利用變壓器附邊調(diào)壓、主回路雙反星型整流設(shè)計，實現(xiàn)直流電壓可調(diào)、電流分檔定值控制；脈沖部分通過對直流輸出的二次處理，通過濾波電路、脈沖控制板、功率IPM放電回路，實現(xiàn)直流電壓脈沖形式的放電加工。

1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)備控制系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）、機床電器、對刀檢測和定值電流控制電路等組成，用于手動操作和自動循環(huán)的控制。 手動操作通過控制工作臺移動、側(cè)向和上側(cè)電極移動、防濺擋門移動、主泵開關(guān)、短路檢測、過濾等功能來控制各模塊的工作方式；自動循環(huán)則是機床處在原位時，按下啟動按鈕，自動執(zhí)行一個周期操作，操作完畢后機床停在原位，設(shè)備控制系統(tǒng)流程如圖4 所示。

圖4 設(shè)備控制系統(tǒng)流程圖

電氣系統(tǒng)的電源控制由準備按鈕、急停按鈕控制。 短路檢測是在加工前對電極和工件進行動態(tài)短路檢測，以避免因短路而引起的工件與電極的放電燒傷，保護電源的可靠工作。 在機床電氣控制中，設(shè)置了行程開關(guān)、接近開關(guān)，對控制順序的先后和連鎖起了雙重保護[6-7]。 行程開關(guān)與接近開關(guān)的作用是確保各電極、擋門與工作臺的正確位置，以防止電極和工件發(fā)生碰撞。

2 工藝試驗

影響多回路脈沖電解去毛刺加工效果的工藝因素很多，工具陰極的合理設(shè)計、脈沖電源的參數(shù)選擇、工作液的成分與濃度、流場與電場、加工時間、流場特性等都對加工結(jié)果產(chǎn)生重大影響[8]。 本文通過制定表1 所示的加工試驗條件，對比原直流電化學(xué)去毛刺設(shè)備與新研制的脈沖電化學(xué)去毛刺設(shè)備加工缸體機械孔的表面毛刺去除質(zhì)量，檢驗新設(shè)備的加工性能。

表1 加工試驗條件

圖5 是采用兩種電源加工缸體毛刺部位的實際效果。 可以看出，采用直流電源的電化學(xué)去毛刺設(shè)備未能很好地去除工件表面毛刺，存在加工不完全現(xiàn)象； 而脈沖電化學(xué)去毛刺設(shè)備可將輪廓邊倒圓，加工質(zhì)量得到大幅改善。

圖5 直流與脈沖電源實際加工效果對比

為更好地剖析加工效果，通過形狀測量激光顯微系統(tǒng)觀察加工部位表面質(zhì)量[9-10]，生成的三維表面輪廓效果如圖6 所示。 可看出，相同加工條件下，電化學(xué)直流去毛刺設(shè)備加工的缸體油路部位仍有去除不均勻現(xiàn)象，且工件表面不光滑；而脈沖電化學(xué)去毛刺設(shè)備不僅能有效去除缸體油路的毛刺，還因為脈沖電源電流密度的自適應(yīng)特性，極大改善了工件表面質(zhì)量，滿足發(fā)動機缸體多油路去毛刺需求。

圖6 直流與脈沖加工表面輪廓效果對比

3 結(jié)束語

為滿足缸體產(chǎn)線自動化生產(chǎn)、減少機械臂裝夾次數(shù)，設(shè)計了一種發(fā)動機缸體多回路結(jié)構(gòu)，并針對發(fā)動機缸體多油路去毛刺問題，研制了一款電化學(xué)多回路脈沖去毛刺設(shè)備，通過與直流去毛刺設(shè)備進行工藝試驗對比，證明設(shè)計的電化學(xué)多回路脈沖去毛刺設(shè)備可實現(xiàn)缸體油道的多個交叉孔同步去毛刺加工，且加工穩(wěn)定、去毛刺效果好，極大改善了工件表面質(zhì)量。