精密脉冲电解磨削的电源和试验研究

机械公敌

[摘要]　根据提高电解磨削质量关键在于电解和机械作用合理匹配这一原则，提出了改善加工效果的相应措施，对采用恒流源的电解磨削机理进行了探讨，研制了小孔电解磨削的可调恒流脉冲电源，进行了工艺试验，给出了试验结果。 & i* l5 w' B1 W; _1　问题的提出 . b. O+ G) m4 \8 @/ _　　电解磨削最早应用于磨削硬质合金。由于设备投资大，机床维护复杂，因而其发展速度比较缓慢。但由于该方法具有较好的整平能力，磨削力和磨削热又很小，表面无烧伤和裂纹，因此用在某些领域还有很大的优势。为此，国内外一直致力于提高它的加工质量。近年来，较新的方法是采用脉冲电源进行电解磨削，更有效地改善了加工效果。我们也开展了这方面的初步研究，以下对其进行一些介绍和探讨。 2　改善电解磨削加工质量的措施 & {3 N* s4 l# `0 ^. j2.1　影响电解磨削加工质量的关键因素 E* b+ P! C! j9 e3 d9 U5 K　　多年来，为了提高电解磨削的加工质量，国内外进行了许多研究。过去的研究主要局限于考虑两个主要参数——电极电压和进给速度，即从电解作用和机械作用两个方向来进行研究，并一致认为实现二者之间的合理匹配是提高电解磨削加工质量的关键。有关资料还对二者之间的匹配比例进行了量化，认为90%的材料由电解溶解，10%的材料由机械去除为最佳匹配。事实上我们也在试验中发现，若电解作用过强，则砂轮的机械整平作用显著减弱，表面粗糙度值升高，且工件不光亮；反之，若电解作用过弱，机械作用过强，则电解磨削近似于普通机械磨削，表面出现划痕，表面粗糙度值也升高。 . G) B! }) ^9 D- g2 J4 F% P5 r7 x/ M! u2.2　调整电解和机械作用精密匹配的措施 　　①　减小机械进给 ( ?5 B! D7 o& M R! n, B# R' R　　为了精密调节电解和机械作用的匹配，需要在电解和机械两方面入手。机械作用的调节重要的是要能实现微量进给，每次进给量很小，这样机械作用能够实现精密调节。 ( \7 H W% K) g4 P `4 ]( W　　②　采用脉冲电源 " l0 z2 X# e% w8 a　　电解作用的调节，以往是通过调节电压来实现的。但极间电压不能太小，因为从金属的阳极极化曲线（图1中曲线2）看到，阳极电位必须达到一定值才能发生阳极电解溶解。各种金属在特定的电解液中存在一个最低溶解电压，极间电压只有大于此值，金属才能溶解，而在精密电解加工时需要电解作用较小，这就产生了矛盾。在这种情况下，可以采用脉冲电源，通过减小脉冲电源的占空比来缩短电解作用时间，以实现电解作用的微量调节。 ^5 a1 H% A9 }( f4 r% u& W r

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图1　电极极化曲线

　　另外，脉冲电解磨削对电解液产生扰动作用，使得电解产物易于排除，电解液更新加快，电解液流场更均匀，从而改善了加工效果。 % o3 G4 e0 S" M　　③　采用电流调节 　　电解和电解磨削过去所用的电源一直用电压调节电流，但从电解磨削加工过程来看，直接采用电流调节更合理。因为，根据法拉第定律：M=ηKIt 式中　M——电极上溶解或析出物质的重量； 　　　K——被电解物质的重量电化学当量； 　　　I——电解时的加工电流； 　　　η——电流效率； 　　　t——电解时间； * c( k0 B. B* r1 Z# R% S　　可以看出，电解作用去除量的大小直接和电流I成比例，它与电压无直接关系。而在加工体系中，极间电压U和加工电流I具有如下间接关系： + p3 H4 |6 k5 b/ q, V

U=U[sub]1[/sub]+IR+U[sub]2[/sub]

式中　U[sub]1[/sub]、U[sub]2[/sub]分别为阴极和阳极的极化电位。若采用电压调节，尽管可使极间电压U恒定，但电解加工期间，由于气泡和电解产物产生、排除以及极间间隙的变化，使极间电阻R的波动不可避免，因而电流会相应变化，这使得电解作用量不可精确控制，采用电流调节则不存在这个问题，尽管极间电压会波动，但不影响电解作用去除量，只要保证所用电压高于工件金属的阳极溶解电压即可。 - _/ ^9 c, t5 _4 G1 L5 F8 M2.3　恒流源对工件表面整平机理的解释 5 _) u2 v9 Q+ e7 K0 Z5 C6 A1 z　　电解磨削的整平机理是，工件在电解作用下，表面被氧化生成阳极钝化膜，该膜的电阻较大，阻碍着电解进行。高点处的钝化膜不断被砂轮刮掉，露出新的金属继续被电解，因而高点处的金属溶解较快。低点由于钝化膜的保护溶解较慢，工件在微观高低点去除速度差的存在使工件不断被整平。采用可调的恒流电源时，控制的是外电路电流恒定，而不是加工区各处的电流密度恒定。相反，砂轮刮除高点钝化膜的本质没有改变，因而微观高低点依然存在去除速度差，工件能够不断被整平。 5 Y. a+ _" S' [. ]3　可调的恒流脉冲电源的研制 3.1　总体设计 ( S% `( k$ A k: k　　本文的加工对象为Ф2mm的孔，所用工具为Ф1.8mm×2mm的电解磨头。由于加工区相对的面积很小，所需电流不大，为此，电源总体组成如图2所示。其中R[sub]L[/sub]为负载电阻。整个电源可通过拨档开关选择直流和脉冲两种输出方式。 0 z9 W8 T4 }8 K

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图2　电源组成原理图

3.2　电流源的设计 % V7 {; R2 C7 s% r, u　　电流源将全波整流的电压U[sub]i[/sub]转换成直流电流I[sub]o[/sub]输出给负载R[sub]L[/sub],电路采用CW317芯片实现，原理如图3所示。由于电流源两端不能开路，在负载两端接一旁路电阻R,电流通过可调电阻R[sub]2[/sub]进行调节。该电源最大输出电流可超过1A,能够满足小孔电解磨削的需要。 ' ?8 x& q6 y! r! G

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图3　可调恒流电源原理图

3.3　主振级的设计 & j9 r5 v3 {# |3 H5 `7 i; y　　本文的脉冲电源主振级由555集成电路实现，原理如图4所示。在该电路中通过调节电位器R[sub]2[/sub]和R[sub]3[/sub]可实现脉宽、脉间的连续调节；改变电容C[sub]1[/sub]的取值可改变脉宽、脉间的调节范围。该电路的脉宽和脉间可在70μs～3.36ms之间调节，脉冲周期在140μs～6.72ms之间调节。

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图4　脉冲电源主振级原理图

4　脉冲电解磨削的工艺试验 4.1　脉冲电解磨削对尺寸去除量的影响 / a7 a7 D) p( N5 }　　在不同的加工电参数下对Ф2mm的小孔进行加工试验。试验中每隔一定的时间（电解磨头沿轴向往复运动一次）测量一次去除量，测量取5点平均值。所用仪器为中原量仪厂的DGC-8ZG电感式传感器和DGS-6B数显电感测微仪，该仪器的最小分辨率为0.01m,测量误差±0.05μm,测量结果如图5所示。其它试验条件为：电解液为NaNO[sub]3[/sub]和NaNO[sub]2[/sub]基复合溶液；径向单步进给量1μm;电解磨头往复运动速度30mm/min;脉冲宽度0.25ms;脉冲间隔0.25ms、0.5ms、0.75ms;峰值电流密度0.9A/cm[sup]2[/sup]、1.4A/cm[sup]2[/sup]、1.9A/cm[sup]2[/sup]、2.4A/cm[sup]2[/sup]。 ) |1 i" s) Q0 F

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图5　脉冲电解磨削时的尺寸精度

　　试验结果表明，在不同电流密度下，脉冲电解磨削时的工件去除量要小于直流电解磨削时的去除量，即脉冲电解磨削具有更高的尺寸可控性，加工精度较高。另外，在电解电量（电解电流I和电解时间t的乘积）相同的情况下，脉冲电解磨削时的加工去除量要比直流电解磨削时的去除量大。这是由于脉冲电解磨削时电解作用间歇进行，对电解液产生了扰动作用，使得电解产物更容易排除。另外，也因为在脉冲电解磨削时电解液有较多的时间更新，极间流场特性改善，使得有些成分能形成价氧化物溶解。 ' g$ `) o- g* d- n4.2　脉冲电解磨削对表面粗糙度的影响 　　前面的机理分析说明，脉冲电解磨削可以获得更好的表面质量，本文对此进行了试验，试验结果如图6所示。试验条件为：电解液为NaNO[sub]3[/sub]和NaNO[sub]2[/sub]基复合溶液，径向单步进给量1μm,电解磨头往复运动速度30mm/min,脉冲宽度0.25ms,脉冲占空比1:2、1:3、1:4,峰值电流密度0.9A/cm[sup]2[/sup]、1.4A/cm[sup]2[/sup]、1.9A/cm[sup]2[/sup]、2.4A/cm[sup]2[/sup]。

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图6　电解磨削对表面粗糙度的影响

　　试验结果表明，脉冲电解磨削要比直流电解磨削的加工质量高。而且，脉冲电解磨削时占空比增大，表面质量也相应提高。这是因为在脉冲间隔期加工区的析热、析气以及电解产物得以充分排除，电解液有较多的时间更新，使电解液的流场和温度场更均匀所至。 5　结论 　　电解磨削要获得较高的加工质量，关键在于电解和机械作用的合理匹配。本文采用新研制的可调恒流脉冲电源进行了电解磨削试验，证明脉冲电解磨削比直流电解磨削有更好的加工质量。