脉冲电解加工工艺规律研究.docx

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脉冲电解加工工艺规律研究

脉冲电解加工工艺规律研究

摘要

脉冲电解加工与传统直流电解加工相比，是电解加工工艺方法的新变革。

本文对脉冲电解加工工艺规律进行了试验研究，具体分析了脉冲电解加工中加工电压、进给速度、加工温度三个因素对加工精度和表面质量的影响规律。

通过工艺试验的设计，分别进行了预可调参数确定实验，正交试验设计和再扩充试验；通过对测试方法和评价方法的合理选择，测试反映加工精度和表面质量的指标参数；通过对数据的极差分析处理，得出加工电压、进给速度、加工温度三者对脉冲电解加工的影响规律，从而为脉冲电解加工的进一步扩大应用提供了可靠的工艺技术参考。

同时还设计了一套电解加工夹具工装图，进行试验研究。

关键词：

脉冲电解加工；电解加工；正交试验；夹具

ResearchonPulseElectrochemicalMachiningCraftRule

Abstract

ComparingthepulseelectrochemicalmachiningwiththetraditionaldirectcurrentECM,theformerisanewtransformationoftheECMtechnique.ThisarticlehasconductedtheexperimentalstudytothePECMcraftrules,specificallyanalyzingthefactorsPECMwhicharemachiningthevoltage,toenterforthespeed,themachiningtemperatureandtheirinfluentialrules　tomachiningprecisionandthesurfacequality[27].Throughthetechnologyexperimentaldesign,separatelycarriedonpre-hasbeenpossibletoadjusttheparameterdeterminationexperiment,theorthogonalexperimentaldesignandexpandstheexperimentagain.Byreasonablychoosingthemethodsoftestingwithtargetparameterreflectstheprocessingprecisionandthesurfacequality;Accordingtotheanalysisofprocessing,obtainingtheinfluentialrulesto,thusithasprovidedthereliablecrafttechnologyreferenceforthePECMfurtherexpandedapplication[25].

KeyWords:

PECM；ECM；Orthogonalexperiment

目录

主要符号表

1绪论1

1.1综述1

1.2电解加工的发展和特点1

1.3电解加工的新技术3

1.3.1脉冲电解加工3

1.3.2振动进给电解加工3

1.3.3数控展成电解加工4

1.3.4其它电解加工4

1.4课题背景5

1.5本文主要研究内容5

2脉冲电解加工7

2.1电解加工的原理和工艺特点7

2.2脉冲电解加工的基本理论8

2.2影响脉冲电解加工的主要因素9

2.3本章小结10

3试验装置简述11

3.1电解加工机床11

3.1.1机床的结构及特点11

3.1.2本次实验使用的机床11

3.2电解液系统11

3.3脉冲电源12

3.3.1脉冲电源的分类和发展12

3.3.2MOSFET高频、窄脉冲电源12

4工艺试验的设计14

4.1工装夹具和阴极的设计14

4.1.1工装夹具的设计14

4.1.2阴极设计15

4.2试件的测量方法和注意事项16

4.3加工精度的评价方法18

5工艺规律研究20

5.1正交试验的特点及内容20

5.2数据分析方法的选取20

5.3试验可调范围的预选21

5.4圆台正交实验21

5.4.1第一次正交实验21

5.4.2第二次正交实验23

6机械设计部分27

6.1热锻模阴极的设计27

6.2电解液的选择28

6.3电解液流场设计28

6.4夹具的设计29

7结论33

致谢34

参考文献35

主要符号表

U加工电压

阴极进给速度

I电流

T温度，脉冲周期

Tp脉冲宽度

C电解液浓度；离子浓度

D脉冲占空比

t时间

p压力

△底面间隙

δE阴、阳电极电位值总和

κ电解液的导电率

η电流效率

ω体积电化当量

△m加工间隙

1绪论

1.1综述

电解加工又称电化学加工（ElectrochmeicalMachining-ECM）,它是利用金属在电解液从中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法。

加工时，工件接直流电源的正极，工具接负极，两极之间保持较小的间隙[1]。

电解液从极间间隙中流过，使两极之间形成导电通路，并在电源电压下产生电流，从而形成电化学阳极溶解。

随着工具相对工件不断进给，工件金属不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，最终两极间各处的间隙趋于一致，工件表面形成与工具工作面基本相似的形状。

电解加工对于难加工材料、形状复杂或薄壁零件的加工具有显著优势。

目前，电解加工已获得广泛应用，如炮管膛线，叶片，整体叶轮，模具，异型孔及异型零件，倒角和去毛刺等加工。

并且在许多零件的加工中，电解加工工艺已占有重要甚至不可替代的地位。

与其它加工方法相比，电解加工具有如下特点：

加工范围广、生产率高、且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制、加工质量好、可用于加工薄壁和易变形零件、工具阴极无损耗等优点。

但电解加工也具有一定的局限性，例如：

加工精度和加工稳定性不高、工间隙难以控制、阴极的设计、制造和修正都比较困难，阴极的精度难以保证[1]。

1.2电解加工的发展和特点

电解加工自20世纪问世以来，到60年代迅速在众多的机械制造领域得到开拓和一定的应用。

通过科研和生产的实践，70年代电解加工在技术上走向成熟、定型：

再应用领域上也开始定向[2]。

由于电解加工能解决机械加工难解决的多种问题，所以较好的适应了军工产品的需要，因而在军事工业，特别是航空、航天推进器的制造上得到了广泛的应用，成为国防生产中的关键制造技术，获得了显著的技术经济效果，促进了军工新产品的发展和性能的提高。

电解加工应用较多的国家有美国、英国、前苏联、德国和我国。

作为一项加工技术，衡量其工艺性能的主要指标是加工精度、表面质量和生产率。

电解加工的显著特点是生产率高、表面质量好，但加工精度不够高。

因此，国内外针对提高电解加工精度的研究工作较多。

为了提高电解加工的整形能力从而提高加工精度，1966年左右,日本三菱电机公司首创了混气电解加工技术。

我国也于1968年开始进行混气电解加工的研究，在气液混合腔设计、气液混合比的确定、工艺参数的优化等方面均取得了突破性进展，直接用叶片锻造毛坯电春汽车厂、北京机床研究解加工叶片型

面，质量达到当时世界先进水平，在航空发动机工厂获得推广应用。

到七十年代中期，四厂一所（洛阳拖拉机厂、北京内燃机总厂、南昌柴油机厂、长所）联合开展对锻模混气电解加工的研究，重复精度达到±0.10mm，其结果在长春汽车厂和洛阳拖拉机厂长期应用[3]。

我国于1958年首先在炮管膛线甲工方面开始应用电解加工技术。

从六十年代到七十年代中期，电解加工得到了迅速发展，被广泛应用于航空、航天、军工、汽轮机、汽车、煤矿机械、工具等众多行业。

据统计，自1960年到1975年，电解加工在难切削材料加工中所占比例增加了两倍，从60年的15％增加到75年的45％，成为一种主要的加工方法，而切削加工从60年的77.5％减少到75年的30％。

然[4]而，自七十年代末至今的二十年里，电解加工陷于低谷，发展缓慢，应用领域有所减少。

这主要有以下三个方面的原因：

第一方面原因是，电解加工的精度难以满足现代工业精密零件的高质量要求，导致电解加工主要应用于中、低精度要求的零件，无法涉足不断扩大的高精度零件加工领域。

第二方面原因是，电解加工技术难以掌握。

在电解加工过程中由于阴阳极之间的电场、流场分布以及电化学反应过程的影响，导致加工间隙分布极不均匀且规律复杂，因而使得过程的监测和控制非常困难。

第三方面原因是，电解加工阴极设计困难。

电解加工是一种复制加工，工具阴极的轮廓形状，须根据图纸给定的工件形状和加工间隙的分布规律来设计。

加工间隙分布的不均匀，导致阴极设计非常困难。

自70年代初起，国外学者基于对间隙中电场的分析，认为电位分布服从拉普拉斯方程，构造反映电位分布的数学模型，在求解数学模型得到电位分布后，进行阴极设计或对间隙分布的计算。

这一类的典型方法有导电纸模拟法、解析计算法等。

电极边界，直到某一误差目标函数为最小。

特别是有限元法和边界元法，具有很好的收敛性，表现出更强的边界处理功能，可用于复杂变化的几何边界形状。

电流效率修正法可提高阴极设计的精度。

钝化性电解液的电流效率变化是影响间隙分布的一个重要因素。

由于电流效率变化复杂，目前还没有成熟的数学公式和模型可供阴极设计使用。

针对这种情况，近期有的研究采取实验法来处理电流效率的变化：

先进行广泛实验研究，获得电流效率和电流密度之间的关系曲线，建立起电流效率数据库。

在数值计算时，从数据库中得到局部电流密度对应下的电流效率与第一类方法相比，它们更确切地反映了电场分布对成形过程的影响，计算结果与实际状况相接近，但还存在收敛性差的缺陷。

近年来采用的有限差分法、变网格有限差分法、有限元法和边界元法，主要基于拉普拉斯方程的更全面考虑加工过程的数值解法，采用迭代调整的思想，反复调整，据此对间隙分布进行修正。

据报道，基于数值法的计算机辅助阴极设计已在美、英等国获得实际应用。

这显著缩短了阴极制造周期，降低了复制误差。

但迄今为止，这些方法仅能起到适当减少阴极修整次数的作用，还不能一步到位。

另一方面，实际的阴极设计不仅要考虑工具形状，还要兼顾电解液流道、工具绝缘等问题，而且这些问题与工具几何形状设计交互影响。

因此，更为全面、实用的阴极设计方法还有待于开发[5]。

1.3电解加工的新技术

1.3.1脉冲电解加工

自七十年代初起，前苏联、美国、日本、法国、波兰、瑞士、西德等相继开始了对脉冲电流电解加工的研究。

前苏联和东欧国家重视脉冲加工机理、机床、电源以及加工控制系统的研究，将脉冲电流电解加工应用于工业生产；日本和西方国家则注重于小电流、高频、窄脉宽的脉冲电流加工在细小零件和电解抛光中应用，没有专门研制脉冲加工机床和大功率脉冲电源，有时甚至采用电火花加工电源[8]。

俄罗斯乌法航空学院研制的小型立式脉冲电流电解加工机床，电流峰值200安培，最小加工间隙可达0.01～0.02mm，加工出的精密模具的精度可达0.02mm，堪与电火花加工相比，而其生产率和表面粗糙度远优于电火花加工。

因而在塑料模具型腔加工方面有极高的应用价值。

荷兰菲利普制造技术中心应用极窄脉宽的脉冲电源以及其它工艺措施进行电解加工，精度达到前所未有的微米级水平。

在国内，南京航空学院、西北工业大学、航天航空工艺研究所和首都机械厂等单位相继开展了脉冲电流电解加工的研究。

尤其是在1987年，合肥工业大学特种加工研究所研制出大功率脉冲、直流两用电源（脉冲电流峰值达5000安培），并应用于锻模生产[9]。

近几年来，华南理工大学等又开展了高頻窄脉冲电解加工的研究，最小加工间隙达0.05mm，加工精度显著提高。

可以预见，高頻窄脉冲加工将成为提高电解加工精度的最重要手段之一。

也是从七十年代初起，前苏联、美国、日本、荷兰等国开始进行振动进给电解加工的研究。

前苏联研制的立式电解加工机床用于加工中等尺寸的模具，精度可达±0.1mm。

类似的叶片加工机床，加工汽轮机叶片型面，精度可达±0.03mm。

目前，振动进给电解加工还被广泛应用于精密锻模、玻璃模、花键孔、精密电子元件等方面的加工，均取得令人满意的效果[10]。

1.3.2振动进给电解加工

八十年代中期，国内的航天航空工艺研究所也研制出DJZ型立式振动进给电解加工机床，其振动系统采用液压伺服控制，适合于精密中小零件加工。

九十年代初，航天航空部首都机械厂从俄罗斯引进了具有“周期性加工”功能的振动进给机床。

自93年起，合肥工业大学特种加工研究所开始研制振动进给的设备，现在已有“附加振动”和“周期性加工”两种振动方式的独立装置问世，并可以直接装配现有的电解加工机床，使其增添振动进给的功能，从而实现工艺上的飞跃[9]。

1.3.3数控展成电解加工

近年来，为了解决航空产品中各类扭曲叶片整体叶轮的加工难题，南京航空航天大学在国际上首创了一项数控展成电解加工技术。

它以简单形状的工具阴极，按照计算机控制指令，进行必要的展成成型运动，以电解“切削”方式加工型腔、型面。

数控展成电解加工技术综合了电解加工与数控加工各自的技术长处，其工具形状简单，可以是棒状、球状，而“切削刃”则可为点、直线或曲线；它具有数控加工的柔性，可用不同类型的控制软件代替复杂的成型阴极设计制造，同时又具有电解加工的无工具损耗，无切削力，可以加工各种难加工材料和小刚度零件等优点[22]。

所以，数控展成电解加工对于小批量甚至单件生产，以及难以实现拷贝式加工的零件具有明显优势[7]。

目前，数控展成电解加工机床已研制成功，但在CAD/CAM软件、工艺过程的控制、生产率的提高等多方面还有待进一步完善。

近年来电解加工在微细加工领域已初露端倪。

目前，它已被成功地应用于电子工业中微小零件的电化学蚀刻加工中，从而使得蚀刻加工更加容易控制和维护，对环境的影响也明显减小[13]。

其中的有遮蔽电解蚀刻被应用于高速打印机打印带、印刷板等电子产品的制造；无遮蔽电解蚀刻被应用于滚动轴承上加工微小贮油孔。

同时，通过降低加工电压和电解液浓度，可将电解蚀刻加工间隙控制在10μm以下，再采用微动进给和金属微管电极，在0.2mm的镍板上加工出了0.17mm的小孔[6]。

1.3.4其它电解加工

另外，电解加工也被应用于微细轴类零件的光整加工。

它采用类似微细线电极电火花磨的方式，用一运动的金属丝作为阴极，在阳极轴和阴极丝之间喷电解液，使轴表面产生电化学微腐蚀。

据报道，这种方法在直径数十微米小轴的抛光中已取得了非常好的工艺效果。

当前，电解微细加工在工具结构、电解液流动、杂散腐蚀等方面还有许多技术问题有待解决。

另外，它们所涉及的尺寸范围要远大于硅片技术、LIGA等微细加工技术可达到的微小尺寸。

自电解加工问世以来，阴极设计问题就一直是关注的重点和难点。

早期的研究主要采取对加工过程充分简化的方法，如COSθ法、斜阴极法、相对位移法、三段近似法等。

由于这一类方法过度简化了复杂的电场分布状况，因而存在显著计算误差。

总的说来，自五十年代创立至今，特别是在最近的二、三十年里，电解加工技术在机理研究、工艺方法的革新、新设备的开发等诸多方面均取得显著成绩。

但是，这些意义重大的工作却没有收到应有的效果，没能为指导工业生产、扩大应用领域而充分发挥作用。

这其中一个最主要的原因之一就是未能提供系统、实用的加工数据。

至于在此基础上建立电解加工工艺参数数据库和阴极设计数据表，以及电解加工基本工艺规律建模的研究，国内外均未见报道。

这主要是因为电解加工的影响因素众多，导致工艺数据量极大，而且所需工艺数据又只能通过模拟工艺试验获得[24]。

因而，又涉及试验规划、夹具和阴极设计，加工精度的评价方法及试件的测量方法等诸多问题。

所以，工作量异常繁重，令人望而却步。

也许国外大企业有其内部的“数据库”，但也未见报道。

获得台湾元智大学的经费支持，我们就可在多年电解加工工艺研究的基础上，通过系统、科学的试验设计，获取所需大量试验数据，创建电解加工工艺参数数据库和阴极设计数据表，并进行电解加工基本工艺规律建模的研究，填补这一领域的空白[14]。

1.4课题背景

与传统的直流电解加工相比，近代出现的高频、窄脉冲电流电解加工，在加工精度和稳定性上有了很大的提高，那么对其加工工艺规律探讨以成为迫切研究的一个课题，为它的扩大应用打下良好和现实技术基础。

电解加工是航空工业和军工不可缺少的制造工艺之一，特别是在叶片、炮管膛线整体叶盘等加工中发挥着重要作用。

随着现代航空技术发展的需求和军工新型号的研制，大量采用了新结构、新材料和复杂形状的精密零件如特型精密叶片，扭转变截面整体叶轮等，因而高频、窄脉冲电流电解加工技术对航空航天事业及国防亦有重要意义。

1.5本文主要研究内容

现有的脉冲电解加工使用的是MOSTFT高频、窄脉冲电源，在理论上其电源可以实现频率为10KHZ以上的小电流稳定加工过程。

但实际试验过程中，当频率大于7KHZ时，不能很好实现高频小电流稳定加工，加工过程中电场和流场的变化很大[23]。

因此，需要通过工艺试验，摸索其加工规律，充分发挥脉冲电解加工电源特性，实现对一些精度要求较高的复杂型腔模具加工，进而实现中小零件的微细加工[15]。

因此工艺试验的设计和加工后工件精度的测量和评价方法的选择也成为主要的研究内容[18]。

2脉冲电解加工

2.1电解加工的原理和工艺特点

电解加工是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理，将工件加工成型的。

图2-1所示为电解加工原理图。

在工件和工具之间接上直流电源，工件接正极（阳极），工具接负极（阴极）。

两极之间的电压一般为6～24Ｖ，两极之间保持0.1～1mm.的小间隙。

电解液以6～60m/s的速度流过间隙，使两极之间形成导电通路，并在电源电压的作用下产生电流，于是，工件被加工表面的金属，将不断地产生电化学反应而被溶解，电解的产物不断地被高速流动的电解液带走。

工具阴极不断地向工件进给，工件的金属不断地被溶解，致使工件与工具阴极各处的间隙趋于一致，将工具阴极的型面复制在工件上，从而得到所需的零件形状[8]。

图2.1电解加工原理图

一般加工开始时，工件毛坯的形状与工具阴极的型面很不一致，此时，工件上各点与工具阴极表面的距离就不同，各点电流密度也不一样。

距离近的点，通过的电流密度大，工件的溶解速度就快；反，距离远的点，电流密度就小，工件溶解也慢。

这样，工具不断进给，工件表面上各点就以不同的速度进行溶解，工件的型面逐渐趋近于工具阴极的型面。

电解加工与其他加工方法相比较，它具有下列特点:

（1）能加工各种硬度和强度的材料。

只要是金属，不管其硬度和强度多大，都可加工。

（2）生产率高，约为电火花加工的5～10倍，在某些情况下，比切削加工的生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。

（3）表面质量好，电解加工不产生残余应力和变质层，又没有飞边、刀痕和毛刺。

在正常情况下，表面粗糙度Ra可达0.2～1.25μm。

（4）阴极工具在理论上不损耗，基本上可长期使用。

电解加工当前存在的主要问题是加工精度难以严格控制，尺寸精度一般只能达到0.15～0.30mm。

此外，电解液对设备有腐蚀作用，电解液的处理也较困难。

脉冲电解加工正是围绕提高加工精度而产生的一项新技术。

通过多年的研究、实验及应用，己总结得到关于脉冲电解加工工艺规律的一些基础理论[16]。

2.2脉冲电解加工的基本理论

脉冲电解加工（pulseElectrochemicalMachining,PECM）最基本的特点就是以周期间歇供电代替了传统连续直流供电，由此引起了一系列的脉冲效应，导致了加工间隙过程物理化学的变化，从而提高了加工精度、表面质量和加工效率[17]。

电解加工体系决定了其加工间隙受电场、流场和电化学特性三方面的多种复杂因素的影响。

其中电场的变化是造成加工间隙变化的原动因素，电场分布的不均匀直接导致加工间隙分布的不均匀。

间隙内流场主要是通过对导电率的影响起作用，而不同流动模式中的气泡率和温度综合影响着导电率。

不同的加工模式对间隙的分布也有重大的影响。

由电解加工的基本公式可知，间隙公式为：

UR：

间隙电解液中的电压降

U：

阴、阳极之间的电压

δE：

电解加工的阴、阳电极电位值总和

i：

电流密度

κ：

电解液的导电率

Δ：

电解加工间隙

Va：

阳极被加工面的法向腐蚀速度，常称为工件加工速度

η：

电流效率

ω：

体积电化当量

从式中可以看出电导率、加工电压（即阴、阳极之间的电压）、电流密度、进给速度、电流效率及电极电位等是影响加工间隙的主要参数。

而加工间隙是电解加工核心的工艺要素，是决定加工精度的主要因素，它还直接影响加工效率、表面质量，也是设计工具阴极和选择加工参数的主要依据[18]。

因此获得均匀、稳定、大小适中的加工间隙对电解加工至关重要。

间隙过大复制精度低，易出现大圆角，电能损耗也大；间隙过小，电流密度就大，温度升高也快，电解产物也多，同时电解液流动阻力加大，电解产物排除困难，易于发生短路现象。

加工间隙分布的不均匀直接导致加工的复制精度和表面质量降低。

如果加工间隙不稳定，对于同一批零件，加工间隙有大有小，就会使各个零件加工后的尺寸互不相同，重复精

度降低[19]。

2.2影响脉冲电解加工的主要因素

加工电压U：

极间所加电压即加工电压U是建立极间电场使电解加工得以进行的原动势能,它克服双电层的反电势和溶液欧姆压降而建立起必要的极间电流场,确保达到所选用的电流密度。

定性地说,U越高加工间隙Δ就越大,这导致加工误差也加大。

同时间隙的热损也变大,能耗增加。

故在确保所要求的加工电流I正常的加工条件下,U应选取较小值以得到较小的间隙值。

由于电源电压易调整,且加工电压的变化所引起的间隙变化值的分辨度较高,因而常借调整电压值来调整所要求的间隙值[20]。

电解液浓度C：

当电解液浓度提高时、电解液电导率增大、电阻率降低、从而使电流密度增大。

较大的电流密度使金属溶解速度增加,但同时也易引起工件表面点蚀或杂散腐蚀,使得加工间隙变大。

当电解液浓度过低时，溶液电阻率较大不利于电流密度的提高。

电导率κ直接影响加工间隙、电流密度等重要工艺参数，最终影响到加工精度和加工效率。

电导率主要决定于电解液组分、浓度和温度、其中浓度的影响更为明显[23]。

在低浓度范围内、当浓度改变时电导率的变化幅度较大，因而用低浓度电解液时、为保证加工精度、要对浓度进行严格控制。

加工速度v：

在给定的电解液和加工电压下,加工速度的增大会使加工间隙减小,显示出集中蚀除能力因加工速度的提高会增加,且在加工间隙的全微分式中,随加工速度增加,同样的速度变化引起的间隙变化值减小,也导致尺寸分散度减小,重复精度提高。

脉冲频率f、脉宽tp、占空比D：

一些基础试验研究表明:

反映脉冲电流基本特性的参数如脉冲频率f、脉宽tp及占空比D,是影响脉冲电流电解加工间隙过程理化特性、特别是集中蚀除能力和间隙分布规律从而影响加工精度和稳定性的重要因素。

加工温度：

脉冲电解加工间隙中流场的变化体现在间隙热交换条件的改善。

由于脉冲加工中发热的周期仅为较短的脉冲宽度tp，而在随后的脉间宽度to的周期内随即散出，导致达到沸点温度的电流密度较直流加工大，即在同样的电流密度下极间温度较直流加工低。

脉冲条件下流场压力和温度特性的变化大大减小了最小间隙处因流场恶劣、温度过高而造成的空穴、蒸