精密脈沖電解磨削的電源和試驗研究

發(fā)布日期：2011-11-25 蘭生客服中心瀏覽：2497

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1　問題的提出

　　電解磨削最早應用于磨削硬質合金。由于設備投資大，機床維護復雜，因而其發(fā)展速度比較緩慢。但由于該方法具有較好的整平能力，磨削力和磨削熱又很小，表面無燒傷和裂紋，因此用在某些領域還有很大的優(yōu)勢。為此，國內外一直致力于提高它的加工質量。近年來，較新的方法是采用脈沖電源進行電解磨削，更有效地改善了加工效果。我們也開展了這方面的初步研究，以下對其進行一些介紹和探討。

2　改善電解磨削加工質量的措施

2.1　影響電解磨削加工質量的關鍵因素
　　多年來，為了提高電解磨削的加工質量，國內外進行了許多研究。過去的研究主要局限于考慮兩個主要參數——電極電壓和進給速度，即從電解作用和機械作用兩個方向來進行研究，并一致認為實現二者之間的合理匹配是提高電解磨削加工質量的關鍵。有關資料還對二者之間的匹配比例進行了量化，認為90%的材料由電解溶解，10%的材料由機械去除為最佳匹配。事實上我們也在試驗中發(fā)現，若電解作用過強，則砂輪的機械整平作用顯著減弱，表面粗糙度值升高，且工件不光亮；反之，若電解作用過弱，機械作用過強，則電解磨削近似于普通機械磨削，表面出現劃痕，表面粗糙度值也升高。

2.2　調整電解和機械作用精密匹配的措施
　�、佟p小機械進給
　　為了精密調節(jié)電解和機械作用的匹配，需要在電解和機械兩方面入手。機械作用的調節(jié)重要的是要能實現微量進給，每次進給量很小，這樣機械作用能夠實現精密調節(jié)。
　�、凇〔捎妹}沖電源
　　電解作用的調節(jié)，以往是通過調節(jié)電壓來實現的。但極間電壓不能太小，因為從金屬的陽極極化曲線（圖1中曲線2）看到，陽極電位必須達到一定值才能發(fā)生陽極電解溶解。各種金屬在特定的電解液中存在一個最低溶解電壓，極間電壓只有大于此值，金屬才能溶解，而在精密電解加工時需要電解作用較小，這就產生了矛盾。在這種情況下，可以采用脈沖電源，通過減小脈沖電源的占空比來縮短電解作用時間，以實現電解作用的微量調節(jié)。

圖1　電極極化曲線

　　另外，脈沖電解磨削對電解液產生擾動作用，使得電解產物易于排除，電解液更新加快，電解液流場更均勻，從而改善了加工效果。
　�、邸〔捎秒娏髡{節(jié)
　　電解和電解磨削過去所用的電源一直用電壓調節(jié)電流，但從電解磨削加工過程來看，直接采用電流調節(jié)更合理。因為，根據法拉第定律：M=ηKIt
式中　M——電極上溶解或析出物質的重量；
　　　K——被電解物質的重量電化學當量；
　　　I——電解時的加工電流；
　　　η——電流效率；
　　　t——電解時間；
　　可以看出，電解作用去除量的大小直接和電流I成比例，它與電壓無直接關系。而在加工體系中，極間電壓U和加工電流I具有如下間接關系：

U=U1+IR+U2

式中　U1、U2分別為陰極和陽極的極化電位。若采用電壓調節(jié)，盡管可使極間電壓U恒定，但電解加工期間，由于氣泡和電解產物產生、排除以及極間間隙的變化，使極間電阻R的波動不可避免，因而電流會相應變化，這使得電解作用量不可精確控制，采用電流調節(jié)則不存在這個問題，盡管極間電壓會波動，但不影響電解作用去除量，只要保證所用電壓高于工件金屬的陽極溶解電壓即可。

2.3　恒流源對工件表面整平機理的解釋
　　電解磨削的整平機理是，工件在電解作用下，表面被氧化生成陽極鈍化膜，該膜的電阻較大，阻礙著電解進行。高點處的鈍化膜不斷被砂輪刮掉，露出新的金屬繼續(xù)被電解，因而高點處的金屬溶解較快。低點由于鈍化膜的保護溶解較慢，工件在微觀高低點去除速度差的存在使工件不斷被整平。采用可調的恒流電源時，控制的是外電路電流恒定，而不是加工區(qū)各處的電流密度恒定。相反，砂輪刮除高點鈍化膜的本質沒有改變，因而微觀高低點依然存在去除速度差，工件能夠不斷被整平。

3　可調的恒流脈沖電源的研制

3.1　總體設計
　　本文的加工對象為Ф2mm的孔，所用工具為Ф1.8mm×2mm的電解磨頭。由于加工區(qū)相對的面積很小，所需電流不大，為此，電源總體組成如圖2所示。其中RL為負載電阻。整個電源可通過撥檔開關選擇直流和脈沖兩種輸出方式。

圖2　電源組成原理圖

3.2　電流源的設計
　　電流源將全波整流的電壓Ui轉換成直流電流Io輸出給負載RL,電路采用CW317芯片實現，原理如圖3所示。由于電流源兩端不能開路，在負載兩端接一旁路電阻R,電流通過可調電阻R2進行調節(jié)。該電源最大輸出電流可超過1A,能夠滿足小孔電解磨削的需要。

圖3　可調恒流電源原理圖

3.3　主振級的設計
　　本文的脈沖電源主振級由555集成電路實現，原理如圖4所示。在該電路中通過調節(jié)電位器R2和R3可實現脈寬、脈間的連續(xù)調節(jié)；改變電容C1的取值可改變脈寬、脈間的調節(jié)范圍。該電路的脈寬和脈間可在70μs～3.36ms之間調節(jié)，脈沖周期在140μs～6.72ms之間調節(jié)。

圖4　脈沖電源主振級原理圖

4　脈沖電解磨削的工藝試驗

4.1　脈沖電解磨削對尺寸去除量的影響
　　在不同的加工電參數下對Ф2mm的小孔進行加工試驗。試驗中每隔一定的時間（電解磨頭沿軸向往復運動一次）測量一次去除量，測量取5點平均值。所用儀器為中原量儀廠的DGC-8ZG電感式傳感器和DGS-6B數顯電感測微儀，該儀器的最小分辨率為0.01m,測量誤差±0.05μm,測量結果如圖5所示。其它試驗條件為：電解液為NaNO3和NaNO2基復合溶液；徑向單步進給量1μm;電解磨頭往復運動速度30mm/min;脈沖寬度0.25ms;脈沖間隔0.25ms、0.5ms、0.75ms;峰值電流密度0.9A/cm2、1.4A/cm2、1.9A/cm2、2.4A/cm2。

圖5　脈沖電解磨削時的尺寸精度

　　試驗結果表明，在不同電流密度下，脈沖電解磨削時的工件去除量要小于直流電解磨削時的去除量，即脈沖電解磨削具有更高的尺寸可控性，加工精度較高。另外，在電解電量（電解電流I和電解時間t的乘積）相同的情況下，脈沖電解磨削時的加工去除量要比直流電解磨削時的去除量大。這是由于脈沖電解磨削時電解作用間歇進行，對電解液產生了擾動作用，使得電解產物更容易排除。另外，也因為在脈沖電解磨削時電解液有較多的時間更新，極間流場特性改善，使得有些成分能形成價氧化物溶解。

4.2　脈沖電解磨削對表面粗糙度的影響
　　前面的機理分析說明，脈沖電解磨削可以獲得更好的表面質量，本文對此進行了試驗，試驗結果如圖6所示。試驗條件為：電解液為NaNO3和NaNO2基復合溶液，徑向單步進給量1μm,電解磨頭往復運動速度30mm/min,脈沖寬度0.25ms,脈沖占空比1:2、1:3、1:4,峰值電流密度0.9A/cm2、1.4A/cm2、1.9A/cm2、2.4A/cm2。