精密脈沖電解磨削的電源和試驗(yàn)研究

1　問題的提出

　　電解磨削最早應(yīng)用于磨削硬質(zhì)合金。由于設(shè)備投資大，機(jī)床維護(hù)復(fù)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(lǐng)域還有很大的優(yōu)勢。為此，國內(nèi)外一直致力于提高它的加工質(zhì)量。近年來，較新的方法是采用脈沖電源進(jìn)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(duì)其進(jìn)行一些介紹和探討。

2　改善電解磨削加工質(zhì)量的措施

2.1　影響電解磨削加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素
　　多年來，為了提高電解磨削的加工質(zhì)量，國內(nèi)外進(jìn)行了許多研究。過去的研究主要局限于考慮兩個(gè)主要參數(shù)——電極電壓和進(jìn)給速度，即從電解作用和機(jī)械作用兩個(gè)方向來進(jìn)行研究，并一致認(rèn)為實(shí)現(xiàn)二者之間的合理匹配是提高電解磨削加工質(zhì)量的關(guān)鍵。有關(guān)資料還對(duì)二者之間的匹配比例進(jìn)行了量化，認(rèn)為90%的材料由電解溶解，10%的材料由機(jī)械去除為最佳匹配。事實(shí)上我們也在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，若電解作用過強(qiáng)，則砂輪的機(jī)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(jī)械作用過強(qiáng)，則電解磨削近似于普通機(jī)械磨削，表面出現(xiàn)劃痕，表面粗糙度值也升高。

2.2　調(diào)整電解和機(jī)械作用精密匹配的措施
　　①　減小機(jī)械進(jìn)給
　　為了精密調(diào)節(jié)電解和機(jī)械作用的匹配，需要在電解和機(jī)械兩方面入手。機(jī)械作用的調(diào)節(jié)重要的是要能實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給，每次進(jìn)給量很小，這樣機(jī)械作用能夠?qū)崿F(xiàn)精密調(diào)節(jié)。
　�、凇〔捎妹}沖電源
　　電解作用的調(diào)節(jié)，以往是通過調(diào)節(jié)電壓來實(shí)現(xiàn)的。但極間電壓不能太小，因?yàn)閺慕饘俚年枠O極化曲線（圖1中曲線2）看到，陽極電位必須達(dá)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(gè)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(shí)需要電解作用較小，這就產(chǎn)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(shí)間，以實(shí)現(xiàn)電解作用的微量調(diào)節(jié)。

圖1　電極極化曲線

　　另外，脈沖電解磨削對(duì)電解液產(chǎn)生擾動(dòng)作用，使得電解產(chǎn)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{(diào)節(jié)
　　電解和電解磨削過去所用的電源一直用電壓調(diào)節(jié)電流，但從電解磨削加工過程來看，直接采用電流調(diào)節(jié)更合理。因?yàn)椋�根�?jù)法拉第定律：M=ηKIt
式中　M——電極上溶解或析出物質(zhì)的重量；
　　　K——被電解物質(zhì)的重量電化學(xué)當(dāng)量；
　　　I——電解時(shí)的加工電流；
　　　η——電流效率；
　　　t——電解時(shí)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(guān)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(guān)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(diào)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(chǎn)物產(chǎn)生、排除以及極間間隙的變化，使極間電阻R的波動(dòng)不可避免，因而電流會(huì)相應(yīng)變化，這使得電解作用量不可精確控制，采用電流調(diào)節(jié)則不存在這個(gè)問題，盡管極間電壓會(huì)波動(dòng)，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(duì)工件表面整平機(jī)理的解釋
　　電解磨削的整平機(jī)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(jìn)行。高點(diǎn)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(diǎn)處的金屬溶解較快。低點(diǎn)由于鈍化膜的保護(hù)溶解較慢，工件在微觀高低點(diǎn)去除速度差的存在使工件不斷被整平。采用可調(diào)的恒流電源時(shí)，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(diǎn)鈍化膜的本質(zhì)沒有改變，因而微觀高低點(diǎn)依然存在去除速度差，工件能夠不斷被整平。

3　可調(diào)的恒流脈沖電源的研制

3.1　總體設(shè)計(jì)
　　本文的加工對(duì)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(duì)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(fù)載電阻。整個(gè)電源可通過撥檔開關(guān)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(shè)計(jì)
　　電流源將全波整流的電壓Ui轉(zhuǎn)換成直流電流Io輸出給負(fù)載RL,電路采用CW317芯片實(shí)現(xiàn)，原理如圖3所示。由于電流源兩端不能開路，在負(fù)載兩端接一旁路電阻R,電流通過可調(diào)電阻R2進(jìn)行調(diào)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(diào)恒流電源原理圖

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

圖4　脈沖電源主振級(jí)原理圖

4　脈沖電解磨削的工藝試驗(yàn)

4.1　脈沖電解磨削對(duì)尺寸去除量的影響
　　在不同的加工電參數(shù)下對(duì)Ф2mm的小孔進(jìn)行加工試驗(yàn)。試驗(yàn)中每隔一定的時(shí)間（電解磨頭沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次）測量一次去除量，測量取5點(diǎn)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(shù)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(jié)果如圖5所示。其它試驗(yàn)條件為：電解液為NaNO3和NaNO2基復(fù)合溶液；徑向單步進(jìn)給量1μm;電解磨頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(shí)的尺寸精度

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同電流密度下，脈沖電解磨削時(shí)的工件去除量要小于直流電解磨削時(shí)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(shí)間t的乘積）相同的情況下，脈沖電解磨削時(shí)的加工去除量要比直流電解磨削時(shí)的去除量大。這是由于脈沖電解磨削時(shí)電解作用間歇進(jìn)行，對(duì)電解液產(chǎn)生了擾動(dòng)作用，使得電解產(chǎn)物更容易排除。另外，也因?yàn)樵诿}沖電解磨削時(shí)電解液有較多的時(shí)間更新，極間流場特性改善，使得有些成分能形成價(jià)氧化物溶解。

4.2　脈沖電解磨削對(duì)表面粗糙度的影響
　　前面的機(jī)理分析說明，脈沖電解磨削可以獲得更好的表面質(zhì)量，本文對(duì)此進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)條件為：電解液為NaNO3和NaNO2基復(fù)合溶液，徑向單步進(jìn)給量1μm,電解磨頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)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。

圖6　電解磨削對(duì)表面粗糙度的影響

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，脈沖電解磨削要比直流電解磨削的加工質(zhì)量高。而且，脈沖電解磨削時(shí)占空比增大，表面質(zhì)量也相應(yīng)提高。這是因?yàn)樵诿}沖間隔期加工區(qū)的析熱、析氣以及電解產(chǎn)物得以充分排除，電解液有較多的時(shí)間更新，使電解液的流場和溫度場更均勻所至。

5　結(jié)論

　　電解磨削要獲得較高的加工質(zhì)量，關(guān)鍵在于電解和機(jī)械作用的合理匹配。本文采用新研制的可調(diào)恒流脈沖電源進(jìn)行了電解磨削試驗(yàn)，證明脈沖電解磨削比直流電解磨削有更好的加工質(zhì)量。