電解擴(kuò)孔成形加工裝置的設(shè)計(jì)

張京超，田明鑫，徐文驥，劉 新

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024）

細(xì)長階梯孔在航空航天、汽車及醫(yī)用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]，目前主要采用機(jī)械加工方法對其進(jìn)行加工，但在加工過程中存在軸線易歪斜、刀具易振動(dòng)及冷卻散熱條件差等問題[2]，對不銹鋼、高溫合金等難加工材料更是難以加工。電解擴(kuò)孔在加工過程中不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械力，加工效率高，加工后的表面不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和毛刺，特別是采用多孔同時(shí)加工方式時(shí)，其效果更明顯，加工后的工件表面粗糙度值可達(dá)Ra1.25 μm以下，細(xì)長孔的成形加工精度一般為±0.025 mm～±0.05 mm[3-5]，故電解擴(kuò)孔是細(xì)長孔擴(kuò)孔加工較合適的加工方法之一。

國外對細(xì)長孔電解加工的研究主要圍繞深孔加工[6]，而國內(nèi)對細(xì)長孔電解加工的研究主要針對通孔的加工。卓開富設(shè)計(jì)了螺旋電極，在45鋼上對長25 mm、直徑12.5 mm的通孔進(jìn)行擴(kuò)孔加工，得到圓度幾乎為零的工件內(nèi)孔[7]；唐霖設(shè)計(jì)并搭建了立式刻槽和擴(kuò)孔電解加工裝置，可對長度600 mm以下的刻槽和擴(kuò)孔零件進(jìn)行加工[8]；李兆龍等用直徑2.1 mm的管狀電極加工出了變截面的深小孔[9]。

目前，國內(nèi)外針對超過50 mm細(xì)長孔和深孔進(jìn)行電解擴(kuò)孔的研究不多，針對細(xì)長階梯孔進(jìn)行電解擴(kuò)孔的研究更是未見報(bào)道。本文擬建立一種新型電解擴(kuò)孔成形加工裝置，以實(shí)現(xiàn)孔深200 mm以上的內(nèi)孔階梯孔的擴(kuò)孔加工。

1 細(xì)長階梯孔電解擴(kuò)孔裝置的設(shè)計(jì)

細(xì)長孔工件結(jié)構(gòu)見圖1。擴(kuò)孔前，孔內(nèi)徑為d2，孔長度為L；電解擴(kuò)孔后，可加工出內(nèi)徑為d1、長度為L0的階梯孔。

圖1 工件結(jié)構(gòu)圖

針對工件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電解擴(kuò)孔加工裝置見圖2。加工時(shí)，工件陽極和工具陰極的間隙中充滿了流動(dòng)的電解液，在電場作用下，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陽極的被加工表面不斷溶解，直至得到符合要求的加工表面。

圖2 電解擴(kuò)孔加工裝置示意圖

1.1 裝置的組成

電解擴(kuò)孔成形加工裝置的組成見圖3，總體上主要由加工裝置、脈沖電源、自動(dòng)控制系統(tǒng)及電解液系統(tǒng)組成。其中，加工裝置包括工作臺(tái)、工件、電極、進(jìn)給裝置及電極、工件的裝夾裝置等；電源為電解擴(kuò)孔成形加工提供能量；本設(shè)計(jì)還采用脈沖電源自動(dòng)控制系統(tǒng)控制加工裝置各部分的相互運(yùn)動(dòng)，保證電解擴(kuò)孔的正常運(yùn)行；電解液系統(tǒng)為電解加工提供介質(zhì)，保證電路的導(dǎo)通性，并帶走電解加工的產(chǎn)物及熱量。

圖3 裝置組成框圖

1.2 工具電極的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)工具電極時(shí)，首先根據(jù)工件結(jié)構(gòu)確定工具電極的結(jié)構(gòu)尺寸，工件為細(xì)長管結(jié)構(gòu)，故設(shè)計(jì)的工具電極也為細(xì)長桿結(jié)構(gòu)（圖4）。工具電極由電極桿和電極片兩部分組成。電極桿包圍電極片，可起保護(hù)絕緣的作用；電極片只露出加工區(qū)域的長度，用來進(jìn)行電解加工。電極片選用紫銅材料，電極桿選用PVC材料，并采用環(huán)氧樹脂對露出的電極片側(cè)壁進(jìn)行絕緣。

1.3 夾具的設(shè)計(jì)

圖4 電極結(jié)構(gòu)圖

夾具結(jié)構(gòu)見圖5。夾具由支承結(jié)構(gòu)和壓緊結(jié)構(gòu)兩部分組成，2個(gè)固定于不銹鋼支承板上的軸承輪作為支承結(jié)構(gòu)支承工件，1個(gè)固定于不銹鋼壓板上的軸承輪作為壓緊結(jié)構(gòu)壓緊工件。支承板和壓板間用彈性墊片連接，確保工件受到的壓緊力適度，進(jìn)而保證工件在軸承輪之間受到的摩擦力適度，使工件在加工過程中能穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動(dòng)。前后共2組夾具用于工件的裝夾，可限制工件的4個(gè)自由度。

圖5 夾具結(jié)構(gòu)圖

1.4 驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

工件的驅(qū)動(dòng)裝置與夾具的結(jié)構(gòu)相似 （圖6），工件下方由2個(gè)軸承輪固定支承工件，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)壓緊在工件上的膠輪驅(qū)動(dòng)工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工件的轉(zhuǎn)速可通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。

圖6 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

1.5 進(jìn)給裝置的設(shè)計(jì)

電解加工時(shí)，加工間隙會(huì)逐漸變大，影響加工的正常進(jìn)行，甚至可能導(dǎo)致加工停止。為保證電解擴(kuò)孔加工間隙大小的穩(wěn)定性，需設(shè)計(jì)工件的進(jìn)給裝置，從而帶動(dòng)工件做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給裝置由步進(jìn)電機(jī)、滑臺(tái)、滑塊及滑軌組成（圖7），滑臺(tái)、滑軌固定于固定工作臺(tái)上，移動(dòng)工作臺(tái)固定于滑塊和滑臺(tái)之上。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，移動(dòng)工作臺(tái)隨之運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)工件沿徑向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

1.6 加工裝置示意圖

完成設(shè)計(jì)并組合的加工裝置見圖8，可將其分為固定工作臺(tái)和移動(dòng)工作臺(tái)兩部分。固定工作臺(tái)主要由滑臺(tái)、密封裝置、電極支承架、滑軌滑塊等組成；移動(dòng)工作臺(tái)主要由步進(jìn)電機(jī)、主動(dòng)輪、支撐輪、壓輪、壓板及電刷等組成。

圖7 進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)圖

圖8 加工裝置示意圖

2 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)工件連續(xù)進(jìn)給、短路回退及原點(diǎn)回歸等運(yùn)動(dòng)功能，還可對加工間隙電壓進(jìn)行檢測監(jiān)控及控制開關(guān)的通斷。

2.1 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。其中，硬件主要由PLC主機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、定位控制模塊及電源等組成，實(shí)物見圖9；軟件為PLC控制程序，采用梯形圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，可進(jìn)行模塊化編寫，調(diào)試方便，能適應(yīng)工件不同的加工需要。

圖9 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖

2.2 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作線路

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的線路分布見圖10。PLC主機(jī)和定位模塊01PU通過線纜實(shí)現(xiàn)通訊，對PLC主機(jī)輸入不同信號后，定位模塊就會(huì)輸出不同的驅(qū)動(dòng)信號，驅(qū)動(dòng)器CSD5807接收這些不同的驅(qū)動(dòng)信號后，便會(huì)輸出正向或反向的脈沖信號，從而實(shí)現(xiàn)工件在Y軸上的正、反向運(yùn)動(dòng)。

圖10 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)線路圖

2.3 驅(qū)動(dòng)控制程序

驅(qū)動(dòng)控制程序運(yùn)用WPLsoft軟件進(jìn)行編寫，包括程序初始化、參數(shù)設(shè)置和運(yùn)動(dòng)控制三部分。

電解擴(kuò)孔加工試驗(yàn)使用寸動(dòng)模式，其梯形圖見圖11。當(dāng)M1000=on時(shí)，讀取現(xiàn)在位置和速度；當(dāng)M1002=on時(shí)，定位模塊控制寄存器CR10#寫入K10，并設(shè)定為寸動(dòng)模式；當(dāng)X4=on時(shí)，寸動(dòng)模式下輸出正向脈沖；當(dāng)X6=on時(shí)，寸動(dòng)模式下輸出反向脈沖；當(dāng)X4=off且X6=off時(shí)，寸動(dòng)模式停止動(dòng)作。

圖11 寸動(dòng)模式梯形圖

3 結(jié)論

（1）本文針對細(xì)長孔難以擴(kuò)孔加工的問題，搭建了細(xì)長孔脈沖電解擴(kuò)孔裝置，并設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，編寫了驅(qū)動(dòng)控制程序，可通過改變模塊化的控制系統(tǒng)程序，實(shí)現(xiàn)不同的加工需求。

（2）建立的進(jìn)給裝置可在驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)工件徑向且精度較高的定位和進(jìn)給，并可根據(jù)具體加工要求，改變工具陰極的形狀和尺寸，加工出變徑孔及不規(guī)則形狀內(nèi)孔，具有較好的柔性。

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