金屬型管電液束加工自動變換極性電源的研制

張明岐 ，潘志福 ，傅軍英 ，翟士民 ，金 歐

（1.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2.北京京儀椿樹整流器有限公司，北京 100040）

電液束工藝是為了滿足航空發(fā)動機葉片制孔需求而發(fā)展起來的優(yōu)質(zhì)小孔加工技術(shù)。電液束加工孔的表面不會產(chǎn)生再鑄層、微裂紋及熱影響區(qū)[1]，避免了熱加工帶來的技術(shù)風(fēng)險；同時，電液束加工小孔的孔口過渡圓滑、孔壁平直，無毛刺，孔表面粗糙度值低，微觀組織保持完整[2]。因此，電液束加工以其公認的高品質(zhì)迅速成為先進發(fā)動機和燃氣輪機行業(yè)中的重要制孔技術(shù)。

電液束加工一般采用毛細玻璃管作為電極，適合加工直徑為0.2～1.2 mm的小孔[3]，但對于直徑超過1.2 mm的導(dǎo)向葉片氣膜冷卻孔來說，現(xiàn)有的電液束加工技術(shù)由于毛細玻璃管電極強度、剛性的限制，難以實現(xiàn)正常加工。而對于要求很高的航空發(fā)動機單晶材料葉片冷卻孔，傳統(tǒng)的激光、電火花等加工工藝因易產(chǎn)生再鑄層、微裂紋等缺陷而難以勝任高品質(zhì)加工；對于其他武器裝備中出現(xiàn)的高品質(zhì)大深徑比超長深孔，至今仍沒有良好的加工技術(shù)解決途徑。

金屬型管加工技術(shù)是建立在電化學(xué)陽極溶解的原理上，將電液束加工與傳統(tǒng)電解加工相結(jié)合的一種孔加工技術(shù)。以外表面涂覆絕緣涂層的金屬型管作為電極，以酸性溶液作為電解液，加工過程中金屬工件接直流電源正極，金屬型管電極接電源負極，使凈化的酸性溶液通過金屬型管內(nèi)腔流入加工區(qū)域，進而對陽極工件進行“溶解”加工[4]。其中，金屬型管電液束加工自動極性變換電源是應(yīng)金屬管電極表層沉積變化而研制的新型加工電源，用于穩(wěn)定金屬型管電液束加工過程，并優(yōu)化小孔加工質(zhì)量，其加工過程原理見圖1。

金屬型管電液束加工無應(yīng)力和電極損耗，加工表面不產(chǎn)生再鑄層、微裂紋及熱影響區(qū)，和玻璃管電極電液束加工技術(shù)相比，在保證電極強度與剛性方面具有更高的優(yōu)勢，更適合較大直徑孔的高品質(zhì)加工[5]。通過超長管電極或異型電極的制備，可使更大深徑比的小孔和各種異型孔的加工成為可能。

圖1 金屬型管電液束自動極性變換加工原理示意圖

1 金屬型管電液束加工電源要求

在金屬型管電液束加工過程中，陽極工件與金屬型管電極端部的臨近部分不斷地被高速溶解；同時，電解液中的工件鈍化所形成的正離子團會從陽極區(qū)域以電泳形式轉(zhuǎn)移到陰極區(qū)域，在沖刷不利時會吸附和粘結(jié)于工具陰極表面，這就相當(dāng)于陰極的形狀、尺寸發(fā)生了改變，導(dǎo)致了加工誤差的產(chǎn)生，難以保證小孔加工的直線度（圖2）。由于陰極吸附作用在加工過程中會不斷累加，導(dǎo)致極間間隙阻抗增大、加工能耗增大，改變了工具陰極表面的電化學(xué)特性，進而影響工件陽極去除特性，嚴重時還會引發(fā)短路現(xiàn)象。

圖2 陰極沉積影響加工孔型尺寸示意圖

國內(nèi)外研究表明：在脈沖電解加工中，脈沖電流關(guān)斷時出現(xiàn)的短時反向電流能有效消除陰極吸附并去極化，加速對上一脈沖周波中的陽極表面鈍化產(chǎn)物的活化作用，提高陽極表面的活化程度[6]。由此可見，反向電流施加的主要目的是防止陰極端部出現(xiàn)沉積薄膜而阻礙陽極溶解[7]，對提高加工穩(wěn)定性具有重要作用。

因此，針對金屬型管電液束加工過程中出現(xiàn)的陰極吸附而發(fā)生極化、難以保證孔形或不能持續(xù)加工等現(xiàn)象，提出了自動極性變換電源的技術(shù)要求，該技術(shù)通過加工過程中定時自動加載反向電壓，有效消除陰極吸附并去極化。但施加反向電壓需掌握其幅值，如果反向電壓幅值偏大，會導(dǎo)致工具陰極發(fā)生電化學(xué)溶解，反之則不能有效發(fā)揮反向電流去陰極沉積的作用[8]；再者，電源的波形、電壓、穩(wěn)壓精度和短路保護功能都直接影響陽極溶解過程[9]。因此，既要滿足極性變換的特殊功能，又要保證電源的輸出品質(zhì)，以此為主要技術(shù)要求研制金屬型管電液束加工專用電源，作為金屬型管電液束加工工藝的重要硬件基礎(chǔ)。

金屬型管電液束加工在供電制度上與普通電液束加工有很大區(qū)別，專用電源需具備極性自動換向功能，如圖3所示，在電源持續(xù)正向工作一段時間后，自動變換成反向電壓，實現(xiàn)動態(tài)反極性去除陰極沉積，以保證加工過程的順利進行，進而突破深孔持續(xù)送進加工技術(shù)并保證加工孔形精度。

圖3 定時施加反極性示意圖

根據(jù)金屬型管電液束加工需求，專用電源應(yīng)具備幾項基本功能：

（1）穩(wěn)壓工作方式。加工時，先預(yù)調(diào)到設(shè)定電壓值，并在加工過程中實現(xiàn)自動穩(wěn)壓，且正、反向電壓均可設(shè)置。

（2）穩(wěn)流工作方式：在面板上先預(yù)設(shè)穩(wěn)流值，加工開始時按穩(wěn)壓方式進行，當(dāng)負載電流達到預(yù)設(shè)的穩(wěn)流值時，電源自動變換到穩(wěn)流工作狀態(tài)。其中，在反向電壓工作時，僅需穩(wěn)壓控制方式。

（3）可實現(xiàn)加工過程中的自動換向功能。在持續(xù)施加正向電壓工作一段時間后，自動施加反向電壓，如此進行往復(fù)連續(xù)工作，且正、反向電壓及其工作時間均可設(shè)置。其中，正向電壓工作段可采用穩(wěn)流工作方式。

（4）具備限流值可調(diào)的限流關(guān)斷功能、火花和過流短路關(guān)斷功能。

2 金屬型管加工電源的研制

在研制金屬型管加工專用電源時，除了常規(guī)直流電源的額定電流、額定電壓、紋波系數(shù)、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度外，還應(yīng)保證滿足自動換向的工作指標(biāo)，包括正、反向電壓值及其持續(xù)時間、穩(wěn)壓/穩(wěn)流模式變換等。電源制作完成后，還應(yīng)進行靜態(tài)檢查，利用模擬負載進行運行試驗，測定電源的各種性能指標(biāo)。最后，需對電源進行實際加工實驗測試，確定輸出正向電壓值與時間、反向電壓值與時間等電源加工參數(shù)范圍，并驗證電源的功能及可靠性。

在金屬型管加工過程中，電源工作的可靠性要求高，在穩(wěn)壓或穩(wěn)流模式下需控制波紋度，同時，還要實現(xiàn)電源極性切換的自動控制，實現(xiàn)數(shù)字化控制。此外，當(dāng)發(fā)生短路時，應(yīng)能保證及時切斷電源，以防工件與電極的燒傷。因此，研制專用電源時，需解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：

（1）正、反極性的可靠切換與穩(wěn)定輸出

為了保證輸出品質(zhì)，電源技術(shù)方案采用三相橋式整流結(jié)構(gòu)，帶平衡電抗器的雙反星形整流電路，并采用晶閘管整流方式?？紤]到金屬型管電液束加工電壓恒定的要求，在變壓器原邊增加用于調(diào)整輸出電壓的抽頭，控制晶閘管在較大觸發(fā)角時輸出的紋波水平。晶閘管采用反并聯(lián)模塊，用于實現(xiàn)反向電壓輸出（圖4）。設(shè)計的勵磁電源拓撲結(jié)構(gòu)分析見圖5，系統(tǒng)流程見圖6。

圖4 電源波形示意圖

圖5 拓撲結(jié)構(gòu)分析原理圖

圖6 系統(tǒng)流程框圖

專用電源的硬件電路包括主電路和控制電路兩個部分。主電路主要包括反并聯(lián)二極管的調(diào)壓電路及對應(yīng)的變壓器；控制電路主要包括主控制器、驅(qū)動電路、信號采樣電路、過熱等保護電路、觸摸屏人機界面及CAN通訊電路等。每一塊DSP控制板對應(yīng)一組輸出方式，電壓、電流信號經(jīng)真有效值電路采樣后，由PID運算導(dǎo)通周期，再與給定量對比后控制導(dǎo)通角的變化，實現(xiàn)對電流電壓的穩(wěn)壓、輸出調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)選用一塊控制板作為主板，進行時間信號輸入及正向電壓脈沖輸出，兩塊控制板間通過CAN總線實現(xiàn)通信，進而實現(xiàn)另一塊DSP板的反向電壓脈沖輸出。此外，主板還進行主接觸器的分合閘控制及故障發(fā)生后的分勵保護。

控制系統(tǒng)通過采用TMS320LF2407A型控制器為核心的DSP控制板實現(xiàn)，而雙窄脈沖觸發(fā)由事件管理器模塊EVA和EVB中的PWM通道實現(xiàn)。該型號DSP帶有16個內(nèi)置采樣/保持的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC，配合外部真有效值采樣電路可完成電流及電壓轉(zhuǎn)換，也可完成溫度、壓力的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電源輸出的閉環(huán)控制及故障報警等功能。電源通過測試后，紋波系數(shù)達到2%（50%負荷條件下），兩種輸出模式中的穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度達到0.5%。

（2）通過數(shù)字信號處理技術(shù)，實現(xiàn)極性切換的自動化控制

通過高性能數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣，實現(xiàn)全數(shù)字化控制，重點開展三方面的研究：①數(shù)字化的電源系統(tǒng)控制可實時監(jiān)測電壓、電流等數(shù)據(jù)，發(fā)生故障時迅速啟動保護；實現(xiàn)功率閉環(huán)的PID控制算法；雙窄脈沖的計算生成、移向角計算及完善的過流過壓保護功能；② 數(shù)字化的人機交互平臺可通過Modbus通信與通態(tài)觸摸屏進行串口通信，操作直觀方便；③ 雙DSP通信控制，通過CAN總線方式實現(xiàn)雙DSP板的協(xié)調(diào)工作。

專用電源的主程序流程見圖7。為了便于操作及程序兼容，系統(tǒng)通過觸摸屏與DSP控制板經(jīng)由RS485通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示及參數(shù)設(shè)定。采用Modbus協(xié)議通過主從方式實現(xiàn)通信，主機數(shù)據(jù)幀包含從站地址信息和讀寫數(shù)據(jù)的功能碼，從機在接收與自己地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀信息后，根據(jù)功能代碼做出相關(guān)響應(yīng)，并按不同的功能代碼組成數(shù)據(jù)幀或操作回應(yīng)幀進行回應(yīng)；若地址不符，則不予處理。

圖7 主程序流程圖

（3）實現(xiàn)加工過程中的短路保護功能

在金屬型管電液束加工過程中，由于加工區(qū)狀態(tài)改變，包括陰極沉積、阻塞、空穴、熱沸騰等原因，會使陰極與工件接觸而發(fā)生短路，進而導(dǎo)致加工過程中斷，電極和工件被燒傷甚至報廢。因此，可靠的短路保護已成為加工電源的基本功能。

在電解加工過程中，加工電流的正向或負向產(chǎn)生突變是短路的重要前兆。檢測電路由集成運算放大器組成，通過給定基準(zhǔn)電壓與實際輸出電壓的比較產(chǎn)生驅(qū)動信號，達到檢測的目的；當(dāng)檢測到短路信號后，再由電源執(zhí)行關(guān)斷。短路信號檢測原理示意見圖8。

圖8 方法短路信號檢測原理圖

在設(shè)計檢測電路時，需合理設(shè)定和調(diào)節(jié)信號檢測的靈敏度，保證只在監(jiān)測到的短路預(yù)兆信號達到此水平時，切斷保護系統(tǒng)才動作。這是由于短路預(yù)兆信號小于某臨界值時，不一定會引發(fā)短路，而此臨界值又隨著不同的加工狀況而異。針對不同的直流整流加工電源波形和加工狀態(tài)，加工過程中的短路預(yù)兆信號的表現(xiàn)形式采用可存儲示波器進行信號的捕捉儲存，據(jù)此分析短路預(yù)兆信號的出現(xiàn)規(guī)律，作為系統(tǒng)研制、調(diào)試的主要技術(shù)參數(shù)依據(jù)。

測試實驗采用模擬短路的方法進行：一是在模擬負載上快速調(diào)節(jié)電阻值，同時調(diào)節(jié)比較器參數(shù)即靈敏度；二是在電源輸出的正負極各接入多股粗導(dǎo)線，實驗時分別抽出一股細導(dǎo)線進行短接。測試時，在示波器上觀察切斷時間 （從信號檢測至電源關(guān)斷、大電流降為零的總時間），多次實測切斷時間Toff為50～150 μs。測試實驗基本實現(xiàn)了加工面在短路時無明顯燒傷。

加工電源制造安裝后，經(jīng)靜態(tài)檢驗，其功能與指標(biāo)均達到預(yù)設(shè)要求。電源的額定電流為1000 A、額定電壓為24 V、反向電壓值為0.5～4 V、正向工作時間為 0.1～50 s、反向工作時間為 0.05～5 s，電源的實物照與主控界面分別見圖9和圖10。該專用電源實現(xiàn)了穩(wěn)壓與穩(wěn)流兩種工作方式和加工過程中的自動換向功能，可通過設(shè)置確定正、反向電壓及其持續(xù)時間。圖11是電源工作過程中自動變換正向與反向電流的兩種狀態(tài)。該電源運行穩(wěn)定，正、反極性輸出可靠，可用于后續(xù)的金屬型管加工實驗。

圖9 電源內(nèi)部實物照

圖10 電源主控界面

圖11 電加工過程中的電流波形圖

3 工藝實驗驗證

電液束加工專用電源經(jīng)靜態(tài)調(diào)試后，進行了工藝驗證實驗。通過合理選擇正、反向電壓幅值和工作時間，既能實現(xiàn)材料的有效去除，又能及時溶解陰極沉積產(chǎn)物，防止發(fā)生短路或因陰極沉積影響加工的孔型和精度。

將自動極性變換電源連接電液束加工設(shè)備及輸液系統(tǒng)，通過金屬型管小孔加工實驗，重點對電極狀態(tài)進行檢查，發(fā)現(xiàn)電極拋光圈擴大，且出現(xiàn)了局部保護層脫落現(xiàn)象。主要原因是反向電壓施加不合理，導(dǎo)致陰極腐蝕；調(diào)整反向電壓參數(shù)后繼續(xù)進行實驗，實驗結(jié)束后檢查電極，未發(fā)現(xiàn)絕緣涂層脫落現(xiàn)象。由此可看出，反向電壓施加的持續(xù)時間是關(guān)鍵的調(diào)節(jié)參數(shù)。

反向電壓施加實驗結(jié)果見圖12?？煽闯?，當(dāng)反向電壓低于2 V時，可獲得陰極無損傷的參數(shù)；隨著反向電壓施加時長的增加，陰極損傷呈線性增加趨勢；當(dāng)反向電壓超過3 V時，電極損傷幾乎不可避免。由圖12還可看出，當(dāng)反向電壓為0.5、0.8 V時，均出現(xiàn)了瞬時短路火花。反向電壓的大小及施加時間的選擇是基于保證電極不被反向電壓腐蝕為主要依據(jù)，即電源參數(shù)以保全電極拋光圈大小為前提。結(jié)合國內(nèi)外資料及本實驗結(jié)果，確定電源的正、反向電壓參數(shù)為：正向電壓15～20 V，施加10～30 s；反向電壓 1～2 V，施加 0.5～1 s。

圖12 反向電壓施加試驗結(jié)果

4 結(jié)束語

金屬型管電液束加工技術(shù)是典型的電化學(xué)冷加工制孔工藝，適合大孔徑的高品質(zhì)孔加工，加工孔的深徑比可達300∶1，是實現(xiàn)超深孔及異型深孔加工的有效解決方法。自動極性變換電源可有效解決金屬型管電液束加工過程中陰極沉積的動態(tài)去除，實現(xiàn)陰極沉積狀態(tài)的自動有效控制。本文通過工藝試驗，證明了金屬型管電液束加工工藝的可行性，確定了參數(shù)優(yōu)化方向，獲得了電源正、反向電壓參數(shù)：正向電壓 15～20 V，施加 10～30 s；反向電壓1～2 V，施加 0.5～1 s。