基于間隙阻抗的微細(xì)孔電解加工伺服控制

牛獻(xiàn)禮，孔全存，劉桂禮，祝福莉

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，精密測量技術(shù)與儀器研究所，北京100192）

隨著工業(yè)產(chǎn)品的尺寸向微小型化方向發(fā)展，作為實現(xiàn)零件尺寸微型化的關(guān)鍵技術(shù)——微細(xì)加工及相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用越來越受到重視與關(guān)注，特別是在高端柴油發(fā)動機噴油嘴、化纖噴絲板、打印機噴墨頭微噴孔、高精度光學(xué)模具等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-8]。同時，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，對零部件加工的尺寸精度和表面質(zhì)量提出了更高的要求，針對微小直徑高深寬比的微細(xì)孔、槽、微三維結(jié)構(gòu)生物模具的微細(xì)加工，是未來的重要研究方向。

在微細(xì)孔電解加工中，孔的加工精度取決于電解加工的工藝參數(shù)和對加工間隙的控制[9]，加工過程中間隙的變化直接影響孔的加工精度、加工效率及表面質(zhì)量。在加工過程中對間隙進(jìn)行檢測與控制，對提高微細(xì)孔的加工質(zhì)量與加工效率具有重要意義。

通常，微細(xì)電解加工間隙在幾十微米以下，在如此小間隙內(nèi)進(jìn)行電解加工將造成換液困難、間隙難以檢測控制，導(dǎo)致加工效率和加工精度降低。研究證明，采用高頻脈沖電源可有效提高微細(xì)孔的加工定域性；高壓中空沖液的方式可加速電解過程中加工產(chǎn)物的排出，使電解液更新及時；側(cè)壁絕緣電極可排除側(cè)壁對微細(xì)孔的加工，提高微細(xì)孔的加工質(zhì)量。綜合以上，在高頻脈沖電源、高壓中空沖液和側(cè)壁絕緣電極的工藝方式下，如何提高加工間隙伺服控制系統(tǒng)的性能，是提高微細(xì)電解加工精度和加工效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。

常用的伺服控制方法包括超聲檢測法、視覺測量法、平均電流、平均電壓、峰值電壓、雙電層電容和模糊控制法。Hopenfeld等[10-11]提出的探針測量法、Clifton等[12]研究的超聲 測 量裝置、Alexandre等[13]設(shè)計的模糊邏輯控制算法伺服控制設(shè)備、康敏等[14]開發(fā)的基于機器視覺的測量方法、孔全存等[15]提出的基于雙電層電容的微細(xì)電解加工間隙在線檢測方法、史先傳等[16]提出的低電壓濕對刀法，都對微細(xì)孔電解加工的伺服控制提供了借鑒意義。

超聲檢測法和視覺測量法可實現(xiàn)有效的在線測量，但占用加工空間，且隨著加工的進(jìn)行，檢測誤差較大；平均電壓法簡單靈活，但隨著脈沖頻率增大誤差也增大；峰值電壓法信噪比高，但與間隙的線性度較差，不能代表間隙大小的變化特性；濕對刀法與雙電層檢測法檢測誤差小，但需停車對刀，影響加工效率；模糊邏輯控制算法復(fù)雜，運算量大。

電解加工過程是非機械接觸加工，加工過程中的間隙變化規(guī)律對掌握電解加工工藝規(guī)律、保證加工過程的穩(wěn)定從而控制加工精度有重要意義。針對高深寬比微細(xì)孔加工效率低的問題，本文提出基于間隙阻抗的微細(xì)孔電解加工伺服控制方法，通過開展100～200μm孔徑、高深寬比的電解加工實驗，驗證伺服控制方法的可行性。

1 微細(xì)孔電解加工模型

1.1 工藝路線

在高深寬比的微細(xì)孔加工中，高頻脈沖電源能有效提高加工精度、加工效率，從而保障加工工藝的穩(wěn)定性。脈沖電源主要利用脈間去極化脈沖壓力波效應(yīng)，脈間去極化過程能增強電解液的非線性特征，提高加工定域性與表面質(zhì)量；而脈沖壓力波效應(yīng)可改善間隙內(nèi)的流場環(huán)境，改善加工進(jìn)程，提高電解液的蝕除速率與工件質(zhì)量[16]。

在微細(xì)孔加工過程中，由于加工孔徑小，對工具電極也有一定的要求。采用非側(cè)壁絕緣工藝電解加工時，陰極工具表面產(chǎn)生氫氣，電極下端面和側(cè)壁同時對金屬工件進(jìn)行加工，加工成形面和加工間隙內(nèi)產(chǎn)生的電解產(chǎn)物較多，加工孔的錐度較大。而采用側(cè)壁絕緣工藝制備的電極加工時，電極側(cè)壁被絕緣層包圍，屏蔽了側(cè)壁電場，加工區(qū)域被約束到電極端面，生成的加工產(chǎn)物相對較少，且加工孔的錐度相對較小，孔型較為一致。

隨著加工深度的增加，電化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，生成的產(chǎn)物逐漸增多，在微小間隙內(nèi)開始累積，局部因產(chǎn)物無法排除而產(chǎn)生短路現(xiàn)象，影響加工精度且損壞電極。而在電解加工過程中采用中空電極工藝，電解液系統(tǒng)通過增壓過程，經(jīng)密封裝置進(jìn)入中空電極內(nèi)部，電解液以每秒超十米的速度流入加工間隙內(nèi)，帶走間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物，更新加工區(qū)域內(nèi)的電解液，降低區(qū)域溫度場。因此，采用高壓中空沖液方式對微小間隙內(nèi)的流場動態(tài)環(huán)境有提升幫助，產(chǎn)物和電解液在高壓動力帶動下加速電解進(jìn)程。

綜上，在加工中采用側(cè)壁絕緣電極、高壓中空沖液和高頻脈沖電源的工藝，高頻脈沖電源提高加工定域性，側(cè)壁絕緣電極約束加工區(qū)域，高壓中空沖液保證產(chǎn)物排出順暢，電解液更新及時。圖1是本試驗中微細(xì)孔電解加工示意，基于以上三種微細(xì)孔加工工藝，探索加工間隙的變化過程。

1.2 模型建立

針對具有高深寬比微三維結(jié)構(gòu)的微細(xì)電解加工，加工間隙是影響加工效率與精度的核心因素，如何保證在加工過程中對間隙精準(zhǔn)掌握和控制、達(dá)到穩(wěn)定均勻的小間隙是加工的核心問題。因此，針對微細(xì)電解加工間隙檢測的伺服控制方法，是提高加工效率與精度的未來研究方向之一。

設(shè)在初始間隙中的電解液流速為μ，陰極與工件之間的外加電壓為U，工具陰極以速度Vc進(jìn)給，此時工件表面的溶解速度va可表示為：

式中：η為電流效率；ω為電化學(xué)當(dāng)量；κ為電解液的電導(dǎo)率；Δ為加工間隙。

圖2是加工過程的間隙示意，在整個電解加工過程中，陰極表面形狀、尺寸基本不變；加工面相對陰極間隙為Δ，初始間隙為Δ0，經(jīng)過t時間后的間隙Δ可表達(dá)為：

由式（2）可得：

總之，語文教師應(yīng)該站在兒童視角上，充分利用教材有效地對其進(jìn)行閱讀教學(xué)，還給學(xué)生自由閱讀的權(quán)利，允許學(xué)生自主選擇閱讀的方向，鼓勵學(xué)生按照自己的方法和興趣去閱讀，從而讓閱讀真正走入兒童的心靈，讓他們體會到閱讀的快樂。

其中：

圖2 加工間隙示意圖

將式（4）代入式（3）可得：

如前所述，令C=ηωκUR，則可得：

下加工間隙不隨時間而發(fā)生變化，這時的加工間隙稱為平衡間隙Δb，即：

當(dāng)陰極與工件之間的間隙為Δ時，兩電極間存在的電解液電阻R為：

式中：S為電極截面積。

2 微細(xì)孔電解加工實驗

2.1 阻抗模型的優(yōu)化

利用微細(xì)電解非側(cè)壁絕緣中空電極，在脈沖電源的工藝條件下配合中空沖液方式，針對常用鐵基材料304不銹鋼，開展直徑為100～200μm、深為500μm的高深寬比微細(xì)陣列孔電解加工實驗，探究間隙阻抗與加工間隙之間的關(guān)系。

表1是實驗采用的加工參數(shù)。為了降低流場、電極等因素對加工結(jié)果的影響，對加工過程及參數(shù)做歸一化處理，具體約束如下：①在不同的進(jìn)給速度下，采用相同的供液壓力和沖液方式；②采用相同結(jié)構(gòu)尺寸的微細(xì)中空非側(cè)壁絕緣電極；③采用相同電參數(shù)、初始間隙。

表1 實驗加工參數(shù)

分別記錄在不同的進(jìn)給速度下，在加工深度為100、200、300、400μm處的加工電壓及加工電流數(shù)值各10組，取平均值繪制得圖3、圖4。

圖3 加工電壓隨加工深度的變化

圖4 加工電流隨加工深度的變化

由圖3可看出，在不同的加工速度下，電壓隨著深度的增加都出現(xiàn)逐漸變小的趨勢，其中，在進(jìn)給速度為5、7、9μm/s下，由于加工速度過小、加工間隙較大，導(dǎo)致電壓變化不明顯；由圖4可看出，在不同的加工速度下，加工電流隨著深度的增加都逐漸增大。在這個實驗條件下，加工過程無回退，恒速最大進(jìn)給速度為15μm/s。為了進(jìn)一步提高加工效率，縮小孔徑，進(jìn)而研究間隙阻抗與加工間隙之間的關(guān)系，得到間隙阻抗與加工深度的關(guān)系見圖5?？煽闯觯谖⒓?xì)電解加工過程中，間隙阻抗隨著加工深度的增加而逐漸變小，結(jié)合式（8）可知，隨著加工的進(jìn)行，加工間隙隨之變小，間隙阻抗也不斷變小。

圖5 間隙阻抗隨加工深度的變化

隨著電解加工的進(jìn)行，電極不斷進(jìn)給，間隙阻抗、加工間隙也不斷發(fā)生變化。根據(jù)圖5所示的加工數(shù)據(jù)，在保證產(chǎn)物順暢排出、電解液及時更新的條件下，加工間隙越小，加工精度越高，取最大進(jìn)給速度下阻抗R與加工深度h之間的關(guān)系：

將式（10）代入式（9）可得：

2.2 不同控制方法下的孔徑比較

根據(jù)已優(yōu)化的加工參數(shù)，采用電壓8 V、脈寬和脈間均5μs、中空沖液壓力0.8 MPa的條件，在不銹鋼薄片上開展電解加工實驗，得到不同控制方法加工后的孔徑尺寸見圖6。

圖6 不同控制方法下的孔徑大小

從圖6可知，采用恒速進(jìn)給方法、平均電壓電流控制方法、基于間隙阻抗的控制方法加工出的最大和最小孔徑分別為192.61、184.44、170.24μm和185.66、172.21、164.25μm，對比可知，基于間隙阻抗的控制方法加工出的孔徑較小。

2.3 高深寬比陣列孔加工

根據(jù)優(yōu)化的模型參數(shù)，在500μm厚的304鋼片上開展高深寬比微細(xì)陣列孔電解加工實驗，得到的正、反面孔形見圖7。通過對比微細(xì)孔的孔徑尺寸及加工時間，進(jìn)一步驗證其應(yīng)用可行性。

圖7 不同方法加工的微細(xì)陣列孔形

結(jié)果顯示，恒速進(jìn)給加工出的孔徑較大，入口直徑為194μm、出口直徑為141μm，加工時間為34 s；采用平均電壓電流法加工出的孔入口直徑為182μm、出口直徑為138μm，加工時間為25 s；基于間隙阻抗的控制方法加工的孔徑最小，入口直徑為173μm、出口直徑為134μm，加工時間為20 s。綜上所述，在相同加工參數(shù)下，采用基于間隙阻抗的控制方法加工所得孔的出、入口尺寸小，加工時間短，為最優(yōu)選的加工方式。

3 結(jié)論

針對當(dāng)前微細(xì)電解加工效率不高的現(xiàn)狀，提出基于間隙阻抗的控制方法，在304不銹鋼表面開展實驗，得到以下結(jié)論：

（1）分別采用勻速進(jìn)給、平均電流電壓及基于間隙阻抗的模型控制方法開展驗證實驗，結(jié)果表明，基于間隙阻抗的模型控制方法加工時間短、加工效率高，所得孔的出、入口尺寸小。

（2）利用基于間隙阻抗間隙檢測及伺服控制方法，在500μm厚的304不銹鋼片上加工出了入口173.6μm、出口134.8μm的高深寬比微細(xì)陣列孔，其加工時間比恒速進(jìn)給加工減少41%、比平均電壓電流法加工減少20%，驗證了該方法的可行性。