雙極性脈沖電解加工端面雜散腐蝕控制

張鈺舜，陳 偉，韓福柱

（清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京市精密/超精密制造裝備及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

電解加工是一種非接觸式的材料加工技術(shù)，工件材料作為陽(yáng)極，在電場(chǎng)、流場(chǎng)和化學(xué)腐蝕場(chǎng)的作用下發(fā)生電化學(xué)溶解進(jìn)入溶液中完成表面成形，具有加工能力不受工件硬度限制、工具材料無(wú)損耗、加工效率高、加工表面無(wú)重熔變質(zhì)層等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。

然而，由于加工時(shí)無(wú)法將電場(chǎng)完全約束在待加工區(qū)域，電解加工過(guò)程存在側(cè)面和端面的雜散腐蝕現(xiàn)象，降低了加工工件表面質(zhì)量[3]。端面雜散腐蝕主要由于在電解加工初始階段，電極與工件間隙遠(yuǎn)大于平衡間隙期間，此時(shí)電極與非加工表面部分區(qū)域存在電場(chǎng)，造成該區(qū)域內(nèi)部分材料溶解，破壞工件表面完整性，因此提高電解加工表面質(zhì)量必須抑制電解過(guò)程的表面雜散腐蝕。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾對(duì)電解加工表面質(zhì)量的控制方法進(jìn)行研究。李家寶等[3]發(fā)現(xiàn)脈沖電解加工能減少鈦合金葉柵套料電解加工表面點(diǎn)蝕凹坑，且通過(guò)合理的電壓、占空比和頻率組合可獲得表面完整無(wú)點(diǎn)蝕的加工葉型表面。馬成勇等[4]研究了電解加工中鈍化膜和點(diǎn)蝕對(duì)電解加工表面質(zhì)量的影響，通過(guò)鈦合金加工試驗(yàn)得出電解液種類、濃度及電壓對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律。牛屾等[5]研究了工具端部絕緣層對(duì)溝槽底面平面度與表面質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)端部絕緣層可有效縮小底面表面粗糙度與輪廓坐標(biāo)最大差值。Han等[6]研究發(fā)現(xiàn)電解加工過(guò)程中脈間始終存在一個(gè)不為零的極化電壓，使得工件表面持續(xù)發(fā)生電化學(xué)溶解，從而降低了加工精度與加工質(zhì)量。然而，目前對(duì)抑制非加工區(qū)域雜散腐蝕的表面質(zhì)量控制方法鮮有報(bào)道。

本文通過(guò)正負(fù)對(duì)稱的輔助雙極性脈沖抑制電解加工初期的電化學(xué)反應(yīng)，設(shè)計(jì)了單雙極性可變脈沖加工電源，進(jìn)行了單極性和雙極性脈沖切換電解加工試驗(yàn)，分析脈沖頻率對(duì)加工表面雜散腐蝕區(qū)直徑的影響規(guī)律，試圖控制電解加工端面雜散腐蝕。

1 極性脈沖切換電解加工

端面雜散腐蝕主要發(fā)生在加工初始階段電極進(jìn)給到平衡間隙之前。圖1是電解加工小孔端面雜散腐蝕原理，此時(shí)由于電極與工件間隙遠(yuǎn)大于平衡間隙，電極空載移動(dòng)期間，在電極與工件表面非加工區(qū)域之間出現(xiàn)雜散電流，工件表面非加工區(qū)域出現(xiàn)圖1c所示的腐蝕坑，使工件表面加工質(zhì)量下降。對(duì)于電解加工中孔內(nèi)壁表面雜散腐蝕問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了化學(xué)氣相沉積、涂覆絕緣層、微弧氧化等多種可減小電極側(cè)壁對(duì)已加工區(qū)域重復(fù)加工的方法，從而有效提高加工尺寸精度與已加工區(qū)域表面質(zhì)量；然而，針對(duì)端面雜散腐蝕的問(wèn)題，業(yè)內(nèi)尚缺乏有效的解決辦法，消除工具電極電解加工時(shí)的端面雜散腐蝕一直是提高電解加工精度和工件表面質(zhì)量的重要研究?jī)?nèi)容。

圖1 電解加工小孔端面雜散腐蝕原理及表面形貌

圖2是電解加工過(guò)程脈沖極性切換原理。為了減小電極在加工初始階段對(duì)工件表面非加工區(qū)域的雜散腐蝕，在單極性脈沖脈間范圍增加了負(fù)極性脈沖；當(dāng)工具電極進(jìn)給到平衡間隙開(kāi)始加工后，雙極性脈沖電源輸出需要切換成中間圖所示的單極性脈沖電源輸出。該方法可有效解決電解加工初始階段電極進(jìn)給至平衡間隙過(guò)程中造成的端面雜散腐蝕問(wèn)題，顯著提高加工工件表面質(zhì)量。

圖2 電解加工過(guò)程脈沖極性切換原理示意圖

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 單雙極性脈沖切換電源與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了在脈沖電解加工初始階段能實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖輸出，而在達(dá)到平衡間隙后又能實(shí)現(xiàn)單極性脈沖輸出，減少端面雜散腐蝕，本文提出了圖3所示的脈沖電源電路設(shè)計(jì)方案：該電源由4個(gè)MOSFET（金氧半場(chǎng)效晶體管）和2個(gè)直流穩(wěn)壓電源構(gòu)成，MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)由FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列）芯片產(chǎn)生，當(dāng)Q1和Q4打開(kāi)、Q2和Q3關(guān)閉時(shí)，正向直流電源接通，電解電源輸出正極性脈沖；當(dāng)Q1和Q4關(guān)閉、Q2和Q3打開(kāi)時(shí)，反向直流電源接通，電解電源輸出負(fù)極性脈沖；當(dāng)Q1、Q2、Q3、Q4均關(guān)閉時(shí)，電解電源輸出為零。通過(guò)改變MOSFET的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)單、雙極性脈沖輸出的快速切換，與電源輸出信號(hào)的頻率和占空比調(diào)整。

圖3 脈沖極性切換電源電路

為確保在電極進(jìn)給到平衡間隙后正常加工過(guò)程中不發(fā)生電化學(xué)溶解，加工電源的雙極性脈沖輸出信號(hào)需要快速切換為單極性脈沖輸出，但由于平衡間隙測(cè)量困難，本文以電極短路為輸出脈沖極性切換節(jié)點(diǎn)。使用單極性脈沖電源進(jìn)行電解加工時(shí)，由于電極與工件間的極化作用，正向脈沖脈間存在極化電壓[6-7]。當(dāng)極化電壓不為零時(shí)，電極與工件間存在一定間隙；當(dāng)極化電壓等于零時(shí)，電極與工件發(fā)生短路。因此，本文在工具電極和工件上設(shè)置采樣點(diǎn)，將采集到的極間電壓輸入到電壓比較器，每個(gè)正向脈沖脈間電源均檢測(cè)比較器輸出，當(dāng)極間電壓小于參考電壓，比較器輸出短路反饋信號(hào)到脈沖電源，脈沖電源輸出由雙極性切換為單極性，該控制系統(tǒng)原理見(jiàn)圖4。另外，為防止電極工件短路后持續(xù)進(jìn)給撞傷電極與機(jī)床，該短路反饋信號(hào)也被引入到機(jī)床伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電極進(jìn)給的暫停與回退。

圖4 電解加工控制系統(tǒng)原理圖

2.2 試驗(yàn)裝置

本文所用的電解加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由三軸數(shù)控機(jī)床、單雙極性切換可變頻脈沖電源、伺服控制系統(tǒng)和電解液循環(huán)系統(tǒng)組成。其中，機(jī)床本體為W30型精密電火花成形機(jī)床，工作臺(tái)X軸行程300 mm、Y軸行程200 mm、Z軸行程270 mm；工件材料為厚度1 mm的紫銅板，工具電極為外徑1 mm的銅管，沖液壓力為1 MPa，加工過(guò)程中電極保持0.3 mm/min的速度勻速進(jìn)給，初始的工具電極和工件間隙為0.5 mm，進(jìn)給深度為0.5 mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 雙極性脈沖切換對(duì)工件表面雜散腐蝕的影響

利用脈沖電源輸出脈沖極性的切換，原理上可以減小脈沖電源加工過(guò)程中出現(xiàn)的端面雜散腐蝕。為了驗(yàn)證該方法可有效提高脈沖電解加工工件表面質(zhì)量，設(shè)計(jì)了有脈沖極性切換和無(wú)脈沖極性切換的單極性脈沖電解加工對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的工件材料為厚度1 mm的紫銅板，工具電極是外徑1 mm的銅管，電解液為30 g/L的NaNO3溶液，沖液壓力為1 MPa，工具電極以0.3 mm/min的速度勻速進(jìn)給。

表1是電解加工過(guò)程中的加工參數(shù)，初始的電極和工件間隙為0.5 mm，分為兩組試驗(yàn)：A組試驗(yàn)始終采用單極性加工，脈沖電源的輸出峰值電壓為25 V、占空比為50%、頻率為10 kHz；B組試驗(yàn)在工具電極向工件表面初試進(jìn)給時(shí)采用雙極性加工，加工峰值電壓為15 V、正負(fù)脈沖占空比都為30%、頻率為4 kHz。當(dāng)檢測(cè)到脈間電壓為零時(shí)，立即將脈沖電源的輸出信號(hào)切換為單極性輸出。

表1 對(duì)稱雙極性脈沖雜散腐蝕加工參數(shù)

圖5是采用純單極性加工和單雙極性脈沖切換的微孔加工試驗(yàn)結(jié)果。在沒(méi)有極性切換的情況下，電解加工的微孔上表面入口周?chē)忻黠@的雜散腐蝕區(qū)域，其相對(duì)于孔中心直徑2.6 mm范圍內(nèi)都出現(xiàn)了雜散腐蝕現(xiàn)象（圖5a）；而在加工初始階段脈沖電源雙極性輸出，正常加工階段脈沖電源單極性輸出的電解加工過(guò)程，其相對(duì)于孔中心直徑2 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)雜散腐蝕現(xiàn)象（圖5b）。

圖5 單極性和單雙極性脈沖切換下微孔上表面形貌對(duì)比

這是由于在初始進(jìn)給階段，雙極性脈沖電源對(duì)工件表面的雜散腐蝕比單極性脈沖電源輸出小，說(shuō)明雙極性脈沖電源可有效地減小脈沖電源電解加工初始階段對(duì)工件表面造成的端面雜散腐蝕。此外，一直使用單脈沖加工時(shí)，孔的入口直徑要比使用脈沖切換時(shí)大，這說(shuō)明使用雙極性脈沖電源還可以提高孔的入口加工精度。

3.2 雙極性脈沖頻率對(duì)工件表面質(zhì)量的影響

上述研究已證明雙極性脈沖電源有利于縮小電解加工微孔的上表面雜散腐蝕區(qū)域，為了研究雙極性脈沖電源電解加工時(shí)對(duì)減小雜散腐蝕區(qū)域的影響因素，設(shè)計(jì)了4組對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行研究，具體加工參數(shù)見(jiàn)表2。這4組試驗(yàn)保持峰值電壓15 V、占空比30%，通過(guò)改變雙極性脈沖的頻率，以探究不同頻率對(duì)于微孔上表面加工質(zhì)量的影響；同時(shí)設(shè)計(jì)單極性脈沖試驗(yàn)，脈沖頻率為20 kHz、電壓峰值為15 V、占空比為50%，主要用于工具電極已到達(dá)平衡間隙、進(jìn)行正常電解加工的過(guò)程。

表2 雙極性脈沖頻率雜散腐蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖6是通過(guò)測(cè)繪軟件測(cè)量加工表面雜散腐蝕區(qū)域直徑尺寸并繪制的柱狀圖?？梢?jiàn)，隨著雙極性脈沖電源脈沖頻率的增加，微孔上表面的雜散腐蝕區(qū)域直徑逐漸減小，但減小的趨勢(shì)逐漸變緩。這主要是由于隨著頻率的增加，雙極性正負(fù)脈寬都減小，而工件表面離電極越遠(yuǎn)的地方，加工中的充電時(shí)間常數(shù)越大，明顯抑制了工件表面較遠(yuǎn)位置的腐蝕，因此端面雜散腐蝕區(qū)域越來(lái)越小。充電時(shí)間常數(shù)是決定雜散腐蝕產(chǎn)生的臨界條件，當(dāng)脈寬小于充電常數(shù)且越來(lái)越接近時(shí)，即使繼續(xù)減小脈寬，對(duì)減弱雜散腐蝕能力的效果也不會(huì)有顯著提高。

圖6 不同頻率雙極性脈沖加工雜散腐蝕區(qū)直徑

雙極性脈沖電源頻率的提高對(duì)于微孔的入口精度也有著重大影響。當(dāng)脈沖頻率依次為2、20、80、400 Hz時(shí)，微孔的入口直徑分別為1.342、1.242、1.21、1.137 mm，這說(shuō)明隨著雙極性脈沖電源頻率的增加，微孔的入口精度得以提高。但是隨著頻率的增加，微孔入口精度的變化也越來(lái)越小，即當(dāng)脈寬越來(lái)越接近充電時(shí)間常數(shù)時(shí)，即使繼續(xù)減小脈寬，對(duì)減弱脈沖腐蝕能力的效果也不會(huì)有顯著提高。這是由于在初始進(jìn)給階段，雙極性脈沖電源對(duì)工件表面的雜散腐蝕比單極性脈沖電源輸出小，這說(shuō)明設(shè)計(jì)的雙極性脈沖電源可有效地減小脈沖電源電解加工初始階段對(duì)工件表面造成的端面雜散腐蝕。

4 結(jié)論

常規(guī)單極性電解加工在電極進(jìn)給到平衡間隙前會(huì)導(dǎo)致工件非加工區(qū)域材料溶解，造成微孔上表面端面雜散腐蝕。本文通過(guò)單、雙極性脈沖的切換，有效解決電解加工初始階段的端面雜散腐蝕問(wèn)題，顯著提升電解加工工件表面質(zhì)量，具體結(jié)論如下：

（1）當(dāng)回路中正負(fù)對(duì)稱雙極性脈沖頻率超過(guò)一定值時(shí)，雙極性脈沖可有效抑制電解加工初期電場(chǎng)導(dǎo)致的微孔上表面雜散腐蝕，提高工件表面完整性與電解加工質(zhì)量。

（2）使用正負(fù)對(duì)稱的雙極性脈沖輔助電解加工初始階段進(jìn)給時(shí)，隨著雙極性脈沖頻率增大，電解加工端面雜散腐蝕區(qū)域直徑減小，微孔的入口精度提高，加工表面質(zhì)量也得以提高。