高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)用數(shù)控電解加工設(shè)備研制

徐波 李慶鐵 趙徹 周敘榮 徐紅麗 吳振彤

（1.江蘇省高校特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常州工學(xué)院江蘇常州 213002；2.上海藍(lán)長(zhǎng)科技集團(tuán)有限公司上海 200072；3.常州莫?jiǎng)P精工機(jī)械有限公司江蘇常州 213000）

自20世紀(jì)50年代起，我國(guó)電解加工設(shè)備便開(kāi)啟了發(fā)展之路，特別是20 世紀(jì)80、90年代，在引進(jìn)、吸收消化、創(chuàng)新的模式下，國(guó)產(chǎn)成套電解設(shè)備曾一度可與發(fā)達(dá)國(guó)家同類(lèi)產(chǎn)品相媲美。但受限于電子元器件、設(shè)備成本、加工穩(wěn)定性和環(huán)境條件等因素，電解加工的使用范圍并未得到普及，只在軍工、民航制造業(yè)有少許使用。不過(guò)，對(duì)電解加工的設(shè)備研制和成型精度的控制卻從未間斷過(guò)［1］，發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)科研院所、高校和企業(yè)已經(jīng)研制出精密電解加工機(jī)床，其加工過(guò)程穩(wěn)定性好、產(chǎn)品一致性高，越來(lái)越在復(fù)雜形狀、難加工材料類(lèi)零部件的制造工藝中得到青睞［2］。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)用電解加工機(jī)床是基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理進(jìn)行金屬的去除，其主要用于《特種加工》《先進(jìn)制造技術(shù)》等課程的實(shí)踐教學(xué)，用于向?qū)W生展示峰值電壓、脈沖頻率、占空比、電解液壓力、電解液溫度、電導(dǎo)率等參數(shù)對(duì)電解加工去除速度、成型精度和表面質(zhì)量的影響結(jié)果［3-4］。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)用數(shù)控電解加工機(jī)床的構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)教學(xué)用數(shù)控電解加工機(jī)床由數(shù)控電解機(jī)床本體、電解液系統(tǒng)、電源系統(tǒng)3個(gè)部分構(gòu)成。機(jī)床本體的主要作用是保證工具陰極和工件陽(yáng)極沿著既定的軌跡相對(duì)運(yùn)動(dòng)；電源系統(tǒng)是在兩級(jí)之間加載直流或脈沖電壓，保證電化學(xué)加工所需電能；電解液系統(tǒng)是為反應(yīng)過(guò)程提供壓力、溫度、電導(dǎo)率等參數(shù)穩(wěn)定的純凈加工介質(zhì)。圖1為實(shí)驗(yàn)教學(xué)用數(shù)控電解加工成套設(shè)備。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)用數(shù)控電解加工成套設(shè)備

1.1 電解加工機(jī)床本體

機(jī)床本體分為機(jī)床主軸、機(jī)床工作臺(tái)、機(jī)床床身3個(gè)主要部分。電解加工對(duì)床身要求很高，由于加工中電解液壓力較大，床身需有足夠的剛性和硬度保證工件和工具陰極不發(fā)生錯(cuò)位；床身還需具備良較小的熱脹冷縮系數(shù)和良好的絕緣性［3］，通過(guò)多方比較后，床身采用礦物質(zhì)澆注方式，能很好地將工作臺(tái)、主軸、地面三者絕緣開(kāi)。電解加工機(jī)床本體為單軸運(yùn)動(dòng)型，即只有Z軸能上、下運(yùn)動(dòng)，Z軸由伺服電機(jī)通過(guò)無(wú)間隙聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠副獲得快速移動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠螺母副具備良好的重復(fù)定位精度，保證工件和工具陰極在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)定位準(zhǔn)確。電解液往往具有一定的腐蝕性，機(jī)床中所有與電解液接觸到的零部件都需考慮防腐性，因此，主軸的外殼和防塵罩、整個(gè)工作臺(tái)、防護(hù)罩都采用316 L 不銹鋼材質(zhì)。另外，在防護(hù)罩的頂部，設(shè)有電解液的接入口、銅帶纜線的接頭、排風(fēng)口，如圖2（a）所示。

圖2 數(shù)控電解加工機(jī)床

機(jī)床的控制系統(tǒng)為常見(jiàn)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，如圖2（b）所示，由伺服系統(tǒng)及可編程序控制器向機(jī)床主軸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，機(jī)床主體在檢測(cè)反饋裝置的配合下，執(zhí)行刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移量和進(jìn)給速度等項(xiàng)要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，從而完成工件的加工［4］。電解加工過(guò)程中往往會(huì)有短路等突發(fā)情況，需要系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，能暫停進(jìn)給或者產(chǎn)生回退，因此，在加工電路中設(shè)有電流檢測(cè)裝置，當(dāng)電流超過(guò)限定值時(shí)，能給數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送暫停指令，待電流降至安全值以下時(shí)，則繼續(xù)加工，其原理如圖3所示。

圖3 電流監(jiān)測(cè)控制原理圖

1.2 電源系統(tǒng)

加工電源是電解加工設(shè)備的核心部件，其輸出電流的大小決定了機(jī)床本體和電解液系統(tǒng)的規(guī)格，電源輸出波形、峰值電壓、脈沖波形、短路保護(hù)功能決定了成型精度、表面質(zhì)量和加工穩(wěn)定性等［5］。短路保護(hù)系統(tǒng)是電解加工電源的重要保護(hù)部分，不僅保護(hù)電源自身，還在短路時(shí)保護(hù)工件和陰極。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備配備的電源如圖4所示，輸入電壓380V，輸出電壓10～30V，輸出最大電流2000A。學(xué)生實(shí)驗(yàn)用工件面積在30mm2以下，直流電源可以滿足試驗(yàn)要求。

圖4 電解加工電源

1.3 電解液系統(tǒng)

電解液的作用不僅是工件陽(yáng)極和工具陰極進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的媒介，還能將加工區(qū)域的溫度及電解液的精度調(diào)整為正常加工的狀態(tài)，電解液系統(tǒng)是加工中必不可少的組成設(shè)備，即能實(shí)現(xiàn)電解實(shí)驗(yàn)中壓力、溫度、電導(dǎo)率、pH值等參數(shù)的調(diào)節(jié)。

本裝置所采用電解液系統(tǒng)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求自主研發(fā)，實(shí)物如圖5 所示，其包括除油池、周轉(zhuǎn)池、調(diào)節(jié)池、過(guò)濾池、凈水池等。過(guò)濾分為粗過(guò)濾和精過(guò)濾，廢液從機(jī)床排液口流向除油池，除去電解液中油性物質(zhì)及大顆粒雜質(zhì)［6］，經(jīng)粗濾后流向周轉(zhuǎn)池；調(diào)節(jié)池備有多個(gè)藥箱，可進(jìn)行酸堿度、電導(dǎo)率和質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)。滿足使用要求后，調(diào)節(jié)池的電解液流向精過(guò)濾，精過(guò)濾采用核孔膜吸附法，通過(guò)負(fù)壓抽吸將大于0.5μm 的顆粒物吸附在膜上，即可得到純凈的電解液存放于凈水池，以備加工使用，后期定時(shí)刮落核孔膜表面的電解泥，由泵抽至壓濾機(jī)清除即可，其控制及運(yùn)行過(guò)程如圖6所示。

圖5 電解液循環(huán)系統(tǒng)實(shí)物圖

圖6 控制系統(tǒng)頁(yè)面

2 電解加工機(jī)床的教學(xué)實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在學(xué)習(xí)了《特種加工》《先進(jìn)制造技術(shù)》等電化學(xué)加工相關(guān)課程的基礎(chǔ)上，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)，下面以單個(gè)葉片的電解加工為例示范實(shí)驗(yàn)過(guò)程［7］。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

毛坯的準(zhǔn)備：實(shí)驗(yàn)加工對(duì)象材料為304 不銹鋼長(zhǎng)方體塊，如圖7（a）中裝夾在底板上的長(zhǎng)方體塊。工裝夾具準(zhǔn)備：夾具由4 個(gè)部分構(gòu)成，分別為夾具上座、底板、定位板、緊固件。工具電極的準(zhǔn)備：葉盆與葉背待加工余量分別為14.19mm、14.80mm，工具電極分為葉盆電極和葉背電極，如圖7（b）和圖7（c）所示。流場(chǎng)防護(hù)罩如圖7（d）所示，其包括電解液出入口、流道和工具陰極入口通道等。整個(gè)工裝如圖7（e）所示：工具陰極裝夾于機(jī)床主軸，并與電源負(fù)極相連，工件安裝于底板，并與電源正極相連，底板安裝于機(jī)床工作臺(tái)，在底板外圍還安裝有流場(chǎng)防護(hù)罩，保證工件和工具陰極之間電解液高速流過(guò)。

圖7 葉片電解加工用工裝部件及組裝圖

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

此電解加工機(jī)床編程比較簡(jiǎn)單，對(duì)刀后找到陰極和毛坯工件相對(duì)位置，只需在加工軟件中輸入陰極行走的絕對(duì)坐標(biāo)即可。其他試驗(yàn)參數(shù)則如表1所示。

表1 葉片電解加工試驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)先加工葉片葉盆，再加工葉背，初始加工間隙為0.5mm，試驗(yàn)中記錄加工不同深度時(shí)電流值。試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)次短路現(xiàn)象，每次短路時(shí)控制系統(tǒng)則暫停主軸進(jìn)給，切斷加工電流，同時(shí)，工具陰極回退一定距離，使得工具陰極與工件分離開(kāi)，然后重新加載電解電壓，再次開(kāi)始加工，直至將工件加工完畢，其加工結(jié)果如圖8所示。

圖8 電解加工所得葉片

用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量了葉片、葉身、葉根3條截面線。由于葉片型面小且扭曲，小型探針無(wú)法測(cè)量到位，故采用較長(zhǎng)的探針進(jìn)行測(cè)量，在葉片豎直放置時(shí)，在同一等高截面線上葉盤(pán)、葉背和葉圓各取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，共6道檢測(cè)等高線，結(jié)果如表2所示。

表2 葉片加工余量測(cè)量（單位：mm）

葉片的型面誤差在0.031～0.473mm 之間，可見(jiàn)總體粗加工誤差在0.5mm范圍以內(nèi)。使用奧林巴斯超景深工業(yè)顯微鏡對(duì)加工試件的表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示，葉背的表面粗糙度值為Ra0.08μm，葉盆的粗糙度結(jié)果為Ra0.3μm。由此可見(jiàn)，本套裝備適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)［8］。

3 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控電解加工設(shè)備包括數(shù)控電解加工機(jī)床本體、電解加工電源、電解液系統(tǒng)等，有助于提高學(xué)生的實(shí)踐能力，可服務(wù)于高校先進(jìn)制造技術(shù)專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究生的課題試驗(yàn)。該設(shè)備功能齊全，可靠性高，對(duì)培養(yǎng)“卓越工程師”和構(gòu)建應(yīng)用型地方高校實(shí)驗(yàn)室具有重要意義。