电解加工（精选8篇）
电解加工 篇1
摘要：针对薄壁深孔的难加工问题, 介绍了简易固定式电解加工设备的制作和工艺方法。实践表明, 该方法加工效率高, 可严格控制孔的精度, 能用于各种金属材质的无缝薄壁深孔零件的加工。
关键词：薄壁深孔零件,电解加工,简易设备,加工工艺
1 引言
深孔加工一直是孔加工中的技术难题, 因其精度、形状和表面质量很难保证, 尤其是一些材质比较硬的薄壁深孔零件, 工艺难点是材质硬, 孔径与壁厚比值大, 长度与孔径比值大, 加工时受切削力作用容易变形, 影响同轴度, 使用传统的加工设备或使用数控设备都会非常麻烦, 有的甚至无法装夹工件或即使能成功装夹也成本过高。而电解加工方法, 则很好地解决了薄壁深孔的加工问题, 它可严格控制孔的尺寸和变形量, 保证孔的加工质量和表面粗糙度值, 并且加工效率高。本文主要介绍了某薄壁深孔零件的固定式电解加工简易设备的制作和工艺方法。
2 加工工艺分析
某军工企业需要加工如图1所示的零件。该零件材料为YT15硬质合金, 属于难加工材料, 外圆直径为30mm, 壁厚仅为3mm, 长2400mm, 孔径与壁厚比值为8, 长径比L/d=80。由于该零件壁薄、深径比大, 用传统的深孔钻削或镗铣加工存在较大困难, 很难保证加工质量, 而且容易使孔壁产生变形。该零件的加工要求又非常高, 在全长范围内, 任何一个截面内的尺寸及壁厚超差, 都要按废品处理。所以决定采用电解加工, 由于电解加工工件本身不受力, 不会引起变形, 还能很好地控制壁厚差, 保证其加工质量和精度。由于是圆形的深孔, 通常采用固定式电解加工方法比较方便, 制定加工工艺时, 以外圆作为内孔加工的基准。
3 加工设备的设计
根据图1所示薄壁深孔零件的技术要求, 在预制孔的基础上设计一套简易设备完成其精加工, 见图2。
此设备由一个支座, 架着两个同轴的黄铜锥碗、导电铜瓦以及齿轮齿条位置调节装置 (未画出) 组成。左锥碗固定, 其左端接供液管, 在左锥帽与阴极配合孔周边有若干均布的电解液进入孔, 右锥碗在水平方向位置可调, 以便夹紧, 其右端接回液管, 电解液和加工生成物, 由右锥帽上的均布小孔逸出。阴极为一根直度很高的黄铜棒, 加工前, 将阴极和工件装在夹具左右锥帽中, 工件和阴极的对中靠夹具锥帽的B、A孔的同轴度保证, 阴极直径比待加工孔直径小2△ (△为加工间隙, 孔径Do≤60mm, △=0.3~0.6mm) , 此间隙就是电解液的通道, 装好后整体放入固定式电解加工装置的左右锥碗中, 锥帽与左右锥碗以锥面配合有自动定心作用, 并可靠保证导电、密封。阴极则通过夹具锥帽和支座上的左锥碗接电源负极, 工件通过铜瓦接电源正极。图2所示为组装好工件和阴极的夹具一端 (左锥帽) 已放入左锥碗中, 另一端 (右锥碗) 悬空着, 正待放入右锥碗中。加工时工件应垂直安装, 使电解液由上而下流动。
固定式深孔电解加工装置可以用于加工各种不同尺寸的零件。对于不同口径的零件, 只要改变夹具端帽B孔尺寸;对于不同长度的零件, 只要通过右锥碗右侧的调节装置进行调节, 为了消除边缘效应, 在加工时阴极长度要做得比工件长一些。整个装置操作简单、工效高、易于实现加工过程的自动控制和大批量生产。
4 加工工艺参数
由于该工件为YT类硬质合金, 材质比较硬, 选用以Na NO3为主的电解液, 实验所用配方为[Na NO3 (76g/L) +Na NO2 (10g/L) +酒石酸钾钠 (60g/L) +Na OH (30g/L) ];电压为12~15V, 工作电压的最高值以不击穿加工间隙为限度;电流密度0.20A/mm2, 电流密度直接影响电解加工的生产效率, 在条件许可时应尽量取高些, 但是电流密度加大时, 工作电压也随之增高, 在实验时已经验证, 被加工孔的表面粗糙度也会增大, 影响加工质量, 具体数值应根据经验选择, 通过实验进行验证。加工时, 根据加工余量和电源条件确定电流的大小, 控制加工时间。其成型过程是由预制孔朝径向方向扩大, 所以固定式电解加工的加工余量不宜过大, 否则效率和精度均受影响。
5 加工应注意事项
(1) 加工前应清除预制孔表面残留的油。通常用质量分数为8%~10%碳酸钠和质量分数为2%~3%硅酸钠组成的溶液, 加热至80℃~100℃, 使工件在其内保持10~20min, 除油后用清水冲洗。
(2) 由于阴极长, 进出口处的电解液流速、温度以及电解产物氢氧化铁的含量不相同, 加工后工件孔可能会产生锥度, 因此初始间隙不宜取得过小。
(3) 为了消除边缘效应, 阴极长度要做得比工件长一些。
(4) 固定式加工的阴极整个表面必须完好无损, 任何微小疵点或刻痕均会反映到工件表面。
(5) 为了消除孔壁的疵点, 在加工过程中间对电解液要进行倒向。
6 结论
此方法在企业生产中已经得到了应用, 主要用于枪管、炮管、煤炭行业的液压支柱、支架缸体等加工。加工精度可达到0.01~0.02mm, 表面粗糙度可达到Ra0.16~Ra0.08。能够严格控制孔的精度、表面质量和粗糙度值, 并且缩短了加工时间。只要改变设备中端帽B孔尺寸, 就可适用于不同孔径零件的加工, 非常简单适用, 不需要专用的机床设备, 可用于大批量生产加工。
参考文献
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电解加工 篇2
微电解混凝及生物法处理肠衣加工废水
肠衣加工废水属于高盐废水,其水质盐浓度高,离子强度大,处理方法主要有电化学法、生物法、生物与物化组合法等.该类废水的生物处理主要是利用耐盐嗜盐微生物的.降解作用.在对国内外高含盐废水处理技术及其在实际废水工程中的应用研究的基础上,本文采用微电解混凝化学法与生物处理法的组合工艺.通过本工程对高盐、高浓度有机废水的处理效果发现,生物物理、物化组合法是一种非常有效的处理工艺,是高盐废水处理的主要发展方向.
作 者：李松江 张波 王禹 Li Songjiang Zhang Bo Wang Yu 作者单位：黑龙江省环境保护科学研究院,黑龙江,哈尔滨,150056刊 名：环境科学与管理英文刊名：ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT年，卷(期)：34(4)分类号：X703.1关键词：肠衣 高盐 电化学法 生物法 微电解混凝 组合 处理工艺
电解加工 篇3
关键词：弧面凸轮,等温挤压,电解研磨,复合加工,电火花加工
0 引言
随着连续分度弧面凸轮机构在数控机床、包装机械等高速自动化设备上的广泛应用,越来越显示出其在高速间歇机构上高效率、高精度、高平稳性等多方面的优势。然而,弧面分度凸轮机构制造的关键是弧面分度凸轮的制造,弧面凸轮的生产已成为弧面分度凸轮机构广泛应用的瓶颈。弧面凸轮等温成形模具型腔加工,尤其是HALF凹模型腔表面的加工质量直接影响到弧面凸轮毛坯的成形效率和弧面凸轮毛坯温锻成形工艺模具的使用寿命。
1 弧面凸轮毛坯制造工艺分析
1.1 等温模锻近似净形工艺
等温模锻工艺是将金属毛坯加热到再结晶温度以下某个适当的温度的先进成形技术。温锻对于高合金钢、高强度材料等变形拉力高、加工困难的材料,只要工艺因素控制得当,模具寿命也不会降低,而且对于冷挤压适用的低碳钢,也颇为适用。如图1为一连续传动弧面凸轮的轴剖面图,因弧面凸轮结构的特殊性,采用无切屑的净形工艺则其倒扣部分不可出模,故采取在倒扣部位添加敷料的近似净形温锻成形工艺方法。
1.2 温锻模具结构
弧面凸轮温锻模具结构如图2所示。在结构上,内凹模采用如图3所示的HAIL模结构,内凹模与外凹模之间以T形斜面接触,卸料时内凹模以斜面为运动轨迹而保证不会与外凹模脱离接触而悬空。加热器8保证凹模温度稳定在一定范围内,利用上模压杆7和下模压杆16同时上下用力的方式以成形。
1.进水品2.冷却套3.导套4.导柱5.绝热材料6.上模压杆座7.上模压杆8.加热器9.预紧套10.外凹模11.下模板12.上垫板13.绝热材料14.下垫板15.预杆16.下模压杆17.内凹模18.凸轮毛坯19.固定套
2 HALF凹模型腔的加工
在弧面凸轮毛坯等温挤压工艺中,因凹模型腔表面处在腐蚀介质、交变载荷以及高温状态下工作,其表面的失效主要是以腐蚀破坏、磨损为主。模具的表面质量对模具的使用寿命起着关键性的作用,为保证凹模挤压工艺中有足够的使用寿命,在模具加工中,凹模型腔内表面粗糙度尽可能达到镜面效果。
2.1 电火花成形加工前的准备
所有特种加工方法的电极加工都是采用机械加工方法制得。因弧面凸轮轮廓为复杂而不可展开的空间曲面,其在进行电火花加工以前,首先采用Pro/E软件对弧面凸轮毛坯造型,自动生成加工程序,然后在五轴联动的数控加工中心上对电极进行成形加工。
同时,因电火花成形加工方法效率很低,考虑整个加工的生产效率,凹模型腔粗加工时的绝大部分余量也匀采用在五轴联动的数控加工中心上,用球头铣刀进行机械切削。
2.2 电火花加工(EDM)
采用电火花加工技术加工型腔表面时,在当极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电,电蚀出一个个小凹坑,加工出所需零件的整个表面由无数个小凹坑组成,如图4所示。工件表面材料因火花放电时的瞬时高温熔化后大部分被抛出,小部分滞留在已加工表面易形成的熔化凝固层(再铸层)和热影响或微裂纹等表面缺陷。表面缺陷的存在,大大降低了模具的使用寿命,必须采用表面抛光的方法进行去除。
目前,注射模、锻模等凹凸模的型面的抛光,大多数还依赖手工进行,抛光时间占模具整个制造周期的1/3左右,无法从根本上缩短模具的制造周期。在此,因弧面凸轮轮廓为复杂而不可展开的空间曲面,故型腔内表面加工,首先利用成型电极通过电火花成形加工对其表面进行粗加工,然后采用电解研磨复合加工技术对模具表面进行镜面精加工。
2.3 电解研磨复合加工技术
电解研磨复合加工就是在机械研磨的同时,引入电化学阳极溶解过程,工件与工具电极分别与直流电源的正、负极相联。通电时,两极间发化学反应,工件表面金属溶解并生成一层钝化膜,从而使工件表面微观不平度的波谷在钝化膜的保护下不会继续溶解,而波峰处的钝化膜被磨粒刮除露出新鲜金属并再次生成钝化膜,这样随着波峰处钝化膜的不断刮除即可得到镜面效果的模具表面。
2.3.1 工作原理
电解研磨复合加工是借助电解作用和机械磨削作用相结合进行加工的。其工作原理如图5所示:导电研磨头4通过工具电极5、摆动轴6和电刷7接电源的负极,工件2与电源的正极相联形成回路,工件(阳极)表面的金属发生电解作用(电化学腐蚀),被氧化成为一层极薄的钝化膜,又称为阳极薄膜。工件2与电极4间通有流动磨料,工具阴极只包覆弹性合成无纱布,极细的磨料则悬浮在电解液中,研磨头4在F力的作用下,通过摆动轴6的往复摆动,刚形成的钝化膜迅速被磨料刮除,在阳极工件上又露出新的金属表面并继续溶解。这样,电解作用和刮除薄膜的磨削作用交替进行,随着研磨头的不断进给,工件不断被蚀除,直至达到加工要求。
2.3.2 电解加工的电极反应
以WC-Co系硬质合金材料来分析加工表面质量。电解采用腐蚀能力较弱的NaNO3钝化电解液,以有利于阳极钝化膜的形成,提高形成精度并有利于设备的防锈防蚀。其电极反应过程:
3 结论
通过合理选取工作电压、电解液浓度、磨头的进给速度和单次磨削量等工艺参数,采用电解研磨复合加工技术,在有效去除电火花加工残留表面缺陷层的基础上,可获得表面粗糙度Ra0.25μm以下镜面效果的复杂内凹模型腔表面,解决了复杂不可展开成形表面的抛光问题,改变传统手工抛光工艺,大大降低了劳动强度,缩短模具制造周期,使弧面凸轮毛坯等温挤压HALF凹模的使用寿命大大延长,有利于连续分度弧面凸轮机构在高速自动化设备上的广泛推广。此加工方法在改变电火花成型电极的前提下,同样也适应其他复杂空间曲面模具凹模型腔的加工。
参考文献
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提高深小孔电解加工精度性能研究 篇4
随着科技的不断发展, 应用于航空航天、生物工程、医疗器械、精密仪器等方面的零件, 对精密度的要求越来越高, 传统工艺技能已不能满足日益增加的要求, 因此急需一种现代工艺手段来解决这一难题, 深小孔点解加工应运而生。电解加工是以离子形式对材料进行蚀除, 所加工的工件具备良好的性能, 能够适应精密的要求。随着电解加工工艺的不断提高, 以及对零件精度要求的提高, 逐渐出现一些课题需要研究解决。深小孔电解加工首先需要确定阳极电解溶液的溶解范围, 进而控制电解加工的精度性能, 可由下面公式计算出大致范围:
V为电解液溶解速度, η为电流效率, i为阳极表面的电流密度。由此公式可知, L (近远点电解溶解速度比) 是决定电解精度性能的重要因素, L越大说明加工工件的精度越好。同时由于电解加工过程中存在电解间隙, 所以平衡间隙的大小同样是影响电解加工精度的重要性能指标之一, 可由以下公式计算:
κ为电解液导电率, vf为加工极度。有公式可看出, 变化量d∆b越趋于稳定, 电解精度约稿, 而这需要加工间隙足够小。
1 电解加工的工艺优点
从电解加工的原理可看出, 电解加工是利用电解阳极溶液极度强化, 进而集成多种技术, 在工件不同指标间互不影响的完成精度加工。首先, 电解加工相对于传统电火花加工来说, 具有较高的生产效率, 且在理想状态下, 其比切削加工的效率还要高。另外电解加工由于一次成型, 与加工密度与表面粗糙度没有制约关系, 因此可适用于不同指标间的生产, 同时提高三种工艺指标。其次, 鉴于其对金属材料的种类、硬度、韧性等指标没有要求, 因此其加工范围相对较广。再次, 不同于传统加工方式, 电解加工不需要对工作温度进行额外控制, 在常温下即可进行生产, 因此这样常温环境不会对加工材料和加工产品造成损害或变化, 使产品表面质量较好。最后, 在理想状态下, 电解加工是在电解阳极进行, 因此理论上讲不存在阴极消耗。
2 深小孔电解加工精度的影响因素
1) 间隙电场对加工精度的影响
在进行深小孔电解加工时, 由于电解间隙的存在, 电解液存在导电性且其导电性k>0, 因此, 处于电解液中的加工间隙中就会发生电流流动, 进而产生电场。电场强度E=ki, 其中i为电流, k为电解液的电导率。在电场的作用小, 电解液中发生以阴极、阳极为终点的正负离子反方向运动, 进而形成电流场。当电解加工进入正常稳定的运行状态时, 电解液的电流场就处于一个稳定状态。电流场稳定时, 电解间隙越小, 其电位梯度越大, 电流密度也就越大, 线性蚀除率越大, 因此电解加工精度越高。
2) 工具电极进给速度对加工精度的影响
理想状态下, 当电解加工开始进行时, 电极与工件之间设置原始间隙, 电场强度较大, 在电场作用下, 电解加工开始由近电极点逐渐向外扩散。当电极与工件之间的电场到达一定强度时, 电解效率最高, 此时为电场的最大值。随着工件表面被逐渐蚀除, 电极与工件间的间隙逐渐增大, 电场强度会随着电解反应逐渐减小, 直至完全停止反应。在实际的电解过程中, 电场随着电解强度的增强而增强, 但由于需要保证工件电解加工的持续进行, 必须不断的移动电极, 使其与工件保持一定的距离, 这就使电解反应不会像在理想状态下那样最终停止, 而是一直使电场保持一定强度。随着电解加工的进行, 工件表面由于蚀除与电解, 电场作用不再最大范围扩散, 且电解液的电导率也会由于工件溶解而发生变化, 使电解液逐渐复杂, 进而电场发生变化。因此在实际电解加工中, 适当的提升工具电极的进给速度是可以提高电解工作效率的, 但是如果进给速度过大, 则会使电极与工件见的间隙电液不能及时排除工件电解产物, 容易造成短路。为保证电解加工的稳定性, 工具电极的进给速度需按照设定进行控制。
3) 电解液压力对精度的影响
压力是电解液流动的推动力, 在实际的电解加工中, 需要一定程度的电解液流动来带走电解过程工件产生的电解产物, 以免发生短路, 因此适当电解液压力能够提高电解效率和电解精度。但是电解液的压力必须控制在一定范围, 压力过大亦会带来危害。在电解过程中, 随着电解加工的进行, 工具电极会不间断的产生气泡, 气泡在收到不均衡的压力作用下附着在电极表面。当气泡不能正常的排出时, 电极表面由于越来越多的气泡而变得不再具有导电性, 从而减弱了电解加工间隙中的电流场强度, 影响电解加工。当电解液压力处在一定范围内的稳定值时, 电解液会在压力的作用下在间隙中流动, 冲刷走附着在电极上的气泡。电解液压力越大, 电解液的冲刷作用也大, 对电极气泡的冲刷作用越明显。但是电解液压力并非越大越好, 如果电解液压力过大, 会造成工具电极发生摆动, 造成与孔壁碰撞, 影响加工质量。
4) 绝缘层对加工精度的影响
采用不同绝缘程度绝缘层工具电极进行电解加工实验, 在其他实验条件一致时, 绝缘度越好的工具电极, 其前端裸露部分增加了阴极电解反应的面积, 提高了电极侧面与孔壁间的电场, 间隙电流随之增加。因此可见, 工具电极外部覆有绝缘层可以增加电解加工的精度。
摘要：电解加工是一种非接触式加工方法 , 其相对于其他加工方法所展现的诸多优点, 使其具备较高的实用价值。精度性能是电解加工的一项重要技术指标, 因此如何提供深小孔电解加工的精度成为行业研究的重要课题。
关键词：电解加工,精度,加工稳定性
参考文献
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研讨电解铝厂铝母线加工工艺 篇5
随着社会经济与工业技术的不断发展,我国铝电解行业的相关技术也得到了发展,正因如此,致使我国铝电解市场面临着巨大的竞争压力,与铝电解相关的各类企业对铝电解的质量要求也水涨船高,直接促使了铝电解工业技术的更新与发展。铝母线装置作为铝电解工作车间的重要组成部分,对这个铝电解作业的顺利完成有着重要的影响,因此与铝电解行业相关的各类企业,在努力提高市场占有份额的过程中,还应该关注铝母线的加工工艺,保证企业的经济指数能够无压力处于不断提升状态。但是应该注意的是,由于铝母线的加工工艺复杂,并且对于加工质量、加工时间和加工数额要求较高,因而在铝母线的加工制作中不仅需要严把质量关,还应该对加工工艺有严格要求,免得造成铝母线加工成品变废品的恶劣情状。
1 电解铝厂铝母线加工工艺
1.1 铝母线加工工艺步骤
根据我国现今使用的铝母线加工工艺,粗略来说可勾画为以下步骤 :验尺及外观审查→母线矫直→画线→铣端面→画线切锯→画线→打孔→平面加工→质量检测→措施保护→进入仓库→输出厂区→现场安装
1.2 铝母线对于加工原材料的严格要求
1.2.1用来制作铝母线的原材料,其化学性质必须相对稳定,并且符合GBl 196—88所提出的标准,并且其电阻率在不同状态下必须保持相应标准。
1.2.2铝母线原材料必须平整完好,不得出现气泡、残渣以及严重缩孔等缺陷,铝母线的内外质量必须严保密封。
1.2.3制造铝母线的横截面尺寸公差,必须严格控制,力求达到电解铝行业要求的最小尺寸公差标准。
总的来说,用以制造铝母线的原材料必须经过相关质量机构质检合格,并且在加工过程中符合相应的设计要求、验收规范,具备原材料出产厂家的材料合格书与质检报告等等,方才符合铝母线对于加工原材料的严格要求。
1.3 铝母线加工完成的存储
关于铝母线加工完成之后的存储,应具备以下几点要求 :
1.3.1进行铝母线的装卸与吊装时,必须采用专业的吊装工具,不得利用以钢丝为主要材质的链条进行铝母线的捆裹,实在受条件限制的话,也需要采用质地较柔和的木板、橡胶板等物件进行底衬保护。同时,吊装点和卸载点的选择应该比较科学,装卸过程尽量保持轻拿轻放,避免人为的刮伤与碰撞而造成不必要的损耗。
1.3.2在铝母线的运输中,必须时刻保持警惕意识,切勿因个人松懈而导致运输车辆的翻覆,或者在运输过程中造成母线的变形。
1.3.3在母线存储地段的选择上,应尽量选择平坦、厚实的地面,最好可以在地面上放置一定厚度的木板。保证母线的存储位置安全并具有足够地耐力 ;最好按照规格、尺寸、型号进行分类摆放,保证铝母线在后期的存取中避免受到影响 ;对于形状比较特殊的铝母线,应该特殊情况特殊对待,采用妥善的手段进行存储。
1.3.4铝母线即将入库时,应进行详细情况的登记录入,并且将此次录入结果与原材料录入结果一并保存,做好铝母线质量的严格把关。
1.4 铝母线加工工艺详细步骤介绍
1.4.1铝母线的外观审查
关于铝母线的外观,必须保证铝母线材料表面平整,无气泡、夹渣等缺陷,且还应该符合以下具体标准 :
1) 垂直于母线电流方向铸造冷隔≤1.5mm,其长度 <300mm
2) 平行电流方向裂纹 :
裂纹深度 < 3mm,宽度 < 1mm。且当母线长度≤5000mm时,裂纹长度应该 <300mm ; 当母线长 度 >5000mm时,裂纹长度 小于母线 长度10%,且不能>1200mm。
1.4.2验尺
进行铝母线的验尺时,应严格执行以下标准 :
1) 制作铝母 线的长度 许可偏差+3 ~ +10mm,大平面对角线差≤5mm。
2)用于制造铝母线的材料不得扭曲,并且其平面许可极小偏差
3)进出于端头、中间的母线长度许可偏差±5mm,大平面对角线差≤7mm。
4) 铝母线的合格品,其高与宽均许可偏差 -4 ~ +2mm
1.4.3铝母线的矫直及切面铣削加工
铝母线的正式加工,应该是在图纸的确定和会审之后,并且准备好用于加工和计量的工具。
1)铝母线的矫直
铝母线的矫直,一般意义上均利用液压传动技术对母线进行压力矫正,与机械压力法相比,其压力的动力与速度均可以在要求范围内进行调整,操作起来较为灵活,与其它操作装置进行配合时也能迅速接配。同时,母线矫直工作进行之时应避免与矫直工具上的金属物件相碰撞,以免出现擦上或者损耗,哪怕有小范围的刮伤,其表面划痕许可深度 <1.5mm,校直后母线表面局部被压限深度应 <2mm,面积<100mm×100mm,矫直后的铝母线直线度与平面度应符合以下标准,如下图示 :
附 :矫直后的铝母线应合理存储,避免损耗
2) 铝母线切面铣削加工
经矫直后的铝母线,需要再利用自制母线平头机铣削母线端头平面,并其垂直度许可偏差高、宽为±2mm。利用自制的专用母线平头机进行铝母线的端头进行切面铣削加工后,不仅质量好,而且效率高,具体加工步骤为 :第一遍为粗铣,第二遍为半精铣,第三遍为精铣。
1.4.4立体母线、短路母线等异性母线加工
1) 由于铝母线的加工程序复杂,并且对于尺寸、接触面的平整度、眼孔相对尺寸要求偏高,所以在加工工艺上,应该严格控制制作质量,使得加工而成的铝母线合格品绝对符合要求标准,在没有明确具体要求的情况之下,也应该严格遵守施工要求及规范,保证铝母线制作的合格率。
2)切锯后的钻孔,应该要和标准孔径、孔径垂直度和孔中心距离等相关尺寸相契合,即使有误差也应该保持在误差许可范围内,然后在母线接触面的整平加工中,进行第一遍为粗铣、第二遍为半精铣、第三遍为精铣的加工步骤,使得铣削后铝母线表面粗糙度接近3.2mm,平面度为0.05mm, 应该不厌其烦的进行刮铣直到达到设计要求为止 , 对于所有经加工后的铝母线应加以保护 , 不能有碰伤或划有伤痕。
2 研讨铝母线加工工艺结论
电解铝母线加工工艺,从加工步骤的外观质量检查开始,经过验尺、母线的校直及端面铣削加工等等多层步骤的加工,才能制造出合格的铝母线产品,同时由于电解铝母线加工工艺复杂的特点,对于质量、尺寸、材质要求还偏高,所以在母线加工制作时要认真读图,严格控制电解铝母线加工工艺的每一道工序,做到真正的铝母线加工有效控制流程,满足铝电解行业的铝母线加工工艺的细致与适用。
摘要：电解铝厂基本均利用铝母线输送电流或者低电压直流电,因此铝母线的加工工艺就显得尤为重要,关乎电解铝厂的正常运作。本文偏重研讨电解铝厂铝母线加工工艺,保证了铝母线在加工过程中的制造质量,确保所有投入使用的铝母线均为工作流程之中的合格零件,以促进我国铝电解工业的发展为最终目的。
电解加工 篇6
电解加工(electrochemical machining,ECM)过程中,如果工具电极和工件之间的加工间隙过小,则电解产物、电解热等难以排出,加工电流会发生明显的波动,加工过程变得很不稳定,最终将跳变到短路状态, 导致工具和工件电极损坏,甚至会毁坏加工电源。因此,实时检测加工状态,维持稳定的加工过程非常重要。加工间隙与加工过程的状态和稳定性密切相关,对加工间隙进行检测和控制是提高电解加工精度、保证加工质量的关键。
电解加工的间隙检测技术分为直接采样和间接控制两种。直接采样测量的方法精度高,但加工过程中需要多次暂停加工以测量间隙,加工效率不高[1]。间接控制以能够反映间隙变化的参数为检测控制对象,如电压、电流和电导率等,还有采用阴极表面的力信号作为检测对象的[2,3]。德国Fritz-Haber研究所采用纳秒脉冲宽度的微能电源实现了微米尺度的电解加工,从而使其成为微细加工领域的重要发展方向[4]。纳秒脉冲微细电解加工的加工间隙只有几微米,与常规电解加工数百微米或几毫米的加工间隙有显著差别,如采用上述测控方法会产生很大误差。德国科研人员采用了电化学测试系统的三电极体系,利用参比电极和辅助电极检测电极电位来控制电化学反应过程,该试验系统较为复杂,不适于加工应用。
本文针对超短脉冲电解加工极间间隙小、加工过程的稳定性和加工精度难以控制的问题,根据微细电解加工的特点及要求,构建了微细电解加工的检测及控制系统,设计了LabVIEW加工控制程序,采用霍尔电流传感器实时检测加工状态,保证加工过程的稳定性;并利用纳秒脉冲电源、酸性电解液以及两步法短路对刀定位等技术,实现了微细结构的电解加工。
1 微细电解加工的检测及控制系统
1.1 加工控制系统构成
微米尺度的电解加工与常规电解加工虽然都是利用阳极金属材料的电化学反应,实现工件材料的溶解去除,但在加工条件、过程状态以及控制系统方面都有很大区别[5]。为实现加工间隙只有几微米的微细电解加工,对加工设备有严格的要求:机床本体应具有良好的刚性及隔振性能,运动进给及安装定位能精确控制,加工过程可实时在线检测。本研究中采用的加工设备由机床本体、运动进给、加工电源、电解液循环以及检测和控制系统等部分构成。控制系统是实现这些要求的核心,试验研究中微细电解加工的控制系统如图1所示。
工具电极装夹在加工机床的主轴上,由Z轴步进电机带动做垂直方向运动。工件固定于电解液槽内,安装在工作台上,工作台由X、Y两台步进电机驱动做平面运动。为实现精确微量的进给运动要求,X、Y、Z三个方向的加工运动采用“电机驱动器-步进电机-滚珠丝杠副”的驱动方式。所使用的两相混合式细分电机驱动器可对控制信号进行1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64细分。步进电机的步距角为1.8°,丝杠的导程为1mm。当驱动器的细分模式设置为1/64时,进给运动的分辨率即每步进给量为
步进电机后端的伸出轴上安装有光电编码器作为位置传感器,可实时反馈运动和速度信号,并由控制程序及时输出相应指令,实现进给运动的精确闭环控制。
控制系统的硬件主要包括PC810工控机和NI公司的PCI-7344多功能控制卡、UMI 7764接口板以及传感器、继电器等。此系统充分利用了PC机的显示器、存储器及处理器,以PCI-7344控制卡作为核心,控制卡与外部各种电路之间的D/A和A/D信号交流全部通过UMI 7764接口板实现。
PCI-7344多功能控制卡拥有两个68针的I/O口(68芯数字I/O和68芯运动I/O),包括电机控制命令模拟量和步进电机输出、编码器反馈输入、限位、零位输入、断点输出、触发输入以及模数转换器信号等。在闭环控制模式下,通过三个光电编码器信号输入通道和三个12位ADC输入通道来接收位置和速度的反馈信号,上述通道也可以用于接收一般用途的模拟量输入。本系统选用两个模拟量输入分别用于对刀电流和加工电流的采集,另外,该控制卡还具有四个16位的模拟量输出,输出电压为±10V。利用模拟量的输出信号控制继电器,实现短路对刀电路和加工试验电路的切换。选择两个模拟量输出通道分别控制纳秒脉冲电源和电解液泵的启动(或停止)。
1.2 加工过程的检测方法
减小加工间隙是提高加工精度的主要手段,对于微细电解加工,其加工间隙要求减小至几微米。如此小的加工间隙必然造成电解产物很难及时排出,在工具阴极和工件阳极之间极易发生短路,因此需要实时检测加工过程的状态。利用控制系统调整加工进给速度,维持合适的微米级加工间隙,就能够保证加工过程的稳定进行。
本文采用霍尔电流传感器CHB-25NP测量微细电解加工过程中的电流信号,然后通过UMI 7764接口板将其传送到PCI-7344控制卡,实时监测平均加工电流的变化,从而及时发现加工短路征兆,迅速采取相应措施,防止间隙过小发生火花放电和短路。霍尔电流传感器具有突出的性能,其主电流回路与电子控制电路隔离,可以测量任意波形的电流和电压,甚至可对瞬态峰值进行测量,其副边电路可真实反映原边电流的波形,具有精度高、线性度好(<0.1%)、频带宽(0~100kHz)、响应快(<1μs)、可靠性高、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点。它由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和放大电路等组成,其测量原理如图2所示。
当原边电流Ip流过传感器中带气隙的聚磁环时,Ip产生的原边磁力线集中在聚磁环的气隙周围,内置在磁芯气隙中的霍尔元件可产生和原边磁力线成正比、大小仅为几毫伏的感应电压,通过后续放大电路可把这个微小信号转变成副边电流Is,并存在以下关系式:
Is=IpNp/Ns (1)
式中,Ns为次级线圈匝数;Np为原级线圈匝数。
当原边电流Ip变化时,它将产生磁场变化,霍尔元件产生的感应电压也发生相应变化,最终导致副边电流Is大小发生相应的变化。由霍尔电流传感器检测的加工采样电流作为反馈信号,用于控制电极进给动作和电源通断,从而避免电极短路以及火花放电,保持稳定的加工状态。
1.3 加工过程的控制程序
笔者以LabVIEW软件为工具,根据PCI-7344多功能控制卡的结构、功用及性能,设计了结构化的微细电解加工控制程序。可以在控制程序界面完成各种加工参数的设定、运行方式设定、启停等功能。针对整个系统硬件平台,控制程序主要实现加工过程电信号和位置信号数据的采集、过程控制策略的选择和实施、数据存储显示、数据分析处理及仪器面板设计。程序主要由虚拟面板(控制与显示)部分、功能模块(加工零位检测模块、自动进给加工模块等)及其连接部分组成,具有运动控制、数值计算、实时数据曲线显示等功能。
根据加工过程设计,微细电解加工的控制程序控制流程如图3所示。电极首先与短路对刀电源接通,工具电极随主轴垂直向下进给,当它和工件接触时发生短路,电流产生突变;然后电极回退5μm的初始加工间隙;启动电解液泵;利用继电器将对刀电源切换为脉冲微细加工电源,并设置加工深度、进给速度、运动轨迹等加工参数。控制程序通过对X、Y、Z三个步进电机的联动控制,就能够使工具电极和工件进行相对运动,实现三维的加工进给。加工过程中,如果加工电流超出稳定加工的电流范围时,说明加工状态不正常,应断开电源、暂停加工,电极回退一定的间隙,并调整进给速度继续进给。电极完成加工进给后,脉冲电源和电解液泵停止,电极回退至初始位置。
加工复杂型腔时,所需的运动轨迹由圆弧和直线组成,可在LabVIEW程序的运动轨迹数据表中预先设定各关键点和参数,由控制程序发出运动指令到各轴的步进电机驱动器,根据数控插补原理实现复杂轨迹的多轴联动加工。
2 微细电解加工试验
2.1 电极的短路对刀
微细电解加工开始之前,需要先确定工具电极和工件之间的相对位置,并控制电极运动使其达到所需的初始加工间隙。加工过程中,工具电极与工件间距离由初始间隙向平衡间隙趋近。预留的初始加工间隙应该比平衡间隙大,否则,在恒电压、恒速进给的条件下,工件的溶解速度低于工具电极的进给速度,加工间隙只能越来越小直至短路。而对于平衡间隙只有几微米的微细电解加工,设置精确的初始加工间隙更是保证稳定加工的必要条件。因此,在加工之前必须实现准确的对刀[6]。
本文采用接触感知的对刀方法,并设计了液面低于加工区的电解液循环系统,由电解液泵为加工区提供电解液。泵停止工作后,由于电极之间的加工区低于液面,没有电解液存留,从而能够实现准确的对刀定位。试验中发现,当对刀进给速度较高时,电极之间短路接触后,控制系统检测到电流发生突变,然后对步进电机发出停止进给指令,到步进电机完全停止进给,会有一定的时间延迟,从而造成干对刀,产生定位误差。而采用很低的对刀进给速度则又会影响对刀的效率,因此本文通过试验研究了干对刀定位精度与工具电极对刀进给速度的关系。首先,以每秒1步(1步=5/64μm)的进给速度进行精确对刀检测,所确定的短路接触位置为参考零点。然后采用不同进给速度对刀,每种速度连续进行20次重复对刀试验以测定其定位误差。
根据对试验结果的分析,我们提出两步对刀法:先采用每秒70~50步的进给速度进行粗对刀,再采用每秒5步的进给速度进行精对刀就可以在提高对刀效率的同时保证较高的定位精度。对刀进给速度不应高于每秒100步,否则在步进电机停止之前微细电极将被工件碰弯,无法进行加工。
2.2 加工过程的状态检测
微细电解加工需要采用低压超短脉冲电源,以抑制电化学杂散腐蚀,提高加工的定域性,保证微米级的加工精度。由于脉冲电源频率太高(MHz级),瞬时加工电流随着脉冲电路的充放电不断变化,对加工电流的实时采样非常困难,而且采样信号也不能真实反映加工状态。从整个加工过程来看,平均加工电流基本稳定,也便于实时监测,所以试验中以平均电流作为检测对象。当工件的溶解速度低于工具的进给速度时,加工间隙不断减小,电解液电阻变小,加工电流逐渐上升;当加工间隙过小时,电解产物、电解热等难以排出,稳定性变得越来越差,加工电流开始发生明显的波动,如果不采取措施,电流波动会越来越大直至跳变到短路状态。因此,实时监测平均加工电流,调整加工的进给速度,可以控制合理的加工间隙,进而保证稳定的加工状态[7]。
本文通过试验研究了不同加工参数稳定加工时平均电流所对应的电极加工间隙,如表1所示。试验中,在保证平均加工电流基本平稳的情况下,钨丝电极以稳定加工的最大进给速度向工件运动。进给一定深度后,关闭脉冲电源,测量工具电极沿加工进给方向上与工件之间的距离,将其作为一定加工条件下稳定加工的平衡加工间隙。
通过表1的数据可以看到,纳秒脉冲微细电解加工的平均电流比常规电解加工要小得多,只有0.05~0.50mA,这也正是其加工过程难以检测控制的主要原因。但另一方面,由于加工区域可控制在40~20μm之间,因此加工的电流密度能够达到15~20A/cm2。根据平均电流与加工间隙的试验数据,当平均电流发生波动,其振幅超过正常值的2倍时,说明工件的溶解速度跟不上工具的进给速度,加工间隙过小,已难以实现稳定加工,此时应使工具电极回退5μm的距离,并降低进给速度,再继续加工,以保证稳定加工所需的极间间隙。
由于平均加工电流很小,因而对其他加工条件的影响就非常敏感,平均电流与加工间隙之间不是简单的线性关系。在同样的加工参数下,加工深度或位置不同,平均电流所对应的加工间隙也会有所变化。随着加工深度的不断增加,电解液的流动更新变得越来越困难,工件溶解速度会逐渐减小。因此工具电极的进给运动速度和工件的溶解蚀除速度总是处于动态变化之中,它们之间的底面加工间隙也不稳定,当工件溶解速度降低时,也就必须对进给速度进行相应的动态调整。
2.3 微细结构的电解加工试验
根据上面对微细电解加工检测及控制技术的研究,电极进给速度必须和工件材料的电化学反应过程相匹配。电极进给速度太快,电化学反应还来不及完成,极间间隙过小,加工过程不稳定,影响加工精度;而电极进给速度太慢,又会使工件加工区域的材料去除过多,造成加工线宽过大,加工微细程度降低。在其他条件相同的情况下,加工间隙直接影响加工过程中的电流密度的大小。稳定加工的极间间隙越小,电流密度越高,加工效率也越高,加工速度越快,加工线宽也越窄。因此,加工过程中应尽可能采取较小的加工间隙,一般应在5μm以下[8]。
在自行研制的微细电解加工机床上,利用前述的加工过程检测及控制系统,采用超短脉冲电源进行了微米级的电解加工试验。采用前端直径10μm的钨丝作为工具电极接纳秒脉冲电源负极,80μm厚的金属镍片作为工件接电源正极,电解液为0.1~0.2mol/L的盐酸溶液,加工过程中保持电解液的流动。加工试验中,先利用对刀电路确定电极初始间隙,再由控制系统转换为脉冲加工电路。对刀电压为0.01V,电极接触时短路电流为1mA左右,不会对钨丝电极和工件造成损坏。然后,工具电极回退3~5μm的初始间隙,添加电解液使加工区域浸入液面下。根据不同的加工电压和脉冲参数选择相应的进给速度,并实时检测平均电流,控制合理的加工间隙,保持稳定的加工状态。
图4为采用微细电解加工得到的三个字母“ECM”的SEM照片,每个字母的高度约为100μm,宽度约为75μm,加工参数为3.5V的电压幅值,脉宽40ns,频率2MHz。加工字母“E”时,由于平均加工电流有较大波动,加工过程不够稳定,工具电极需要回退以脱离与工件的短路接触,因此字母“E”的线条宽度不够均匀。这就说明加工间隙不能过小,否则容易引起短路,影响加工过程的稳定性。短路后工具电极的多次回退,必然会延长加工时间,还会使加工图形的线宽不均匀,影响电解加工的尺寸精度、形状精度以及表面质量。而加工字母“M”时,加工过程相对稳定,线条的宽度也比较均匀,线宽为25μm左右。
3 结论
微细电解加工的加工尺寸通常在数十至数百微米左右,为保证加工精度,其加工间隙只有几微米。本文针对微细电解加工极间间隙难以检测、加工过程稳定性差的问题,在所建立的微细电解加工控制系统中,根据加工试验的基本过程,采用虚拟仪器软件LabVIEW设计了加工控制程序。利用霍尔电流传感器实时检测超短脉冲电解加工的平均电流,将其作为反馈信号,用于动态控制电极的进给运动速度,从而保证不同加工条件下稳定加工的最小加工间隙。进行了微细结构的电解加工试验,加工出了图形准确、线条均匀的微小字形。试验结果证明,加工过程的稳定性对加工结果具有重要作用,实时检测加工过程状态是控制加工精度和微细程度的决定因素之一。
参考文献
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电解加工 篇7
电解工艺加工是对复杂型面 (例如航空发动机叶片) 加工的一种重要方法, 对这类复杂工艺的预测往往采用数值仿真方法。传统的数值分析方法包括有限元法、有限差分法、边界元法等, 南京航空航天大学朱荻院士团队长期从事叶片类电解加工的研究, 采用有限单元法仿真加工间隙区域的加工状态[1,2,3]。Pattavanitch等[4]利用边界元法建立了电解加工过程模型, Marius等[5]利用边界元法分析了阳极工件的腐蚀状态, Bieniasz[6]采用有限差分法建立了电化学动力学仿真模型。而这些方法都存在共同的不足: (1) 分析模型准备时间长, 常出现网格划分质量不好的现象; (2) 仿真结果表现为单元网格节点的位置变化, 需要通过拟合网格节点重构复杂型面; (3) 采用多项式基函数的网格单元逼近表示边界, 从原理上不能精确表达求解区域边界处的约束, 不适于流体分析这类对边界敏感问题的求解。因此本文借用近年来新兴的等几何思想建立统一的几何建模与分析仿真的数学模型, 研究基于NURBS基函数的电解加工间隙几何参数化方法与非插值特性的边界条件施加方法, 形成支持叶片电解加工这类具有复杂敏感边界问题的数值求解方法[7]。
1 电解加工的数学模型
一般认为, 当电解加工过程处于平衡状态时, 加工间隙内的电场属于稳恒电场, 电位分布符合拉普拉斯方程:
工件阳极边界Γa条件为
阴极边界Γc条件为
在边界Γb上边界条件为
式中, φ为电场中各点电势值;U为工件阳极表面电势值;n为工件阳极表面各处的法向坐标[8] (图1) 。
2 等几何法的原理及基函数特点
2.1 基函数统一的几何与分析模型
在叶片电解加工的计算机辅助分析中, 叶片工件与阴极工具之间的加工间隙一般采用CAD系统建立其几何模型。目前商用CAD系统通常采用非均匀有理B样条 (non-uniform rational B-splines, NURBS) 表示叶片这类具有复杂曲面的几何模型。等几何法的基本思想就是采用同一套NURBS基函数统一表达几何模型和数值分析模型。对于加工间隙采用样条体 (NURBS volumes) 表示, 它是使用三个节点矢量定义的张量积样条:
式中, {I, J, K}为节点矢量的索引集;{Ri, p, Rj, q, Rk, r}为各节点矢量对应的单变量B样条基函数;ωijk、ωi′j′k′为权因子;p、q、r为基函数的次数。
2.2 自然划分加工间隙的参数域
NURBS基函数是由节点矢量和样条次数定义的, 而张量积样条的节点矢量正好张成加工间隙参数域上的规则网格。等几何法即采用节点矢量张成的规则网格做自然划分, 无需后续的网格剖分工作。借用经典有限元法中单元和节点的概念, 把等几何法中的单元类比为测度不等于零的节点间隙, 而节点类比为间隙内非零基函数对应的控制顶点。对于三维张量积样条, 单元可用直积表示为
其中, εi、ηj、ζk表示三个参数方向上第i、j、k个参数值。可以发现单元内的非零基函数共有 (p+1) × (q+1) × (r+1) 个。
2.3 NURBS基函数的非插值性
相对于经典有限元的多项式基函数, NURBS基函数具有很多优点, 例如它可以精确表示任意的几何模型, 在单元边界处可以获得更高的连续性, 但它缺少一个重要的性质即在节点处的插值性, 即Ni (εj) ≠δij (εj为节点处的参数值) 。单变量基函数在首末端点处满足插值条件, 但是二维张量积样条基函数除四个角点外, 在其他各节点处都不具有插值性。因此等几何法不能像传统有限元法那样对叶片电解加工间隙的节点处场变量进行插值以表示Dirichlet边界条件[9]。
3 叶片电解加工的常微分方程组形式
采用加权余量法推导式 (1) 的等效积分弱形式。式 (1) 两边同乘以权函数w, 得到:
由于在边界Γb上, 在本质边界Γa和Γc上权函数w=0, 由格林第一公式
可得到
上述等效积分形式可以写成与特定问题无关的一般形式:
其中, a (u, v) 和l (v) 分别为定义在区间Ω上的双线性和线性泛函。
使用NURBS基函数作为电场的形状函数, 只在空间域上进行离散化。其中为电势物理量的控制变量, 即基函数的系数项, 电位场值变量的逼近公式可写为
取权函数w为NURBS基函数族, 再代入到式 (6) 中可以得到方程组形式如下:
整理得到电位场值问题的一阶常微分方程组形式如下:
其中, 为某时刻加工间隙电势值的控制变量, Kij和Fi分别被称为刚度矩阵和载荷向量分量。它们的计算公式为
4 程序实现
4.1 刚度矩阵和载荷向量的装配
假设叶片电解加工加工区间对应U、V、W方向上参数域的节点矢量为 (0, ε1, ε2, …, εi, εi+1, …, 1) 、 (0, η1, η2, …, ηj, ηj+1, …, 1) 和 (0, ζ1, ζ2, …, ζk, ζk+1, …, 1) , 基于这些节点矢量所构建的基函数为Ni、Nj、Nk。由于NURBS基函数的局部支撑性, 即基函数Ni、Nj、Nk只在区间[εi, εi+p+1]、[ηj, ηj+p+1]、[ζk, ζk+p+1]内有非零值, 其中基函数取工程中常见的3次函数, 即p=3, 式 (10) 中的积分运算就不用在整个参数域Ω内进行。考虑参数域中所有测度不为零的间隔:
可以把Ωe看成为电解加工间隙划分的等几何分析单元, 因此显然有结论:
定义单元刚度矩阵Ke和单元载荷向量Fe:
类似于有限元方法, 等几何分析法也可以看成是划分了NURBS样条体单元, 但这种单元在加工间隙建模完成时即已完成。同样, 等几何法也有一个单元刚度矩阵和载荷向量的装配过程, 通过单元刚度矩阵装配得到全局刚度矩阵。等几何单元和经典有限元单元的区别在于: (1) 基函数不具备插值性质, 节点 (控制定点) 有可能不在单元区域上; (2) 等几何单元有更高的单元边界连续性[10]。
4.2 加工间隙建模
叶片电解加工间隙的边界Γa与边界Γc为自由曲面, 边界Γb为平面。为了建立加工间隙的参数化几何模型, 可以对工件表面和阴极工具表面进行采样, 获得边界Γa和Γc上的采样点, 另外依据等参条件给定Γb上的采样点。
建立叶片电解加工间隙参数化模型 (图2) 的步骤如下:
(1) 设加工间隙的a、b、c边上分别存在U、V、W方向上的采样点Oi、Pj和Qk。其中, i=0, 1, …, m;j=0, 1, …, n;k=0, 1, …, l。
(2) 采用累加弦长法建立Oi、Pj和Qk对应的参数域中参数值
(3) 构建三个方向的节点矢量, 即令节点矢量中的首末参数值需要满足:
(4) 三个方向优化后的节点矢量为ui′、vj′和wk′, 其中, i′=0, 1, …, m+p+1;j′=0, 1, …, n+p+1;k′=0, 1, …, l+p+1。以ui′、vj′和wk′作为节点矢量构建边界Γ在U、V、W方向上的NURBS基函数Ni、Nj和Nk。
(5) 分别对Γa、ΓbF、ΓbB、ΓbL、ΓbR、Γb6个边界面反求其控制顶点。若记加工间隙边界上的控制顶点为Cctrl (Γ) , 则可得到:
其中, Pijk为边界上的采样点。
(6) 通过对控制顶点Vij0、Vij1、Vi0k、Vi1k、V0jk、V1jk超限插值可以得到整个加工间隙体的控制顶点:
(7) 最终得到叶片电解加工间隙体的控制顶点为
其中, εi、ηj、ζk∈[0, 1]。因此, 叶片电解加工间隙的几何模型可表示为
本文后续将简写为
(8) 阳极型面的表达式为
任意一点处的法矢可记为
则式 (11) 中的cosθ=a·b/ (|a|·|b|) 。
4.3 Dirichlet边界约束处理
由于采用NURBS基函数表达叶片电解加工间隙的电场分布, 因此不能像传统分段多项式有限元单元一样插值Dirichlet边界上采样点的电场值, 所以采用强施加方法对式 (9) 施加Dirichlet边界条件[11,12]。假设弱解φ∈S可以表示为两部分之和, 即u=e+g, 其中g∈S, e∈V, 代入到式 (6) 中得到:
假设叶片电解加工间隙的所有NURBS基函数的集合为, 其中n为所有基函数的数量。假设边界上非零值的基函数集合为, nB为B集合中的函数个数。边界上只有零值的基函数集合, nI为I集合中的函数个数。则有
式中, 为集合B中对应基函数的控制变量;为集合I中对应基函数的控制变量。
考虑到NURBS基函数的局部支撑性质, 只有少量的基函数在边界上有非零值。不失一般性, 假设集合。由于加工间隙中稳态电场的求解方程组 (式 (9) ) 没有考虑强制边界条件, 刚度矩阵Kij是奇异的。因此, 在边界Γa和Γc上引入采样点χmn0、χmn1处的电场电势值{φij0=U, φij1=0}, 对应参数域坐标为, 其中ζ=0, 1。则弱解中的强制边界条件项可近似表示为
对其中的基函数进行排序后, 可以求出控制变量。并将代入到式 (9) 消元后即可求得未知内部控制变量。令, 最终利用逼近表达了电解加工间隙的电势分布。
5 实验验证
设置电解加工仿真的电势差为15V, 电解加工初始间隙设置为0.5 mm, 阴极进给速度为0.5mm/min。电解液成分为NaNO3, 质量分数为10%, 初始温度为25~30℃, 流速为15m/s, 工件材料为2Cr13钢。
利用三维产品设计平台NX建立叶片电解加工间隙的几何模型, 如图3a所示。反求出加工间隙几何的控制顶点, 并利用超限插值得到加工间隙的参数化模型, 如图3b所示。
利用边界配点法施加阴阳极边界电势约束条件后, 得到等几何方法分析的电势分布、电场矢量分布, 并分别与经典有限元法进行比较, 如图4所示。
采用经典有限元和等几何分析对叶片电解加工间隙的收敛速度进行比较, 经典有限元法采用线性、二次、三次拉格朗日单元 (p=1, 2, 3) , 而等几何分析采用了二次和三次样条函数, 得到曲线如图5所示。图5中, fDOF为自由度, e为分析误差。
虽然样条函数也可理解为定义在参数域内的分段 (有理) 多项式, 但它通常可以获得比经典有限元更高的单元边界连续性。经典有限元在单元边界处通常是C0连续, 而样条函数可以获得Cp-r (r为节点重复次数) 连续。因此, 从理论上讲, 采用NURBS样条基函数能够更精确地表达叶片这类具有复杂自由曲面的边界几何形状, 从而等几何分析方法可以获得更高的分析精度。另一方面, 在相同的网格自由度情况下, FEM和等几何法都能达到收敛, 但由图5中相同自由度情况下的误差比较可发现, 等几何法的误差较传统有限元法精度更高。相对来说等几何法的收敛速度明显要快于FEM, 那么在相同网格单元数量下, 等几何法体现出了更高的分析精度。
6 结语
在传统基于有限元法的叶片电解加工数值分析中, 几何模型与分析模型所采用的数学描述方法不同, 两者之间需要相互转换, 带来分析模型的准备时间长, 转换常出现模型质量不高的缺点。另外由于有限元法采用多项式基函数网格单元逼近表示边界, 所以原理上不能精确表达电极边界与电解液边界的场变量分布。因此本文采用NURBS基函数取代多项式基函数, 实现叶片电解加工间隙几何建模与数值分析共用相同的基函数, 即建模完成同时网格划分完成。同时利用NURBS基函数构建的样条体单元能准确表达加工间隙自由曲面边界的特性, 实现更加精确的加工间隙内电场分析。最终通过实例验证了等几何法对叶片电解加工数值分析这类具有复杂几何边界问题的有效性。
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电解加工 篇8
随着现代工业的发展,直径在0.1～1.0mm之间的小孔结构广泛存在于航空航天、武器装备、汽车、电子、船舶等领域中。小孔结构材料一般是难加工材料,并且小孔的数量少则几十个、多则上万个,其加工质量、精度、效率对产品的性能、质量和成本有很大影响。传统的机械切削加工由于刀具刚性的影响及存在切削力,被加工零件易产生变形,不适合用于难加工材料的小孔批量加工。特种加工技术中的激光加工、电火花加工、电解加工可用于小孔加工。但是激光加工、电火花加工都属于热加工,加工表面存在热影响区和再铸层,影响工件的使用寿命和安全可靠性,因此需要后续光整处理,导致加工周期长、成本高[1,2]。电解加工小孔包括成形金属管电解(shaped tube electrolytic machining, STEM)加工、毛细管电解(capillary drilling, CD)加工、电射流电解(electro-stream drilling, ESD)加工和喷射电解(jet electrolytic drilling, JED)加工[3,4,5,6,7,8]。前三种方法都需要制作成形阴极,并且加工中阴极需要进给,以进入工件中。这些方法存在阴极制作困难,加工中容易出现短路而烧伤工件等缺陷。喷射电解加工小孔方法避免了上述缺陷,在加工过程中金属阴极仅对电解液束辉光充负电,使电解液束起到工具阴极的作用,打入工件,使工件按电解液束的形状阳极溶解作用而成形,从而可实现小孔高质量、高精度的加工目标[9]。
本文针对喷射电解加工小孔方法,基于电场理论,建立了二维数学模型,并利用该模型进行了数值模拟和工艺实验验证。在此基础上,通过工艺对比实验研究了喷射孔径、加工电压和电流方式对加工质量的影响,总结了喷射电解加工小孔的典型工艺特征。
1 二维数学模型
1.1理论假设
根据喷射电解加工小孔中加工间隙固定不变且无成形阴极的特点,提出如下假设:①加工过程及整个加工间隙中,电解液各向同性,即各处电导率和电流效率都相同,均分别保持为常数;②加工过程中,阳极/电解液界面和阴极/电解液界面上的电极电位均分别视为常数;③阳极电化学溶解服从法拉第定律;④加工间隙中的电场视为无源稳恒电流场。
1.2数学模型
根据上述理论假设,针对喷射电解加工小孔的电流场建立了简化模型,如图1所示。阴极喷嘴的孔直径为2R;喷嘴与工件表面距离固定,即加工间隙为L;直流稳压电源正极接工件、负极与喷嘴相连。
由电场理论可知,喷射电解加工小孔区电场的电位ϕ分布符合拉普拉斯方程,即
根据法拉第定律,图1所示的阳极溶解速度vn可表示为
式中,η为电流效率;ω为体积电化学当量;ia为电流密度。
图1中z向的边界移动速度vz可表示为
式中,α为阳极溶解速度与z向边界移动速度的夹角。
由几何关系可知:
式中,za为喷射电解加工小孔二维轮廓曲线函数;r为曲线函数变量。
电流密度与电场强度的关系如下:
式中,κe为电解液电导率。
阳极某点电场强度等于该点电位梯度,即
归纳以上关系式可得如下描述喷射电解加工小孔间隙中电位分布的数学模型方程:
阳极表面边界条件为
阴极表面边界条件为
根据上述二维数学模型,由加工电场电位的分布可求得加工区各点的电场强度,再计算出各点的电流密度,进而可得到各点的阳极溶解速度,最后可得出加工后的二维轮廓。
2 数值模拟与实验验证
2.1工艺参数
实验选用YJ63型稳压电源,输出电压为0～300V,额定电流为5A。阴极喷嘴的孔径有三种尺寸,分别为1.5mm、1.0mm和0.4mm。电解液选用NaNO3溶液,NaNO3的质量分数为18%,该电解液的电导率为12.2S/m。电解液进液压力为1.5MPa,加工间隙为2mm。工件为0.5mm厚的不锈钢片(1Cr18Ni9Ti),该材料的体积电化学当量ω为2.1×10-9m3/(A·min),电流效率η约为0.6。
2.2数值模拟结果及验证
根据上述二维数学模型,对喷射电解加工小孔过程进行了数值模拟与实验验证,图2是数值模拟结果与实验结果的对比图。实验结果是利用ADE公司的MicroXAM3D Profiler形貌仪测量所得。加工参数包括:喷嘴直径0.4mm,加工电压200V,加工时间分别为5s和30s。由图2可看出,喷射电解加工小孔数值模拟结果与实验结果比较吻合,径向误差较小,不超过0.01mm,孔在深度方向上误差较大,最大处在孔的底部中心地带,误差值达0.03mm,实验结果的二维整体轮廓略大于模拟结果。出现这一现象的原因是:在200V高电压作用下,工件阳极除了电化学溶解去除材料以外,阴阳两极之间产生的辉光放电也有助于去除材料。在喷射电解加工过程中,阴阳两极之间高速流动的电解液束周围的气压低于大气压,从而形成围绕电解液束的低压环形区域,而电解加工中阴极析出氢气,阳极溶解产生电解产物有时还包括氧气、二氧化氮等气体,因此在这个低压区域中,存在一定的气流。低压区的气流在高电压的作用下形成辉光放电,在阴阳两极之间生成放电通道,通道内的负极性粒子会撞击阳极表面,这一作用有助于去除阳极材料。另外辉光放电形成的加工区域温度梯度也有助于阳极氧化溶解。
从整体轮廓对比来判断,根据本文建立的二维数学模型可以较好地模拟实验加工结果。由于难以模拟入口处的杂散腐蚀,本文建立的数学模型适用于直径在1.0mm以下小孔的喷射电解加工的数值模拟。
3 实验结果与分析
在喷射电解加工小孔过程中,阴阳两极相对固定,没有进给。影响小孔加工质量的重要因素有:喷嘴孔径、加工电压和电流方式。因此,针对这三个重要因素对加工质量的影响进行了工艺对比实验和分析。
3.1喷嘴孔径对加工质量的影响
由喷射电解加工小孔原理可知,喷嘴孔径直接决定了喷射液束的粗细,也就决定了加工孔的大小。图3对比了采用三种不同孔径喷嘴进行喷射电解加工小孔的入口形貌。
从图3a可以看出,当喷嘴直径为1.5mm时,喷射电解加工的小孔入口周围存在明显的过切现象,即图中的黑色区域,该区域的面积是加工孔入口面积的两倍以上,另外,入口外围的杂散腐蚀非常严重。
对比图3a与图3b可以看出,当喷嘴直径由1.5mm降至1.0mm后,喷射电解加工孔入口周围的过切现象有所减轻,过切区域的面积与加工孔入口面积相当,孔的加工质量没有明显改善。当喷嘴直径降至0.4mm时,如图3c所示,小孔的入口过切现象已大为减轻,过切区域的面积仅为小孔入口面积的1/5,杂散腐蚀基本去除,孔的圆度也大为改善。
由图3可以看出,在相同的进液压力(1.5MPa)和加工间隙(2mm)下,随着喷嘴直径的减小,加工孔的质量也随着提高,在加工直径为1.0mm以下的小孔时,可以有效减少入口的杂散腐蚀,提高孔的加工精度。
3.2加工电压对加工质量的影响
喷射电解加工小孔阴阳两极之间施加的电压大小对加工效率有决定性作用,常用材料去除率Rm来表示加工效率,即
式中,Δmi为第i次实验所得的加工前后的工件质量差;n为实验重复次数;t为加工时间,每次实验加工时间相同。
图4显示了加工电压对喷射电解加工小孔效率的影响。喷嘴直径为0.4mm,加工时间统一为30s,每组实验重复5次。由图4可以看出,加工电压在120V以下时,喷射电解加工小孔的材料去除率在3mg/min以下;当加工电压增加至120V以上时,材料去除率有明显上升的趋势。这说明,当加工电压在120V以上时,喷射电解加工小孔的电流效率较高,并伴随辉光放电效应,使得加工效率得到跃升。因此,喷射电解加工小孔采用的加工电压应在120V以上,才能取得更高的加工效率。
3.3电流方式对加工质量的影响
喷射液束电解加工小孔采用的电流具有直流电流和脉冲电流两种方式。图5是利用MicroXAM 3D Profiler表面形貌仪拍摄的形貌图,对比了两种不同电流方式对喷射电解加工小孔的影响。喷嘴直径为0.4mm,直流电源电压为200V;脉冲电源电压为400V,占空比为50%,频率为2kHz。
从图5可以看出,脉冲喷射电解加工的孔入口轮廓好于直流电解加工的孔入口轮廓,孔的锥度也明显小于直流电解孔的锥度。这是因为,脉冲电流电解加工是以周期间歇供电代替传统的连续供电,使工件阳极发生周期断续的电化学阳极溶解,它可以充分利用脉冲间隙的断电间隙去极化、散热等作用,更新加工间隙的电场和流场,并有助于及时排除电解产物。因此,与直流喷射电解加工相比,脉冲喷射电解加工能够获得更高的加工精度。
4 结论
(1)基于电场理论,针对喷射电解加工小孔方法,建立了二维数学模型,并通过了数值模拟和实验验证,证实了该模型可用于模拟预测实验结果,该模型适用于直径1.0mm以下的小孔加工。
(2)通过不同孔径喷嘴进行了喷射电解加工小孔对比实验,研究了喷嘴孔径对加工质量的影响,实验结果表明在进液压力和加工间隙一定的条件下,喷嘴孔径越小,喷射电解加工小孔质量越高。该方法在加工直径1.0mm以下的小孔时,可以有效减少入口的杂散腐蚀,提高孔的加工精度。
(3)研究了加工电压和电流方式对喷射电解加工小孔质量的影响,实验表明,喷射电解加工小孔所施加的电压应在120V以上;与直流电源相比,使用脉冲电源能有效减小孔的锥度、提高加工精度。
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