陳遠(yuǎn)龍,楊 濤,萬勝美,王天霽

(合肥工業(yè)大學(xué)特種加工研究所,安徽 合肥 230009)

近年來,延續(xù)了自20世紀(jì)90年代后期以來的良好發(fā)展態(tài)勢,電化學(xué)加工專業(yè)領(lǐng)域工藝技術(shù)水平及設(shè)備性能均取得了穩(wěn)步發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展,產(chǎn)業(yè)發(fā)展也達(dá)到了一個新的高度。

1 工藝技術(shù)研究

相對傳統(tǒng)加工和其他優(yōu)勢特種加工技術(shù)而言,電化學(xué)加工的基礎(chǔ)理論較為薄弱,工藝技術(shù)尚欠成熟。但正因?yàn)槿绱?其有待研究、開發(fā)的空間也更為廣闊。近期,電化學(xué)加工工藝技術(shù)研究涉及的方向主要集中在超純水電解加工、微細(xì)加工、加工間隙的檢測與控制、數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等重點(diǎn)領(lǐng)域。下面分別加以詳述。

1.1 超純水電解加工

超純水電解加工是在常規(guī)電解加工原理的基礎(chǔ)上,利用超純水作電解液,并采用強(qiáng)酸性陽離子交換膜來提高超純水中OH-離子的濃度,使電流密度達(dá)到足夠去除材料的一種新型電解加工工藝方法[1]。日本學(xué)者率先提出以超純水代替常規(guī)電解液,實(shí)現(xiàn)綠色、微細(xì)電解加工的思想。國內(nèi)學(xué)者近年來也開展了超純水電解加工的機(jī)理、超純水小孔電解加工、超純水電化學(xué)掃描直寫加工、超聲輔助純水微細(xì)電解加工等研究[2～6],為超純水電解加工的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1.2 微細(xì)電化學(xué)加工

微細(xì)加工是當(dāng)前電化學(xué)加工研究中最活躍也是最熱點(diǎn)的方向。

從原理上而言,電化學(xué)加工中材料的去除或增加過程都是以離子的形式進(jìn)行的。由于金屬離子的尺寸非常微小(10-1nm級),因此,以“離子”方式去除材料的微去除方式使電化學(xué)加工技術(shù)在微細(xì)制造領(lǐng)域、以至于納米制造領(lǐng)域存在著理論上的極大優(yōu)勢,只要精細(xì)地控制電流密度和電化學(xué)發(fā)生區(qū)域,就能實(shí)現(xiàn)電化學(xué)微細(xì)溶解或電化學(xué)微細(xì)沉積。

近年來,基于毫秒、微秒、納秒及群脈沖電源,采用單純電解、電解與超聲復(fù)合、電解與電火花復(fù)合、電解與線切割復(fù)合等加工工藝,在蜂窩狀微坑、微細(xì)槽、微細(xì)軸、微細(xì)群孔、微細(xì)群圓柱、微器件等加工中,投入了大量的研究。為此,還開發(fā)了多功能三維微細(xì)電解加工系統(tǒng)、電化學(xué)微細(xì)加工監(jiān)控系統(tǒng)、微螺旋電極等裝置。研究對象除了普通金屬材料外,還涉及硬質(zhì)合金、純鈦等。研究內(nèi)容涉及微細(xì)加工工藝條件、陰極設(shè)計(jì)制造、加工數(shù)學(xué)模型建立、運(yùn)動學(xué)仿真、工件表面電場分布有限元分析、反向電流、壓力波及電解產(chǎn)物的影響等諸多方面[7～22]。

1.3 加工間隙的檢測與控制

電化學(xué)加工是一個復(fù)雜的非線性時變系統(tǒng)。由于加工間隙處于電場和流場的共同作用下,是時間和空間的變化函數(shù),且空間極小,因而在加工過程中適時測量非常困難,特別是對于三維空間的間隙,至今尚無成熟的采樣方案的實(shí)際應(yīng)用。但是,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、測試技術(shù)、信號處理技術(shù)、電源技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,測控過程中存在的難題將逐一得到解決,并最終實(shí)現(xiàn)在線測控加工間隙。

近階段,加工間隙的檢測與控制的研究引起了眾多關(guān)注。研究主要集中在以下方面:

(1)采用循環(huán)迭代間隙控制方案,快速調(diào)整工具進(jìn)給速度,使之近似等于工件去除速度,以精確地維持恒定的小間隙。并利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建電解加工控制系統(tǒng)[23]。

(2)把加工電流作為研究參數(shù),用最小二乘多變元線性擬合法,分別建立平面、斜面陰極加工電流與加工間隙之間的關(guān)系式,用葉片型面加工數(shù)據(jù)對建立的關(guān)系式進(jìn)行檢驗(yàn)和修正,得到最終的修正關(guān)系式。所得關(guān)系式在±15%的誤差范圍內(nèi)可用于在線檢測加工間隙[24]。

(3)把流體作用在陰極上的六維力作為研究參數(shù),設(shè)計(jì)通電解液不通電、通電加工兩大類工況,從定性和定量兩個角度分析六維力與加工間隙之間的關(guān)系,用最小二乘多變元線性擬合法,分別建立平面、斜面陰極加工的六維力與加工間隙之間的關(guān)系方程式,用葉片型面加工數(shù)據(jù)對建立的關(guān)系方程式進(jìn)行檢驗(yàn)與修正,得到最終的修正關(guān)系式。在15%的誤差范圍內(nèi)所得關(guān)系式可用于在線檢測加工間隙[25]。

(4)采集真實(shí)電解加工過程中陰極表面上的力信號,利用小波變換和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)間隙的在線通報(bào),并設(shè)計(jì)了一個模糊控制器。把間隙的誤差轉(zhuǎn)化為力的誤差及誤差的變化信號,以此作為模糊控制器的輸入,以加工電壓的增量作為模糊控制器輸出,實(shí)現(xiàn)對間隙的控制。在Matlab的simulink模塊中建立了由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制器和電解加工系統(tǒng)聯(lián)合組成的智能控制系統(tǒng)的仿真模型,進(jìn)行仿真試驗(yàn)[26]。

(5)提出基于極間固/液界面雙電層電容的高頻窄脈沖電化學(xué)加工數(shù)學(xué)模型,對脈沖頻率、占空比、初始間隙與陽極蝕除速度及極間間隙的變化關(guān)系進(jìn)行模擬和仿真[27]。

(6)針對高頻窄脈沖電化學(xué)加工,對加工間隙進(jìn)行建模分析,提出了間隙平均電流檢測法。通過測量相鄰一組平均電流及其方差這2個參數(shù)判斷間隙狀態(tài),從而對進(jìn)給速度、進(jìn)給方向進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,精確地維持恒定的小間隙,實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的加工[28]。

1.4 數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是指在網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)輔助下通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型,全面模擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、裝配、制造等產(chǎn)品開發(fā)全過程。數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)集成了現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造過程中的多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù),是一項(xiàng)多學(xué)科的綜合技術(shù),已在制造業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。但是,該技術(shù)在電化學(xué)加工領(lǐng)域起步較晚,研究及應(yīng)用較少。近年來,這種局面大為改觀,已在下列幾方面有所突破:

(1)數(shù)字化建模:利用實(shí)體建模軟件(Pro/E、U G、CATIA 、SOL IDWORKS 、SOL IDEDGE 等),基于反映零件真實(shí)形狀的型值點(diǎn)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上直接進(jìn)行三維設(shè)計(jì),得到零件的實(shí)體造型[29]。

(2)加工運(yùn)動設(shè)計(jì):把過去由人工、行程開關(guān)或模板產(chǎn)生的加工信息數(shù)字化,并用于控制機(jī)床的加工運(yùn)動。在此基礎(chǔ)上,依據(jù)零件實(shí)體造型,通過計(jì)算,用數(shù)字化定量地表述工具的運(yùn)動軌跡,進(jìn)而用計(jì)算機(jī)控制、處理加工運(yùn)動[30]。

(3)工具陰極及工裝的設(shè)計(jì):基于電場、流場近似理論和簡化了的數(shù)學(xué)模型,采用多種計(jì)算方法求解,其結(jié)果所得的大量數(shù)據(jù)與圖形信息給陰極及夾具的數(shù)字化制造提供有利的條件。運(yùn)用計(jì)算機(jī)處理所得到的數(shù)據(jù)與圖形信息,力圖從傳統(tǒng)的定性描述轉(zhuǎn)化為數(shù)字化定量描述,并在這一基礎(chǔ)上逐步建立數(shù)字化模型,仿真特定的加工運(yùn)動,再結(jié)合零件的數(shù)字化模型,控制、處理表述陰極及工裝夾具的型值點(diǎn)數(shù)據(jù)庫,直至符合要求為止[30～31]。

(4)數(shù)控電解加工過程的模擬與仿真:目前電解加工的工藝參數(shù)還只能憑經(jīng)驗(yàn)選取,難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化和自動化,也受制于操作者的差異。但隨著模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及專家系統(tǒng)等多種人工智能技術(shù)的發(fā)展,可利用人工智能技術(shù)來建立加工效果和加工條件之間有關(guān)精度、效率、經(jīng)濟(jì)性等定量化的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并對其加工運(yùn)動進(jìn)行模擬與仿真,即在一臺計(jì)算機(jī)上用解析或數(shù)值的方法表達(dá)制造過程,構(gòu)造數(shù)控加工表面,定義零件數(shù)控加工所需的線框和表面模型,對照零件數(shù)字化模型驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的加工路線是否正確以及選定的加工參數(shù)和設(shè)計(jì)的工具陰極是否合理,反復(fù)修改加工參數(shù)及修整工具陰極,最終仿真出要加工的零件[32]。

數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用,可彌補(bǔ)電解加工技術(shù)現(xiàn)存的許多不足,如加工周期長,加工間隙及加工過程難以控制,加工質(zhì)量不易保證及復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的陰極設(shè)計(jì)和檢測困難等問題,使電解加工從部分量化和部分經(jīng)驗(yàn)化、定性化逐步轉(zhuǎn)向全面數(shù)字定量化,真正實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低成本、快速響應(yīng)的加工目標(biāo)[29]。

除了上述4個熱點(diǎn)研究方向之外,以下工藝技術(shù)的研究也均有所創(chuàng)新或突破:

(1)葉片及整體葉輪加工工藝研究,包括陰極設(shè)計(jì)及仿真,展成電解加工成形規(guī)律研究,帶冠整體葉輪陰極運(yùn)動軌跡的設(shè)計(jì),電解液流動方式優(yōu)化,夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)炮管膛線電解加工陰極的優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)建模與仿真、UG二次開發(fā)技術(shù)。

(3)高頻、超高頻群脈沖電化學(xué)加工中頻率、脈沖對極間間隙和流場的影響,碳含量和組織對加工效果(表面粗糙度、蝕除率、電流效率)的影響,壓力波對加工質(zhì)量(加工精度和表面質(zhì)量)的影響;IGBT反向尖峰電壓的數(shù)學(xué)模型的建立。

2 設(shè)備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)狀況

設(shè)備研發(fā)是工藝技術(shù)的基礎(chǔ)。電解加工的設(shè)備主要包括機(jī)床、電源和電解液系統(tǒng)3個主要實(shí)體以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)。近年來,電解加工設(shè)備在成形加工和去毛刺兩個領(lǐng)域均取得了可喜進(jìn)步。

2.1 成形加工機(jī)床

由于受到數(shù)控機(jī)床、加工中心、高速加工機(jī)床等強(qiáng)力沖擊,在民用工業(yè)領(lǐng)域,電解成形加工應(yīng)用逐年萎縮,模具、葉片等傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域基本失守。

但是,隨著國防工業(yè)的蓬勃發(fā)展,由于具有高效率、高表面質(zhì)量、無殘余應(yīng)力、無表面再鑄層、陰極無損耗等獨(dú)特優(yōu)勢,電解加工在航空、航天、兵器等工業(yè)領(lǐng)域又重新煥發(fā)了生機(jī)。特別是在炮管膛線、整體葉輪、發(fā)動機(jī)機(jī)匣、長筒零件、異形零件等產(chǎn)品制造中,電解加工機(jī)床的需求較旺,針對上述零件的專用機(jī)床或主要用于特定零件的通用機(jī)床產(chǎn)量均出現(xiàn)了明顯回升。

近年開發(fā)的電解加工機(jī)床,均采用了PLC或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),人機(jī)界面采用觸摸屏。因而顯著提高了設(shè)備的先進(jìn)性以及現(xiàn)場惡劣環(huán)境中運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性[33]。

2.2 去毛刺機(jī)床

電化學(xué)去毛刺機(jī)床市場的紅火,足以令人振奮。

近年來,由于對產(chǎn)品高品質(zhì)的追求和電化學(xué)去毛刺工藝的顯著優(yōu)勢,在發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)等領(lǐng)域,針對發(fā)動機(jī)缸體等零件內(nèi)部交叉孔口去毛刺,以及噴油嘴內(nèi)盛油槽、退刀槽的小余量加工等,電化學(xué)去毛刺機(jī)床市場需求產(chǎn)生暴發(fā)性增長,國內(nèi)重點(diǎn)電化學(xué)去毛刺機(jī)床生產(chǎn)廠家產(chǎn)品供不應(yīng)求,產(chǎn)銷兩旺。

目前,國內(nèi)生產(chǎn)的電化學(xué)去毛刺機(jī)床與進(jìn)口機(jī)床相比,主要在配套附屬產(chǎn)品如電解產(chǎn)物處理、電解液參數(shù)控制裝置等方面存在明顯差距,但在設(shè)備完整性、可靠性、易操作性以及美觀性等諸多環(huán)節(jié)均已取得長足進(jìn)步。

3 未來展望

近階段,電解加工的研究重點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域主要會集中在以下幾個方向:

(1)電化學(xué)微精加工的深入研究

電化學(xué)加工技術(shù)具有加工機(jī)理的獨(dú)特優(yōu)勢以及在微精甚至在納米加工領(lǐng)域進(jìn)一步研究探索的空間,但還必須在自身工藝規(guī)律認(rèn)識和完善的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新。具體應(yīng)關(guān)注:①進(jìn)一步完善硬件系統(tǒng),如微進(jìn)給系統(tǒng)及微控工作臺的性能及可靠性的提升;加工過程自動檢測與適應(yīng)控制研發(fā)的深化;②微精加工機(jī)理的研究。尤其是中、高頻率脈沖電流條件下,微精加工電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)動力學(xué)等方面的深入研究。

(2)脈沖電源的深化研發(fā)

微秒級脈沖電源的工程化完善以及在工業(yè)領(lǐng)域的大力推廣應(yīng)用。納秒級脈沖電源、群脈沖電源、逆變式脈沖電源的性能完善。

(3)理論成果向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。諸如加工間隙的檢測與控制、陰極數(shù)字化設(shè)計(jì)、電解加工過程的模擬與仿真等均是電化學(xué)加工的關(guān)鍵技術(shù),不能僅僅在各種基金支持下獲得理論成果即束之高閣,而應(yīng)盡快由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場轉(zhuǎn)移。

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