劉海擁,康 敏,傅秀清,馬小波

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇南京210031)

電解加工是基于電化學(xué)陽極溶解的原理來去除金屬材料的,加工中工具陰極無損耗、無宏觀切削力,適宜加工各種難切削加工材料零件,且加工效率高、表面質(zhì)量好,在制造業(yè)中獲得了大量應(yīng)用。傳統(tǒng)的電解加工成形陰極采用拷貝式加工,陰極的設(shè)計、制造困難,且由于陰極形狀復(fù)雜、加工面積大、影響因素多,使加工的復(fù)制精度和重復(fù)精度都不太高。為了解決上述問題,國外從20世紀(jì)80年代末開始研究數(shù)控展成電解加工,它綜合了數(shù)控加工與電解加工兩者的技術(shù)特點,避免了復(fù)雜成形陰極的設(shè)計與制造,投產(chǎn)周期短,適用加工范圍廣,加工柔性大,可用于小批量、多品種甚至單件試制的生產(chǎn)中[1～2]。

1 球頭陰極展成電解加工原理

球頭陰極展成電解加工是利用簡單形狀的球頭陰極,通過計算機控制陰極相對工件的運動來加工復(fù)雜型面的電解加工方法,其加工原理見圖1[3]。

圖1 球頭陰極展成電解加工原理

球頭半徑為R,轉(zhuǎn)動速度為n,進給速度為 Vp,極間初始間隙為S1。加工時,工件接直流電源的正極,球頭陰極接直流電源的負(fù)極,電解液以一定壓力從球頭陰極底部的小孔噴射出來,通過改變初始參數(shù),得到一系列不同的切削深度S1與表面粗糙度。

2 試驗裝置

球頭陰極展成電解加工試驗是在自行研制的5軸數(shù)控電解加工試驗裝置上進行的,裝置包括:機床本體、電解液系統(tǒng)、電源以及控制系統(tǒng)(圖2)。機床本體是試驗裝置的主體,它的運動有沿 X、Y、Z軸的平動、繞Y軸的擺動(B)和繞Z軸的回轉(zhuǎn)(C)。電解液系統(tǒng)采用二級過濾方式,可將一定溫度、濃度的電解液以0～2.0 MPa的壓力輸送到加工區(qū)域。電源選用硅整流電源,電壓0～24 V連續(xù)可調(diào),額定電流200 A,帶有短路保護功能,可適時顯示電壓、電流值?？刂葡到y(tǒng)采用“IPC+PMAC”結(jié)構(gòu)構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺,其中以IPC為主控計算機,以多軸運動控制器PMAC為系統(tǒng)從機,構(gòu)成主從分布式結(jié)構(gòu)體系;控制軟件采用靈活的高級計算機語言(Visual C++)編程,實現(xiàn)PMAC對高性能伺服運動的控制[4,5]。

圖2 5軸數(shù)控電解加工試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗方案

工件材料:1Cr18Ni9Ti;陰極材料:紫銅;電解液:NaCl水溶液,密度為 1.14 g/ml;電解液溫度:40℃,球頭陰極半徑R:5 mm。

本文選用L25(56)正交試驗表,5個因素:電壓U、電解液壓力 P、初始間隙 S1、陰極轉(zhuǎn)速n、進給速度 Vp,所有因素取五水平,如表1所示。本試驗的指標(biāo)為表面粗糙度,數(shù)值越小越好。

表1 正交試驗安排表

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 極差分析

極差分析見表2。

表2 極差分析表

(1)根據(jù)極差的大小排出各因素從主到次的順序如下:進給速度＞陰極轉(zhuǎn)速＞電壓＞初始間隙＞電解液壓力。

(2)指標(biāo)隨各因素的變化趨勢如圖3所示。圖3是用表1各因素的水平和表2中的 T1～T5值繪出的。

從圖3可看出電壓從8～24 V,Ra先增大后減小;電解液壓力從1.0～1.8 MPa,Ra先減小后增大;初始間隙從0.1～0.3 mm,在 0.2 mm 處 Ra獲得最小值,之后便逐漸增大;陰極轉(zhuǎn)速從200～600 r/min,Ra先減小后略有增大;陰極進給速度從10～50 mm/min,Ra逐漸減小。

由圖3可知表面粗糙度值最小時各因素的取值分別為:電壓 U取1水平,電解液壓力 P取4水平,初始間隙S1取3水平,陰極轉(zhuǎn)速 n取4水平,進給速度 Vp取5水平,即電壓8 V、電解液壓力1.6 MPa、初始間隙0.2 mm 、陰極轉(zhuǎn)速 500 r/min、進給速度50 mm/min。

4.2 方差分析

方差分析如表3所示。根據(jù)方差分析,進給速度 Vp在顯著性水平α=0.01上顯著。

表3 方差分析表

5 結(jié)論

(1)對試驗結(jié)果進行極差分析可知,在電壓為8 V、電解液壓力為1.6 MPa、初始間隙為0.2 mm、陰極轉(zhuǎn)速為500 r/min、進給速度為 50 mm/min時,加工表面粗糙度值最小。同時可得出陰極進給速度值越大,表面質(zhì)量越好,但其他參數(shù)有一定的限制。

(2)根據(jù)方差分析可得到,進給速度對表面粗糙度的影響最大,進給速度越大,表面粗糙度值越小,表面質(zhì)量也越好。

[1]徐家文,云乃彰,王建業(yè),等.電化學(xué)加工技術(shù)——原理、工藝及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[2]Kang Min,Xu Jiawen.Study on the shaping law of precision numerical controlled electrochemical contour evolution machining[J].Key Engineering Materials,2008,375-376:72-76.

[3]朱樹敏,陳遠龍.電化學(xué)加工技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[4]傅秀清,康敏,楊勇.基于PMAC5軸數(shù)控電解加工機床的設(shè)計[J].電加工與模具,2009(2):62-65.

[5]Kang Ming,Yang Yong,Fu Xiuqing.Study on numerical controlled electrochemical turning[J].Materials Science Forum,2009,626-627:351-356.