常偊舶，何 利，宋義知，金 雪

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159; 2.大連中車(chē)柴油機(jī)有限公司，遼寧 大連 116022)

激光電解復(fù)合加工電解液循環(huán)控制系統(tǒng)研究

常偊舶1，何 利1，宋義知1，金 雪2

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159; 2.大連中車(chē)柴油機(jī)有限公司，遼寧 大連 116022)

為解決金屬材料微結(jié)構(gòu)的高精度、高效率和高質(zhì)量的微細(xì)加工問(wèn)題，提出了一種激光電解復(fù)合加工新方法.分析了激光電解復(fù)合加工電解液流體的冷卻效應(yīng)以及氣液兩相流的影響原理. 設(shè)計(jì)了基于激光電解復(fù)合加工的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)，分析了控制系統(tǒng)原理，搭建了控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，并對(duì)其軟件系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì). 系統(tǒng)通過(guò)柱塞液壓泵和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)電解液增壓并控制其流量，通過(guò)溫度傳感器和離子選擇電極檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、加熱器等元件的啟閉，實(shí)現(xiàn)電解液循環(huán)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制.

激光電解復(fù)合加工；冷卻效應(yīng)；氣液兩相流；循環(huán)控制系統(tǒng)

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，金屬材料微結(jié)構(gòu)的激光，電解微細(xì)加工技術(shù)得到了高速發(fā)展，同時(shí)各種新型復(fù)合微細(xì)加工技術(shù)亦不斷涌現(xiàn)[1]. 激光微細(xì)加工存在熱影響區(qū)大、再鑄層厚、表面加工質(zhì)量差等問(wèn)題[2].電解微細(xì)加工存在效率低、側(cè)蝕嚴(yán)重、電解產(chǎn)物排除困難等缺點(diǎn)[3].Tangwarodomnukun V等對(duì)水輔助激光加工進(jìn)行了研究，水輔助加工可以有效減小熱影響區(qū)，提高表面粗糙度，但無(wú)法消除再鑄層[4].徐家文等對(duì)噴射液束電解輔助激光加工進(jìn)行了研究，電解作用可有效消除微裂紋和再鑄層，提高加工表面質(zhì)量，但這種加工方法因噴射液束在工件表面向四周散射而產(chǎn)生雜散腐蝕會(huì)降低加工精度[5-7].張朝陽(yáng)等對(duì)脈沖激光電化學(xué)復(fù)合加工進(jìn)行研究，利用納秒脈沖電流有效地溶解再鑄層，提高了加工表面質(zhì)量，但因激光能量密度的分布不均勻，導(dǎo)致加工的線條深度不均勻，降低了加工精度[8-9]. 因此，探索一種新的微細(xì)加工方法，解決金屬材料微結(jié)構(gòu)的高精度、高效率和高質(zhì)量的微細(xì)加工問(wèn)題，是非常必要的.

結(jié)合激光與電解在微細(xì)加工中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，本研究提出一種激光電解復(fù)合加工新方法，通過(guò)激光高效去除材料，以高頻脈沖電解有效去除再鑄層，獲得高質(zhì)量、高精度的微細(xì)結(jié)構(gòu). 為了更好地解決加工過(guò)程的實(shí)際問(wèn)題，本研究通過(guò)分析電解液流體的冷卻效應(yīng)以及氣液兩相流的影響，研究電解液流體機(jī)理，設(shè)計(jì)基于激光電解復(fù)合加工的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)，搭建了控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)電解液循環(huán)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制.

1 激光電解復(fù)合加工新方法

激光電解組合微細(xì)加工方法如圖1所示.通過(guò)電解液流體輔助激光加工高效去除鎳基合金材料，形成孔型，極大地減少材料的熱影響區(qū)，降低材料的熱變形和熱損傷，使材料保持其原有結(jié)構(gòu)，提高了加工效率. 在激光加工間隙內(nèi)，高頻脈沖電解加工通過(guò)側(cè)壁絕緣管狀電極限制化學(xué)反應(yīng)區(qū)域、小間隙加工、低濃度酸性電解液處理等方法，去除激光加工產(chǎn)生的再鑄層并精密控型，提高了加工質(zhì)量和加工精度[10].

圖1 激光電解復(fù)合加工新方法

2 電解液流體機(jī)理

2.1 電解液流體的冷卻效應(yīng)

電解液輔助激光加工采用電解液流體對(duì)微結(jié)構(gòu)邊緣進(jìn)行有效的冷卻并在激光脈沖間隙內(nèi)及時(shí)地帶走微結(jié)構(gòu)內(nèi)燒蝕區(qū)域的熱量，使這些熱量不能進(jìn)一步傳導(dǎo)給工件，極大地降低材料的熱變形和熱損傷，使材料保持其原有結(jié)構(gòu)[11].

2.2 氣液兩相流的影響

在電解加工過(guò)程中，電解液流體流過(guò)加工間隙的同時(shí)，在陰極反應(yīng)大量析出氫氣，陽(yáng)極溶解產(chǎn)生電解產(chǎn)物并析出氧氣等氣體，在不考慮體積比很小的電解產(chǎn)物對(duì)電解液電導(dǎo)率及密度影響的情況下，可簡(jiǎn)化為氣、液兩相流[12]，如圖2所示.

圖2 氣液兩相流示意

陰極析出的大量微小氣泡進(jìn)入加工間隙電解液中，形成氣液兩相流，電解液電導(dǎo)率隨氣體含量的增加而降低，同時(shí)加工電流產(chǎn)生焦耳熱，使電解液電導(dǎo)率產(chǎn)生不均勻分布.

3 電解液循環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)激光電解復(fù)合加工自動(dòng)化控制問(wèn)題，考慮系統(tǒng)的控制要求、工作環(huán)境的特點(diǎn)以及配置、安裝和編程等實(shí)際問(wèn)題，本研究選擇簡(jiǎn)單易操作且可靠性高的西門(mén)子S7_200系列PLC，使用222中央處理器作為控制核心，設(shè)計(jì)基于激光電解復(fù)合加工的電解液循環(huán)控制系統(tǒng).

3.1 控制系統(tǒng)原理

基于激光電解復(fù)合加工的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖3所示. 系統(tǒng)運(yùn)行前，電解液箱內(nèi)注入足量的電解液，啟動(dòng)PLC控制系統(tǒng)，攪拌器工作，系統(tǒng)根據(jù)溫度傳感器和離子選擇電極的反饋信號(hào)對(duì)電解液溫度值和濃度值進(jìn)行調(diào)整(圖4). 液壓柱塞泵啟動(dòng)，利用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥3調(diào)節(jié)流量，單向閥防止液體回流，蓄能器平衡液體壓力，保證加工電解液的流量和壓力.系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器和離子選擇電極檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、加熱器等元件的啟閉，保持加工間隙電解液溫度、濃度的恒定.

加工后的電解液經(jīng)電解液箱中間過(guò)濾網(wǎng)，先濾掉較大顆粒的電解產(chǎn)物，再通過(guò)過(guò)濾器進(jìn)入加工區(qū)域，使電解液純度對(duì)加工的影響降到最低. 加工結(jié)束時(shí)若循環(huán)工作的電解液達(dá)到加工極限而變成廢液，則打開(kāi)截止閥，讓廢液由排出口排出.

圖3 基于激光電解復(fù)合加工的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)原理

圖4 電解液循環(huán)系統(tǒng)控制流程

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電解液循環(huán)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示.通過(guò)PLC控制端的人機(jī)交互界面，管理起始、終止控制及溫度、濃度的設(shè)定. 以溫度傳感器和離子選擇電極為輸入，放大電路處理之后，由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出到PLC控制中心，再控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、柱塞液壓泵、加熱器等元件，實(shí)現(xiàn)電解液循環(huán)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制.

圖5 電解液循環(huán)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

選擇的PLC型號(hào)為6ES7 212-1AB23-0XB0.電解液循環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量由2個(gè)輸入點(diǎn)和7個(gè)輸出點(diǎn)組成.I/O點(diǎn)地址分配如表1所示.添加 I0.2～I(xiàn)0.5常開(kāi)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制.

西門(mén)子S7_200系列PLC可靠性高，并可以用梯形圖、語(yǔ)句表(即指令表)和功能塊圖3種語(yǔ)言編程.本研究選擇直觀、簡(jiǎn)單的梯形圖設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，利用儲(chǔ)存器M0.0～M1.0代表各步，通過(guò)壓力、濃度和溫度并行方法實(shí)現(xiàn)控制，再利用STEP 7-Micro/WIN編程軟件和S7_200仿真軟件進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證程序的可行性. 控制系統(tǒng)梯形圖如圖6所示.

表1 I/O點(diǎn)地址分配

圖6 電解液循環(huán)控制系統(tǒng)梯形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出一種激光電解復(fù)合加工新方法，通過(guò)激光高效去除鎳基合金材料，形成孔型，采用側(cè)壁絕緣管狀電極限制化學(xué)反應(yīng)區(qū)域、小間隙加工、低濃度酸性電解液電解等方法有效地去除再鑄層，提高了加工質(zhì)量和加工精度. 分析了電解液流體的冷卻效應(yīng)以及氣液兩相流影響，研究了電解液流體機(jī)理，設(shè)計(jì)了基于激光電解復(fù)合加工的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)，分析了控制系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)了軟硬件系統(tǒng)，較好地解決了加工過(guò)程中去除金屬和非金屬夾雜物造成的極間短路問(wèn)題. 系統(tǒng)通過(guò)柱塞液壓泵和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，對(duì)電解液增壓并控制其流量，通過(guò)溫度傳感器和離子選擇電極檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、加熱器等元件的啟閉，實(shí)現(xiàn)了電解液循環(huán)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制.

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Research on the Electrolyte Circulation Control System Based on Laser Electrochemical Machining

CHANG Yu-bo1，HE Li1，SONG Yi-zhi1，JIN Xue2

(1.College of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159,China;2.Dalian CRRC Diesell Engine Co.,Ltd,Dalian 116022,China)

In order to improve the precision, efficiency and quality of micro-structure of metal material in micro-machining, this thesis puts forward a new method of laser electrochemical composite machining, analyzed cooling effect of the laser electrochemical composite electrolyte fluid and the theory of the influence of two-phase flow theory. This thesis firstly designed the electrolyte circulation control system based on laser electrochemical machining, and then analyzed the theory of the control system and established the hardware structure of the control system, finally designed the software system in detail. The temperature sensor and ion selective electrode in the control system detected data and the control system supercharged the electrolyte and controlled its flow rate through the plunger pump and the electric booster regulator and simultaneously, the switch of the electric control valve and the heater was controlled, thus the self-control of the electrolyte circulation control system was realized.

laser electrochemical composite machining; cooling effect; two-phase flow; circulation control system

2016-06-10

常偊舶(1991-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)樘胤N微細(xì)加工.

1006-3269(2016)04-0055-06

TP29

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.04.013