窄缝电解加工装置性能测试及工艺试验.doc

摘 要在航空航天、仪器仪表、精密模具和家用电器等领域中存在很多的微小窄缝、槽结构，且多以群窄缝、槽结构出现。用传统的机械加工方法很难同时加工出群窄缝、槽，目前人们一般采用微细电火花加工、激光加工、精密和超精密机械加工和电解加工等方法进行加工。相对其他几种加工方法电解加工具有很多优点，特别是电解加工可以同时加工出群窄缝、槽，且复制精度好，生产率较高，适合于群窄缝、槽的批量加工。本文首先进行了窄缝电解加工的理论分析，分析加工间隙的影响和电极对流场的影响，通过分析可知，加工时的去除速度与电流效率和加工间隙有关，在保证加工精度的条件下，使用nano3电解液进行窄缝电解加工试验。进行了电解加工试验装置的研制工作，在现有台式电火花机床的基础上进行设计与改进。为本机床配备了适用于电解加工的直流电源；使用步进电机细分驱动器，实现电解头的低速进给；根据阴极工具和阳极工件的相对位置和进给设计并加工了夹具；完成电解液循环系统的设计，该系统可以保证间隙电解液的充足；由于电解加工对温度的要求，设计了电解液温度控制系统，使电解加工试验可在一定的温度范围内进行。测试电解加工试验装置的运行性能。使用管状电极打孔，分别在浓度为10%的nacl和nano3电解液中进行测试，验证直流电解加工的基本工艺规律。使用反拷电解的方法进行电极的制备，并利用制备的电极进行窄缝电解工艺试验，但加工出的窄缝很浅，只有细微的纹路。采用薄片整体电极进行窄缝电解加工的工艺试验研究，着重考察了电解液浓度和温度、加工电压、进给速度等加工参数对加工间隙和缝宽的影响，在厚度为0.5mm的不锈钢板上加工出了最小缝宽为0.31mm的窄缝。关键词窄缝；电解加工；试验装置；加工参数abstractthere are many micro-grooves and slots in the instruments and appliances. and usually they are multi-grooves. it is hard to machine multi-grooves with the traditional machining. electrochemical machining is the fittest method of machining grooves. recently there are four main machining to machine grooves electrodischarge machining , laser machining , precision machining , ecm and so on. ecm has many merits compared with other machining methods. multi-grooves are machined with ecm in the same time with high efficiency and copy precision. this paper presents a theoretic analysis of the influence of the electrode for the gap. according to the analysis this paper chooses to the whole slice electrode to accomplish the machining.a new experiment device is finished based on the existent edm machine tool. firstly the machine tool matches the direct power supply. this dissertation develops the feed system driven by stepping motor. the stepping motor is driven by the divided driver to feed in slow rate. the electrolyte cycle system and temperature control system are designed. thus the experiment will be finished under the temperature control. this paper develops the device function test. the test validates the direct electrochemical technological law in the electrolyte of the percent ten and .the preparation of the electrode is got with the method of copy electrochemical. then we start to test with the electrode . through the experiment we know the method is simple , but it can not meet the require of machining .in the end of this dissertation, through a large number of experiments, the technological law that various machining parameters (the electrolyte temperature and consistence, machining voltage, feed rate) effect on the gap. the micro-groove of 0.31mm is machined on the stainless steel of 0.5mm. keywords micro-groove, ecm, experiment device, machining parameter - ii -目 录摘 要iabstractii第1章 绪 论11.1 课题的研究意义11.2 数控加工11.3 课题的研究内容3第2章 窄缝电解加工的理论分析52.1 电解加工的原理52.2 电解加工的特点62.3 窄缝电解加工理论分析72.3.1 加工间隙的影响分析72.3.2 电极对流场的影响分析92.4 本章小结10第3章 窄缝电解加工试验装置的研制113.1 窄缝电解加工试验装置的研制113.1.1 电解头设计113.1.2 夹具设计123.1.3 试验用直流电源133.1.4 进给系统133.1.5 电解液系统143.1.6 电解液温度控制装置153.2 本章小结16第4章 窄缝电解加工装置性能测试及工艺试验174.1 电解加工试验装置测试试验174.1.1 试验方案及测试条件174.1.2 nacl电解液中加工参数对加工间隙的影响184.1.3 nano3电解液中加工参数对加工间隙的影响204.2 反拷电解加工224.3 窄缝电解加工工艺试验研究224.3.1 加工间隙和电流效率的测定方法224.3.2 选用的方案、测试条件和测试仪器244.3.3 电流效率测定试验244.3.4 加工电压对加工间隙和缝宽的影响254.3.5 进给速度对加工间隙和缝宽的影响274.3.6 电解液温度对加工间隙和缝宽的影响294.4 本章小结30结 论32参考文献33附录36致 谢38 - iv -第1章 绪 论1.1 课题的研究意义在航空航天、仪器仪表、精密模具和家用电器等领域中存在很多的微小窄缝、槽（穿透或不穿透）结构，且多以群窄缝、槽结构出现。这种微小窄缝、槽结构的零件往往要求对其进行批量和大批量的生产加工。其加工精度、加工质量、加工效率对产品的性能、质量和成本有很大影响1。微小的窄缝、槽的加工方法主要有微细电火花加工23、激光加工、精密和超精密机械加工和电解加工等。电火花加工方法加工效率低，由于工具电极有损耗，影响加工精度和表面质量，对于微小群缝、槽的批量和大批量加工，难于保证加工精度和表面质量。线切割加工方法一般只能一个窄缝一个窄缝的加工一次只能加工出一个窄缝，一般需要先加工出穿丝孔，不能同时加工群缝，只能加工一定形状的缝槽。激光加工的加工精度低，表面质量不好45。精密和超精密机械加工，由于存在切削力，被加工零件易产生变形，对薄壁窄缝、槽的加工比较困难67。电解加工又称电化学加工（ecmelectrochemical machining），是利用金属工件在电解液中发生阳极电化学溶解的原理去除材料，将零件加工成型的一种特种加工技术。它具有一系列独特的优点，凡金属都能加工，而与材料的强度、硬度、韧性无关，且无塑性变形层，加工表面质量好，阴极工具无损耗、生产率高，可用同一个成型阴极作单方向进给来成批加工复杂的型面、型孔及三维复杂型腔等812，特别适合用于零件的批量和大批量加工。目前被广泛应用于航空发动机、模具制造、火箭等制造业中。和其他传统加工相比，电解加工的特性在于其阳极的溶解成型过程是以离子的形式进行的，由于金属离子具有非常微小的尺寸，这种微去除的方式使得电解加工在微细制造领域有潜在的重要应用前景1315。因此本课题的研究具有重要理论意义和使用价值。1.2 电解加工的发展及现状随着生产和科学实践的发展，特别是进入20世纪50年代以后，诸多工业部门要生产的产品所使用的材料越来越难于加工，零件的结构和形状越来越复杂，其加工精度和表面质量要求也越来越高，由此产生的一系列工艺难题，仅靠传统的机械加工方法难以或无法解决。电解加工正是应此需要产生的一种工艺方法。电解加工自20世纪50年代问世以来，到20世纪60年代迅速在众多的机械制造领域得到开拓和一定的应用。通过科研和生产的实践，20世纪70年代电解加工在技术上走向成熟1617。由于电解加工能解决机械加工难以解决的难切削材料、复杂形状零件的加工问题，且加工效率高、表面质量好，较好地适应了军工产品的需要，因而在国防工业，特别是航空、航天推进器的制造上得到了广泛的应用，成为国防工业生产中的关键制造技术，获得了显著的技术经济效果，促进了军工新产品的发展和性能的提高。在某些民用的国民经济重要部门，例如汽车、能源等制造业中也得到一定的应用，获得较好的成效。电解加工已成为机械制造业中一个不可或缺的组成部分18。但是限于当时的技术发展水平，电解加工尚存在某些重要的不足，较为关键的缺点是加工精度和稳定性不够高，调整较复杂，设备成本偏高，因而在20世纪80年代中期之后，电解加工的应用领域没有新的较大的扩展19。20世纪90年代随着高科技的发展，以及新型军品型号的出现，新的高强度、高硬度、高韧性的材料以及高精度、复杂形状、薄壁整体结构的零件日益增多，对电解加工提出了更多的要求。另一方面高科技的发展，尤其是计算机技术和功率电子技术的高速发展又给电解加工技术的进步提供了新的条件20。为了解决应用中存在的问题，特别是围绕提高加工精度和加工稳定性的研究在不断深入地进行，出现了一些新颖的电解加工方法。自20世纪70年代初起，前苏联、美国、日本、瑞士、法国、波兰、西德等国家相继开始了脉冲电流电解加工（pecmpulse electrochemical machining）的研究。前苏联和东欧国家重视脉冲加工机理、电源、机床及控制系统的研究，将脉冲电流电解应用于实践；日本和西方国家则注重小电流、高频窄脉宽的脉冲电流加工在细小零件和电解抛光中的应用21。在国内，南京航空航天大学、西北工业大学、航天航空工艺研究所等相继开展了脉冲电流电解加工的研究。近几年来，华南理工大学等又开展了高频窄脉冲电解加工（hspecmhigh frequency short pulse electrochemical machining）研究，加工精度显著提高，对加工精度的提高取得了一定的加工效果2327。近年来，为了解决航空产品中各类扭曲叶片整体叶轮的加工难题，南京航空航天大学进行了数控展成电解加工技术的研究，它以简单形状的工具阴极，按照计算机控制指令，进行必要的展成成型运动，以电解“切削”方式加工型腔、型面。数控展成电解加工技术综合了电解加工和数控加工各自的技术长处，其工具形状简单，可以是棒状、球状，其“切削刃”则可为点、直线或曲线；它具有数控加工的柔性，可用不同类型的数控软件代替复杂的成型阴极设计制造，同时又具有电解加工的无工具损耗、无切削力，可以加工各种难加工零件和小刚度件等优点2829。电解加工与数控技术的结合，既可充分发挥两者的技术长处，同时又部分克服各自的不足，将增强其加工能力，为解决数控铣削难加工或不能加工的难题，提供了一条新的加工技术途径30。如今，数控展成电解加工机床已经研制成功，但在工艺过程的控制、生产率的提高等多方面还有待进一步完善。随着现代制造技术不断向精密化、微细化发展，微细加工成了比较活跃的研究方向之一，微细电解加工是电解加工的一个重要研究方向，微细电解加工是微细加工中的一种重要的微细特种加工技术在，它被成功用于电子工业中微小零件的电化学蚀刻加工，从而使得蚀刻加工更容易控制和维护，对环境的影响也明显减小3132。另外，微细电解加工也被应用于微细轴类零件的光整加工。它采用类似微细线电极电火花磨削的方式，用一运动的金属丝作为阴极，在阳极轴和阴极金属丝之间喷电解液，使轴表面产生电化学微腐蚀。据报道，这种方法在直径数十微米小轴的抛光中取得了较好的工艺效果。当前，微细电解加工在工具结构、电解液流动、杂散腐蚀等方面还有许多技术问题有待解决。另外，它们所涉及的尺寸范围要远大于硅片技术、liga技术等微细加工技术可达到的微小尺寸3337。微细加工是目前世界制造业所关注的一个重要发展方向。基于各种原理的精密微细加工技术不断出现，其中微细电解加工技术是一种重要的微细制造技术。近年来，国外的科研机构在此领域取得了突破性的进展，通过采用低浓度电解液、低加工电压38、高频窄脉冲电源39或结合掩膜光刻40等，在加工精度上和加工尺寸上甚至达到了微米级。但还存在加工效率低、无法加工深孔缝、加工成本高等局限性，实用性和推广性还不够37。1.3 课题的研究内容微小的窄缝、槽的加工方法主要有微细电火花加工、激光加工、精密和超精密机械加工、电解加工等。电解加工具有工具无损耗、生产率高、加工表面质量好、与工件材料硬度无关等优点，如果能够解决加工中的精度问题和加工稳定性问题，电解加工很适合用作群窄缝、槽的批量大规模工业生产中1。本文在对窄缝电解加工进行理论分析的基础上，利用台式电火花加工机床研制了电解加工试验装置，设计和研制了电解加工电解头、夹具、电解液供给系统、电解液温度控制装置，以某种典型的辐射状分布的群窄缝结构为加工对象，进行反拷电解加工工具电极和窄缝电解加工工艺试验研究，通过工艺试验考察了电解液、加工电压、进给速度等对加工的影响，对窄缝电解加工的工艺特性进行了初步的探讨。论文的主要研究内容包括以下几方面：（1）窄缝电解加工的理论分析。（2）电解加工试验装置的研制，设计和研制电解加工电解头、夹具、电解液供给系统、电解液温度控制装置。（3）反拷电解加工的工艺试验研究。利用反拷电解的方法制备电极，然后用此制备的电极进行窄缝电解加工试验。（4）窄缝直流电解加工工艺试验，考察电解液、加工电压、进给速度等对加工的影响规律，并在薄不锈钢板上加工出微小的窄缝。（5）结论。第2章 窄缝电解加工的理论分析2.1 电解加工的原理电解加工是利用金属在电解液中受到电化学阳极溶解，将工件加工成型的。图2-1是电解加工原理图。加工时，工件接直流电源的正极（阳极），工具接负极（阴极）。两极之间的电压一般为624v，电解液以660m/s流过加工间隙，电极间隙内充满了电解液，接通电源后两极间就有电流通过，在电流作用下，阳极工件被逐渐溶解腐蚀；而阴极工具上则有氢气析出。为了使电解加工过程正常进行下去，阴极工具向阳极工件缓慢进给，使两极之间保持较小的间隙，约0.11mm,具有一定压力的电解液从间隙中流过，把电解后的产物冲走。工具不断向工件进给，工件的金属不断被溶解，致使阳极工件和阴极工具各处的间隙趋于一致，将阴极工具的型面复制在阳极工件上，从而得到所需的零件形状。 1直流电源；2工具阴极；3工件阳极；4电解液泵；5电解液 图2-1电解加工原理图fig.2-1 the principle of the electrochemical machining图2-2为电解加工成型示意图。图中的细竖线表示通过阴极与阳极的电流，竖线的疏密程度表示电流密度的大小。在加工刚开始时，阴极与阳极距离较近的地方通过的电流密度较大，电解液的流速较高，阳极溶解速度也较快；反之，距离远的点电流密度就小，工件溶解速度也慢。这样，工具相对工件不断进给，工件表面就不断被溶解，电解产物不断被电解液冲走，直至工件表面形成与阴极工作面基本相似的形状。 a)加工开始 b)加工终止图2-2电解加工成型示意图fig.2-2 the schematic of the process for electrochemical machining2.2 电解加工的特点电解加工作为特种加工的主要方法之一，它较其他的方法具有如下的优点：1.电解加工的加工范围广，不受金属材料本身硬度和强度的限制，可以加工硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等高强度、高硬度和高韧性金属材料。2.电解加工的生产率较高，在加工难加工材料、复杂形状工件时，其生产率比传统的切削加工可高出510倍。3.加工表面质量好，由于材料以离子状态去除，且为冷态加工，因而无冷作硬化层、热再铸层及由此而引起的表面显微裂纹。由于无切削力和表层内应力，因而加工变形小。4.工具无损耗，由于工具阴极上的电化学行为只是析氢而无溶解，且不与工件接触，故正常加工条件下（无短路烧伤时）工具阴极不损耗。5.可成型范围宽，从简单的圆孔、型孔到复杂的三维空间的型面、型腔均可加工，适合于加工薄壁件。2.3 窄缝电解加工理论分析2.3.1 加工间隙的影响分析在电解加工中，加工间隙的控制对加工精度和加工过程的稳定性都非常重要。加工间隙是电解加工的核心工艺要素，它是决定加工精度的主要因素，因此获得均匀、稳定、大小适中的间隙对电解加工至关重要。在窄缝电解加工中，若能尽可能采用小的加工间隙进行加工，可以显著提高加工精度和生产率。研究中采用未绝缘的薄片电极进行直流电解加工工艺试验，图2-3是加工间隙示意图（以其中某一缝为例）。在窄缝的电解加工中，其端面间隙和侧面间隙如图。图2-3加工窄缝时的加工间隙示意图 fig.2-3 the gap of micro-groove电解加工过程中，当工件的蚀除速度与工具的进给速度相等，两者达到动态平衡时，端面间隙为 （2-1）式中 底面平衡间隙（mm） 电流效率（取决于工件材料和电解液间匹配）体积电化学当量（取决于工件材料）电导率（）（取决于电解液参数：成分、浓度、温度等）电解液的欧姆压降（v） (取决于电解液、阴极和工件材料、电流密度)阴极的进给速度（mm/min） 式（2-1）说明底面平衡间隙与电流效率、体积电化当量、电导率、欧姆压降成正比，而与进给速度成反比。至于侧面间隙（侧面不绝缘），在电流效率相等的条件下有 （2-2）式中 侧面间隙（mm）h进给量在窄缝电解加工中，随着加工深度的增加，侧壁腐蚀一直进行。如图2-3所示，不同间隙处的金属去除速度是不同的，1为大间隙，为小间隙，这两处的去除速度分别为： （2-3） （2-4）式中，、分别为大间隙电流效率、小间隙电流效率；为工件材料的体积电化学当量，为电导率，u为电压，、分别为大间隙电极电位差、小间隙电极电位差。由于所以 （2-5）式（2-5）中，对于nacl电解液，在加工条件一致的情况下，不同间隙处的去除速度约等于间隙距离比。由侧面间隙公式可知侧面间隙为抛物线形，加工深度越大，加工精度越差。而对于nano3电解液，由于侧壁上对应1处的电流密度小于处的电流密度，对应1处的也随之大大减小，由式（2-5）知侧壁上的去除速度大大减小，从而加工精度不会随加工深度的增加而恶化，而且由公式可知，去除速度与电流效率有很大的关系。在窄缝电解加工中，为了尽可能减小加工间隙，提高加工精度，通常选用nano3电解液，其电流效率随着电流密度i的减少而减少。对于群窄缝加工，通常采用很低的电流密度，这就意味着其电流效率会比常规加工的更低，根据加工间隙公式，更低的电流效率带来了比常规加工更小的加工间隙。采用薄片状电极进行加工时，由于电极厚度通常很薄，表面涂敷均匀绝缘层的难度较大，若群窄缝同时加工时更难实现均匀绝缘，故研究中采用未绝缘金属片电极。在端面间隙公式中，电流密度和加工用电解液对加工间隙有很大关系。通常直流电解加工常用的电解液是电解液和nano3电解液。电解液在很宽的范围内，其电流效率几乎保持常数，接近100%，一般不随阳极材料、电解液浓度和温度、加工中电流密度大小等变化；而电解液的电流效率不仅随加工材料、电解液浓度和温度等变化，而且电流密度不同时，由于钝化现象会使电流效率出现大幅度变化。图2-4是电解液和nano3电解液的电流效率和电流密度i的关系曲线。iia0nano3nacl图2-4和nano3的-i曲线 fig.2-4 the current efficiency curve of and 2.3.2 电极对流场的影响分析电解加工中，电解液的流场状况是很重要的，它不但影响到电解加工的复制精度和表面质量，而且还可能由于流场分布不好而引起短路，损坏工具和工件。采用薄片状电极的电解加工中，电解液的流动属于钝物体绕流，有尾迹现象。尾迹现象在钝物体后产生涡流区，此涡流区内的电解液流速慢，类似于死水，得不到迅速的更新，很容易形成离子堆积，浓差极化严重，电解产物也不容易及时排除，造成这一局部区域电解速度降低，影响加工成型精度，严重时甚至引起短路。尾迹的流动是非定常湍流，随来流雷诺数不同而呈现不同的速度分布，在不同的雷诺数范围内，绕薄片厚度大的产生的尾迹涡流区域长度比绕厚度小的情况大。在窄缝电解加工过程中，加工间隙比常规电解更小，尾迹涡流长度很容易影响到实际加工过程。在电解液状态不变的情况下，通过减小薄片电极的厚度，可以使尾迹涡流区长度相应地随之减小，尾迹对加工的影响也随之减小，加工精度和加工过程稳定性都可以得到提高。2.4 本章小结本章主要介绍了电解加工的原理，并从理论上分析了窄缝电解加工中加工间隙的影响和电极对流场的影响。（1）通过分析表明在窄缝电解加工中，加工的去除速度与加工间隙和电流效率有关，由于nacl电解液和nano3电解液的电流效率特性不同，采用nano3电解液有利于提高加工精度，所以窄缝电解加工中使用nano3电解液。（2）由于电解液的流动中出现的尾迹现象，对加工精度和加工过程稳定性有一定的影响，为了提高加工精度和加工过程的稳定性，尽量减小薄片电极的厚度可以减小尾迹对加工的影响。第3章 窄缝电解加工试验装置的研制电解加工系统是完成电解加工试验所需的基础，本章将分别阐述为建立窄缝电解加工试验装置所完成的主要研制工作。3.1 窄缝电解加工试验装置的研制窄缝电解加工装置的系统框图如图3-1所示，该加工试验装置主要由直流电源、机床本体、进给系统、夹具结构和电解液系统等组成。 图3-1 加工试验装置系统框图fig.3-1 the diagram of machining system3.1.1 电解头设计实验室没有专用的电解加工机床，在已有的台式电火花加工机床基础上进行试验用机床的改进，使其可被本试验所用。本试验在现有机床的条件下，电解液的流动方式采取正流式。根据工具阴极和工件阳极的加工位置和电解液的流动方式进行了主轴头夹具的设计和加工。图3-2是该主轴头夹具的结构图。该夹具的结构使工具阴极随机床主轴头上下移动，工件阳极固定，两极间保持一定的加工间隙。如图所示，电解液从夹具的侧面进口处流入。因整个夹具是相对密封的，电解液可以以一定的压力流过极间间隙。工具阴极固定在夹具上，随着进给不断向下送进，此布局可得到较佳的间隙流场，确保极间间隙流场压力的稳定。图3-2 夹具简图 fig.3-2the sketch of fixture电解槽是进行电解加工的场所，它的作用包括定位、安装工件夹具和工具阴极及确保相对位置，同时要将电解产物有效的排出，防止泄露，另外防腐蚀和绝缘也是很重要的。本试验中采用塑料容器作为电解槽，将其固定在机床工作台上。3.1.2 夹具设计根据试验中要装夹的工件形状设计了两种夹具。图3-3是反拷电解加工试验中管状工件的夹具结构，图3-4是加工薄板状工件时的夹具。 图3-3 夹具1简图 fig.3-3 the sketch of the fixture 图3-4夹具2简图 fig.3-4 the sketch of the fixture 3.1.3 试验用直流电源电解加工电源是为电解加工提供能量的关键设备，电源的稳定性和可靠性尤为重要。本试验所用的是可控硅调压直流电源。该直流电源的电压可由050 v连续可调，最大输出电流可达到50a，可以满足本试验的要求。其基本原理是通过调节变压器初级的电压来改变变压器的次级电压，既能实现次级电压与初级电压的隔离，又能实现次级的低电压、大电流。具体电路为将交流电经可控硅接入变压器的初级，通过触发电路调节可控硅的导通角来调节变压器的初级电压，次级电压随初级电压的变化而变，次级电压经过整流电路、滤波电路输出。图3-5是本直流电源原理框图。 图3-5 直流电源原理框图 fig.3-5 the diagram of direct power supply3.1.4 进给系统本机床的主轴是由步进电机带动丝杠传动，在电解加工中，要求单方向进给相对低速，且要求恒速进给，进给过程中不能出现爬行现象，这就要求机床的传动精度比较好，为了实现低速进给，本机床使用步进电机细分驱动器。该机床所使用的步进电机型号是90bf006，主要性能参数包括：相数：5相；电流：3a；最大静转矩：25kg-cm步距角：0.36；空载启动频率：2400hz步进电机不能直接接到普通的交直流电源上工作，必须使用步进电机驱动器进行驱动。本装置采用步进电机细分驱动器。细分驱动器的原理是改变相邻两相的电流大小，使步进电机内部的合成磁场成为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分4243。本文采用了一种单片机控制的脉宽调制式细分驱动器，它的基本工作原理框图如图3-6所示，单片机系统输出的数字量，经d/a转换成相应的模拟电压后加在脉宽调制电路的输入端，脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波，经过环分电路加在相应绕组的功放电路上，通过对功放管通断时间的控制，改变输出到电机绕组上的平均电流。电流检测环节把电机绕组的电流反馈到脉宽调制电路中，对输出的矩形波的脉冲宽度进行调节，实现了电机绕组中电流的闭环控制，提高对电机绕组电流的控制精度。由于电机绕组是一个感性负载，对电流有一定的滤波作用，而且脉宽调制电路的调制频率较高，一般大于50千赫，因此，虽然是断续通电，但电机绕组中的电流还是很平稳的。此驱动器可根据需要进行140细分4445。图3-6 脉宽调制式步进电机细分驱动器原理框图fig.3-6 the principle of divided driving of stepping motor pwm3.1.5 电解液系统电解液系统的功能包括供液和净化。泵从储液槽中抽出电解液，以一定的压力输送到夹具体中，供给工具阴极和工件阳极加工所需，加工后完成电解反应的电解液经管路回到储液槽中，整个电解加工中依此循环。本试验装置中的泵使用普通三相电液泵，电解液的压力最大可以达到0.0387mpa,本系统确保了加工过程中的压力稳定。图3-7是电解液循环示意图。加工过程中，为了得到较好的过滤效果，在工艺试验加工间歇时间内，让电解产物自然沉淀，再次开始加工试验之前，将电解液储液槽底部的自然沉淀下来带有杂质及电解产物浓度很高的电解液排出，剩下大部分相对比较清洁的电解液。图3-7电解液循环示意图fig.3-7 the schematic of electrolyte cycle3.1.6 电解液温度控制装置基于电解液温度的变化将引起电导率的变化，亦即影响到电流密度、蚀除速度的变化，电解加工中要求尽可能恒温加工，因此本试验设计了电解液温度控制装置，将电解液的温度控制在要求的范围内，为实现更好的加工做准备。图3-8是电解液温度装置系统框图。本装置中的温度传感器使用了可调电接点温度计，规格为50。本装置保证了电解加工试验可在一定的温度范围内进行。 图3-8 温度控制装置简图 fig.3-8the sketch of temperature control3.2 本章小结 根据工艺试验的内容和目的进行了试验装置的研制，主要内容如下：（1） 设计并加工了机床上的电解加工电解头及装夹工件用夹具。（2） 工艺试验采用直流电解，为机床配备了可控硅调压直流电源。（3） 为了实现低速进给，使用步进电机细分驱动器。（4） 设计了电解液温度控制装置， 使电解加工可以在一定的温度范围内进行。（5） 电解液循环系统给加工间隙提供了足够压力的电解液，使其可完成电解反应并完成过滤。通过以上工作完成了窄缝电解加工试验装置的研制工作。第4章 窄缝电解加工装置性能测试及工艺试验本章进行群窄缝直流电解加工的工艺研究，主要考察电解液、进给速度、加工电压等因素的变化对加工的影响，并根据试验结果给出结论。4.1 电解加工试验装置测试试验在完成电解加工试验装置的研制工作后，需要测试整个电解加工装置的运行性能，以验证该装置能够进行此次工艺试验的研究。4.1.1 试验方案及测试条件通过性能测试试验验证直流电解加工的一般工艺特点和规律，本文分别采用nacl电解液和nano3电解液进行试验。测定步骤：1. 测出加工后孔的直径，即可得知加工侧面间隙2. 根据侧面间隙和加工平衡间隙的关系公式算出3. 按式（2-1）算出电流效率4. 绘制出关系曲线测试所使用管状电极的形状如图4-1，其加工面积为15.7。图4-1 管状电极形状 fig.4-1 the sketch of tube electrode4.1.2 nacl电解液中加工参数对加工间隙的影响本试验使用管状电极在厚度为2mm的低碳钢平板工件上打孔，所用的工艺条件为：电解液成分及浓度：nacl，10%（质量百分比浓度）电解液流动方式：正流式加工温度：15电极材料：不锈钢（1cr18ni9ti）工件材料：低碳钢进给方式：工件阳极固定，工具阴极送进（1）加工电压对加工间隙的影响在进口压力为0.0194，进给速度为=0.12的情况下，分别在不同的加工电压下进行了试验。图4-2是不同加工电压与加工间隙的关系曲线。由图可知，随着加工电压的增加，加工间隙逐渐增大。图4-2 不同加工电压下加工间隙的变化 fig.4-2 the influence of different voltage for the gap（2） 进给速度对加工间隙的影响在进口压力为0.0194，加工电压10v的情况下，分别在不同的进给速度下进行了试验。图4-3是不同进给速度的条件下加工间隙的变化曲线，进给速度愈大，加工间隙愈小，同时随着进给速度增大，杂散腐蚀明显降低，侧面间隙相应缩小，加工出孔的尺寸精度明显提高。但进给速度的增大也受加工间隙过小时的条件限制，加工间隙过小时，会发生短路。图4-3 不同进给速度下加工间隙的变化 fig.4-3 the influence of feed rate for the gap（3） 电流效率-电流密度（-i）曲线电流效率是反映电解加工特性的最灵敏、最实用的参数。试验结果表明，在nacl电解液中电解加工铁基合金，其阳极效率-i曲线基本是水平直线。如图4-4是在10%的电解液中加工温度为15时加工孔的-i曲线。 图4-4 电流效率-电流密度（-i）曲线 fig. 4-4 the current efficiency curve4.1.3 nano3电解液中加工参数对加工间隙的影响本试验使用管状电极在厚度为0.6mm的不锈钢薄片上打孔，所用的工艺条件为：电解液成分及浓度：nano3，10%（质量百分比）电解液流动方式：正流式电极材料：不锈钢（1cr18ni9ti）工件材料：不锈钢（1cr18ni9ti）进给方式：工件阳极固定，工具阴极送进（1） 温度对加工间隙的影响在电解加工过程中，电导率与电解液的温度成正比，随着电解液温度的增加，电导率增大，电流密度也随之变大，在其他加工条件不变的情况下，加工间隙随着电解液温度的升高而增大。在进口压力为0.0387，加工电压12v的情况下，分别在不同的电解液温度的条件下进行了电解加工试验。图4-5是在浓度为10%的nano3电解液中加工不锈钢薄片时加工间隙与电解液温度的关系曲线。 图4-5 不同温度下加工间隙的变化 fig.4-5 the influence of temperature for the gap（2）进给速度对加工间隙的影响在进口压力为0.0387，加工电压12v，加工温度35的情况下，分别采用四种不同的进给速度进行了试验。由图4-6可知，随着进给速度的增大，加工间隙逐渐减小。加工出孔的尺寸精度明显提高。 图4-6 不同进给速度下加工间隙的变化 fig.4-6 the influence of feed rate for the gap（3）电流效率电流密度（i）曲线在浓度为15%的nano3电解液中进行i曲线的测定。基本加工条件为进口压力0.0387，进给速度0.16mm/min, 加工温度35，使用管状电极在厚度为0.6mm的不锈钢板上打孔，图4-7是试验曲线。由图可知，在nano3等钝性电解液中加工铁基合金，其电流效率随着电流密度i的变化而变化，图4-7是较典型的非线性特性曲线，在低电流密度区电流效率很小，电流消耗在副反应如析氢上，金属材料溶解较少，随后电流效率随电流密度i增加而升高。i曲线可以较好地反应集中蚀除能力的大小。形象地说，i曲线越陡，位置越右则集中蚀除能力越强。图4-7 15%的nano3电解液i曲线fig.4-7 the current efficiency curve in nano34.2 反拷电解加工使用反拷电极的加工方法进行电极的制备。此方法用薄片状电极作阴极工具，在管状工件上反拷出窄缝结构，用此管状结构作电极进行窄缝的电解加工。所使用的工艺条件为：电解液成分及浓度：nano3，8%（质量百分比浓度）电解液流动方式：正流式加工温度：35工件材料：不锈钢（1cr18ni9ti）进给方式：工件阳极固定，工具阴极送进通过试验可加工出缝深0.1mm左右的窄缝，加工过程中容易出现短路现象。用制备好的电极进行窄缝电解加工试验时发现，只能得到比较细微的纹路，不能加工出较深的窄缝。由于此种方法制备电极简单，具有潜在的实用价值，应在后续的工作中继续探讨其加工特性，可以考虑使用脉冲电解方法改善加工的物理、化学特性，以期达到更好的加工效果。4.3 窄缝电解加工工艺试验研究使用薄片状电极进行窄缝电解加工工艺试验，考察加工参数对加工间隙及缝宽的影响。4.3.1 加工间隙和电流效率的测定方法（1）残余电压对刀法测量加工间隙电解加工间隙是影响加工精度的主要因素，间隙小小的改变对加工精度的影响也是很大的。由于机床本身传动精度的限制，研究中采用精密电解加工常常采用的方法反复对刀法测间隙。为判断对刀是否准确，采用残余电压对刀法。因加工时阴阳两极间充满一定压力的电解液，由于原电池的作用，两极间有一定的电压，当阴、阳两极相接触时电压突变为零，由此可通过万用表测两极间的电压来准确对刀。图4-8示出了残余电压对刀法测间隙的过程，此法可在电解液流动状态并保持电解液压力的情况下对刀。加工前要给定初始间隙。从a)图所示的状态开始让工件阳极向下进给，当电压表的电压突变为零时，如图b)所示状态，记下此时千分表的读数，回退工件，再次对刀，看千分表的读数的重复性如何，反复几次，直到得到一个较为准确的值，假定此数值为b。这样反复对刀的目的是消除传动丝杠的间隙。对刀后，回退到所需要的间隙位置，如图c)所示位置，所需的初始间隙值即为，此时千分表的读数应为。 a) 对刀前的初始状态 b)对刀状态 c)回退至所需间隙位置：工件阳极；：工具阴极；v：电压表；：千分表 图4-8 残余电压对刀法测间隙的示意图fig.4-8 the schematic of the method for measuring gap by remnant voltage（2）电流效率的测定方法秤重法假定电解加工过程中，阳极只发生确定原子价的金属溶解而没有其他物质析出，则由法拉第第一定律在电极的两相界面处发生电化学反应的物质质量与通过其界面上的电量成正比，可得到阳极溶解的金属质量为:m=k q= k i t （4-1）式中k为阳极金属元素的质量电化学当量（），i为电流强度（a），t为电流通过的时间(min)。又由电流效率 = （4-2）则有 （4-3）式中为电解加工中阳极金属溶解质量（g），为金属的密度（），s是电极加工面面积（），常用的的单位用，因此式（4-3）变为 （） （4-4） 本试验通过称重法对电流效率进行测定，然后根据式（2-1）来算出加工中的加工间隙。4.3.2 选用的方案、测试条件和测试仪器为了验证窄缝直流电解加工的加工规律，分别考察加工电压、进给速度、电解液浓度和温度对加工间隙和缝宽的影响。本试验采用电子秤测量质量，电子秤型号为al104,最大称重为110g，最小称重为0.01g,该电子秤的精度为0.1mg。用秒表测定加工时间。用千分表测定初始加工间隙。试验完成后用万能工具显微镜19ja测量缝宽，测量精度为0.001mm。试验用的薄片电极，电极肋宽0.25mm，外径20mm，内径14mm，薄片厚度0.13mm，其加工面积约为70。试验使用nano3电解液。4.3.3 电流效率测定试验表4-1 直流电解加工试验数据表 table 4-1 data of the experiment by decm序号初始加工间隙mm电解液压力极间电压v电流密度加工时间min10.40.033975.5650.072120.40.03397.55.7050.085430.40.033987.4150.090440.40.03398.58.2650.111250.40.033998.5550.122160.40.03399.58.8350.148470.40.03391011.1150.174580.40.033910.5