国外电解加工的研究进展.doc

电加工与模具000102电加工与模具ELECTROMACHINING & MOULD2000 No.1 P.11-16国外电解加工的研究进展朱荻摘要：对近些年国外电解加工的研究进展进行了综述和讨论，内容包括工具设计、脉冲电解、数控电解加工、微细加工、复合加工等。关键词：国外电解加工进展Abstract：In this paper the latest advances and the principal issues in ECM are raised.Developments intool design,pulse current,numerically controlled,micro-snapring,hybrid processed are covered.1前言电解加工是一种利用金属阳极电化学溶解原理来去除材料的制造技术，它具有许多独特的优点，如无工具损耗、与材料硬度无关、生产率高、表面质量好、可加工三维复杂形状等。电解加工现已成为航空航天制造业中一种关键技术，被广泛地应用在发动机叶片等零部件的生产中。电解加工在兵器、汽车、医疗器材、电子、模具等行业中得到了许多应用1。电解加工在很多方面还需要进一步发展和提高，如过程监测和控制、工具设计、电解液处理、加工精度的改善和设备的自动化程度。电解加工间隙状态非常复杂，涉及到电化学、电场、流场等多种因素的交互影响，因而使得过程的监测和控制非常困难。迄今为止，还没有在线测量加工间隙的有效而实用的手段。不均匀的间隙分布也使得工具设计变得非常困难，以至于在工具制造中往往要对阴极进行多次修整，这不仅费时费工，而且对操作者的经验和技艺提出了很高的要求。另一方面，电解加工过程中产生大量的电解泥渣和废液。这些废液和泥渣的处理也给使用者带来很大的不便13。近10年来，国外很多研究机构对电解加工进行了大量的研究投入，并且在多方面取得了显著进展。下面作一概要的介绍和讨论。2工具设计对一项电解加工应用来说，首先需要解决的是工具设计问题。工具设计就是根据待加工零件的已知几何形状，求得阴极工具的轮廓形状。从数学上讲，工具设计问题是一个拉普拉斯方程几何反问题。这个问题需要调整自由边界(阴极)来使所有的电场边界条件得到满足。电解加工过程的复杂性和数学反问题理论的不成熟，使工具设计变得十分困难。现有的理论计算方法只能获得阴极的近似值，常常要结合实验对阴极进行反复修整。迭代修整的过程冗长费时，大大增加了生产成本和准备时间。早期的研究主要采取对加工过程充分简化的方法，如解析法、图解法、导电纸模拟法、几何近似法和复变函数法。这些方法对电解加工的发展和电解加工过程的了解起到了很好的促进作用。但是由于过度简化加工物理过程，因而存在着显著的计算误差。随着计算机技术和计算数学等相关学科的发展及对电解加工更深入的了解，近些年的研究主要基于拉普拉斯方程的更全面考虑加工过程的数值解法46。大部分研究采用迭带调整的思路，反复调整电极边界，直到某一误差目标函数为最小。采用的数值方法有差分法、有限元法和边界元法。在这些方法中，有限元法和边界元法表现出更强的边界处理功能，可用于复杂变化的几何边界情况。迭带调整法的关键在于它的收敛性，对于复杂边界来说，保证算法具有很好的收敛性并非易事。钝化性电解液的电流效率变化是影响间隙分布的一个重要因素，由于电流效率变化复杂，目前万方数据file:/E|/qk/djgymj/djgy2000/0001/000102.htm（第 19 页）2010-3-22 17:09:13电加工与模具000102可供阴极设计使用的数学公式和模型还很不成熟。针对这种情况，有的研究采取实验法来考虑电流效率的变化：先进行广泛实验研究，获得电流效率和电流密度之间的关系数据，建立起电流效率数据库。在数值计算中，从数据库中得到局部电流密度对应下的电流效率，对间隙分布进行补偿。试验表明这一方法具有较高的精度7。叶片加工是电解加工最重要的应用形式之一。叶片加工常采用如图1所示的双面进给方式，两个阴极工具分别从叶片两侧以同样的进给速度相向(成呈一角度)而行，加工出叶盆和叶背。对这种加工方式进行建模进而间隙预测或阴极设计，具有重要的实用意义。但由于复杂的三维型面变化和叶片进、排气边急剧改变的曲率，使这一问题变得非常困难。新近的一项研究沿叶身长度方向取若干截面，将复杂的三维问题近似简化为二维问题，同时还在数值计算中使用了多相流电导率模型，对间隙预测结果进一步补偿5。图1叶片电解加工据了解，基于数值法的计算机辅助阴极设计已在美、英等国得到实际应用。这显著缩短了阴极制造周期和降低了复制误差。但迄今为止，这些方法仅能起到适当地减少阴极修整次数的作用，还不能一步到位。另一方面，实际的阴极设计不仅要考虑工具形状，还要兼顾电解液流道、工具绝缘等问题，而且这些问题与工具几何形状设计交互影响。因此更为全面、实际的工具设计方法还有待于研究。3脉冲电流电解加工脉冲电流电解加工采用脉冲电流代替传统的连续直流。脉冲电解加工系统基本构成如图2所示。理论、试验研究和工业实践都已表明，脉冲电解加工可显著地改进电解加工过程89。在脉冲电解加工中，电解液的间断、周期性的更新，使间隙中的电解产物(阳极去除下来的金属、阴极析出的氢气、产生的焦耳热)得到及时的排除，因而可以工作在比传统直流更高的电流密度和更小的加工间隙下。高的电流密度导致表面加工质量的提高，而小间隙可以显著改善加工精度。另外，脉冲加工提供了更多的可调参数，为过程控制提供了便利。图2脉冲电解加工系统示意框图使用短脉冲电流有利于加工过程的稳定，便于采用更小的加工间隙(如小于0.1mm)，由于加工精度随着加工间隙的减少而增加，因此短脉冲将显著提高加工精度。另外，已发现在某些情况下，短万方数据file:/E|/qk/djgymj/djgy2000/0001/000102.htm（第 29 页）2010-3-22 17:09:13电加工与模具000102脉冲电流可显著改善表面质量9。在某些脉冲电解加工系统中，工具采取往复运动方式。在脉间的时候工具电极回退，以加强电解液冲刷和产物排出的效果；在脉冲间隔时，采用零位对刀方式进行加工间隙的检测，然后调整间隙到所需要的值。这种周期往复运动改善了加工的稳定性和保证了加工过程的重复性，提高了加工精度。其缺点是增加了系统的复杂性和降低了加工速度。电解加工研究中的一个重要课题是探索一种实用、有效的间隙在线检测方式。已经尝试了一些方法，如电涡流法等，但由于电解加工过程的复杂性，迄今为止没有得到实际应用。近期报道，在脉冲电解加工中，电流信号的方差可能会与加工间隙值之间存在有某种关系，例如会随着加工间隙的变大而增加。这意味着在某些情况下，电流信号可用来识别加工间隙的大小10。研制高性能价格比的脉冲电源，对于推广脉冲电解加工至关重要。脉冲电源主要包括脉冲发生器、直流电源和它的核心部件脉冲电子开关。某种脉冲开关器件主要以它的开关速度、控制模式及成本来评价性能优劣。传统的可控硅晶体管开关器件驱动复杂，波形质量差，不能满足生产的要求。场效应管(MOSFET)是一种相对新的半导体器件，它的开关速度快，控制电路简单，所需驱动功率低，对于中小型脉冲电源来说，是目前一种较为理想的功率开关器件，已有许多场效应管脉冲电解加工电源的使用报道11。双极型绝缘门二极管(IGBT)是一种新型的中等开关速度的功率开关器件，具有驱动简单、成本低等优点，被认为很适合在脉冲电解加工中应用。已有IGBT电解加工脉冲电源商业应用的报道。在许多场合，脉冲加工明显表现出更好的型面精度控制、更垂直的侧壁、更小的转角圆弧及更好的表面质量。但就目前阶段而言，脉冲电解加工相对低的加工速度和较大的投资限制了它更广泛的应用。脉冲电解加工的机理、设备的探索和研究需要更进一步。4数控电解加工如前所述，工具电极的修整过程费时费工，因此电解加工一般只用于中、大批量生产，如发动机叶片。为了简化工具设计，减少生产准备时间，从而拓宽电解加工在小批量甚至单件生产中的应用，近些年来发展了采用简单形状电极的数控电解加工。数控电解加工采用与数控铣相仿的工作方式，使用简单形状电极进行多维运动，加工出所需工件形状(图3)。数控电解加工集成了电解加工的无工具损耗、不受材料硬度影响的优点和数控加工的柔性和自动化。由于不需针对每一种新零件制造专用电极，因此可显著缩短生产准备时间。另外，由于实际加工面积大为减小，因此可用小电源加工大零件，降低对电源容量的要求，但这是以显著降低加工速度为代价的。实验室研究和工业实践都已表明数控电解有着一定的发展潜力1214。图3数控电解加工示意图在数控电解加工中，电极的几何形状和结构显著地影响着电解液流动、电场分布和间隙分布。已试验研究了许多种电极，如柱状电极、球头电极、片状电极和锥状电极。这些电极各具特色，如柱状电极或片状电极由于加工面积较大，所以加工速度较快；球头电极适应性广，具有更大的柔性。万方数据file:/E|/qk/djgymj/djgy2000/0001/000102.htm（第 39 页）2010-3-22 17:09:13电加工与模具000102在数控电解加工中，杂散腐蚀是一个需重点关注的问题。在不需要加工但暴露在电解液和电场下的表面上，常常发现程度不同的杂散腐蚀。如何有效地控制杂散腐蚀、提高电化学溶解的定域性是一个重要的研究课题。虽然数控电解加工避免了传统的电解加工中由于电解液电导率不均匀等因素引起的间隙分布问题，但它也带来了新的间隙变化问题。在有些场合，工件成形是由所谓的侧面间隙决定的，而侧面间隙会受到进给速度等因素的影响。在精度要求较高的加工场合，这些变化所带来的影响在制定工具走刀轨迹时需要加以考虑。相比之下，采用导电磨头的数控三维电解磨没有上述问题，所以它可获得较高的加工精度。5电解微细加工微细加工是目前世界制造业所关注的一个重要发展方向。硅制造技术和近些年发展起来的LIGA技术都是非常成功的微细制造技术。同时，许多研究者也在探索其他微细制造技术，以弥补这些技术的不足。在这些研究中，一个很重要的工作就是开拓某些现有制造技术在微细加工方面的应用15。在电解加工中，材料去除是以离子溶解的形式进行的。这种微去除方式使得电解加工具有微细加工的可能。电解加工概念已被成功地应用在电子工业中微小零件的电化学蚀刻加工中。与传统化学蚀刻相比，电化学法更容易控制和维护，对环境的影响也小得多。电化学蚀刻可分为有遮蔽蚀刻和无遮蔽蚀刻。有遮蔽蚀刻如图4所示。在遮蔽电解蚀刻中，常用光敏材料在待加工材料上制成特定图案的遮蔽层，未被保护的材料在电解作用下逐渐腐蚀直到所需要的深度。这种工艺被应用在高速打印机打印带、印制板等电子产品的制造上16。图4单侧电化学蚀刻无遮蔽电化学微蚀刻则需要去除过程具有高度的选择性。常常用微细电解液射流来实现这一目的。一项研究采用微电解液流蚀刻在滚动轴承上加工出微小贮油坑，参见图5。在这个微电解液流蚀刻加工系统中，采用计算机来控制喷嘴位置和通电时间。在加工中，电解液流不仅限定了加工范围，而且还具有排除产物和清除钝化膜的作用。这项技术加工出的微坑光滑无内应力、微裂纹等缺陷，比放电加工和激光加工的工艺效果更好17。万方数据file:/E|/qk/djgymj/djgy2000/0001/000102.htm（第 49 页）2010-3-22 17:09:13电加工与模具000102图5微细电解液流喷射加工采用较大的加工间隙是电解加工精度受到限制的重要因素之一。如果加工间隙能大幅度减小，加工精度就会显著提高，利用电解进行微细加工的可能性也将增大。一项研究从减小间隙入手来尝试电解微细加工。通过降低加工电压和电解液浓度，成功地将加工间隙控制在10m以下。采用微动进给和金属微管电极，在0.2mm的镍板上加工出了0.17mm的小孔18。另外，电解加工也用在微细轴类零件的光整加工中。采用类似微细线电极电火花磨(WEDG)的方式，用一运动的金属丝作为阴极，在阳极轴和阴极丝之间喷电解液，使轴表面产生电化学微腐蚀(图6)19。据报道，这种方法在直径数十微米小轴的抛光中已取得了非常好的工艺效果。这一技术的要点是蚀除量要采取有效措施加以严格控制。图6微细轴的电解光整加工电解加工在微细加工领域已初露端倪，但有许多技术问题必须加以解决，例如工具结构、电解液流动、杂散腐蚀。虽然前面介绍的研究已获得了很好的结果，但是它们所涉及的尺寸范围要远大于硅片技术、LIGA等微细加工技术可达到的微小尺寸。6电解复合加工复合加工常指将两种或两种以上的加工方法组合在一起，扬长避短，互相补充，以达到更好的加工效果。电解磨是一个较为成功的电解复合加工的例子。在电解磨中，采用导电砂轮来去除金属材料，间隙由磨粒凸起的高度来决定。通常磨削过程仅负责去除工件表面的钝化膜，90%95%的材料去除由电解作用来完成(图7)。因此，电解磨具有生产率高、磨轮损耗低的优点。在电解磨中，机械去除量和电化学去除量之间的比例是一个非常重要的参数。新近一项研究采用脉冲电流代替直流电流。结果表明，脉冲电流中的脉宽、脉间的不同组合可使机械去除和电化学去除之间的比例大范围可调，因而给过程控制和参数优化带来很大便利。另外，研究也发现，脉冲电流电解加工有利于提高溶解的定域性，减少杂散腐蚀，提高加工精度20。万方数据file:/E|/qk/djgymj/djgy2000/0001/000102.htm（第 59 页）2010-3-22 17:09:13电加工与模具000102图7电解磨过程示意图将电解与放电过程复合在一起的探索已进行了很长的时间，其中对于电解放电复合加工(ECAM)的研究尤其引人注目。图8表示了ECAM打孔过程的试验原理图。这个过程与传统的电解孔加工过程不同之处主要表现在它采用较高的、脉动的电压。当施加在电极两端的电压达到一定量值时，引起了电极间的击穿，产生放电电弧，从而在电化学去除的同时，又叠加了放电去除。ECAM具有相对高的加工速度，但同时也带来了电解加工原本没有的工具损耗问题。图8电解放电复合加工有些研究者建议并着手研究放电加工和电解加工顺序(先后)进行的工作模式21，22。这种工作模式采用同一机床和同一电极，先进行中粗规准的放电加工，然后更换工作液后进行电解光整加工。这种模式发挥了放电加工精度相对高的特点，同时又由电解去除了放电加工后的再铸层、微裂纹等表面缺陷，提高了表面质量。另外，由于两种加工在同一机床上进行，消除了重复定位误差；粗、精加工采用同一个电极，减少了生产准备时间。但是这种加工的工作液更换十分困难。对某些复杂零件，电解光整加工阶段的流场处理将会非常困难。使用同一电极的可行性也缺乏试验依据。曾经尝试过采用电极超声振动的方式来提高电解加工的加工速度和过程稳定性。超声振动的目的主要是去除表面钝化膜和改善电解产物的排出条件。据报道，超声电解加工在加工金属基复合材料时取得了较好的效果23。近年来一个受到广为瞩目的研究是电化学辅助精密磨削(ELID)24。图9表示了这一过程的原理。除了采用金属基金刚石磨轮的磨削系统外，试验系统还包括脉冲电源、辅助电极、电刷、电解液。在磨削过程中，辅助电极和金属基磨轮间产生电解作用，适量地去除附着在磨粒上的金属和基体金属，避免砂轮堵塞和保持磨轮的自锐，使精密磨削的效率显著提高。万方数据file:/E|/qk/djgymj/djgy2000/0001/000102.htm（第 69 页）2010-3-22 17:09:13电加工与模具000102图9ELID磨削原理图新近一项研究是摇动式电解加工25。在原来的垂直方向恒速电极进给运动上，再附加水平方向的微量摇动。在正流式型腔、型孔加工中，附加上的摇动运动使得侧面加工间隙发生周期性的变化。这种变化有利于消除加工间隙内的死水区、液流分离等不利现象。试验已表明这种摇动式电解加工可显著地改进加工过程的稳定性，加工试件的重复精度明显提高。也与摇动有关的、尚在进行中的一项研究是三维摇动电解刮削技术(图10)26，27。这项技术采用强钝化电解液，使被加工表面产生致密钝化膜。在加工中，表面嵌有磨料的三维形状电极进行摇动和振动组合运动。被刮削到的工件表面裸露出“新鲜表面”，随之发生电化学蚀除现象。这样有选择性地去除工件材料，直到达到最后形状。图10摇动电解刮削技术激光辅助电解液流加工的可行性已被证实28。在试验系统中，电解液被泵入一个密封的加工腔，然后从一个喷嘴中高速喷出，射向工件(图11)。同时，一激光束从侧面也射向工件的同一位置。施加在电极两端的脉冲电压和脉冲激光束参数被计算机精确控制。在电液流加工时，照射在加工区的激光束起到加速电化学反应的作用。对碳钢和非钝化电解液的试验结果表明，激光辅助可提高加工速度和减小杂散腐蚀。图11激光辅助电液流加工万方数据file:/E|/qk/djgymj/djgy2000/0001/000102.htm（第 79 页）2010-3-22 17:09:13电加工与模具0001027结束语与电火花成形加工和线切割加工相比，电解加工的发展缓慢而曲折，这与这项工艺本身的特点、工业的需求程度、相关学科的发展及人们对它的认识和了解密切相关。电解加工的发展方向是高度自动化、柔性化和智能化，高的加工精度和环境友善的加工过程。电解加工复杂的过程仍存在许多未知，需要进一步深入研究和探索。作者单位：朱荻（南京航空航天大学）参考文献：1Rajurkar,K.P.,Zhu,D.,MeGeough,J.A.,et al.New Development in ECM.CIRP-99,Keynote paper,1999,48(2)2Tonshoff,H.K.,Egger,R., and Klocke,F.Environmental and Safety Aspects of Electrophysical andElectrochemical Processes.Annals of the CIRP,1996,45(2)3Rajurkar,K.P.,and Zhu,D.Minimization of Machining Allowance in ECM.Annals of the CIRP,1998,47(1)4Hardisty,H.,Mileham,A.R.,and Shirvarni,H.A Finite Element Simulation of the ECM Process.Annals ofthe CIRP,1993,42(1)5Nied,H.and Lamphere,M.S.ECM Simulation Using the Boundary Element Method.Proceedings of theISEM-11,1995.6Zhou,Y., and Derby,J.J.The Cathode Design Problem in ECM.Chemical Engineering Science,1995,50(17)7Zhu,D.,and Yu,C.Y.Investigation on the Design of Tool Shape in ECM.ASME PED,1992,588Kozak,J.,Rajurkar,K.P.and Wei,B.Modeling and Analysis of Pulse ECM.ASME J.of Eng.for Ind.,1994,1169Rybalco,A.V.and Didusar,A.ECM with Microsecond Pulses.Proc.of ISEM-11,1995.10Wei,B.,Rajurkar,K.P.,Talpallikar,S.Identification of Interelectrode Gap Sizes in Ulse ECM.Journal of theElectrochemical Society,1997,144(11)11Wang,J.Y.,et al.The Investigation of the MOSFET Power Characteristics in PECM Application.Proceedings of the ISEM-11,1995.12Kozak,J.,Rajurkar,K.P.,Ruszaj,A.Sculptured Surface Finishing by NC-ECM with Ball-end Electrode.Advances in Technology of the Machines and Equipment,1998,22(1)13Wei B., and Rajurkar,K.P.Accuracy and Dynamics of 3-Dimensional Numerical Control ECM.Proc. ofASME,1990,4514Yun,N.Z.,Wei,B.,Yang,X.Y.et al.Investigation on Application of Electrochemical Contour EvolutionMachining.Proc.of the ISEM-9,1989.15Dario,P.,et al.Non-traditional Technologies for Micro-fabrication.J.Mcromech.Microeng.,1995(1)16Datta,M.Microfabrication by Electrochemical Metal Removal.IBM Journal of Research andDevelopment,1998,42(5)17Kunieda,M.,et al.Influence of Micro Indents Formed by Electro-Chemical Jet Machining on RollingBearing Fatigue Life.ASME,1993,6418Chiamori,K.Possibilities of Electrochemical Micromachining.Int.Japan Soc.Pre.Eng.,1998,32(1)19Masuzawa,T.,et al.High-precision Micronozzle Fabrication.MEMS/IEEE,1992.20Tehani F.A.and Atkinson,J.A Study of Pulsed Electrochemical Grinding.Proceedings of the ISEM-11,1995.21De Silva,A. and McGeough,J.Hybrid Electrodischarge-Electrochemical Process for Roughing andFinishing Dies and Moulds.Proceedings of the ISEM-12,1998.22Klocke,F.and Sparrer,M.Electrochemical Finishing-The Faster Way to Finished Dies and Moulds.Int.Journal of Manufacturing Science,1998,1(4)万方数据file:/E|/qk/djgymj/djgy2000/0001/000102.htm（第 89 页）2010-3-22 17:09:13电加工与模具00010223Imai,Y.,Clifton,D., and McGeough,J.A.Some Ultrasonic Effects in Machining Materials Encountered inthe Offshore Industry.Proc.30th MTDR,MacMillar Press,London,1993.24Ohmori,H.and Nakagawa,T.Utilization of Nonlinear Conditions is Precision Grinding with ELID(Electrolytic in-Process Dressing)for Fabrication of Hard Material Components.Annals of the CIRP,1997,46(1)25Rajurkar,K.P.,and Zhu,D.Improvement of Electrochemical Machining Accuracy by Using OrbitalElectrode Movement.Annals of CIRP,1999,48(1)26Rhoades,L.J.Orbital Electrochemical Machining.US Patent,1992(5)27Risko,D.G.,and 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