电化学加工技术的概况与展望

陈远龙,杨 涛,万胜美,王天霁

(合肥工业大学特种加工研究所,安徽 合肥 230009)

近年来,延续了自20世纪90年代后期以来的良好发展态势,电化学加工专业领域工艺技术水平及设备性能均取得了稳步发展,应用领域进一步扩展,产业发展也达到了一个新的高度。

1 工艺技术研究

相对传统加工和其他优势特种加工技术而言,电化学加工的基础理论较为薄弱,工艺技术尚欠成熟。但正因为如此,其有待研究、开发的空间也更为广阔。近期,电化学加工工艺技术研究涉及的方向主要集中在超纯水电解加工、微细加工、加工间隙的检测与控制、数字化设计与制造技术等重点领域。下面分别加以详述。

1.1 超纯水电解加工

超纯水电解加工是在常规电解加工原理的基础上,利用超纯水作电解液,并采用强酸性阳离子交换膜来提高超纯水中OH-离子的浓度,使电流密度达到足够去除材料的一种新型电解加工工艺方法[1]。日本学者率先提出以超纯水代替常规电解液,实现绿色、微细电解加工的思想。国内学者近年来也开展了超纯水电解加工的机理、超纯水小孔电解加工、超纯水电化学扫描直写加工、超声辅助纯水微细电解加工等研究[2～6],为超纯水电解加工的应用奠定了基础。

1.2 微细电化学加工

微细加工是当前电化学加工研究中最活跃也是最热点的方向。

从原理上而言,电化学加工中材料的去除或增加过程都是以离子的形式进行的。由于金属离子的尺寸非常微小(10-1nm级),因此,以“离子”方式去除材料的微去除方式使电化学加工技术在微细制造领域、以至于纳米制造领域存在着理论上的极大优势,只要精细地控制电流密度和电化学发生区域,就能实现电化学微细溶解或电化学微细沉积。

近年来,基于毫秒、微秒、纳秒及群脉冲电源,采用单纯电解、电解与超声复合、电解与电火花复合、电解与线切割复合等加工工艺,在蜂窝状微坑、微细槽、微细轴、微细群孔、微细群圆柱、微器件等加工中,投入了大量的研究。为此,还开发了多功能三维微细电解加工系统、电化学微细加工监控系统、微螺旋电极等装置。研究对象除了普通金属材料外,还涉及硬质合金、纯钛等。研究内容涉及微细加工工艺条件、阴极设计制造、加工数学模型建立、运动学仿真、工件表面电场分布有限元分析、反向电流、压力波及电解产物的影响等诸多方面[7～22]。

1.3 加工间隙的检测与控制

电化学加工是一个复杂的非线性时变系统。由于加工间隙处于电场和流场的共同作用下,是时间和空间的变化函数,且空间极小,因而在加工过程中适时测量非常困难,特别是对于三维空间的间隙,至今尚无成熟的采样方案的实际应用。但是,随着计算机技术、传感器技术、测试技术、信号处理技术、电源技术等现代技术的发展,测控过程中存在的难题将逐一得到解决,并最终实现在线测控加工间隙。

近阶段,加工间隙的检测与控制的研究引起了众多关注。研究主要集中在以下方面:

(1)采用循环迭代间隙控制方案,快速调整工具进给速度,使之近似等于工件去除速度,以精确地维持恒定的小间隙。并利用虚拟仪器技术构建电解加工控制系统[23]。

(2)把加工电流作为研究参数,用最小二乘多变元线性拟合法,分别建立平面、斜面阴极加工电流与加工间隙之间的关系式,用叶片型面加工数据对建立的关系式进行检验和修正,得到最终的修正关系式。所得关系式在±15%的误差范围内可用于在线检测加工间隙[24]。

(3)把流体作用在阴极上的六维力作为研究参数,设计通电解液不通电、通电加工两大类工况,从定性和定量两个角度分析六维力与加工间隙之间的关系,用最小二乘多变元线性拟合法,分别建立平面、斜面阴极加工的六维力与加工间隙之间的关系方程式,用叶片型面加工数据对建立的关系方程式进行检验与修正,得到最终的修正关系式。在15%的误差范围内所得关系式可用于在线检测加工间隙[25]。

(4)采集真实电解加工过程中阴极表面上的力信号,利用小波变换和BP神经网络,实现间隙的在线通报,并设计了一个模糊控制器。把间隙的误差转化为力的误差及误差的变化信号,以此作为模糊控制器的输入,以加工电压的增量作为模糊控制器输出,实现对间隙的控制。在Matlab的simulink模块中建立了由神经网络、模糊控制器和电解加工系统联合组成的智能控制系统的仿真模型,进行仿真试验[26]。

(5)提出基于极间固/液界面双电层电容的高频窄脉冲电化学加工数学模型,对脉冲频率、占空比、初始间隙与阳极蚀除速度及极间间隙的变化关系进行模拟和仿真[27]。

(6)针对高频窄脉冲电化学加工,对加工间隙进行建模分析,提出了间隙平均电流检测法。通过测量相邻一组平均电流及其方差这2个参数判断间隙状态,从而对进给速度、进给方向进行相应调整,精确地维持恒定的小间隙,实现快速稳定的加工[28]。

1.4 数字化设计与制造技术

数字化设计与制造技术是指在网络和计算机辅助下通过产品数据模型,全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等产品开发全过程。数字化设计与制造技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术,是一项多学科的综合技术,已在制造业中获得广泛应用。但是,该技术在电化学加工领域起步较晚,研究及应用较少。近年来,这种局面大为改观,已在下列几方面有所突破:

(1)数字化建模:利用实体建模软件(Pro/E、U G、CATIA 、SOL IDWORKS 、SOL IDEDGE 等),基于反映零件真实形状的型值点数据在计算机上直接进行三维设计,得到零件的实体造型[29]。

(2)加工运动设计:把过去由人工、行程开关或模板产生的加工信息数字化,并用于控制机床的加工运动。在此基础上,依据零件实体造型,通过计算,用数字化定量地表述工具的运动轨迹,进而用计算机控制、处理加工运动[30]。

(3)工具阴极及工装的设计:基于电场、流场近似理论和简化了的数学模型,采用多种计算方法求解,其结果所得的大量数据与图形信息给阴极及夹具的数字化制造提供有利的条件。运用计算机处理所得到的数据与图形信息,力图从传统的定性描述转化为数字化定量描述,并在这一基础上逐步建立数字化模型,仿真特定的加工运动,再结合零件的数字化模型,控制、处理表述阴极及工装夹具的型值点数据库,直至符合要求为止[30～31]。

(4)数控电解加工过程的模拟与仿真:目前电解加工的工艺参数还只能凭经验选取,难以实现最优化和自动化,也受制于操作者的差异。但随着模糊数学、神经网络及专家系统等多种人工智能技术的发展,可利用人工智能技术来建立加工效果和加工条件之间有关精度、效率、经济性等定量化的实验模型,并对其加工运动进行模拟与仿真,即在一台计算机上用解析或数值的方法表达制造过程,构造数控加工表面,定义零件数控加工所需的线框和表面模型,对照零件数字化模型验证所设计的加工路线是否正确以及选定的加工参数和设计的工具阴极是否合理,反复修改加工参数及修整工具阴极,最终仿真出要加工的零件[32]。

数字化制造技术的应用,可弥补电解加工技术现存的许多不足,如加工周期长,加工间隙及加工过程难以控制,加工质量不易保证及复杂结构零件的阴极设计和检测困难等问题,使电解加工从部分量化和部分经验化、定性化逐步转向全面数字定量化,真正实现优质、高效、低成本、快速响应的加工目标[29]。

除了上述4个热点研究方向之外,以下工艺技术的研究也均有所创新或突破:

(1)叶片及整体叶轮加工工艺研究,包括阴极设计及仿真,展成电解加工成形规律研究,带冠整体叶轮阴极运动轨迹的设计,电解液流动方式优化,夹具结构设计。

(2)炮管膛线电解加工阴极的优化设计、计算机建模与仿真、UG二次开发技术。

(3)高频、超高频群脉冲电化学加工中频率、脉冲对极间间隙和流场的影响,碳含量和组织对加工效果(表面粗糙度、蚀除率、电流效率)的影响,压力波对加工质量(加工精度和表面质量)的影响;IGBT反向尖峰电压的数学模型的建立。

2 设备研发及产业状况

设备研发是工艺技术的基础。电解加工的设备主要包括机床、电源和电解液系统3个主要实体以及相应的控制系统。近年来,电解加工设备在成形加工和去毛刺两个领域均取得了可喜进步。

2.1 成形加工机床

由于受到数控机床、加工中心、高速加工机床等强力冲击,在民用工业领域,电解成形加工应用逐年萎缩,模具、叶片等传统优势领域基本失守。

但是,随着国防工业的蓬勃发展,由于具有高效率、高表面质量、无残余应力、无表面再铸层、阴极无损耗等独特优势,电解加工在航空、航天、兵器等工业领域又重新焕发了生机。特别是在炮管膛线、整体叶轮、发动机机匣、长筒零件、异形零件等产品制造中,电解加工机床的需求较旺,针对上述零件的专用机床或主要用于特定零件的通用机床产量均出现了明显回升。

近年开发的电解加工机床,均采用了PLC或计算机控制系统,人机界面采用触摸屏。因而显著提高了设备的先进性以及现场恶劣环境中运行的可靠性和稳定性[33]。

2.2 去毛刺机床

电化学去毛刺机床市场的红火,足以令人振奋。

近年来,由于对产品高品质的追求和电化学去毛刺工艺的显著优势,在发动机燃油喷射系统等领域,针对发动机缸体等零件内部交叉孔口去毛刺,以及喷油嘴内盛油槽、退刀槽的小余量加工等,电化学去毛刺机床市场需求产生暴发性增长,国内重点电化学去毛刺机床生产厂家产品供不应求,产销两旺。

目前,国内生产的电化学去毛刺机床与进口机床相比,主要在配套附属产品如电解产物处理、电解液参数控制装置等方面存在明显差距,但在设备完整性、可靠性、易操作性以及美观性等诸多环节均已取得长足进步。

3 未来展望

近阶段,电解加工的研究重点及应用领域主要会集中在以下几个方向:

(1)电化学微精加工的深入研究

电化学加工技术具有加工机理的独特优势以及在微精甚至在纳米加工领域进一步研究探索的空间,但还必须在自身工艺规律认识和完善的基础上不断创新。具体应关注:①进一步完善硬件系统,如微进给系统及微控工作台的性能及可靠性的提升;加工过程自动检测与适应控制研发的深化;②微精加工机理的研究。尤其是中、高频率脉冲电流条件下,微精加工电化学反应系统动力学等方面的深入研究。

(2)脉冲电源的深化研发

微秒级脉冲电源的工程化完善以及在工业领域的大力推广应用。纳秒级脉冲电源、群脉冲电源、逆变式脉冲电源的性能完善。

(3)理论成果向实际应用的转化。诸如加工间隙的检测与控制、阴极数字化设计、电解加工过程的模拟与仿真等均是电化学加工的关键技术,不能仅仅在各种基金支持下获得理论成果即束之高阁,而应尽快由实验室向工业生产现场转移。

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