關于數控電解機械復合切割加工間隙研究

陳新剛

【摘 要】 電解是基于金屬陽極在電解液中發生電化學溶解的原理， 對工件進行減材加工。在電解加工時， 工件材料是以離子的形式被蝕除， 理論上工件可達到微米甚至納米精度， 因此在精密、微細制造領域有著潛在的應用前景。電解加工的間隙不但決定了加工效率和加工面的質量，也是影響精度的核心要數，同時也是陰極設計和加工參數選擇的重要依據，加工速度并不隨加工間隙的減小而單調增大， 實際加工速度存在極限值（ 極大值） 。為兼顧加工效率和加工精度， 應以與之對應的間隙值作為實際加工間隙。

【關鍵詞】 數控 電解 機械復合切割 間隙

數控電解機械復合切割技術是一種利用電解加工和數控技術的復合加工技術，這種技術具有切割效率高、切割質量好、操作簡單等的優點，所以在實踐運用中受到很大的歡迎。傳統電解加工一般為反銬式成型加工，即工件形狀復制陰極形狀，考慮到加工間隙的存在，兩者形狀并不完全一致，所以傳統電解加工陰極設計較為復雜。與之不同的是，數控電解機械復合切割加工是利用帶鍍層的回轉體復合陰極走數控軌跡加工工件，可一次割斷工件或以某一深度割槽。所以國內外學者都孜孜不倦致力于加工間隙的檢測和控制研究，只是方法各異。

1 數控電解機械復合切割加工原理

數控電解機械復合切割的結合了物理及化學方面一些原理。具體來說是利用工具電極與工件之間發生的電化學反應，使工件發生電解腐蝕，同時利用一些數控方法，使工具電極在數控系統的控制下走出軌跡，形成切縫，從而對工件進行切割。數控電解機械復合切割的特點從不同的角度會有所不同（見圖1）。

2 數控電解機械復合切割加工間隙理論研究

數控電解機械復合切割加工時陰極和工件隨機床走數控軌跡，電解液由供給系統以一定壓力流入陰極內部，再從陰極噴縫噴入加工間隙內，在電場作用下陰極進給方向上的工件材料發生電化學腐蝕而被加工，加工模型如圖2所示。在陰極圓心建立一直角坐標系 OXY，X軸方向跟進給方向一致，在X軸正方向形成的加工間隙Δa0可認為是平衡端面間隙，Δa0決定了加工的速度；與X軸垂直的Y軸正負向間隙Δb1和Δb2為最終加工間隙，根據對稱性Δb1和Δb2理論上大小相等，它們共同決定了加工精度。

電解加工的過程中會不可避免地出現一些不溶性的固體電解產物。如氫氧化鐵、電解泥等。這些物質的存在會嚴重影響切割的效率及效果。因此，必須要將其濾除。通常情況可以采用有自清潔功能的過濾系統進行過濾，如離心式過濾器等。另外電解加工過程中，很多物質會發生化學反應，比如水分解成氫離子和氫氧根離子，硝酸鈉就會分解生成氨氣等。因此，要應定期或在線監測電解液的濃度，并根據實際情況進行調整。根據電解加工平衡間隙理論，進給方向的平衡間隙Δa0（α為0度時）為：

（1）

電極高速旋轉時，由于電解液具有一定粘性，旋轉電極的邊界將拽引著周圍的流體隨它一起作圓周運動，加強了間隙內電解液的對流，改善了流場。電極旋轉排屑方式適用于單電極圓孔加工和掃描加工。但由于在電極端部中心處離心力接近零，電解產物無法順利排出，故仍需依賴間歇回退來強化電解液更新。圖3是優化后數控電解機械復合切割加工間隙流暢分析。

電解加工中，大量的電解液流過加工間隙，同時由于電化學反應，陰極會有大量氫氣析出，陽極溶解亦有電解產物生成，故在電解加工間隙中一般為液、氣、固三相流，由于電解產物一般為絮狀離子沉淀，占體積很小，可以忽略其對電解液流場的影響，所以可以將間隙中流場簡化為氣、液兩相流問題處理。

當加工間隙減小到極值點附近時，此時加工過程實際由電化學反應步驟和反應產物移除步驟混合控制，兩個步驟的潛在反應速度基本相同。當加工間隙$繼續減小，趨近于零時，加工速度隨$近似呈現線性減小，這是由于在加工間隙很小時，間隙空間內容污（反應產物） 能力弱，陽極金屬蝕除速度迅速降低，有效加工時間很短，此時反應產物移除步驟成為加工過程的控制步驟，加工速度主要受電解產物移除速度的影響（見圖4）。

在數控電解機械復合切割加工中，每一個正常加工速度都對應一個平衡間隙。加工參數相同時，速度越快，平衡間隙越小，為求得高效率和高精度，實際生產中往往追求最快平衡進給速度和對應最終加工間隙。只是加工對象和加工條件不同時，其最快平衡進給速度和最終加工間隙是不同的，實際生產中需根據具體要求通過計算和試驗求得滿足條件的加工參數。為了更直觀地研究不同加工參數對最終加工間隙的影響，現進行一組試驗，研究電壓、電解液溫度、主軸轉速等主要加工參數對最終間隙和最快平衡進給速度的影響大小。

取電壓20V，其他條件同上，研究溫度對最終加工間隙的影響。試驗結果如表1所示，隨著溫度的增加，兩者都隨之增加，溫度超過30℃后，最大平衡進給速度不再變化，而最終加工間隙還有很小的增加，這是因為溫度增加，引起工件加工區出液口雜散腐蝕所致。

3 結語

通過論文的分析可以看出，數控電解機械復合切割技術相對于其他的切割技術具有很大的推廣潛力及優勢。實際加工速度存在極限值（極大值），將對應的間隙值作為實際加工間隙，可兼顧加工效率和加工精度。在電解液溫度和復合陰極轉速各自變化時，最快平衡進給速度并未隨之一直變大，而是趨于某一穩定值，最終間隙也只是少許變化，說明電解液溫度和轉速對數控電解機械復合切割量的影響是階段性的，超過某一值后，最大進給速度將基本保持不變，為得到更好的加工精度和效率，實際加工中使用這一穩定值即可。

參考文獻：

[1]干為民，徐波，褚輝生.數控電解機械復合切割加工間隙研究[J].制造技術與機床，2013，10：41-44.

[2]潘光顯.數控電解機械復合切割技術加工的基礎研究[D].南京農業大學，2009.

[3]干為民，褚輝生，丁仕燕，徐宏力.數控電解機械復合切割機床的設計[J].常州工學院學報，2008，05：14-17+21.

[4]郎晉喜.淺析數控電解機械復合切割應用中的問題[J].電子制作，2013，18：168.endprint

【摘 要】 電解是基于金屬陽極在電解液中發生電化學溶解的原理， 對工件進行減材加工。在電解加工時， 工件材料是以離子的形式被蝕除， 理論上工件可達到微米甚至納米精度， 因此在精密、微細制造領域有著潛在的應用前景。電解加工的間隙不但決定了加工效率和加工面的質量，也是影響精度的核心要數，同時也是陰極設計和加工參數選擇的重要依據，加工速度并不隨加工間隙的減小而單調增大， 實際加工速度存在極限值（ 極大值） 。為兼顧加工效率和加工精度， 應以與之對應的間隙值作為實際加工間隙。

【關鍵詞】 數控 電解 機械復合切割 間隙

數控電解機械復合切割技術是一種利用電解加工和數控技術的復合加工技術，這種技術具有切割效率高、切割質量好、操作簡單等的優點，所以在實踐運用中受到很大的歡迎。傳統電解加工一般為反銬式成型加工，即工件形狀復制陰極形狀，考慮到加工間隙的存在，兩者形狀并不完全一致，所以傳統電解加工陰極設計較為復雜。與之不同的是，數控電解機械復合切割加工是利用帶鍍層的回轉體復合陰極走數控軌跡加工工件，可一次割斷工件或以某一深度割槽。所以國內外學者都孜孜不倦致力于加工間隙的檢測和控制研究，只是方法各異。

1 數控電解機械復合切割加工原理

數控電解機械復合切割的結合了物理及化學方面一些原理。具體來說是利用工具電極與工件之間發生的電化學反應，使工件發生電解腐蝕，同時利用一些數控方法，使工具電極在數控系統的控制下走出軌跡，形成切縫，從而對工件進行切割。數控電解機械復合切割的特點從不同的角度會有所不同（見圖1）。

2 數控電解機械復合切割加工間隙理論研究

數控電解機械復合切割加工時陰極和工件隨機床走數控軌跡，電解液由供給系統以一定壓力流入陰極內部，再從陰極噴縫噴入加工間隙內，在電場作用下陰極進給方向上的工件材料發生電化學腐蝕而被加工，加工模型如圖2所示。在陰極圓心建立一直角坐標系 OXY，X軸方向跟進給方向一致，在X軸正方向形成的加工間隙Δa0可認為是平衡端面間隙，Δa0決定了加工的速度；與X軸垂直的Y軸正負向間隙Δb1和Δb2為最終加工間隙，根據對稱性Δb1和Δb2理論上大小相等，它們共同決定了加工精度。

電解加工的過程中會不可避免地出現一些不溶性的固體電解產物。如氫氧化鐵、電解泥等。這些物質的存在會嚴重影響切割的效率及效果。因此，必須要將其濾除。通常情況可以采用有自清潔功能的過濾系統進行過濾，如離心式過濾器等。另外電解加工過程中，很多物質會發生化學反應，比如水分解成氫離子和氫氧根離子，硝酸鈉就會分解生成氨氣等。因此，要應定期或在線監測電解液的濃度，并根據實際情況進行調整。根據電解加工平衡間隙理論，進給方向的平衡間隙Δa0（α為0度時）為：

（1）

電極高速旋轉時，由于電解液具有一定粘性，旋轉電極的邊界將拽引著周圍的流體隨它一起作圓周運動，加強了間隙內電解液的對流，改善了流場。電極旋轉排屑方式適用于單電極圓孔加工和掃描加工。但由于在電極端部中心處離心力接近零，電解產物無法順利排出，故仍需依賴間歇回退來強化電解液更新。圖3是優化后數控電解機械復合切割加工間隙流暢分析。

電解加工中，大量的電解液流過加工間隙，同時由于電化學反應，陰極會有大量氫氣析出，陽極溶解亦有電解產物生成，故在電解加工間隙中一般為液、氣、固三相流，由于電解產物一般為絮狀離子沉淀，占體積很小，可以忽略其對電解液流場的影響，所以可以將間隙中流場簡化為氣、液兩相流問題處理。

當加工間隙減小到極值點附近時，此時加工過程實際由電化學反應步驟和反應產物移除步驟混合控制，兩個步驟的潛在反應速度基本相同。當加工間隙$繼續減小，趨近于零時，加工速度隨$近似呈現線性減小，這是由于在加工間隙很小時，間隙空間內容污（反應產物） 能力弱，陽極金屬蝕除速度迅速降低，有效加工時間很短，此時反應產物移除步驟成為加工過程的控制步驟，加工速度主要受電解產物移除速度的影響（見圖4）。

在數控電解機械復合切割加工中，每一個正常加工速度都對應一個平衡間隙。加工參數相同時，速度越快，平衡間隙越小，為求得高效率和高精度，實際生產中往往追求最快平衡進給速度和對應最終加工間隙。只是加工對象和加工條件不同時，其最快平衡進給速度和最終加工間隙是不同的，實際生產中需根據具體要求通過計算和試驗求得滿足條件的加工參數。為了更直觀地研究不同加工參數對最終加工間隙的影響，現進行一組試驗，研究電壓、電解液溫度、主軸轉速等主要加工參數對最終間隙和最快平衡進給速度的影響大小。

取電壓20V，其他條件同上，研究溫度對最終加工間隙的影響。試驗結果如表1所示，隨著溫度的增加，兩者都隨之增加，溫度超過30℃后，最大平衡進給速度不再變化，而最終加工間隙還有很小的增加，這是因為溫度增加，引起工件加工區出液口雜散腐蝕所致。

3 結語

通過論文的分析可以看出，數控電解機械復合切割技術相對于其他的切割技術具有很大的推廣潛力及優勢。實際加工速度存在極限值（極大值），將對應的間隙值作為實際加工間隙，可兼顧加工效率和加工精度。在電解液溫度和復合陰極轉速各自變化時，最快平衡進給速度并未隨之一直變大，而是趨于某一穩定值，最終間隙也只是少許變化，說明電解液溫度和轉速對數控電解機械復合切割量的影響是階段性的，超過某一值后，最大進給速度將基本保持不變，為得到更好的加工精度和效率，實際加工中使用這一穩定值即可。

參考文獻：

[1]干為民，徐波，褚輝生.數控電解機械復合切割加工間隙研究[J].制造技術與機床，2013，10：41-44.

[2]潘光顯.數控電解機械復合切割技術加工的基礎研究[D].南京農業大學，2009.

[3]干為民，褚輝生，丁仕燕，徐宏力.數控電解機械復合切割機床的設計[J].常州工學院學報，2008，05：14-17+21.

[4]郎晉喜.淺析數控電解機械復合切割應用中的問題[J].電子制作，2013，18：168.endprint

【摘 要】 電解是基于金屬陽極在電解液中發生電化學溶解的原理， 對工件進行減材加工。在電解加工時， 工件材料是以離子的形式被蝕除， 理論上工件可達到微米甚至納米精度， 因此在精密、微細制造領域有著潛在的應用前景。電解加工的間隙不但決定了加工效率和加工面的質量，也是影響精度的核心要數，同時也是陰極設計和加工參數選擇的重要依據，加工速度并不隨加工間隙的減小而單調增大， 實際加工速度存在極限值（ 極大值） 。為兼顧加工效率和加工精度， 應以與之對應的間隙值作為實際加工間隙。

【關鍵詞】 數控 電解 機械復合切割 間隙

數控電解機械復合切割技術是一種利用電解加工和數控技術的復合加工技術，這種技術具有切割效率高、切割質量好、操作簡單等的優點，所以在實踐運用中受到很大的歡迎。傳統電解加工一般為反銬式成型加工，即工件形狀復制陰極形狀，考慮到加工間隙的存在，兩者形狀并不完全一致，所以傳統電解加工陰極設計較為復雜。與之不同的是，數控電解機械復合切割加工是利用帶鍍層的回轉體復合陰極走數控軌跡加工工件，可一次割斷工件或以某一深度割槽。所以國內外學者都孜孜不倦致力于加工間隙的檢測和控制研究，只是方法各異。

1 數控電解機械復合切割加工原理

數控電解機械復合切割的結合了物理及化學方面一些原理。具體來說是利用工具電極與工件之間發生的電化學反應，使工件發生電解腐蝕，同時利用一些數控方法，使工具電極在數控系統的控制下走出軌跡，形成切縫，從而對工件進行切割。數控電解機械復合切割的特點從不同的角度會有所不同（見圖1）。

2 數控電解機械復合切割加工間隙理論研究

數控電解機械復合切割加工時陰極和工件隨機床走數控軌跡，電解液由供給系統以一定壓力流入陰極內部，再從陰極噴縫噴入加工間隙內，在電場作用下陰極進給方向上的工件材料發生電化學腐蝕而被加工，加工模型如圖2所示。在陰極圓心建立一直角坐標系 OXY，X軸方向跟進給方向一致，在X軸正方向形成的加工間隙Δa0可認為是平衡端面間隙，Δa0決定了加工的速度；與X軸垂直的Y軸正負向間隙Δb1和Δb2為最終加工間隙，根據對稱性Δb1和Δb2理論上大小相等，它們共同決定了加工精度。

電解加工的過程中會不可避免地出現一些不溶性的固體電解產物。如氫氧化鐵、電解泥等。這些物質的存在會嚴重影響切割的效率及效果。因此，必須要將其濾除。通常情況可以采用有自清潔功能的過濾系統進行過濾，如離心式過濾器等。另外電解加工過程中，很多物質會發生化學反應，比如水分解成氫離子和氫氧根離子，硝酸鈉就會分解生成氨氣等。因此，要應定期或在線監測電解液的濃度，并根據實際情況進行調整。根據電解加工平衡間隙理論，進給方向的平衡間隙Δa0（α為0度時）為：

（1）

電極高速旋轉時，由于電解液具有一定粘性，旋轉電極的邊界將拽引著周圍的流體隨它一起作圓周運動，加強了間隙內電解液的對流，改善了流場。電極旋轉排屑方式適用于單電極圓孔加工和掃描加工。但由于在電極端部中心處離心力接近零，電解產物無法順利排出，故仍需依賴間歇回退來強化電解液更新。圖3是優化后數控電解機械復合切割加工間隙流暢分析。

電解加工中，大量的電解液流過加工間隙，同時由于電化學反應，陰極會有大量氫氣析出，陽極溶解亦有電解產物生成，故在電解加工間隙中一般為液、氣、固三相流，由于電解產物一般為絮狀離子沉淀，占體積很小，可以忽略其對電解液流場的影響，所以可以將間隙中流場簡化為氣、液兩相流問題處理。

當加工間隙減小到極值點附近時，此時加工過程實際由電化學反應步驟和反應產物移除步驟混合控制，兩個步驟的潛在反應速度基本相同。當加工間隙$繼續減小，趨近于零時，加工速度隨$近似呈現線性減小，這是由于在加工間隙很小時，間隙空間內容污（反應產物） 能力弱，陽極金屬蝕除速度迅速降低，有效加工時間很短，此時反應產物移除步驟成為加工過程的控制步驟，加工速度主要受電解產物移除速度的影響（見圖4）。

在數控電解機械復合切割加工中，每一個正常加工速度都對應一個平衡間隙。加工參數相同時，速度越快，平衡間隙越小，為求得高效率和高精度，實際生產中往往追求最快平衡進給速度和對應最終加工間隙。只是加工對象和加工條件不同時，其最快平衡進給速度和最終加工間隙是不同的，實際生產中需根據具體要求通過計算和試驗求得滿足條件的加工參數。為了更直觀地研究不同加工參數對最終加工間隙的影響，現進行一組試驗，研究電壓、電解液溫度、主軸轉速等主要加工參數對最終間隙和最快平衡進給速度的影響大小。

取電壓20V，其他條件同上，研究溫度對最終加工間隙的影響。試驗結果如表1所示，隨著溫度的增加，兩者都隨之增加，溫度超過30℃后，最大平衡進給速度不再變化，而最終加工間隙還有很小的增加，這是因為溫度增加，引起工件加工區出液口雜散腐蝕所致。

3 結語

通過論文的分析可以看出，數控電解機械復合切割技術相對于其他的切割技術具有很大的推廣潛力及優勢。實際加工速度存在極限值（極大值），將對應的間隙值作為實際加工間隙，可兼顧加工效率和加工精度。在電解液溫度和復合陰極轉速各自變化時，最快平衡進給速度并未隨之一直變大，而是趨于某一穩定值，最終間隙也只是少許變化，說明電解液溫度和轉速對數控電解機械復合切割量的影響是階段性的，超過某一值后，最大進給速度將基本保持不變，為得到更好的加工精度和效率，實際加工中使用這一穩定值即可。

參考文獻：

[1]干為民，徐波，褚輝生.數控電解機械復合切割加工間隙研究[J].制造技術與機床，2013，10：41-44.

[2]潘光顯.數控電解機械復合切割技術加工的基礎研究[D].南京農業大學，2009.

[3]干為民，褚輝生，丁仕燕，徐宏力.數控電解機械復合切割機床的設計[J].常州工學院學報，2008，05：14-17+21.

[4]郎晉喜.淺析數控電解機械復合切割應用中的問題[J].電子制作，2013，18：168.endprint