高校實驗教學用數控電解加工設備研制

徐波 李慶鐵 趙徹 周敘榮 徐紅麗 吳振彤

（1.江蘇省高校特種加工重點實驗室常州工學院江蘇常州 213002；2.上海藍長科技集團有限公司上海 200072；3.常州莫凱精工機械有限公司江蘇常州 213000）

自20世紀50年代起，我國電解加工設備便開啟了發展之路，特別是20 世紀80、90年代，在引進、吸收消化、創新的模式下，國產成套電解設備曾一度可與發達國家同類產品相媲美。但受限于電子元器件、設備成本、加工穩定性和環境條件等因素，電解加工的使用范圍并未得到普及，只在軍工、民航制造業有少許使用。不過，對電解加工的設備研制和成型精度的控制卻從未間斷過［1］，發展至今，國內科研院所、高校和企業已經研制出精密電解加工機床，其加工過程穩定性好、產品一致性高，越來越在復雜形狀、難加工材料類零部件的制造工藝中得到青睞［2］。

實驗教學用電解加工機床是基于電化學陽極溶解原理進行金屬的去除，其主要用于《特種加工》《先進制造技術》等課程的實踐教學，用于向學生展示峰值電壓、脈沖頻率、占空比、電解液壓力、電解液溫度、電導率等參數對電解加工去除速度、成型精度和表面質量的影響結果［3-4］。

1 實驗教學用數控電解加工機床的構成

實驗教學用數控電解加工機床由數控電解機床本體、電解液系統、電源系統3個部分構成。機床本體的主要作用是保證工具陰極和工件陽極沿著既定的軌跡相對運動；電源系統是在兩級之間加載直流或脈沖電壓，保證電化學加工所需電能；電解液系統是為反應過程提供壓力、溫度、電導率等參數穩定的純凈加工介質。圖1為實驗教學用數控電解加工成套設備。

圖1 實驗教學用數控電解加工成套設備

1.1 電解加工機床本體

機床本體分為機床主軸、機床工作臺、機床床身3個主要部分。電解加工對床身要求很高，由于加工中電解液壓力較大，床身需有足夠的剛性和硬度保證工件和工具陰極不發生錯位；床身還需具備良較小的熱脹冷縮系數和良好的絕緣性［3］，通過多方比較后，床身采用礦物質澆注方式，能很好地將工作臺、主軸、地面三者絕緣開。電解加工機床本體為單軸運動型，即只有Z軸能上、下運動，Z軸由伺服電機通過無間隙聯軸器帶動滾珠絲杠副獲得快速移動和進給運動，滾珠絲杠螺母副具備良好的重復定位精度，保證工件和工具陰極在相對運動時定位準確。電解液往往具有一定的腐蝕性，機床中所有與電解液接觸到的零部件都需考慮防腐性，因此，主軸的外殼和防塵罩、整個工作臺、防護罩都采用316 L 不銹鋼材質。另外，在防護罩的頂部，設有電解液的接入口、銅帶纜線的接頭、排風口，如圖2（a）所示。

圖2 數控電解加工機床

機床的控制系統為常見開放式數控系統，如圖2（b）所示，由伺服系統及可編程序控制器向機床主軸等執行機構發出指令，機床主體在檢測反饋裝置的配合下，執行刀具相對于工件的運動軌跡、位移量和進給速度等項要求實現自動控制，從而完成工件的加工［4］。電解加工過程中往往會有短路等突發情況，需要系統有較快的響應速度，能暫停進給或者產生回退，因此，在加工電路中設有電流檢測裝置，當電流超過限定值時，能給數控系統發送暫停指令，待電流降至安全值以下時，則繼續加工，其原理如圖3所示。

圖3 電流監測控制原理圖

1.2 電源系統

加工電源是電解加工設備的核心部件，其輸出電流的大小決定了機床本體和電解液系統的規格，電源輸出波形、峰值電壓、脈沖波形、短路保護功能決定了成型精度、表面質量和加工穩定性等［5］。短路保護系統是電解加工電源的重要保護部分，不僅保護電源自身，還在短路時保護工件和陰極。本實驗教學設備配備的電源如圖4所示，輸入電壓380V，輸出電壓10～30V，輸出最大電流2000A。學生實驗用工件面積在30mm2以下，直流電源可以滿足試驗要求。

圖4 電解加工電源

1.3 電解液系統

電解液的作用不僅是工件陽極和工具陰極進行電化學反應的媒介，還能將加工區域的溫度及電解液的精度調整為正常加工的狀態，電解液系統是加工中必不可少的組成設備，即能實現電解實驗中壓力、溫度、電導率、pH值等參數的調節。

本裝置所采用電解液系統是根據實驗需求自主研發，實物如圖5 所示，其包括除油池、周轉池、調節池、過濾池、凈水池等。過濾分為粗過濾和精過濾，廢液從機床排液口流向除油池，除去電解液中油性物質及大顆粒雜質［6］，經粗濾后流向周轉池；調節池備有多個藥箱，可進行酸堿度、電導率和質量分數調節。滿足使用要求后，調節池的電解液流向精過濾，精過濾采用核孔膜吸附法，通過負壓抽吸將大于0.5μm 的顆粒物吸附在膜上，即可得到純凈的電解液存放于凈水池，以備加工使用，后期定時刮落核孔膜表面的電解泥，由泵抽至壓濾機清除即可，其控制及運行過程如圖6所示。

圖5 電解液循環系統實物圖

圖6 控制系統頁面

2 電解加工機床的教學實驗

學生在學習了《特種加工》《先進制造技術》等電化學加工相關課程的基礎上，進入實驗室進行實驗課程學習，下面以單個葉片的電解加工為例示范實驗過程［7］。

2.1 實驗準備

毛坯的準備：實驗加工對象材料為304 不銹鋼長方體塊，如圖7（a）中裝夾在底板上的長方體塊。工裝夾具準備：夾具由4 個部分構成，分別為夾具上座、底板、定位板、緊固件。工具電極的準備：葉盆與葉背待加工余量分別為14.19mm、14.80mm，工具電極分為葉盆電極和葉背電極，如圖7（b）和圖7（c）所示。流場防護罩如圖7（d）所示，其包括電解液出入口、流道和工具陰極入口通道等。整個工裝如圖7（e）所示：工具陰極裝夾于機床主軸，并與電源負極相連，工件安裝于底板，并與電源正極相連，底板安裝于機床工作臺，在底板外圍還安裝有流場防護罩，保證工件和工具陰極之間電解液高速流過。

圖7 葉片電解加工用工裝部件及組裝圖

2.2 實驗過程及結果

此電解加工機床編程比較簡單，對刀后找到陰極和毛坯工件相對位置，只需在加工軟件中輸入陰極行走的絕對坐標即可。其他試驗參數則如表1所示。

表1 葉片電解加工試驗條件

本實驗先加工葉片葉盆，再加工葉背，初始加工間隙為0.5mm，試驗中記錄加工不同深度時電流值。試驗過程中出現數次短路現象，每次短路時控制系統則暫停主軸進給，切斷加工電流，同時，工具陰極回退一定距離，使得工具陰極與工件分離開，然后重新加載電解電壓，再次開始加工，直至將工件加工完畢，其加工結果如圖8所示。

圖8 電解加工所得葉片

用三坐標測量機測量了葉片、葉身、葉根3條截面線。由于葉片型面小且扭曲，小型探針無法測量到位，故采用較長的探針進行測量，在葉片豎直放置時，在同一等高截面線上葉盤、葉背和葉圓各取一個點進行測量，共6道檢測等高線，結果如表2所示。

表2 葉片加工余量測量（單位：mm）

葉片的型面誤差在0.031～0.473mm 之間，可見總體粗加工誤差在0.5mm范圍以內。使用奧林巴斯超景深工業顯微鏡對加工試件的表面粗糙度進行檢測，結果顯示，葉背的表面粗糙度值為Ra0.08μm，葉盆的粗糙度結果為Ra0.3μm。由此可見，本套裝備適用于實驗教學［8］。

3 結語

數控電解加工設備包括數控電解加工機床本體、電解加工電源、電解液系統等，有助于提高學生的實踐能力，可服務于高校先進制造技術專業相關課程的實驗教學和研究生的課題試驗。該設備功能齊全，可靠性高，對培養“卓越工程師”和構建應用型地方高校實驗室具有重要意義。