臥式電解加工機床導電軸結構設計*

鄭雅澤，唐 霖，劉世英，周嘉凱

（西安工業大學機電工程學院，西安 710021）

0 引言

電解加工機床的性能直接決定電解加工工藝在實際生產應用中的效果，尤其在加工間隙小、加工時間長、工作電流大、電解液流速高條件下，對機床系統穩定性和可靠性都提出極高的要求[1]。

大量學者針對電解加工機床進行相關研究，文獻[2-3]將自動化的理念應用到電解加工機床，提高了加工效率和加工精度，并成功應用到生產實踐中。文獻[4]設計了可借助磁力驅動的小型電解加工機床，避免了長傳動鏈的出現，極大地推動了電解加工技術的應用。文獻[5]成功研制出5 軸電化學加工機床，這些機床的可靠性和穩定性得到了一定的提高，文獻[6-9]對臥式電解加工機床進行模態分析、力學特性分析等研究，顯著提高了機床的剛性。此外，文獻[10-12]提出電解加工機床將朝著智能化和高精度方向發展。

文獻[13]設計了電解加工機床的密封裝置，實現了機床的精準定位和可靠密封。文獻[14-15]針對引電裝置，提出了創新見解，解決了不同工況下的引電難題。文獻[16]通過建立熱電耦合模型，得到電流和環境溫度對導電軸溫度場以及熱變形的影響規律，驗證了該導電軸能夠滿足實際加工需求。

導電軸是臥式電解加工機床的核心部件，導電軸軸體在工作中會產生大量的熱，結構發生嚴重變形，易出現燒蝕等情況。文中對臥式電解加工機床導電軸的溫度場進行研究，建立溫度數學模型，求解變量的影響因子，開展相應實驗進行驗證。

1 導電軸結構

導電軸結構設計采用工程系統化的思路，從導電軸的功能要求出發，通過分析電解加工技術過程，尋找導電軸結構設計途徑。

1.1 驅動系統

驅動系統可分為3 類：氣動、液動和電動。氣體驅動能夠輸出較大的推力，工作適應性好，要有相應的空氣彈簧裝置配套使用，工作速度穩定性極差，產生噪聲；液動輸出推力較大，工作平穩，抗干擾能力強，易于實現旋轉運動和往復運動，但其結構比較笨重，加工制造和配合裝配要求高；電動傳輸的信號具有速度快、靈敏度高等特點，安裝方便簡單，但僅適用于防爆要求不高的場所。基于系統復雜性和抗干擾性的考慮，選擇電動機作為導電軸結構直線以及旋轉進給運動的驅動系統。

交流伺服機具有工作穩定可靠、響應速度快等特點，但受環境影響大，供電方式也較復雜。直流伺服機具有調速范圍寬、力矩穩定等特點。但也面臨著結構復雜，維護不便等缺點導電軸結構應用于臥式電解加工機床，對電解加工的加工效率、零件精度和工作可靠性等要求較高，選擇直流伺服機作為驅動系統。

1.2 輔助支撐

導電軸軸體會隨驅動系統做直線以及旋轉運動，輔助支撐結構與導電軸軸體之間的摩擦損耗越小越好，旋轉式支撐結構如圖1 所示，主要由支撐組件、軸承和基座構成，支撐組件由上支撐橫桿以及兩側支撐拉桿組成，保證了結構的穩定性，使用螺栓、螺母以及墊片等結構進行連接，可實現導電軸軸體的精準定位，且整體結構便于拆卸檢修。

圖1 輔助支撐

1.3 密封結構

采用機械密封與軟填料密封結合使用的方式對主軸箱與電解液進液管連接處進行密封，密封結構原理如圖2 所示。機械密封為一級密封，主要由帶切口的動環與靜環組成，完成對導電軸結構旋轉運動的密封；二級密封為軟填料密封，在導電軸軸體回轉的過程中，軟填料會利用自身的可塑性，使其與導電軸軸體保持相對靜止，極大減小了軸體的磨損，選擇有機高分子硅脂、合成纖維混合形成的物質作為軟填料的材料，可滿足實際生產應用。

圖2 密封結構

1.4 引電方式

引電方式中，導電帶對扭轉運動有很大的局限性；溫升使水銀容易蒸發，對人體產生危害。導電滑環結構如圖3 所示，導電滑環的定子設計為環形結構，定子與旋轉動子之間用滾動軸承進行連接，旋轉動子與導電軸軸體接觸，一端用軸用擋圈對軸承進行固定，另一端則借助孔用擋圈進行密封，且旋轉動子靠近孔用擋圈處設置成階梯狀，方便對軸承的定位和固定。定子和旋轉動子分別加入通電線圈及電刷，旋轉動子借助電場力實現繞導電軸軸體的旋轉及軸向的進給，提高了旋轉動子的承載能力和旋轉精度，避免了軸向跳動。

圖3 導電滑環結構

碳刷結構如圖4 所示，碳刷靠自身的彈力和碳刷架的作用力固定在基板上，一端與導線進行連接，另一端與軸體相連，碳刷與導電軸軸體接觸周圍形成一層均勻穩定的氧化層薄膜，優化了導電性能，能量損耗較小。基板和導電銅排之間用螺栓螺母結構進行連接，該裝置可以改變基板和碳刷的數量，體現出較高的柔性。

圖4 碳刷結構

對兩種引電結構進行建模，如圖5 所示，導電滑環模型主要由導電軸軸體、旋轉動子、軸承、定子和底座支撐構成，碳刷引電模型的主要由引電銅排、碳刷、導電軸軸體、基板等構成。

圖5 仿真模型

對上述兩種模型進行仿真模擬，約束不同域的材料屬性，旋轉動子、導電軸軸體、引電銅排、基板的材料均為銅，底座的材料為大理石，具體參數設置如表1所示。

表1 材料參數

溫度場仿真所需的其他參數，例如恒壓熱容、密度等均來源于材料庫，設置工作電流為10 000 A，對流熱通量選項中環境溫度為25 ℃，對不同域連接處做網格細分處理，以提高計算效率和準確性，導電軸穩態溫度場仿真結果如圖6 所示。圖6（a）所示為導電滑環溫度仿真，最高溫度為142 ℃左右，出現在導電軸軸體上，最低溫度出現在底座附近；圖6（b）所示為碳刷引電方式的溫度仿真，最高溫度為75 ℃左右，出現在導電軸軸體以及靠近基板頂部的位置，最低溫度同樣出現在底座附近。出現這種情況的原因是，電流在導電軸軸體發生匯流，電流密度極高，軸體溫升顯著，碳刷引電方式中，引電銅排上的電流會流經基板，使基板溫度升高，而底座的材料為大理石，導致其溫升不顯著。導電軸溫度較高會導致局部電解液達到了沸點，影響電解液的電導率、電流效率等性能，嚴重時會使加工被迫中止，故選擇碳刷作為導電軸的引電方式。

圖6 仿真結果

1.5 整體結構

導電軸結構主要由碳刷引電裝置、密封裝置、輔助支撐和導電軸軸體等構成，裝配關系如圖7 所示，導電軸結構的絕緣性以及抗干擾性良好。

圖7 導電軸結構裝配圖

2 導電軸溫度數學模型

建立導電軸結構的溫度數學模型，在導電軸軸體仿真溫度最高處設置監測點，如圖8 所示，這些監測點主要分布在軸體表面。

圖8 監測點位置

研究不同參數下的溫度場分布規律，導電軸軸體內部與電解液接觸，相關參數設置為：密度1 110 kg/m3，動力粘度為7.193 8×10-4，速度為5 m/s，通過雷諾數判斷流體模塊為湍流。電解液的相關參數：電導率為21.4 S/m，相對介電常數為80。部分溫度仿真結果如表2和圖9所示。

表2 溫度仿真結果

圖9 不同條件下溫度仿真結果

2.1 SVM溫度模型

線性可分SVM 原理：在樣本變量形成的定義域內找到一個平面或超平面，使得樣本數據盡可能分開，同時要滿足兩類樣本數據之間分類面的距離為最大值，最終達到監測點溫度分類的目的。

取No.1 監測點溫度仿真結果形成觀測樣本，溫度觀測樣本都具有電流、環境溫度、電解液溫度3 個特征屬性，觀測樣本ti與特征函數gi構成相應的向量（ti，gi），其中i=1，2，…，108。特征函數gi=1時，代表溫度相對較高；特征函數gi=-1時，代表溫度相對正常。

尋找最優分類平面ωTT+b= 0，需要滿足條件：

式（1）稱為支持向量，該方程將溫度樣本進行分類，分成溫度相對較高和相對較低兩類。支持向量的樣本分類方程之間在空間上的距離為2/‖ ‖ω，將問題轉化為以空間距離為決策函數的最優化問題，將該二次規劃模型中求解最大值轉化為求解最小值，相應的SVM 數學模型則變為：

求解ω和b會得到相對應系數解的集合，尋找最優的ω*和b*，可得到分類函數。由于決策函數的數學模型為二次規劃，現引入廣義拉格朗日函數：

利用MATLAB 編寫線性可分SVM 數學模型，得到最優解ω*和b*，并對訓練樣本進行分類，根據程序計算得到的系數矩陣，可實現不同參數下監測點溫度的分類預測。

2.2 多項式溫度模型

SVM 溫度模型從定性的角度得到監測點溫度相對高低情況，不能反映參數對監測點溫度的影響水平。多元線性回歸模型可反映變量之間的關系，利用曲線擬合的原理、最小二乘法計算系數來構建變量之間存在的函數關系，并用區間估計或假設檢驗對模型進行評價。

現對No.1 監測點溫度進行交叉多元線性回歸模型的建立，進行交叉多元線性回歸模型的求解。結果如表3所示，以-1、0 和+1 分別代表自變量定義域內最大值、中間值和最小值，x1、x2和x3對監測點溫度影響均表現為顯著性，電流對監測點溫度的影響水平最大，電解液溫度對監測點溫度的影響水平最小。線性評價系數R2的值為1.000，預測的R2值也達到了0.999 3，該模型能夠很好的反應變量之間函數關系。

表3 交叉多元線性回歸模型

數學模型為:

分析自變量之間對決策變量的影響水平，分別繪制x1x2、x1x3與x2x3交互項實際溫度影響規律曲線，如圖10所示。從自變量及監測點溫度閾值來看，交叉項x1x3對監測點溫度影響水平最大，交叉項x2x3對監測點溫度影響水平最小，從側面也證明了工作電流對監測點溫度的影響水平最大，電解液溫度對監測點的溫度影響水平最小。

圖10 交互項的影響規律曲線

3 導電軸結構性能優化

按照導電軸監測點溫度影響程度，對導電軸結構進行優化。為降低環境溫度的影響，在主軸箱內設置降溫結構，如圖11 所示。該結構主要由水冷結構和風扇構成，整個原理：溫度較低的水通過水冷凝管，使附近的空氣場溫度發生變化，利用風扇使主軸箱內的空氣場充分流動，促進流場循環，達到主軸箱內環境溫度維持在較低的情況下，最終實現降低導電軸溫升的目的。

圖11 主軸箱結構

4 工藝試驗

對臥式電解加工機床的導電軸結構進行試驗，整個床身長度約為15 m，設置工作電流為15 000 A；電解液壓力為1.0 MPa；電解液溫度為30 ℃；環境溫度為25 ℃；進給速度為5 mm/min。加工過程中導電軸與工件的裝配關系如圖12 所示，工件與主軸箱之間靠螺紋進行連接，主軸箱隨進給裝置在軸線方向上發生位移變化，實現工具陰極的運動。

圖12 裝配關系

試驗樣件實物如圖13所示，經測量，工件的成型精度可達到±0.14 mm，表面粗糙度達到0.8 μm，滿足實際需求，所設計的導電軸結構滿足機床的工況。

圖13 試驗工件

5 結束語

文中針對臥式電解加工機床導電軸易發生燒蝕的問題，對結構、溫度場仿真等進行分析，并建立數學模型，主要結論如下。

（1）通過建立電解加工機床導電軸的有限元物理模型，得到約束工況下，不同導電軸結構的溫度場分布規律，提出了一種基于碳刷引電方式的導電軸結構。

（2）建立基于支持向量機算法和多項式算法的溫度數學模型，分別從定性和定量的角度分析變量之間的影響關系，通過求解監測點溫度在約束條件下的最優解以及參數的影響因子，實現預測監測點溫度的目的，電流對監測點溫度的影響水平最大，電解液溫度對監測點溫度的影響水平最小。

（3）在主軸箱內設置降溫結構，促進流場循環，將主軸箱結構應用于臥式電解加工機床，開展性能測試試驗，工件成型精度可達±0.14 mm，表面粗糙度達到0.8 μm，滿足實際需求，結果驗證了導電軸結構的可靠性，并為工程實踐提供了理論研究方法。