脉冲电解加工范文

脉冲电解加工范文（精选7篇）

脉冲电解加工 第1篇

随着微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS) 的发展, 微型复杂结构金属器件的应用范围越来越广, 如生物医学和航空领域, 因此微细加工技术成为现代工业的一个热点问题。目前, 微细加工技术包括光刻技术, 电火花加工, 超声加工和微细电化学加工等等。微细电化学加工是一种电化学分离加工, 它拥有无工具损耗、无加工应力、加工表面质量好和加工复杂结构能力等优点[1,2,3]。在电化学加工过程中, 材料的去除是利用电化学反应以离子尺度进行, 金属离子的尺寸在0.1 nm甚至更小, 因此这种微去除方式使得电化学加工技术在微米、纳米制造领域有着很大的发展潜能[4]。

通过对超窄脉冲微细电解加工过程的分析, 当脉冲频率提高到几十兆赫兹, 脉宽减小至纳秒级时, 将小间隙电解加工、低浓度电解液、间歇加工去极化、极间间隙的实时检测和阴极进给的反馈控制等提高电解加工精度的方法综合运用, 从而实现纳米、亚微米级的微细电解加工。用超窄脉冲电流能够实现纳米、亚微米的微细电化学加工, 其关键因素在于:脉冲电源的脉冲宽度缩小到纳秒或皮秒级时, 电极表面双电层的极化被局限在了电极端部数微米的加工区域内, 利用双电层的空间约束来控制电化学加工的形状精度与尺寸精度, 从而显著提高加工的微细程度和加工精度[4,5]。由此可见纳秒级脉冲电源对于微细电解加工有重要意义。

1 电源的总体设计

纳秒级脉冲电源的设计关键在于控制高频脉冲的产生。旧有的设计方法通常采用单片机来发送脉冲信号, 而单片机的固有缺点是晶振频率较低, 对于需要产生纳秒级脉冲难以实现。而FPGA拥有基准晶振频率较高、高速并行处理能力强、内部配置灵活的特点, 能够产生频率较高的脉冲信号, 且对于反馈信号的处理灵活迅速, 适合用以设计纳秒级脉冲电源。

电源的整体结构框图如图1所示。主要设计思路分为主电路、控制电路和检测电路三部分。主电路由LM317芯片负责调压, 控制电路由FP⁃GA控制脉冲发送, 检测电路监察电路的短路情况反馈给FPGA执行相应关断回退指令。

(1) 主电路

主电路主要采用LM317芯片来调节电压。该芯片是三端可调正极性电压调节器, 可调范围从1.2~37 V。该芯片简单易用, 通过调节两个外接电阻的比值来调节输出电压, 此外还提供内部限流和热关断等功能。主电路如图2所示。

经过前面的变压整流滤波后LM317的输入端得到15 V的直流电压, 输出的电压根据下列公式可得:

通过调节可调电阻R2可以改变输出电压。

(2) 控制电路

控制电路主要由FPGA控制, 通过FPGA内部编程产生高频脉冲, 因FPGA的输出为3.3 V, 驱动MOSFET的能力太弱, 所以输出脉冲需外加一个运算放大器使其电压放大, 经过放大后的脉冲用以开通和关断MOSFET, MOSFET对主电路斩波后得到脉冲电压。该电源的脉冲最高频率为5 MHz, 运放接成5.7倍放大得到电压为18.8 V, 由此可得所需最小压摆率为94V/s。运放采用AD公司的AD818集成运算放大器, 该运放属于电压反馈类型, 适合信号频率在10 MHz以下的系统使用。该运放的增益带宽积为130 MHz (G=+2) , 压摆率为500 V/μs, 符合设计要求。MOSFET采用AO6602, 其主要参数:ID为3.1 A, VGS为±20V, VDS为30 V, 开通延迟时间为3.4 ns, 关断延迟时间为13.2 ns, 均满足设计的要求。电路如图3所示。

(3) 检测电路

一般的比较常用的检测方法为利用霍尔传感器检测电流情况, 但由于霍尔传感器的检测频率太低, 一般为200 k Hz~300 k Hz左右, 最高一般不超过1 MHz, 而本文设计的电路最高频率为5MHz, 所以采用霍尔传感器作检测的方法不适用与本电源。本电源的检测方法为通过三极管的开关来反映真实加工时负载脉冲的情况, 在负载两端接一个三极管, 三极管的开关情况由负载的脉冲决定, 在该情况下只需检测三极管的开关状态就可判断负载脉冲的情况。检测电路原理如4所示。

检测输出的信号Sig_Out与负载脉冲的频率相同, 当加工短路时Sig_Out持续输出高电平, 根据对Sig_Out对低电平的计数个数可确定电路是否短路。

2 控制逻辑设计

控制逻辑的设计主要分为两部分: (1) 控制脉冲的发生; (2) 短路反馈检测控制。整个的逻辑控制由FPGA来实现, 通过对FPGA的编程实现各个功能模块。采用Altera公司的EP4CE15F17C8系列的FPGA, 基准时钟为50 MHz晶振, 通过对基准时钟的倍频能过得到更高的频率。

(1) 控制脉冲的编程实现

因为该FPGA的基准时钟只有50 MHz, 所以最小计数单位为20 ns, 对于当脉宽达到100 ns以下的脉冲来讲, 占空比调节的分辨率就会太低, 因此必须对基准时钟进行倍频。在FPGA中可以通过自己编程和调用PLL两种方法来进行倍频, 因调用PLL的方法简单易用、调节参数方便, 所以本设计采用调用PLL的方法倍频。在FPGA的设计软件QuartusⅡ中调用PLL文件, 在其中设定倍频的指数因子, 对该时钟实行4倍的倍频使其频率达到200 MHz, 最小计数单位变为5 ns, 当脉宽达到100 ns以下时仍能有较宽的调节范围。在程序设计中设定两个寄存器A和B, A寄存器代表频率, B寄存器代表占空比, 通过调节这两个寄存器的赋值就可以调节输出脉冲的频率与占空比。程序在初始化后先检测检测模块的反馈信号Feedback, 若反馈信号Feedback为1则说明电源处于短路状态, 使输出为0, 关断MOSFET的驱动, 若反馈信号Feedback为0则说明电源处于正常状态, 开始进入脉冲计数状态。开始计数前将输出置1, 然后开始使寄存器Count对基准时钟计数, 当计数值达到B寄存器的赋值时, 使输出置0, 然后继续计数。当计数值达到A寄存器的赋值时, 使输出置1, 然后清空寄存器Count的计数值再重新计数。当计数值达到B寄存器的赋值时又再使输出置0, 如此类推地进行循环, 最后输出频率为, 占空比为的脉冲方波。最终输出的波形如图5所示, 脉冲频率为5MHz, 脉宽为80 ns, 电压为10 V。

(X轴方向刻度一格80 ns, Y轴方向刻度一格5 V)

(2) 检测控制的编程实现

在实际的加工中由于各种的干扰会导致很多短路信号是伪短路信号, 必须对检测到的短路信号进行识别区分。这种伪短路信号的维持时间非常的短, 通常都是在某一瞬间出现, 所以可以设定一小段定时来进行区分。本文设定用以区分的时间为1 ms, 当短路信号维持时间小于1 ms时, 系统认定为干扰信号, 电源继续输出加工;当短路信号维持时间大于1 ms时, 系统认定为加工短路, 立即切断电源并发送信号到上位机使工具电极回退。

将在三极管集电极和发射极两端检测到的信号发送到FPGA中, FPGA根据检测到的信号的高低电平进行计数, 当电源正常加工时, FPGA检测到的是脉冲信号;当电源短路时, 三极管的基极输入为低电平, 三极管关断, 集电极端一直输出为3.3 V的高电平。在程序中设定一个检测寄存器Count_Out在定时1 ms内对检测到的低电平数计数, 若正常加工或有干扰时, 在1 ms内的低电平数不为0;若电源短路时, 在1 ms内对低电平检测到的个数为0。程序的设计流程如图6所示。

初始化后设定寄存器Count1对基准时钟计数且寄存器Count_Out对检测到的低电平计数, 当Count1计数值达到定时1 ms后, 查询Count_Out中的计数值并且清零Count1, 若Count_Out中计数值不为零, 将反馈信号寄存器r Feedback置0;若Count_Out中计数值为零, 将r Feedback置1, 最后将r Feedback中的值赋值给反馈信号Feedback, Feedback为0, 电源继续正常输出加工, Feedback为1, 脉冲发送模块关断, 切断电源。

3 结语

本文结合微细电化学加工的发展趋势, 设计出了适合于微细电化学加工的电源。电源整体采用直流加斩波的方式, 斩波部分应用FPGA芯片进行脉冲发送的控制, 依靠FPGA内部高频时钟信号的特点, 使控制脉冲信号能够达到较高频率, 从而使MOSFET在高频下对直流部分开通和关断, 输出高频的脉冲电压。同时检测信号的处理在FPGA的内部进行, 能在很短的物理延迟时间内完成。而且由于使用了FPGA芯片, 代替了以前旧有的外围电路, 缩小了电源的整体体积, 且使用灵活方便, 日后升级换代比较简单, 只需要重新对FPGA编程即可。

参考文献

[1]徐家文, 云乃彰, 王建业, 等.电化学技工技术:原理、工艺及应用[M].北京:国防工业出版社, 2008.

[2]B.Bhattacharyya, J.Munda, M.Malapati.Advancement of electrochemical micro-machining[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture, 2004, 44:1577-1589.

[3]Liu Yong, Zhu Di, Zeng Yongbin, et al.Experimental Investigation on Complex Structures Machining by Elec trochemical Micromachining Technology[J].Chinese Journal of Aeronautics, 2010, 23:578-584.

[4]张朝阳, 毛卫平, 陈飞.纳米、亚微米的超窄脉宽微细电化学加工[J].微纳电子技术, 2009, 46 (11) :684-690.

脉冲电解加工 第2篇

关键词：活动掩模,脉冲电解,均匀性

0引言

随着航空航天技术的发展,薄板群孔零件的应用日趋增多,群孔类零件在航空航天、仪器仪表等诸多领域广泛应用。比如航空发动机空气阻尼套、冷气导管等。在航空航天领域,钛合金材料应用广泛,但是由于钛合金材料的特殊性,在大面积钛合金材料薄板上加工海量群孔一直是个技术难题。因此,研究出一种可以高效率、高精度、低成本、稳定性好的钛合金薄板海量群孔工件的加工方法已迫在眉睫。各种加工方法都有各自的特点和适用性,加工方法的选择,要根据加工材料、加工形状、尺寸精度、生产批量等因素综合考虑。采用机械加工技术加工群孔零件加工效率高,加工品质好,但是在加工薄壁密集群孔零件时可能会产生 累积变形。同时钻头 过热易导 致零件烧 伤[1,2]。电火花加工技术和激光加工技术可以快速高品质地加工出薄壁群孔零件,但其加工出的零件存在热影响区,这限制了其在航空航天领域的发展。电液束加工技术可以加工出高精度的群孔零件,但该技术通常用于加工孔径小于1 mm的群孔,不适用于加工孔径更大的群孔零件[3,4,5,6,7]。管电极电解加工技术可以加工出深径比较大的群孔零件,但该技术需要复杂的均流装置,成本较高,不适合大面积群孔零件的加工[8]。照相电解加工技术加工群孔零件时复制精度高,加工效果好,但是需要专业的光刻设备和专业人才,成本较高,同时长时间浸泡的光刻胶容易脱落,导致加工 失败,不适合大 面积群孔 零件的加 工[9,10,11,12,13,14,15]。活动掩模脉冲电解加工是基于电化学阳极溶解理论,利用模板的选区限制工件蚀除的区域,在工件上加工出与模板上的群孔区域相似结构的一种特种加工工艺。 采用直流电源的活动掩模电解加工技术加工钛合金薄板群孔时产生的热量大,导致小孔表面品质及孔径均匀性较差[16,17,18]。文中主要研究活动掩模脉冲电解加工技术加工群小孔结构的方法。

1实验原理

活动掩模电解加工又称为双阴极掩模电解加工。其主要特征是电源负极同时连接金属板阴极和模板导电层阴极,使两个阴极同时作用于被加工表面产生电场,工件表面未被模板屏蔽的小孔部分被电化学蚀除,直到加工成所需形状和尺寸[19,20,21,22,23,24]。

图1为活动掩模双面加工的原理图。模板紧贴在工件的两侧,模板上的小孔需要对心,即在工件上、下两面同时加工,这样有效地提高了加工精度、加工效率并减小了孔的锥度: 因此活动掩模电解加工技术常用来加工薄板群孔零件。

2试验研究

2.1加工工艺流程

活动掩模脉冲电解加工阵列群孔零件的工艺流程如图2所示。

1) 工件毛坯设计: 在活动掩模电解加工中工件毛坯的设计主要是为了便于工件的装夹和定位使工件具有较高的位置精度。

2) 夹具设计制作: 根据工件毛坯和工件最终加工成型时的尺寸设计夹具。夹具设计分为流道的设计和定位区的设计,夹具通常使用304不锈钢材料制作。

3) 模板设计制作: 电解加工使用的模板通常是覆铜板。电解加工模板是按照电解加工专用夹具和工件毛坯的形状设计的,模板上群孔的加工精度直接影响加工品质。因此,模板上群孔的加工精度是模板制作好坏的评判标准。同时,加工时双面模板上的孔需要对心紧贴工件。 所以在模板上钻孔前,需要将两张覆铜板的环氧树脂面一侧区域用AB胶粘牢。

4) 工件装夹: 装夹时先将模板固定在下夹具上,再将工件放在两层覆铜板间固定好,最后夹紧夹具,并确认工件的接电块是否压紧。

5) 参数设定: 工件装夹好之后,打开电解液泵并调节电解液压力,之后打开电源开关并调节电源参数。

6) 电解加工: 参数设定好以后按下接通开关开始电解加工并最终加工出所需的群孔零件。

2.2群孔加工品质的评估方法

试验从群孔的表面品质、孔径尺寸均匀性以及群孔的锥度三个方面对模板电解加工后的群孔品质进行检验。加工后的小孔侧壁简化图见图3,群孔的锥度由式( 1) 求得:

式中: θ ———孔的锥度/°;

D1———孔的小径/mm;

D2———孔的大径/mm;

T ———工件厚度 / mm。

群孔孔径尺寸均匀性用群孔孔径标准差表示为:

式中: S ———孔的标准差/mm;

Di———某一个孔的平均直径 /mm;

 ———群孔的平均直径/mm;

N ———群孔数量。

3试验分析

3.1电解液温度对加工结果的影响

电解液是影响电解加工效果的重要因素,对电解加工精度、表面品质以及加工效率均有影响。其中,电解液温度对电解加工活性,加工效率和加工品质有重要影响。实验采用5% Na NO3和5% Na Cl的混合电解液,对TC4材料工件进行电解打孔加工。电解加工需要在一定范围的温度下进行。在此,试验了5组不同的电解液温度下的加工效果,分别是: 30 ℃ 、35 ℃ 、40 ℃ 、45 ℃ 、50 ℃ 。加工的孔的形貌如图4。

从图5可以看出,电解液温度为45 ℃ 时,加工速度较快,加工均匀性较好。加工速度随电解液温度的提高而加快,在电解液温度为35 ℃ ~ 45 ℃ ,群孔孔径均匀性随电解液温度的提高而变好,群孔平均锥度随电解液温度的提高而变小。由于电解加工温度较高时,电解液挥发速度加快,致使无法完成长时间稳定加工。因此选用45 ℃ 的电解加工温度为宜。

3.2电源脉冲频率对加工结果的影响

在活动掩模脉冲电解加工中,电源的脉冲频率影响着电解加工速度、加工品质以及对加工过程的控制。选用适当的脉冲频率可以有效提高加工表面品质和精度以及加工效率。

图6为加工电源脉冲频率分别为200 Hz,400 Hz, 600 Hz,800 Hz和1 000 Hz下的群孔加工效果图。使用同一加工电压进行的群孔加工,加工电源脉冲频率的不同导致电解加工区域温度不同以及产物排出能力的不同,适当降低加工电源脉冲频率能带走加工产物,有利于提高加工品质并保证电解加工均匀性。

由图7可以看出,在脉冲频率超过400 Hz后,群孔的孔径标准差和平均锥度随着脉冲频率的增加而增大。在其他参数一定的情况下,加工电源脉冲频率增加,致使电解加工区域的电解液不能有效排出加工产物,电解加工区域的温度过高,从而使加工品质较差,加工均匀性较差。 由于在满足电解液冲刷时间的情况下,加工电源脉冲频率的提高可适当提高加工品质,因此选用400 Hz的脉冲频率。

3.3电源占空比对加工结果的影响

在大功率的电解加工中,加工电源的占空比对加工品质和加工效率有着重要的影响。采用较小的占空比可以使电解液在脉冲间隙期间有效地排出电解加工产物并降低加工区域的温度; 但另一方面,采用较高的占空比可以提高加工效率。为此,需要研究脉冲电源的占空比对加工效果的影响。图8分别为占空比为15% ,20% ,25% ,30% 加工出的小孔图。

从图9可见,当占空比为15% 时,由于阳极工件刚刚被击穿,在加工时间内不足以加工出规定孔径范围的孔, 因此其锥度以及孔径均匀性较差。当占空比继续提高,其加工速度也随之线性提高,较大的加工电源占空比加工速度较快,但加工品质较差,加工均匀性不好; 选择较小的加工电源占空比,电解液能很好的更新,加工产物及时得到排出,加工的气泡和反应热也能被电解液带走,加工区域的流场和电场比较稳定,从而使加工后的群孔孔径均匀性以及群孔平均锥度均有较大改善,但加工速度较低。为得到较好的加工品质和较快的加工效率,选用20% 加工电源占空比。

3.4加工参数的优化

选取适当的参数对实验的加工结果有重要影响。经过以上分析,进行参数优化。选用电解液温度45 ℃ ,电源脉冲频率400 Hz,脉冲占空比20% ,每次能加工3排孔, 经过多次分步加工,在TC4薄板上加工出如图10所示的大面积群孔。

4结语

介绍了用活动掩模脉冲电解加工技术加工钛合金大面积阵列群孔的方法,研究了电解液温度、电源脉冲频率及电源占空比对群孔的锥度和尺寸均匀性的影响,得到如下结论:

1) 加工速度随电解液温度的提高而加快,在一定温度范围内加工均匀性随电解液温度的提高而变好。当温度过高时,电解加工的电流增大,易导致加工状态不稳定, 加工孔径均匀性无法保证。因此,选用45 ℃ 的电解加工温度能达到较好的加工表面品质和精度。

2) 在纯钛薄板上加工海量群小孔时,电源脉冲频率影响加工速度,降低脉冲频率可以提高加工效率,但是过低的脉冲频率易使小孔各区域加工均匀性变差,过高的脉冲频率影响电解液对加工产物和气泡的冲刷,不易保持一定的加工温度以至于加工品质较差: 因此,加工时选用适中的脉冲频率。

脉冲电解法制备金属镍的工艺研究 第3篇

关键词：脉冲电解,镍,制备

脉冲电解法是一种新兴的制备金属材料及成型加工的技术,与传统的直流电解法相比,脉冲电解法可加快金属的沉积速度,提高电流效率,获得结构致密且平滑光亮的金属材料[1]。

由于脉冲电解所具有的这些优点,人们对它的研究也逐渐增多,尤其是近年来国内外电化学工作者对金属的脉冲电镀进行了广泛而深入的研究,但是,脉冲电解方面的研究工作却相对开展得很少,尤其是镍的脉冲电解制备,未见报道。本文讨论了脉冲参数对电解制备镍质量的影响,确定了合适的脉冲电解参数,得出了最佳脉冲电解工艺条件,为改变传统直流电解制备镍工业打下基础。

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

仪器:SMD-30脉冲电源,M-2A型金相预磨机,SL-POP型激光粒度分析仪,KYKY-2800型数字化扫描电子显微镜,CS101-1EB型加热鼓风干燥箱。

试剂:镍电解液体系(自制),电极(自制),H3BO3:35gL-1,(NH4)2SO4:10～50gL-1,NaCl:30gL-1,甘油,尿素等添加剂和杂质适量。

1.2 实验结果与讨论

1.2.1 电流密度的选择

电流密度是镍电解精炼的关键参数。应该充分注意电流密度对阴极沉积物结构的影响,电流密度过高可能出现枝晶和海绵状沉积物,电流密度过低则可能使电结晶粗大[2]。

脉冲电流法电解精炼镍利用脉冲电源的瞬时脉冲,可以产生瞬时很高的电流,有利于晶核的形成,同时由于脉冲电解时脉冲宽度时间很短,脉冲间隔时间较长,因而消除了浓差极化[3]。实验结果见表1。

从表1可以看出,在占空比为1∶1的情况下,平均电流密度若超过600 Am-2,将得不到较好的镍沉积层。并在该实验条件下,对不同电流密度下阴极沉积出的镍粉进行粒度分布测试。

在占空比为1∶1,ton=10ms,平均电流密度为600Am-2时阴极沉积出的镍粉平均粒度为5.82μm,有90%颗粒粒径小于7.81μm。阴极沉积出的镍粉颗粒粒度在1.79～8.14μm之间,粒度分布较均匀。

在占空比为1∶1,ton=10ms,平均电流密度为800Am-2时阴极沉积出的镍粉平均粒度为13.95μm,有90%颗粒粒径小于18.58μm。阴极沉积出的镍粉颗粒粒度在3.51～22.4μm之间,粒度分布不均匀。

为了研究高电流密度下电解精炼镍,实验选择平均电流密度为600Am-2,在该条件下对脉冲电解的占空比进行研究。

1.2.2 占空比的选择

实验中选择平均电流密度为600 Am-2,观察不同的占空比对阴极镍表面沉积的影响,结果见表2。由表2可知最佳占空比为1∶3。

选择不同的占空比,不同的脉冲宽度,观察阴极镍的表面沉积状况,结果见表3。

从表3可以看出,占空比为1∶1时,ton=6ms阴极镍沉积层表面较好;占空比为1∶2时,ton=6～8ms阴极镍沉积层表面较好;占空比为1∶3时,ton=4～8ms阴极镍沉积层表面好。

占空比为1∶2,不同脉宽,阴极镍沉积形貌放大500倍时,ton=2ms阴极镍沉积层的结晶颗粒粗大,沉积效果不好,ton=6ms和ton=8ms阴极镍沉积颗粒小,结晶颗粒多而细小,沉积层表面较好。

1.2.3 占空比和电流密度对镍结晶粒度的影响

保持其他实验条件不变,改变占空比和电流密度,对不同占空比和电流密度下的阴极沉积出的镍粉进行了粒度分布测试。

通过对不同占空比和电流密度下的阴极沉积出的镍粉粒度分布进行比较,得出以下结论:

(1)在相同电流密度下,不同占空比所制得的镍粉平均粒度和粒度分布不同,在占空比为1∶3时制得的镍粉平均粒度较小且粒度分布较均匀。

(2)在占空比相同时,不同电流密度所制得的镍粉平均粒度和粒度分布不同,在电流密度为600Am-2时制得的镍粉平均粒度较小且粒度分布较均匀。

(3)在电流密度相同的条件下,脉冲电解所得到的阴极镍,无论是平均粒度大小还是粒度分布均匀状况,都优于直流电解所制得的阴极镍。

1.2.4 电解液中硫酸铵用量对阴极镍沉积的影响

硫酸铵在电解液中起着增加导电性和防止镍生成胶体状氢氧化镍的作用[5]。由图1可知,适宜的硫酸氨浓度为35～45gL-1。

1.2.5 极间距对阴极镍沉积的影响

在其它实验条件不变,极间距增大,溶液电阻增加,能耗加大,且阴极镍表面出现枝状结晶,这可能是由于极间距离增大,有的镍离子在还没有到达阴极表面就开始还原出来,从而导致在镍的表面上有新的结晶点,还原出来的镍在这个新的生长点逐渐沉积越来越多,最终形成颗粒状和枝状结晶[6]。极间距适宜的范围应在4～6cm之间。

采用扫描电镜对不同极间距时电解镍的形貌进行了表征,极间距为2cm,沉积颗粒不均匀,疏松;极间距为4cm,镍沉积层均匀,致密,表面无大的突起,沉积层有纤维状;极间距为8cm,沉积颗粒粗大,有空隙,可能存在点缺陷[7]。

1.2.6 添加剂对阴极镍沉积的影响

镍电解精炼时,使用的添加剂通常有尿素、甘油、氯离子等[8]。添加剂的主要作用是在电极表面产生活性吸附,使电极表面突出的晶粒部分较其余部分导电性差[9],从而使阴极镍沉积电流变小,对镍沉积起明显的极化作用,遏制了镍结晶的过度生长。实验中选择了添加剂用量的不同组合,结果见表4。

数据表明添加剂的最佳用量为:氯离子3.0mgL-1,尿素0.25 mgL-1,甘油0.5mgL-1。

2 结论

脉冲电解技术制备金属材料及成型加工具有很多优点,但由于脉冲电源在研制和生产方面仍然有很大的差距,昂贵的电源设备使得这种方法不适宜在中小型企业实际生产中应用。

因此,在未来的研究中,一方面应研制出性能稳定,输出精确,大功率,高性能价格比的脉冲电源。另一方面应进一步加强脉冲电解加工的机理研究,改善加工速度,提高电解效率,完全有可能把高电流密度脉冲电流法电解应用到实际生产中去。

参考文献

[1]Li Yong,Zheng Yunfei,Yang Guang,et al.Localizedelectrochemical microm-achining with gap control[J].Sensors and Actuators A,2003,108:144-148.

[2]徐如人,庞文琴.无机合成与制备化学[M].北京:高等教育出版社,2001.189-190.

[3]徐赛生,曾磊,张立锋,张炜,张卫,汪礼康.脉冲时间参数对电沉积铜薄膜性能的影响[J].中国集成电路,2007,(1):52-56.

[4]朱瑞安,郭振常.脉冲电镀[M].北京:电子工业出版社,1986.259-260.

[5]姜艳,谢刚,李荣兴.电解工艺对电解镍粉阴极电流效率的影响[J].中国稀土学报,2006,(24):272-274.

[6]杨绮琴,方北龙,童叶翔.应用电化学[M].广州:中山大学出版社,2000.163.

[7]王鸿建.电镀工艺学(修订本)[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1995.159.

[8]周绍民.金属电沉积——原理与研究方法[M].上海:上海科学技术出版社,1987.

脉冲电解加工 第4篇

随着微电子器件的高频集成,微细电解加工得到广泛的研究和运用。微细电解加工是一种特种加工技术,是以加工工具为阴极,被加工工件为阳极,阳极以离子的形式发生阳极溶解,来获得与阴极形状相同的微结构。微细电解加工是非接触式加工,具有工具电极无损耗、加工范围广、加工表面质量好、无残余应力等优点[1~4]。电解液循环系统是微细电解加工机床的关键组成,不仅要为电解加工持续供应具有足够压力和流量的电解液,还要使自身维持恒定的温度和一定的电解液浓度,电解液温度和浓度恒定是电解加工一致性和重复精度的保证[5,6]。特别地,电解液泵通常是采用抗腐蚀离心泵,第一次启动前需要自动灌注电解液,暂停期间又不能让回路中的电解液回流,以免再次启动时仍需灌注电解液。因此,面对电解液循环系统多环节控制问题,其控制系统显得尤为重要[7~10]。

针对电解加工电解液循环系统多环节自动控制问题,本文设计了一种基于PLC的电解液循环控制系统。首先,介绍了电解液循环系统的工作原理,然后,搭建了控制系统的硬件构架,最后,实现了控制系统的软件详细设计。

1 电解液循环系统工作原理

电解液循环系统如图1所示。在系统运行前,在电解液箱内装入约2/3体积的电解液,将离心泵灌满电解液,打开电解液中的开关阀。自然状态下,二相二通电磁处于关闭状态,故离心泵内的电解液在大气压作用下不会流失。开启PLC控制系统,搅拌器开始旋转搅拌,温度传感器开始检测电解液温度,电导率仪开始检测电解液电导率。如果温度低于设定值,则加热棒工作,加热至温度达到预设值为止。如果电导率不符合设定值范围,则需要重新配置电解液,知道满足要求为止。当电解液温度和电导率都满足要求后,PLC自动控制电磁阀打开和离心泵启动运行。

电解液从吸液口经过滤器吸入泵中,由离心泵以一定的压力和流量打出,经过精过滤器、流量计、稳压阀、压力表等元件进入电解加工工作箱,参加电化学反应后的溶液,经过滤回流到原来的电解液箱。随着反应的进行,溶液的电导率会发生变化,这种工艺参数的变化会影响加工效果和产品的一致性。根据电解液的不同,电化学反应后一般出现水分的减少或溶质的减少两种情况,导致电导率下降或上升。系统中有两个补料箱,分别装有去离子水和高浓度溶液,通过PLC分别控制电磁开关阀1YA或2YA的开启和关闭,来定量补充水分的减少或溶质的减少。由于散热影响,当电解液温度低于设定值,PLC将控制加热棒通电加热,当温度达到预设值后,PLC控制加热棒断电。这样就实现了维持电解液温度和电导率的恒定控制。

在加工需要暂停更换工件,控制泵停止运行,同时控制3YA断电,使电磁阀处于闭合位置。这样做的好处是:可以避免液体回流,省去离心泵再次启动时需要灌注电解液的麻烦。当需要结束使用时,控制PLC各输出量断电复位后,再控制电磁阀开启并延时20秒后关闭,使系统管路内残留电解液全部回流到电解液箱。

2 控制系统硬件设计

根据电解液循环系统工作原理可知,其控制系统主要控制功能为起始动作顺序控制、温度恒定控制、电导率恒定控制、泵的二次启动控制,如图2所示。

电解加工环境恶劣,温度高,某些甚至散发腐蚀性气体,所以,特定环境下的控制系统硬件需要考虑诸多因素,如响应速度、抗干扰能力、系统稳定性、控制功能、参数修改柔性和整体经济性等。本文设计的电解液循环控制系统硬件构架如图3所示。以PLC为控制核心,输入为温度传感器、电导率仪,可以通过PLC的人机交互界面管理时间、温度和电导率的预设值修改。输出为泵开关、搅拌开关、加热开关、泵出口电磁阀及两个加料电磁阀。具体地,本文根据实际需要,控制系统选用FX2N系列PLC,型号为FX2N-16MT-D,它是具有16个I/O点基本单元的晶体管输出型PLC,使用24V直流电源。模拟信号需要经过A/D转换模块转换为数字量,才能输入PLC,因此选择A/D转换模块FX2N-4AD转换前向通道的模拟量。温度传感器选择耐腐蚀的T110型数显温度计,电导率仪选择CM-230型。输出开关量接电磁铁或继电器。

3 控制系统软件设计

3.1 控制流程设计

根据电解液循环系统的工作原理和功能要求,设计了控制系统程序流程图,如图4所示。系统开启后,首先检测温度和电导率值是否在设定值的范围内,如果不是,则进行相应的调整。温度不够就控制加热,水分缺少就补充去离子水,溶质缺少就补充高浓度溶液。完成参数的恒定控制后,启动泵运行,进行电解加工。在加工过程中不断控制两参数的恒定。如果需要更换工件,可以暂停运行。

3.2 PLC的I/O地址分配

在不考虑触摸屏的传统分配时,给出了PLC上的I/O点地址分配,如表1所示,对应的PLC外部接线图,如图5所示。三个按钮输入元件,在触摸屏的引入后可以虚拟到触摸屏人机交互界面中。

3.3 PLC程序梯形图设计

PLC最常用的编程语言是梯形图和指令表。根据程序流程图或者功能图可以很容易设计出PLC程序梯形图,并且可以转换为指令表程序。采用GX Developer模拟调试软件可进行计算机编程和调试,然后很方便的将程序写入到PLC中。该控制系统程序梯形图,如图6~图8所示。合并起来即整个程序梯形图。

4 结论

1)针对电解加工电解液循环系统多环节自动控制问题,本文设计了一种基于PLC的电解液循环控制系统,该控制系统主要控制功能为起始动作顺序控制、温度恒定控制、电导率恒定控制、泵的二次启动控制。

2)电解液循环控制系统通过PLC对温度传感器和电导率仪的检测数据与设定值进行比较,来实时控制加热棒和加料系统的启闭,保持电解液温度和浓度保持恒定;并同时控制搅拌器、离心泵、电磁阀的启闭,实现电解液循环系统的多环节自动化控制。

参考文献

[1]范植坚,杨森,唐霖.电解加工技术的应用和发展[J].西安工业大学学报,2012(10):775-784.

[2]李江伟,施小婧.微尺度金属零部件特种加工技术的研究进展[J].电子制作,2013(02):156-159.

[3]应俊龙.电解加工技术研究现状[J].江西化工,2014(01):262-264.

[4]朱树敏,陈远龙.电化学加工技术[M].北京:化学工业出版社,2006.

[5]贾文娟,兰卉,李红志.三电极电导率传感器测量电路的研制[J].海洋技术,2013(03):33-36,45.

[6]王振起.PLC在恒温恒压控制系统中的应用[J].数字技术与应用,2013(06):1-3.

[7]袁琦.现代电气控制与PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2011.

[8]李伟光,聂小军.基于PLC的脉冲电场控制系统的研制[J].机械设计与制造,2012(04):127-129.

[9]廖常初.PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2008.

脉冲电解加工 第5篇

1 不锈钢的物理力学特性

不锈钢的主要特征是抗蚀性和抗氧化性优于结构钢,不锈钢的基本合金元素是铬(Cr)或铬-镍(Cr-Ni),分别构成Cr系及Cr-Ni系不锈钢。Cr是形成不锈钢抗蚀性的重要元素。含12%Cr的钢在大气和氧化性电解质条件下,呈现良好的钝化,具有良好的室温、高温抗蚀性与中温抗氧化性。含Cr越高,抗蚀性和抗氧化性越高。

不锈钢具有优良的冷变形加工性,室温及高温的高塑性和韧性。

不锈钢一般导热性差,弹性模量低,伸长率及断面收缩率大。

2 用砂轮磨削加工不锈钢

磨削不锈钢,磨屑极易附在砂轮表面上,使磨粒失去切削作用。增大砂轮与磨削表面的摩擦,增大磨削力及磨削温度,使加工表面完整性恶化。

砂轮堵塞的种类很多,不同的工件材料和加工条件所产生的堵塞状态各异,分类方法也不同。嵌入型堵塞主要是磨屑机械地侵嵌在砂轮空隙里,其中磨屑与磨粒之间并无化学粘着作用发生。粘着型堵塞的形成过程是:首先在磨屑和磨粒之间产生化学粘合,然后磨屑之间在机械力和压力作用下相互熔焊,形成了粘屑型堵塞。砂轮工作面及空隙处,既有嵌入型堵塞又有粘着型堵塞时,这种堵塞状态称为混合型堵塞。磨削不锈钢时为混合型堵塞。

磨削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)时,可看到磨屑粘熔结在一部分磨粒和结合剂上,其表面有清晰的磨削挤压过的痕迹,成层状的磨屑已将磨粒完全包住。此外,也可以看到长的磨屑嵌在比较大的空隙中。

磨削不锈钢时砂轮堵塞的机理主要有以下几点:

(1)在磨削过程中,由于磨削温度的作用,易生成TiO2和Ti2O3,这种氧化物硬度与刚玉砂轮基本相当,这种硬度一致的材料在高温、高压下易产生粘合现象。

(2)氧化物Ti2O3和刚玉Al2O3晶体结构相同,点阵参数相近,所以Ti2O3和Al2O3之间有很好的亲和力。

(3)Ti元素化学活性大,易和碳、氮、氧生成化合物,这种化合物又易形成一种钛酸铝的固溶体Al2O3、Ti2O3,使钛与刚玉有了较强的结合,形成了新的化合物。

(4)钛的氧化物和刚玉的热膨胀率很接近,更提高了对刚玉粘附的可靠性。

由于以上原因,使不锈钢在磨削时,砂粒与磨屑之间极易产生化学粘合现象,造成砂轮堵塞。当磨粒刃口被第一层化学粘附层包住后,大大减少了磨削能力。以后的磨削是在粘附的磨屑与待加工表面间的滑动和挤压过程中进行的,磨削力和摩擦热都剧增。这种高温、高压、高摩擦力的状态,促成了磨屑与磨屑之间的压焊过程,这种多个单元磨屑多次的相互压焊,形成了砂轮的堵塞,这就是粘着型堵塞的形成机理。

(5)砂轮磨损

用刚玉砂轮磨削不锈钢(1Cr18Ni9Ti),砂轮出现三种磨损类型,Ⅰ型:磨耗磨损,不出现粘附;Ⅱ型:磨耗磨损平面上粘附磨削;Ⅲ型:砂轮由点粘附扩展为面粘附,达到一定粘附率时,粘附物连同磨粒一起脱落,在砂轮表面上形成空穴。

磨削不锈钢材料时,砂轮会发生粘附磨损,粘附造成砂轮磨损的第一个原因是磨粒随粘附团的一起脱落,粘附磨损的另一个原因是随着粘附团的脱落,砂轮在粘附团附近的磨粒受到损伤,这些损伤的磨粒比较容易脱落。

3 电解磨削复合加工不锈钢

3.1 不锈钢表面电解磨削复合加工的加工原理

电解磨削复合加工,在一台机床上把机械加工、电解加工有机地结合起来,施加最佳加工能量,达到最优加工条件。

工具电极接直流电源的负极,工件接正极;用电解液泵把电解液泵入加工区,砂布轮以一定的转速旋转,并沿一定路线移动,同时砂布轮对工件表面施加一定的压力。接通直流电源后,工件表面受到电解阳极溶解和机械磨削的复合加工。

由于工件的加工表面高低不平,电解磨削复合加工时高处的钝化膜首先被磨粒刮除,露出的金属表面又会重新被电解溶解,溶解的同时又产生了新的钝化膜。低处的金属钝化膜因磨粒刮削不到而得以保留,这样就保护了低处的金属不被电解。这个过程不断循环进行,使得工件表面整平效率迅速提高,表面粗糙度值迅速降低。

磨削作用是提高电流效率的主要因素,磨粒磨削的目的主要是加速电解作用,电解磨削复合加工工件的表面粗糙度大小主要取决于磨粒的机械磨削程度。一般情况下,电解成膜的膜的硬度和强度大大低于金属本体,很容易被磨粒刮除。

3.2 电解液

电解液不仅起到电解作用,同时也能用来降低磨削区的温度,减少砂轮磨损、冲刷磨屑,因而它对磨削效果和砂轮磨损的影响有双重性。所选用的电解液应具有较高的导电性及流动性;阳离子不能在电极表面电解附着;该电解磨削液能在工件表面形成适当的非溶性钝化生成物,且腐蚀性小、无毒性作用,具有液体组成稳定、价格低廉等特点。电解磨削复合加工不锈钢(1Cr18Ni9Ti)选用NaNO3水溶液作为电解液。

3.3 砂布页轮

砂布页轮是涂附磨具中的一种,由许多砂布页片牢固地固定在一个钢套上。

涂附磨具是将磨料用粘结剂粘结,固定在柔性基体上的一种磨具,用于高精度、高效率磨削及抛光。磨料、结合剂、基体是涂附磨具结构三要素。涂附磨具的磨削、抛光性能及特征取决于基体种类及其处理、磨料种类及粒度、粘结剂种类及粘结强度和磨具形状、尺寸。

砂布页轮磨削机理:砂布页轮是一种用粘结剂将磨料粘结在柔软的基体上的特殊磨具,砂布页轮所选用磨料大都为精选的针状磨粒,粒度均匀,磨粒棱角比较明显,以静电植砂后,磨料以定向排列,呈单层均匀地分布在基体表面。通过改变植砂条件可以控制磨料植砂密度,以调整磨粒之间空隙,利于排屑和容屑。用砂布页轮磨削时,每颗磨粒相当于一把锋利的多刃刀具,各刃与工件接触角度、接触深度不同。因此,磨粒对工件既有切削作用,又有刻划与滑擦作用。前颗磨粒在工件表面上所留下的切削沟痕边缘及因刻划而产生的塑性变形,又被后一颗磨粒切削、刻划、滑擦,实现砂布页轮对工件连续的磨削加工。由于砂布页轮固有的特点,砂布页轮与工件接触区同时投入磨削的磨粒多,且锋利,故磨除效率高于固结砂轮,产生的磨削热少。且因磨粒之间分布空隙及磨粒在空间与空气接触时间长,易于磨削热扩散,故砂布页轮磨削温度低。由于砂布页轮具有柔软性且磨削速度稳定,加上具有弹性,对振动响应不敏感,易实现高稳定性磨削加工,获得高的加工精度和表面质量。

涂附磨具(砂布页轮)与固结磨具(砂轮)相比,具有以下特点:

(1)性能柔软“柔软”是涂附磨具的最大特点。它可以折迭、弯曲、卷绕和剪裁成条、块及各种形状,满足不同加工需要。

(2)磨粒微刃锋利静电植砂磨粒垂直于基体表面植入胶层,磨粒尖端朝外,且分布均匀,形成锋利的微刃,故磨削效率高,磨削表面纹理均匀。

(3)磨粒把持力大磨粒在静电场中受到持续电场力的作用下,以较大的动能植入胶层较深,胶层固化干燥后,磨粒获得足够的把持力,在磨削中不易脱落。涂附磨具在磨削过程中不存在“自锐”问题,在磨钝后更换新涂附磨具。

(4)使用方便安全涂附磨具重量轻、携带方便、更换容易、换后不需平衡,在使用中不需要修整。

砂轮磨削过程中,砂轮工作表面的磨粒会逐渐磨钝,砂轮磨钝后磨削力增大,磨削温度上升,发生颤振与烧伤,工件表面容易发热而出现烧伤。使被加工零件的表面完整性受到极大影响。同时,砂轮的磨钝也会使砂轮工作表面丧失正确的几何形状,使加工精度降低。因此,为了及时地除去磨钝的磨粒,为了使砂轮在使用中能保持正确的形状和锐利性,就需要定期对砂轮进行修整,造成磨具的大量磨耗。

砂轮的重心不在旋转轴中心线上时,砂轮存在不平衡,在砂轮高速旋转时产生离心力而引起振动,影响被加工表面质量,加快磨床磨损,还会引起砂轮的破裂,造成设备损坏,人身伤害。所以,安装前,必须校对安全工作速度,用木槌轻敲砂轮,看砂轮内部是否存在裂纹。砂轮装好后,须经过一次静平衡才能装到磨床上去。

(5)设备简单涂附磨具使用设备简单、易于制造、造价低、易于实现自动化。砂布页轮重量轻且震动小,且由于柔软,对振动不敏感,故对设备刚性要求较低。

(6)砂布页轮切削速度稳定砂布页轮在使用中磨损少,可以长期以稳定的速度进行磨削,这是一个突出的特点。砂布页轮稳定的磨削速度适合于高精度的磨削加工。固结磨具加工时大多数金属对砂轮速度变化敏感,特别是加工小曲面及高精度加工时更是如此。

(7)切削温度低砂布页轮磨削由于其间断磨削的特性,工件受热时间短,改善了散热条件,它可以在相同的磨削用量下比使用普通砂轮大幅度地降低磨削温度,有效地减轻和避免工件表层的热损伤,在相同的温度下可以大大提高磨削用量,获得更高的生产效率。砂布页轮断续切削,为电解液进入磨削区创造了有利条件,当磨削刃与工件分离时,电解液可以顺利进入磨削区,包围着磨粒进行冷却润滑。当磨削刃切入时,电解液被强力挤压,形成瞬时高压,使电解液直接深入到磨削刃与切屑的接触表面,充分地起到冷却和润滑的作用,降低磨削区的湿度。

所以砂布页轮与固结砂轮磨削不锈钢相比具有高效磨削、“冷态”磨削、弹性磨削的突出特点,具有广泛应用范围。

4 结论

不锈钢一般导向性差,弹性模量低,伸长率及断面收缩率大。给磨削带来困难。针对不锈钢加工特点,采用电解磨削复合加工,通过砂布页轮、电解液的选择及各种加工参数的合理组合,解决了用砂轮磨削不锈钢中的砂轮粘附、加工硬化、砂轮磨损、裂纹等问题,提高了不锈钢加工表面质量和使用性能,提高工件的耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性,找到了电解磨削复合加工不锈钢的理论根据,使电解磨削复合加工不锈钢表面成为可行。

参考文献

[1]储兴华.磨削原理[M].北京:机械工业出版社,1988.

[2]李伯民,等.现代磨削技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

逆变式电解加工电源的研制 第6篇

随着科技的发展,小型、精密、薄壁、复杂、特殊材料零件的需求越来越多,电解加工作为一种特种加工技术在很多方面都适应这种需求,唯独加工精度指标难以达到实际生产的要求。大量的理论与实践证明,采用脉冲电源进行电解加工可以提高加工精度和表面质量,而且脉冲的频率越高,脉宽越窄,其加工效果越好[1]。

目前,国内进行大功率高频窄脉冲电解电源研究的主要有:华南理工大学、大连理工大学、北京理工大学等机构[2,3,4]。从其研究的情况来看,绝大多数的脉冲电解电源都是采用直流斩波的方式,而直流部分都是采用工频变压器降压、整流、滤波的方式供给。体积、重量大,效率低;另外,由于电路结构或功率器件的限制,功率电解电源输出的脉冲频率还是限制在30kHz以下,最小脉宽限制在20μs以上。本文将研制一种逆变式高频窄脉冲电解电源,对提高电解加工性能有良好的效果。

2 大电流电解加工电源设计

2.1 电源方案选择

高频窄脉冲大电流电解加工电源的主电路拓扑形式一般有两种:斩波式和逆变式。斩波式电源虽然结构简单,但真正实施起来却十分复杂,如电源需获得一定的电流容量,就必须依靠并联斩波器件来实现。首先多管的并联结构的驱动电路增多;其次,各斩波器件的自身特性有一定的差异,很难保证各管同时导通;第三,各管的均流性也较难处理。此外,斩波器件在低压大电流情况下高速开通断开,会对开关器件造成很大的电压冲击,使得在开关器件上消耗的功率很大,容易损坏开关管。

相反逆变式电源就不会有这方面的限制,逆变式电源斩波器件工作在变压器原边,即工作在高压小电流情况下,可以采用电流容量相对较小,但开关速度更高的功率场效应管,斩波器件虽工作在高压(相对斩波方式)情况下,但目前可控开关器件的耐压值在500V左右,斩波器件在关断时虽有一定的反冲,若设计合适的缓冲吸收电路,则上述问题可以解决。逆变式电源也有不足之处,由于电解加工要求电源输出脉冲波形可调,因此逆变式电源所采用的高频降压变压器是一种较复杂的变频变压器,其设计制造难度大。

基于以上分析,该电源采用逆变式方案,其主要技术参数指标为:输出频率范围:50~100kHz;输出电压范围:5~30V;最大峰值电流:100A;占空比:0.1~0.5。电源结构方框图如图1所示,电源系统由整流滤波、逆变器、整流输出、控制电路部分组成。整流滤波部分采用可控硅全桥整流电路,其控制触发电路采用集成IC KC04来实现,通过改变可控硅的触发时间来实现电压调节,电压调节电路为反馈闭环回路,通过在直流部分的电压采样与参考电压进行比较,然后再对可控硅的触发时间进行微调节,从而实现直流电压的稳定。

2.2 稳压直流电源的设计

无论是斩波式还是逆变式脉冲电源,都需要一个稳定可调的直流恒压源对斩波器或逆变器进行供电,直流恒压源的好坏直接影响到脉冲电源的质量。恒流恒压源需要有稳定可调的直流输出,以及对电网电压的波动不敏感等方面的要求。常用的晶闸管整流电路有单相半波、单相全波、单相全控桥式、单相半控桥式等几种,其中单相全控桥式电路的各项整流指标良好,一般用于波形要求较高或逆变的功率场合,比较适合本电源的要求。整流电路原理图如图2所示。

图中电阻R为续流电阻,因后端变换器工作时有一定的死区时间,为保持可控硅持续导通故要加一续流电阻,变换器等效为一个大电感T和一个小电阻RL。另外,一般大容量的电解电容都是铝电解电容,是由卷曲结构构成的,所以引入了不小的电感,并和其它特性一起导致了在高频情况下电容容量急剧降低、电容损耗急剧增大等不利情况的出现。在大电解电容的两端再并联几个小电容C2,小电容对高频干扰有良好的滤波效果,因此搭配应用会使电源可靠性有较大提高。电容滤波电路中晶闸管的导电时间大大缩短,即导通角远小于180°,且放电时间常数越大,导通角越小。因此,整流管流过的是一个很大的冲击电流,降低开关管的使用寿命,选择开关管时,必须留有较大余量。

2.3 逆变器的设计

逆变器的设计是本电源最关键也是最复杂的部分,高频变压器的寄生参数非常复杂。考虑到该电源的最高频率达到100kHz,最大输出功率是3kW,采用全桥逆变电路来实现。全桥逆变后,逆变器的输出端经过二极管整流后,可以得到二倍于开关频率的脉冲波形,因此变换器选择全桥式的电路结构,其电路如图3所示。在该电路结构中,四个功率开关器件Q1,Q2,Q3,Q4组成了全桥结构的四个臂,高频变压器T接在它们正中间。桥臂上对角的一对功率开关Q1和Q4与另一对功率开关Q2和Q3,分别由驱动电路以脉宽调制方式PWM而交替地导通与断开,两列驱动脉冲频率相同,脉冲触发时间相差半个周期。该电路有两个关键技术,第一就是缓冲吸收电路设计,另外一个就是高频变压器的设计。

缓冲电路分为有损缓冲和无损缓冲两类,由于有损缓冲电路结构简单,成本低,只是损耗稍大,但是相对于本电源来说是可以接受的,因此选用有损缓冲电路(充放电型RCD缓冲电路)。该缓冲电路既能够起到电压钳位的作用,又能够控制电压的上升率。该缓冲电路对浪涌电压有抑制效果,与RC缓冲电路不同,由于外加了缓冲二极管D,缓冲电阻值可以选择更大,降低了电阻损耗,而且能够降低开通时场效应管的负担。

高频变压器的设计参数为:输入电压Ui:40~240V(连续可调);输出电压Uo:5~30V(脉冲峰值电压,连续可调);最大峰值电流100A;输出最大瞬时功率3kW;开关频率:25~100kHz;最大损耗:30W(按电源总功率的1%计算);最大温升:40℃;冷却方式:自然冷却;高频变压器的匝比选择为8∶1,磁芯选用新康达公司的功率铁氧体LP3材料,经过一番详细的解算和校核,最终确定变压器的各参数。变压器的输出波形如图4所示。

3 电解机械抛光实验验证

该电源设计是否合理,需通过实验来验证,实验装置如图5所示,主要应用该电源样机进行电解机械抛光工艺试验,验证高频脉冲电源的电解机械抛光特性。实验所用的装置包括电源、机床和电解液系统三个部分,电源采用本课题研制的高频脉冲电源,峰值电压5~30V连续可调,频率30~100kHz连续可调,占空比0.1~0.5连续可调;机床由普通车床改装而成,增加了一个可以装夹工具的滑动工作台,使工具可以独立地沿轴向移动,同时也实现了工具电极与工件的绝缘。其中铜制工具中有导孔,电解液由导孔进入抛光区。电解液选用11%~20%NaNO3溶液。具体实验条件如下:

1.无纺布2.压力可调装置3.工件4.进液口5.工具电极6.工具头

工具为铜电极,加工面积约为2.32cm2;工件为直径40mm的45号钢棒料,原始粗糙度为2.16μm;电解液为浓度13%的NaNO3溶液;抛光电压范围是8~17V,抛光极间间隙约为1mm,抛光时间为15min;研磨材料为含有磨粒的无纺布;工件转速为75r/min。图6为不同频率电解电源进行机械抛光效果对比图,实验结果表明高频窄脉冲电解加工有利于加工表面质量的提高,随着频率的提高、脉宽的变小,加工效果越好,与电解加工理论相符合,同时也证明了本电源方案的可行性。

4 结论

设计了一套最高频率达到100kHz,最大峰值电流100A,最大输出功率3kW的大电流高频窄脉冲电解加工电源,采用了全桥逆变输出的电源方案:通过晶闸管整流调压,然后通过全桥逆变方式,经过二极管整流后输出。本电路省略了铜、铁损耗大的工频变压器,提高了电源的效率,减小电源的体积和重量,通过逆变方式得到了更高的输出频率并获得了一定的电流容量,电路结构简单,降低了电源的成本。

应用逆变输出方案替代斩波输出方案,功率斩波器件工作在高频变压器的原边即小电流情况下,降低了开关器件损耗的同时也增加了电源的可靠性和稳定性;同时获得了一定的电流容量,解决了斩波方案中为获得一定的输出频率及电流容量并联斩波功率器件而出现的并联均流问题。经过多次实验,成功研制了逆变器中最关键的部件高频功率变压器,解决了波形畸变、自激振荡等问题。针对关断时的浪涌电压和自激振荡设计了缓冲吸收电路,有效地降低了电压过冲,并衰减了由其引起的波形振荡。

用电源样机进行电解机械复合抛光工艺实验,实验结果证明:频率越高,抛光后的工件表面粗糙度越低,并且脉宽对粗糙度的影响显著。实验同时也证明了本电源方案的可行性。

摘要：研制一套全桥逆变式高频脉冲电解加工电源,该方案不仅可以解决斩波方式中电流容量不足问题,而且可以获得更高的输出频率。设计制作了高频变压器,通过设计合理的缓冲吸收电路,较好地解决了逆变过程中波形畸变、自激振荡以及电压过冲等问题。应用电源样机进行了电解机械复合抛光的工艺实验,实验结果验证了高频脉冲电源有利于提高工件表面质量和加工精度。

关键词：电解加工电源,逆变式,高频窄脉冲

参考文献

[1]王建业,张永俊,余艳青,等.脉冲电解加工技术在精微加工领域中的新发展[J].中国机械工程,2007,18(1):114-119.

[2]余艳青,王建业,韩冠军.MOSFET高频窄脉冲电解加工工程化电源研制[J].电加工与模具,2005(2):59-63.

[3]唐兴伦,张之敬,王建平,等.一种高频群脉冲电解加工电源的研究和开发[J].电力电子技术,2003,37(5):50-52.

电解线切割加工技术试验研究 第7篇

电解线切割加工技术是电解加工中金属阳极电化学溶解原理和线切割加工形式的结合。该技术不但继承了电解加工的优点,而且还有其自身的特点:采用简单的线电极,结合二维平面运动,能够简单地实现复杂微结构的加工,不用在加工准备阶段制造复杂的成形电极,加工准备时间短,成本低;由于电解线切割的工具电极为线电极,因而更容易加工出普通加工方法很难加工的高深宽比结构。

国内外针对电解线切割开展了一系列研究,文献[1]利用电解线切割加工技术加工出了微群缝结构;文献[2,3,4]对电解线切割的加工机理进行了研究,并利用该加工方法加工出了一系列缝宽仅为12μm的微结构。

然而,国内外开展的相关研究都是前沿探索性研究,加工的工件厚度大多在100μm左右。本文尝试用电解线切割的方法在厚度为5mm的不锈钢(304 SS)工件上加工高深宽比结构。在分析电解线切割加工工艺特点的基础上,采用轴向冲液的方法,解决了在厚不锈钢板上加工高深宽比结构时的排屑问题。通过一系列加工试验,分析了主要参数对加工效果的影响;最后采用优化的加工参数,以直径为20μm的电极丝在5mm厚的不锈钢板上加工出了一系列缝宽为160μm左右、深宽比高达30的微结构。

1 电解线切割加工原理介绍

电解线切割加工是基于电化学阳极溶解原理来去除工件材料的。在电解线切割加工中,工件接电源正极,线电极接电源负极;当在工件和线电极上施加一加工电压后,加工区域内的工件即开始以离子形式溶解;通过运动平台带动线电极和工件做相对运动实现零件加工成形,其加工原理如图1所示。从理论上讲,若固定工件的安装台和带动电极丝进给的运动平台能够进行五轴联动,则可实现一切直纹面的加工。

由电解线切割加工的原理可知,要应用该方法在厚不锈钢板上加工高深宽比结构,就需要延长电极丝的有效加工部分的长度。然而,仅仅只依靠延长电极丝的有效加工部分的长度,是无法实现在厚不锈钢板上加工高深宽比结构的。因为随着不锈钢板厚度的增加,积聚在狭长加工间隙内的电解产物(絮状反应产物和气泡)的排出变得更加困难。如果不能及时地将电解产物从加工间隙中排出,加工间隙中的电解液不能及时更新,就有发生短路的可能,轻者影响加工稳定性和加工质量,重者使加工无法继续。所以,采用电解线切割方法在厚不锈钢板上加工高深宽比结构的核心问题,就是如何平稳顺畅地将电解产物从加工间隙中排除。

在用电解方法加工高深宽比结构时,为解决排屑问题,经常采用的方法有旋转电极法和冲液方法。如在加工深小孔时,采用的是旋转螺旋电极法[5]及向空心管状电极中通高压电解液的方法[6]。结合电解线切割加工的特点,用该工艺加工高深宽比结构时选用冲液的方法。因为试验中采用的电极为线状且直径只有20μm,电解液的冲击易引起电极颤动,从而造成短路。为了尽量减小冲液所引起的电极丝振动,冲液方向只能为电极丝的轴向。

2 冲液电解线切割加工系统

笔者建立了应用冲液电解线切割工艺在厚不锈钢板上加工高深宽比结构的试验系统,其示意图见图2。系统由4个部分组成:①电解加工单元;②电解液循环系统;③精密三轴位移台;④运动伺服控制系统。

2.1 电解加工单元

电解加工单元主要由电极丝、工件、直流电源、电解槽和电解液组成。工件通过夹具固定在电解槽上;电极丝通过夹具连接到运动平台的主轴上;运动平台X轴、Y轴的运动带动电极丝在XY平面内向工件做进给运动从而实现切割。为了减小杂散腐蚀,获得好的表面加工质量,电解液选择钝化电解液NaNO3。

为了沿着电极丝的轴向对加工间隙进行冲刷,排除电解产物,固定电极丝的夹具应具有轴向冲液功能。加工要稳定进行,电极丝的振动应尽可能地小,这就要求电极丝尽量张紧。为了方便电极丝的安装与张紧,冲液夹具设计为组合式。该夹具主要由三部分组成:夹具基体、导流槽挡块和端盖,夹具的三维造型及实物图见图3。

在设计的冲液夹具上装丝的具体过程如下:采用砝码悬挂法(将电极丝挂上比其所能承受的最大质量略小的砝码,使电极丝获得最大张紧力后,将其固定)将电极丝缠绕在夹具基体上,然后将夹具组装成形。

设计的轴向冲液夹具能对加工间隙进行冲刷,及时带走电解产物,更新电解液;但是,在厚不锈钢板上加工高深宽比结构时,由导流槽冲出的电解液并不能持续稳定地充满整个狭长的加工间隙,为了使加工稳定进行,作为工具阴极的电极丝有效加工部分和工件必须同时浸入电解液,即浸液加工,冲液排屑。

由图2可知,电解液由入液口进入冲液夹具,流经导流槽后沿电极丝的轴向对工件和电极丝之间的加工区域进行平缓冲刷,使电解产物及时排出并更新电解液,从而使加工区域中电解液的电导率维持恒定,加工能够顺利进行。电解槽中的液面高度由溢液板控制。在不断向电解槽中冲液的同时,电解槽中的电解液也通过溢液板经出液口流回储液箱,维持电解槽中液面高度并实现整个系统中电解液的循环。

2.2 电解液循环系统

电解液循环系统主要由储液箱、过滤器、泵、流量调节阀、流量计和电解液净化器组成。流量调节阀的作用是控制冲液速度;过滤器主要由致密的过滤网组成,其主要功能是防止电解液中飘浮的细小的毛发类杂质进入冲液管道进而缠绕在电极丝上影响加工的稳定性;而电解液净化器是用来去除阳极溶解而产生的Fe(OH)2、Fe(OH)3等絮状反应产物的,维持电解液电导率的恒定,使加工具有好的稳定性和一致性。

2.3 精密三轴位移台及控制系统

为了保证慢速进给的精确性和加工的稳定性,运动平台使用的是高精度的位移台。固定有电极丝的冲液夹具随着位移台向静止的工件做进给运动,即线电极的进给运动为间歇式进给方式。本文采用的运动控制系统和数据处理核心是NI公司的PCI-7344多功能运动控制卡,能够实现对NI公司的高精密位移台X、Y、Z 3个方向加工进给的伺服控制,最小可以保证每步0.08μm的进给分辨率和2μm的定位精度。在本文的试验中,位移台进给分辨率设置为每步0.25μm。

3 工艺试验及分析

3.1 加工电压对缝宽的影响

为了研究加工电压对加工工艺的影响,进行了以下一组对比试验。试验参数如下:电解液是质量浓度为10g/L的NaNO3溶液;电极丝进给速度为0.5μm/s;冲液速度为0.75m/s;线电极是直径为20μm的钨丝;工件是厚度为5mm的不锈钢(304 SS);切割深度为1.5mm。加工电压分别取9.2V、10.2V、11.2V、12.2V时,对应的切割缝宽大小如图4所示。

从图4可知,在其他加工条件不变的情况下,切割缝宽随着加工电压的升高而逐渐增大,即切缝的加工精度随着电压的升高而减小。在电解加工中,平衡加工间隙为

Δb=η ω σ UR/v (1)

式中,η为电流效率;ω为金属体积电化学当量,mm3/(Ah);UR为电解液的欧姆电压降,V;σ为电导率,1/(Ωmm);v为进给速度,μm/s。

当工件材料、电解液参数及进给速度均保持不变,即η ω σ/v=C(常数)时,Δb=CUR,加工间隙与加工电压成正比,切缝加工的电化学反应区域随着电压的升高而扩大。电压为9.2V时,相对于电极丝0.5μm/s的进给速度,加工间隙偏小,反应为产物排除变得困难,短路时常发生,加工不稳定;而取11.2V和12.2V的加工电压时,切割缝宽较大、加工精度变低且杂散腐蚀变大。考虑到加工过程的稳定性和高深宽比的要求,加工电压取在10.2V左右较为合适。

3.2 电极丝进给速度对缝宽的影响

试验采用10.2V的加工电压;电解液是质量浓度为10g/L的NaNO3;冲液速度为0.75m/s;线电极是直径为20μm的钨丝;工件是厚度为5mm的不锈钢(304 SS);切割深度为1.5mm。采用不同电极丝进给速度对应的切割缝宽大小,如图5所示。

从图5电解线切割的缝宽随电极丝进给速度变化的曲线可知,电极丝进给速度对缝宽的影响较为显著。这是因为进给速度的增加,也就是位移台单步停留时间缩短,单位时间内的蚀除量减小,加工间隙变小。然而,加工间隙并不会随着进给速度的成倍增大而成倍减小,这是因为在固定式阴极电解中,随着加工的进行,加工间隙逐渐增大,工件的蚀除速度随之减小。

电极丝进给速度增大,缝宽随之变窄,冲液排屑变得更加困难,加工的稳定性变差。经试验验证,加工速度取0.5μm/s时试验成功率更高。

3.3 电解液浓度对缝宽的影响

在加工电压10.2V、电极丝进给速度0.5μm/s、冲液速度0.75m/s、线电极直径为20μm钨丝的条件下,分别采用质量浓度为10g/L、20g/L、40g/L、50g/L的NaNO3溶液,对5mm厚的不锈钢(304 SS)工件进行了切割试验,切割深度为1.5mm,加工结果如图6所示。

由图6可知,电解液质量浓度是影响电解线切割切缝宽度的又一主要因素。随着电解液浓度的增大,缝宽明显增大。由平衡加工间隙公式式(1)知,在工件材料不变,加工电压和进给速度一致的情况下(即ω、UR、v为常数),加工间隙随着σ升高而增大。电解液质量浓度的增大使得溶液中的导电介质增多,溶液的电导率σ变大;在相同的加工电压下,质量浓度高的电解液加工电流更大,导致电解腐蚀区域变大,切缝更宽。然而σ值增大却使得电解加工的定域性变差,杂散腐蚀变得严重。在保证稳定加工和一定加工效率的前提下,为了获得良好的表面加工质量,电解液的质量浓度选用10g/L的NaNO3溶液。

3.4 冲液速度对缝宽的影响

冲液是电解线切割加工技术在厚不锈钢板上加工高深宽比结构能够稳定进行的关键因素。为了研究冲液速度对加工工艺的影响,进行了以下一组对比试验。试验参数:加工电压为10.2V;电解液是质量浓度为50g/L的NaNO3溶液;电极丝的进给速度为0.5μm/s;线电极是直径为20μm的钨丝;工件是厚度为5mm的不锈钢(304 SS);切割深度为1.5mm。采用不同的冲液速度对应的切割缝宽大小如图7所示。

从图7可知,电解线切割的切缝宽度随着冲液速度的增大而减小。狭长加工间隙内的电解产物、微小氢气泡及电解热主要靠冲液来排除。冲液速度越慢,加工区域聚积的电解产物、氢气泡及电解热就越多,加工的定域性就越差,切缝就越宽且不均匀。然而,更高的冲液速度必然引起更为剧烈的振动,所以,冲液速度的合理选取必须综合考虑冲液所引起的振动以及排屑效果对加工稳定性的双重影响。

3.5 电解线切割加工微型花键

采用最优的参数组合在5mm厚的不锈钢板上加工了实际中广泛应用的花键结构,以初步验证电解线切割实际加工高深宽比结构的可行性和稳定性。将线电极接电源负极,5mm厚的不锈钢板(304SS)接电源正极;电源电压为10.2V;电解液是10g/L的NaNO3溶液;电极丝的进给速度为0.5μm/s;冲液速度为0.75m/s。电极丝进给的路程为5.57mm,包络出的花键结构的切缝宽度在160μm左右,其深宽比将近30,如图8所示。在加工进行的全过程中没有一次短路现象出现,加工过程稳定。

试验结果验证了用电解线切割结合冲液的方法在厚不锈钢板上加工高深宽比结构的可行性。采用不同的加工参数进行试验后表明,采用最优的加工电压、NaNO3电解液质量浓度、电极丝进给速度和冲液速度的参数组合进行加工能够有效地抑制电解加工中的杂散腐蚀,且加工过程稳定,加工过程前后的一致性好;一次加工成形的表面质量好,粗糙度Ra仅为0.5μm左右,优于传统的切削加工方法和一些热加工技术。特别是和昂贵的慢走丝电火花机床相比,用冲液电解线切割方法获得的加工质量的代价是较低廉的,值得继续深入研究。

4 结论

(1)电解线切割加工厚不锈钢板时,存在电解产物无法顺利排除,加工无法稳定进行的难题。本文设计的轴向冲液夹具将轴向冲液的方法引入到了电解线切割中,很好地解决了该难题。

(2)在自制的加工系统中,进行了冲液电解线切割加工试验。通过试验发现,减小加工电压、降低电解液浓度、提高电极丝进给速度和增加冲液速度都能提高电解加工的定域蚀除能力,使切割缝宽变窄。但缝宽在缩小的同时,电解产物排除变得困难,加工稳定性变差。

(3)在5mm厚的不锈钢板上稳定地加工出了花键结构,该花键由缝宽为160μm,深宽比高达30的窄缝包络而成。试验结果证明采用电解线切割在厚不锈钢板上加工高深宽比结构是可行的。本文为电解线切割这一电解加工新方法进一步走向实际应用奠定了基础。

摘要：分析了应用电解线切割加工工艺在厚不锈钢板上加工高深宽比结构的可行性。为解决加工高深宽比结构时的排屑问题,在分析该工艺特点的基础上,采用了轴向冲液的方法。在自行搭建的加工系统中,进行了不同加工参数的一系列试验,以研究加工电压、电极丝进给速度、电解液浓度和冲液速度对该工艺的影响。最后,对电解线切割加工参数进行优化,加工出了缝宽为160μm、深宽比高达30的微型花键。

关键词：电解线切割加工,线电极,轴向冲液,高深宽比

参考文献

[1]Ki m B H,Na C W,Lee Y S,et al.Micro Electro-chemical Machining of 3D Micro Structure UsingDilute Sulfuric Acid[J].Annals of the CIRP,2005,54(1):191-194.

[2]王昆,朱荻,张朝阳.微细电解线切割加工的基础研究[J].中国机械工程,2007,18(7):833-837.

[3]Zhu D,Wang K,Qu N S.Micro Wire ElectrochemicalCutting by Using In Situ Fabricated Wire Electrode[J].Annals of the CIRP,2007,56(1):241-244.

[4]王少华,朱荻,曲宁松,等.微细缝结构电解加工研究[J].中国机械工程,2009,20(8):965-970.

[5]王明环,朱荻,徐惠宇.微螺旋电极在改善微细电解加工性能中的应用[J].机械科学与技术,2006,25(3):348-351.