超声电解复合加工深小孔装置与试验研究

刘泽祥,康 敏

(南京农业大学工学院,江苏南京210031)

当今制造业正面临着来自难加工材料的挑战,如:加工零件的高精度、高表面质量、复杂形状和高成本。难加工材料在现代制造工业领域的应用越来越重要,特别是在航天航空、汽车、模具等制造领域,其突出的材料属性(如:高强度、耐热性、耐磨性、耐腐蚀性等),在提高产品性能方面取得了很大的经济效益。利用单一传统的加工方法已不能有效地对其进行加工,这就促成两种或两种以上加工方法的复合。面对材料的高硬度和成形零件的复杂性,特种加工成为加工领域的热点研究问题[1-3]。

孔的加工约占机械加工总量的三分之一。目前国内外对小孔、深小孔还未提出确切的定义,一般说来,将直径小于3 mm的孔称为小孔,将深径比大于5的孔称为深小孔。在孔的加工中,尤其以深小孔、异形孔的加工最为困难[4-5]。

为解决难加工材料上的深小孔加工这一技术难题,特别是具有复杂型面或干涉结构零件的深小孔,本文通过对一台小型立铣床的机械本体进行改装,设计了具有X、Y、Z 3个平动轴和超声振动主轴旋转的数控旋转超声电解复合加工机床,并在某公司的GUC-400-ESV型连续轨迹运动控制器基础上开发开放式数控系统,通过对3个平动轴的控制,实现对深小孔的旋转超声电解复合加工。

1 超声电解复合加工技术国内外研究现状

超声加工和电解加工单一工艺的研究及应用已有较长的时间,并逐渐成为较成熟的加工手段,在国内外的军事工业及民用工业领域都得到了广泛的应用。但针对不同的加工对象、加工条件和加工要求,在某种程度上还存在着一定的缺陷,如:超声加工难加工金属材料时效率极低甚至不能加工;电解加工对所有金属材料都能加工,但在加工表面易形成一层钝化膜,阻碍电解加工的继续进行。因此,为进一步发掘电解加工及超声加工机理的优势,国内外科研人员考虑把超声振动引入到电解加工中,使超声、电解作用有机复合,发挥各自优势,利用超声磨粒冲击和超声“空化”作用来破坏电解加工中产生的钝化膜、加速加工产物的排出,从而弥补电解加工存在的不足[6-8]。

俄罗斯、德国等国外科研人员开展了有关超声加工和电解加工复合工艺方法的研究,并取得了一定的实用性进展,形成了超声电解复合加工机床的系列产品。波兰先进制造技术研究所的Ruszaj等人将工具阴极的超声振动引入到电解加工中,大大改善了加工表面粗糙度[9]。埃及学者Hewidy等人研究了低频振动的电解加工,结果表明:应用低频振动改变加工间隙内的物理状态,是提高加工精度和加工表面质量的有效手段之一[10]。印度学者Bhattacharyya等人开发的微型工具振动系统用于微细电解加工,研究了振动频率、振幅、电解液浓度对微细孔加工精度、材料去除率的影响[11]。台湾学者Pa P S在超声电解复合光整加工方面做了深入研究,研制出超声磁场电解复合光整加工技术,并设计了试验台进行验证[12-13]。

我国对超声电解复合加工技术的研究最初在光整加工方面,应用超声电解复合技术进行光整加工,能提高加工速度、加工精度和表面质量,是一种有效的镜面加工方法[14-16]。

南京航空航天大学在超声电解复合加工技术领域开展过基础性研究[17-18],对超声电解复合加工机理及技术优势进行了初步探讨,利用自行研制的变幅杆和不同截面的微细阴极工具头,开展了一系列超声电解复合微细加工基础实验,初步证实了这种复合技术的可行性和优点[19-21]。

国内外超声电解复合加工技术的研究,主要是利用超声振动冲击与“空化”作用去除电解钝化膜,排除产物并及时更新电解液,改善加工间隙状况。不采用磨粒,单靠超声“空化”作用,不能有效地去除钝化膜,采用游离磨粒虽然能有效去除钝化膜,但由于游离的磨粒随机破坏钝化膜,势必不利于电解的定域性加工。针对超声电解复合加工技术存在的不足,提出将磨粒电镀或烧结在工具头上,实现对工件的加工设想。超声高频振动迫使镀有磨粒的阴极敲击工件阳极表面电解加工所形成的钝化膜,使工件露出新的金属层,电解加工得以继续进行且定域性有所提高。为进一步研究该技术,研制了一台旋转超声电解复合加工装置。

2 旋转超声电解复合加工装置的设计

将旋转超声电解复合加工装置设计分为机床本体、旋转超声振动系统、电解液系统和控制系统四部分。

2.1 机床本体的设计

旋转超声电解复合加工机床本体的X、Y、Z的平动是通过伺服电机带动3个PZT-200滚珠丝杠滑台来实现的,滚珠丝杠的定位精度为0.02 mm,重复定位精度为0.01 mm。为了保证在加工过程中与机床绝缘,采用大理石 T型工作台,其表面按照P0级加工,四周开槽用于镶嵌金属,以便和工作箱螺纹连接。工作箱与大理石工作台连接时,应在两者之间加上薄橡胶板用于密封,螺纹锁紧后,在连接处涂上密封胶,使工作箱密封性好,不漏液。工作箱由亚克力材料制成,亚克力板透明、耐脏,有利于观察试验过程中的现象。设计的旋转超声电解复合加工装置用来满足电解加工设备要求[6-7]。

2.2 旋转超声振动系统的设计

目前,电解加工深小孔最大的问题是电解液难以进入到加工区域,且因加工区域空间狭小,电解加工产物不能及时排除而导致加工速度低,加工精度和表面质量较差[9-11]。为实现旋转超声电解复合加工深小孔,要求振动系统回转精度不大于0.02 mm,采用内喷式电解加工,使电解加工产物在超声高频振动及主轴旋转作用下排除出加工区域,提高加工速度,改善加工精度和表面质量。为此,设计了频率为20 kHz的旋转超声振动系统。

旋转超声电解复合加工装置首先要考虑的是如何将电解液引入,实现内喷加工。考虑将电解液经变幅杆引入和经换能器引入两种方案,经过试验验证,确定电解液经换能器引入。设备要求在耐腐蚀不锈钢材料上加工直径为5 mm的电解液流道,从而给超声振动系统的制造带来了困难。为方便超声振动系统的制造、提高回转精度,设计了由1/4波长换能器、1/4波长变幅杆组成的振动系统。如图1、图2所示,采用1/4波长设计超声振动系统,无论质量还是回转精度,都得到了改善。变幅杆法兰位于振动系统的位移节点,即振动最微弱的位置,因而将旋转内腔、旋转座在变幅杆法兰处通过螺钉锁紧连接而不影响振动系统。换能器的后端盖是存在超声振动的,不锈钢导液管和换能器的不锈钢预定螺钉若采用硬接触连接方式,将会影响到整个振动系统,振动频率的改变使系统停止工作,因而在连接时为确保两者不直接接触,采用了一种特殊的软连接方式来满足超声振动系统的要求。振动系统处于密封腔中,避免与电解液接触而发生腐蚀,通过调心螺母调整振动系统回转精度,来满足加工要求。不锈钢的导液管连接一高精度的旋转接头,实现旋转超声电解复合内喷加工。经过试验验证,所设计的超声振动系统体积小,质量轻,旋转阻尼小,回转精度不高于0.02 mm,转速大大提高,在0～3 000 r/min连续可调,振幅在30～80 μm,满足设计要求。

2.3 电解液系统的设计

电解液在电解加工系统中所起的作用与在一般电化学装置里一样,具有导电介质和反应介质的功能。同时,由于电解加工的电流密度很高,电解液必须高速流动,及时带走反应产物和热量[6]。电解液的离子活泼性与温度有着直接的联系,必须保证电解液一定的温度。因此,电解液系统主要由电解液槽、净化装置、热交换器和泵等组成。

电解液箱分为供液槽和回液槽。电解液经精过滤后进入泵体,向机床供液,再由工作箱进入回液槽,电解液沉淀后通过粗过滤网再流向供液槽,这有利于电解液的净化。电解液泵为耐腐离心泵,最大扬程187 m,流量4.2 m3/h,压力调节范围为0～1.8 MPa。电解液箱由不锈钢材料制成,具有净化、沉淀和过滤的功能。电解液温度是影响电解液活性的主要因素之一,将直接影响电解加工速率。采用管式热交换器与恒温控制器构成了电解液恒温系统,保证了电解液处于设定的温度。电解液系统原理见图3。整个管路压力调节方便,并可观察加工过程中管路流量、压力情况。

图3 电解液系统示意图

2.4 控制系统的设计

控制系统是影响超声电解复合加工能否顺利进行,达到所要求精度的关键因素。控制系统硬件由GUC系列运动控制器、各轴伺服电机及驱动器和相关继电器等组成,控制系统硬件见图4。

传统的控制系统采用专用的计算机控制系统,其系统对用户是封闭的,存在着各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容、系统功能固定、人机界面不灵活等缺陷。本试验装置控制系统是在应用某公司出品的GUC-400-ESV型连续轨迹运动控制器基础上开发的开放式数控系统。

图4 控制系统硬件结构图

GUC系列运动控制器是嵌入式PC与运动控制器结合为一体的产品,与“工业计算机+运动控制器”结构的运动控制系统相比,具有更高的可靠性、稳定性、抗干扰能力和更高的性价比。该产品具有优越的运动控制性能,其运动控制支持直线插补和圆弧插补,带缓冲区的速度前瞻及小线段预处理功能等特别适用于高速度、高精度运动控制要求的场合;该运动控制器还提供高速I/O现场总线扩展接口,可进行 I/O的扩展,能满足多I/O点控制的要求,其四轴的电机控制信号涵盖了每轴Home、Index及探针硬件捕获功能和每轴正负限位及伺服报警的输入。基于以上优点,本试验装置选用GUC-400-ESV型运动控制器,对超声电解复合加工过程进行了精确控制。

3 旋转超声电解复合加工深小孔初步研究

为验证旋转超声电解复合加工装置的可行性,以加工电压、加工间隙、阴极转速、进给速度和电解液压力为试验因素,不锈钢毛细管为阴极(外径1.8 mm,内径1.4 mm,外径用环氧树脂绝缘),在8 mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢板上进行通孔加工试验。以孔的入口直径、表面粗糙度为评价指标,试验结果分析如下。

图5 加工电压对孔质量的影响

图5是加工电压对孔质量的影响。从图中可看出,随着电压的增大,通孔入口直径 d1呈增大趋势。电压增大,电流密度增加,加工速度也增加,材料去除率也增大,因而孔的入口直径变大。同时,电压增大,使孔的表面粗糙度值先增大后减小。大多数情况下,表面质量随电流密度的增大而改善[6],8 V、9 V时的表面粗糙度值增大的原因有待进一步研究。对于加工电压这个因素来说,表面质量和入口直径两个评价指标是相互矛盾的,两者不能同时达到最佳状态,最佳电压范围为8～9 V。

图6是进给速度对孔质量的影响。随着进给速度的增加,加工时间减少,入口直径 d1也随之减小,但由于试验误差和测量误差,入口直径变化不明显。表面粗糙度值随着进给速度的增加先减小后增加,说明对超声电解复合加工而言,当其他因素一定时,存在着一个最佳进给速度,该速度与金属的溶解速度相当,则表面粗糙度就好,低于或高于该范围的速度,都将使表面粗糙度值增大。对进给速度这个因素,存在着最佳进给速度范围(本试验为1.4～1.6 mm/min),使入口直径和表面粗糙度能同时达到较好的加工效果。

图6 进给速度对孔质量的影响

图7是加工间隙对孔质量的影响。加工间隙对入口直径 d1和表面粗糙度的影响有着明显的区别。随着初始间隙的增大,入口直径呈先减小后增大的趋势,表面粗糙度值则呈先增大后减小的趋势。由此可看出,加工间隙对入口直径和表面粗糙度这两个评价指标是矛盾的,两者不能兼顾。

图7 加工间隙对孔质量的影响

图8是阴极转速对孔质量的影响。随着阴极转速的等倍数增大,孔的入口直径d1随之减小。阴极转速的提高,会使阳极来不及反应,而阴极又进入另一个离子交换过程,这样,使入口直径变小,而表面粗糙度值变大。这说明转速过快可能会造成二次反应不能及时进行,因而表面粗糙度值也变大。

图8 阴极转速对孔质量的影响

图9是旋转超声电解复合加工深小孔实物。通过试验,完成了通孔的加工,证明了所研制机床的可靠性及可行性。通过对试验结果的分析,揭示了各加工参数对评定指标的变化规律。同时,上述变化规律用传统的电解加工理论无法解释,进而为以后的超声电解复合加工提供了基础。

图9 加工实物图

4 结束语

本文设计了一种基于GUC系列运动控制器的数控超声电解复合加工装置,为满足深小孔的超声电解复合加工要求,特别设计了旋转超声振动系统,电解液循环系统有良好的密封和耐腐性能,确保加工能正常、稳定地进行;以模块化的思想设计了开放式数控系统,编制了针对该装置运动及控制系统的后置处理程序。初步试验分析了加工电压、进给速度、加工间隙和阴极旋转速度对孔的加工尺寸精度及表面粗糙度的影响,为今后的研究提供了基础。

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