[摘要]　根據(jù)提高電解磨削質(zhì)量關(guān)鍵在于電解和機(jī)械作用合理匹配這一原則，提出了改善加工效果的相應(yīng)措施，對(duì)采用恒流源的電解磨削機(jī)理進(jìn)行了探討，研制了小孔電解磨削的可調(diào)恒流脈沖電源，進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，給出了試驗(yàn)結(jié)果。
　　關(guān)鍵詞：　電解磨削　　脈沖電源　　工藝規(guī)律
　　
　　[Abstract]　 Based on the principle that the key to the improvement of electrochemical grinding (ECG) quality lies in the resonable matching of electolytic and mechanical actions,methods of improving the machining effect are advanced in this paper,The mechanism of ECG using the constant current supply (CPS) is clarified. Then an adjustable CPS is developed. Also,machining experinents are carried out and the results are given out.
　　Keywords:　ECG　　impulsing power supply　　technological rule
　　
　　1　問題的提出
　　
　　電解磨削最早應(yīng)用于磨削硬質(zhì)合金。由于設(shè)備投資大，機(jī)床維護(hù)復(fù)雜，因而其發(fā)展速度比較緩慢。但由于該方法具有較好的整平能力，磨削力和磨削熱又很小，表面無燒傷和裂紋，因此用在某些領(lǐng)域還有很大的優(yōu)勢。為此，國內(nèi)外一直致力于提高它的加工質(zhì)量。近年來，較新的方法是采用脈沖電源進(jìn)行電解磨削，更有效地改善了加工效果。我們也開展了這方面的初步研究，以下對(duì)其進(jìn)行一些介紹和探討。
　　
　　2　改善電解磨削加工質(zhì)量的措施
　　
　　2.1　影響電解磨削加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素
　　多年來，為了提高電解磨削的加工質(zhì)量，國內(nèi)外進(jìn)行了許多研究。過去的研究主要局限于考慮兩個(gè)主要參數(shù)——電極電壓和進(jìn)給速度，即從電解作用和機(jī)械作用兩個(gè)方向來進(jìn)行研究，并一致認(rèn)為實(shí)現(xiàn)二者之間的合理匹配是提高電解磨削加工質(zhì)量的關(guān)鍵。有關(guān)資料還對(duì)二者之間的匹配比例進(jìn)行了量化，認(rèn)為90%的材料由電解溶解，10%的材料由機(jī)械去除為最佳匹配。事實(shí)上我們也在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，若電解作用過強(qiáng)，則砂輪的機(jī)械整平作用顯著減弱，表面粗糙度值升高，且工件不光亮；反之，若電解作用過弱，機(jī)械作用過強(qiáng)，則電解磨削近似于普通機(jī)械磨削，表面出現(xiàn)劃痕，表面粗糙度值也升高。
　　
　　2.2　調(diào)整電解和機(jī)械作用精密匹配的措施
　?、佟p小機(jī)械進(jìn)給
　　為了精密調(diào)節(jié)電解和機(jī)械作用的匹配，需要在電解和機(jī)械兩方面入手。機(jī)械作用的調(diào)節(jié)重要的是要能實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給，每次進(jìn)給量很小，這樣機(jī)械作用能夠?qū)崿F(xiàn)精密調(diào)節(jié)。
　　②　采用脈沖電源
　　電解作用的調(diào)節(jié)，以往是通過調(diào)節(jié)電壓來實(shí)現(xiàn)的。但極間電壓不能太小，因?yàn)閺慕饘俚年枠O極化曲線（圖1中曲線2）看到，陽極電位必須達(dá)到一定值才能發(fā)生陽極電解溶解。各種金屬在特定的電解液中存在一個(gè)最低溶解電壓，極間電壓只有大于此值，金屬才能溶解，而在精密電解加工時(shí)需要電解作用較小，這就產(chǎn)生了矛盾。在這種情況下，可以采用脈沖電源，通過減小脈沖電源的占空比來縮短電解作用時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)電解作用的微量調(diào)節(jié)。

圖1　電極極化曲線

　　另外，脈沖電解磨削對(duì)電解液產(chǎn)生擾動(dòng)作用，使得電解產(chǎn)物易于排除，電解液更新加快，電解液流場更均勻，從而改善了加工效果。
　?、邸〔捎秒娏髡{(diào)節(jié)
　　電解和電解磨削過去所用的電源一直用電壓調(diào)節(jié)電流，但從電解磨削加工過程來看，直接采用電流調(diào)節(jié)更合理。因?yàn)?，根?jù)法拉第定律：M=ηKIt
　　式中　M——電極上溶解或析出物質(zhì)的重量；
　　　　　K——被電解物質(zhì)的重量電化學(xué)當(dāng)量；
　　　　　I——電解時(shí)的加工電流；
　　　　　η——電流效率；
　　　　　t——電解時(shí)間；
　　可以看出，電解作用去除量的大小直接和電流I成比例，它與電壓無直接關(guān)系。而在加工體系中，極間電壓U和加工電流I具有如下間接關(guān)系：
　　
　　U=U1+IR+U2
　　
　　式中　U1、U2分別為陰極和陽極的極化電位。若采用電壓調(diào)節(jié)，盡管可使極間電壓U恒定，但電解加工期間，由于氣泡和電解產(chǎn)物產(chǎn)生、排除以及極間間隙的變化，使極間電阻R的波動(dòng)不可避免，因而電流會(huì)相應(yīng)變化，這使得電解作用量不可精確控制，采用電流調(diào)節(jié)則不存在這個(gè)問題，盡管極間電壓會(huì)波動(dòng)，但不影響電解作用去除量，只要保證所用電壓高于工件金屬的陽極溶解電壓即可。
　　
　　2.3　恒流源對(duì)工件表面整平機(jī)理的解釋
　　電解磨削的整平機(jī)理是，工件在電解作用下，表面被氧化生成陽極鈍化膜，該膜的電阻較大，阻礙著電解進(jìn)行。高點(diǎn)處的鈍化膜不斷被砂輪刮掉，露出新的金屬繼續(xù)被電解，因而高點(diǎn)處的金屬溶解較快。低點(diǎn)由于鈍化膜的保護(hù)溶解較慢，工件在微觀高低點(diǎn)去除速度差的存在使工件不斷被整平。采用可調(diào)的恒流電源時(shí)，控制的是外電路電流恒定，而不是加工區(qū)各處的電流密度恒定。相反，砂輪刮除高點(diǎn)鈍化膜的本質(zhì)沒有改變，因而微觀高低點(diǎn)依然存在去除速度差，工件能夠不斷被整平。
　　
　　3　可調(diào)的恒流脈沖電源的研制
　　
　　3.1　總體設(shè)計(jì)
　　本文的加工對(duì)象為Ф2mm的孔，所用工具為Ф1.8mm×2mm的電解磨頭。由于加工區(qū)相對(duì)的面積很小，所需電流不大，為此，電源總體組成如圖2所示。其中RL為負(fù)載電阻。整個(gè)電源可通過撥檔開關(guān)選擇直流和脈沖兩種輸出方式。

圖2　電源組成原理圖

　　3.2　電流源的設(shè)計(jì)
　　電流源將全波整流的電壓Ui轉(zhuǎn)換成直流電流Io輸出給負(fù)載RL,電路采用CW317芯片實(shí)現(xiàn)，原理如圖3所示。由于電流源兩端不能開路，在負(fù)載兩端接一旁路電阻R,電流通過可調(diào)電阻R2進(jìn)行調(diào)節(jié)。該電源最大輸出電流可超過1A,能夠滿足小孔電解磨削的需要。

圖3　可調(diào)恒流電源原理圖

　　3.3　主振級(jí)的設(shè)計(jì)
　　本文的脈沖電源主振級(jí)由555集成電路實(shí)現(xiàn)，原理如圖4所示。在該電路中通過調(diào)節(jié)電位器R2和R3可實(shí)現(xiàn)脈寬、脈間的連續(xù)調(diào)節(jié)；改變電容C1的取值可改變脈寬、脈間的調(diào)節(jié)范圍。該電路的脈寬和脈間可在70μs～3.36ms之間調(diào)節(jié)，脈沖周期在140μs～6.72ms之間調(diào)節(jié)。

圖4　脈沖電源主振級(jí)原理圖

 　　　　4　脈沖電解磨削的工藝試驗(yàn)
　　
　　4.1　脈沖電解磨削對(duì)尺寸去除量的影響
　　在不同的加工電參數(shù)下對(duì)Ф2mm的小孔進(jìn)行加工試驗(yàn)。試驗(yàn)中每隔一定的時(shí)間（電解磨頭沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次）測量一次去除量，測量取5點(diǎn)平均值。所用儀器為中原量儀廠的DGC-8ZG電感式傳感器和DGS-6B數(shù)顯電感測微儀，該儀器的最小分辨率為0.01m,測量誤差±0.05μm,測量結(jié)果如圖5所示。其它試驗(yàn)條件為：電解液為NaNO3和NaNO2基復(fù)合溶液；徑向單步進(jìn)給量1μm;電解磨頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度30mm/min;脈沖寬度0.25ms;脈沖間隔0.25ms、0.5ms、0.75ms;峰值電流密度0.9A/cm2、1.4A/cm2、1.9A/cm2、2.4A/cm2。

圖5　脈沖電解磨削時(shí)的尺寸精度

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同電流密度下，脈沖電解磨削時(shí)的工件去除量要小于直流電解磨削時(shí)的去除量，即脈沖電解磨削具有更高的尺寸可控性，加工精度較高。另外，在電解電量（電解電流I和電解時(shí)間t的乘積）相同的情況下，脈沖電解磨削時(shí)的加工去除量要比直流電解磨削時(shí)的去除量大。這是由于脈沖電解磨削時(shí)電解作用間歇進(jìn)行，對(duì)電解液產(chǎn)生了擾動(dòng)作用，使得電解產(chǎn)物更容易排除。另外，也因?yàn)樵诿}沖電解磨削時(shí)電解液有較多的時(shí)間更新，極間流場特性改善，使得有些成分能形成價(jià)氧化物溶解。
　　
　　4.2　脈沖電解磨削對(duì)表面粗糙度的影響
　　前面的機(jī)理分析說明，脈沖電解磨削可以獲得更好的表面質(zhì)量，本文對(duì)此進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)條件為：電解液為NaNO3和NaNO2基復(fù)合溶液，徑向單步進(jìn)給量1μm,電解磨頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度30mm/min,脈沖寬度0.25ms,脈沖占空比1:2、1:3、1:4,峰值電流密度0.9A/cm2、1.4A/cm2、1.9A/cm2、2.4A/cm2。

　　圖6　電解磨削對(duì)表面粗糙度的影響
　　
　　試驗(yàn)結(jié)果表明，脈沖電解磨削要比直流電解磨削的加工質(zhì)量高。而且，脈沖電解磨削時(shí)占空比增大，表面質(zhì)量也相應(yīng)提高。這是因?yàn)樵诿}沖間隔期加工區(qū)的析熱、析氣以及電解產(chǎn)物得以充分排除，電解液有較多的時(shí)間更新，使電解液的流場和溫度場更均勻所至。
　　
　　5　結(jié)論
　　
　　電解磨削要獲得較高的加工質(zhì)量，關(guān)鍵在于電解和機(jī)械作用的合理匹配。本文采用新研制的可調(diào)恒流脈沖電源進(jìn)行了電解磨削試驗(yàn)，證明脈沖電解磨削比直流電解磨削有更好的加工質(zhì)量。