電解加工 Technical advantages
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      電解加工又稱電化學加工(Electrochemical Machining—ECM),其基本原理是金屬在一定條件下會產生陽極溶解。如圖2所示,電解加工時,工件接電源的正極、工具接負極,兩極之間保持較小的間隙,具有一定壓力的電解液從間隙中流過,陽極工件的金屬逐漸被電解腐蝕。隨著工具陰極相對工件陽極不斷進給,工件表面不斷被電解,電解產物被間隙中高速流動的電解液帶離加工區域,直至工件表面形成與工具工作面基本相似的形狀為止。


電解加工具有一些獨特的優點:
1)生產效率較高。電解加工是成型加工,工件材料的蝕除速度不受加工材料的硬度、   強度、韌性的影響。
2)加工表面質量好。工件的材料以離子狀態去除,為冷態加工,因而無冷作硬化層、熱再鑄層以及由此引起的表面顯微裂紋,表面光整、無加工紋路、無毛刺。由于無切削力和表層內應力,因而工件的加工變形小。
3)工具無損耗。電解加工工具陰極不與工件接觸,正常加工條件時工具陰極不損耗。
4)可成型范圍寬。從簡單的圓孔、型孔到復雜的三維空間的型面、型腔都可以由這種方式加工。
5)對難加工材料、復雜形狀工件的批量加工,電解加工是一種低成本的工藝方法。

3 電解加工過程示意圖

圖4 數控電解加工的整體葉輪(左)和機匣(右)

成型加工

      德國亞琛工業大學的F.Klocke等人利用成形電極加工葉片,進行了二維模擬,葉片中部型面的模擬結果與實際加工工件誤差小于10μm,前后緣誤差達到200μm,分析原因源于電解液電導率的不精確性和軟件樣條曲線的生成誤差。最后反向模擬可以求出加工電極的型面。

      F.Klocke指出成形電解時當電極輪廓角度小于40度時,可以較好的預測加工型面,高于40度的區域可以電場、流場、熱傳導等物理場耦合結合法拉第定律來求出。

15 Leistritz加工等截面整體葉盤                                                                        圖16 MTU電解加工的整體葉輪

      Platz A介紹了一種7-8軸的電解成形加工機床,3-4軸用于操控工件的運動,4軸用于控制可微幅振動電極的運動。
      德國MTU公司采用成形銅電極加工直徑650mm,葉片長100mm,共40個葉片的整體葉輪(圖10所示),電解液為NaCl溶液,電流密度0.5-1A2,加工一個葉片的時間只需5分鐘。MTU公司采用了先用成形電極初加工整體葉輪葉片,再同時使用葉盆和葉背成形電極(施加低頻振動)來精密拋光葉片和輪環的工藝進行整體葉盤的加工。
      朱棟采用優化算法的誤差反向傳播網絡(BP)技術,建立了數字化陰極修正模型,葉盆葉根和葉尖修正部位的精度均能提高0.09mm左右,并且優化了陰極的運動軌跡,防止加工過程中陰極與工件間的干涉問題,加工過程示意圖如圖14所示。王福元提出電解分步法加工整體葉輪的工藝,初加工采用展成加工,精加工采用成形電極加工。 

17 電解成形加工過程示意圖

      目前電解成形加工較多作為復雜曲面的精加工工序,是在前期的開槽加工之后進行的,開槽加工十分耗時的問題并沒有解決,整個加工工序的累加使得加工效率并不高。且成形電極的設計需要考慮復雜的電場、液氣混合流場,反求拉普拉斯方程,計算極為困難,往往需要針對制作的電極作大量的修磨工作,耗時耗力。

展成加工:

      J.Kozak教授領導的課題組對利用平板狀和球頭狀之類形狀簡單的陰極加工曲面的技術進行了大量研究(如圖15所示)。波蘭Cracow金屬切削學院的A.Ruszaj等人也對利用球頭陰極電解加工型面的技術進行了研究,在其所做的平面精加工試驗中,加工后平面的形狀誤差最小值可達0.02 mm, Ra最小達0.7μm??紤]到用球頭陰極進行電解加工時的金屬去除率很低,為了提高展成電解加工的金屬去除率,近年來,該課題組又開展了用矩形截面陰極展成電解加工曲面的研究。

?18 球頭陰極加工原理示意圖

      國內,南航特種加工研究室對電解展成加工做了較為深入的研究。徐家文教授提出采用電極直線刃口進行直紋面葉片或近似直紋面整體葉輪的展成加工方法,并研制出了五軸電解加工機床,為使陰極更具有通用性,節省費用,采用三體式陰極結構:陰極體、陰極底板及陰極蓋板,加工不同尺寸葉間通道時僅需更換相應的陰極底板及陰極蓋板即可。朱永偉、徐家文針對航空發動機中大量采用的整體構件,其大扭曲型面很難加工的特點,提出了整體構件異形面的復合平面擺動展成加工方法,用一次進給電解就可達到型面的加工要求。

吳建民、徐家文等人針對大直徑整體葉輪電解展成加工時對葉根圓出現的過切問題,探討了成因,并提出解決方案:修整陰極、調整數控加工程序、多陰極加工。

      19 陰極加工整體葉輪及陰極結構示意圖

南航徐慶等人針對管狀電極的開槽加工工藝進行了研究,優化了管狀電極結構,還提出了使用同步結構,同步加工葉輪的方法,多個工具陰極同時進行葉柵通道電解加工,多個工具陰極同時進給,沿著相同的軌跡運動,最終一次性加工出多個葉柵通道,如圖17所示。

20 管電極同步展成電解加工示意圖

      目前電解展成加工已經成為國內外學者的研究重點,加工方式靈活多變,不需要復雜型面的電極,卻能較好地加工任何復雜形狀的工件,但是電解展成加工仍是需要逐層、逐點去除材料,相比于切割加工需要腐蝕的材料體積較大,加工量就大,能源耗費大,電解液的處理量大,加工效率卻不高。

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