基于脉冲电源的金属电化学线切割工艺研究（可编辑）

基于脉冲电源的金属电化学线切割工艺研究（可编辑） 第,,卷第,期 机 电 工 程 ,,,(,,,,(, ,,,,年,月 ,,,,,,,,,,,;,,,,;,,,,,,;,,,;,,,,,,,,,,,,, ,,,(,,,, A-PDF Split DEMO Purchase from A-PDFcom to remove the watermark 基于脉冲电源的金属电化学线切割工艺研究 浙江理工大学 机械与自动控制学院浙江 杭州,,,,,, 摘要为了提高金属电化学线切割精度将脉冲电源应用到切割加工中根据电化学加工原理并以切割缝宽为切割效果的评价标 准建立了脉冲电源切割理论模型得出了影响缝宽变化的工艺参数主要有电源的电压幅值脉冲宽度占空比和进给速度等 并在此基础上对参数进行了优化加工实验研究结果表明在保证加工稳定的条件下通过降低电压调小脉冲宽度和占空比的方 法加工出的切割缝宽比直流电源加工出的缝宽明显减小该方法将有望直接用于小尺寸零件的加工 关键词金属切割电化学脉冲电源模型分析 中图分类号,,,,,,,,, 文献标志码, 文章编号,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,;,,,,,,,;,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,;,,;,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,, ,;,,,,,,,,;,,,,;,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,;,？,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,;,,;,,,,,,,,,, ,,,,,,,;,,,,,,,,;,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,,,,,,, ,,,,,,,;,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,( ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,(，,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,;,,,;,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 电解线切割是阳极金属在电解液中发生电化学反应失 , 引 言 去电子变成金属离子再以溶解离子的方式去除材料 加工零件的并且电化学线切割具有多个原理上的 金属切割技术在现代机械制造业中占有相当大的 优势 它的加工效率较高 由 于阴极金属不发生化 ? ? 比重切割的质量和效率对机械加工制造影响重大 学反应因而阴极损耗极少 能切割高硬度的金属材 ? 在生物医疗航天航空精密仪器等领域的较小尺寸零 〔,〕 料 消耗的成本低 因此这种溶解离子去除材 ? 件的制造中如何缩小加工的尺寸提高加工精度和加 料的方式使电化学线切割技术在微小零件的加工制造 工稳定性将会是业界不断探索创新的方向现在的微 中具有较大优势目前用于电化学线切割的电源主要 细加工中电火花加工电极损耗严重损耗机理复杂 是直流电源并用于零件毛坯的前期切割加工切割缝 补偿困难激光加工会出现再铸层锥度等弊端零件 〔,,,〕 宽大精度较低难以直接切割加工零件 南京航 加工出的精度不理想还有各种其他加工方法材料 空航天大学研究人员采用在 线制造微细电极的方法 的添加和去除是以微小团块的形式存在的相比之下 实现了微米尺度微小零件的 加工但把电化学线切割 收稿日期,,,,,,,,,, 作者简介朱晓龙,,,,,男浙江金华人主要从事快速成型技术模具设 ,,,,,(,,,(;, ?,,,? 机 电 工 程 第,,卷 用于小尺寸零件直接成形加工的研究较少 珒 , α,, ,,,,,, φ , ,, 本研究用脉冲电源替换原有直流电源进行金属电 , α 〔,〕 氧化反应速度 化学线切割 以提高集中腐蚀能力切割出的缝宽 较直流电源更小改善了加工精度 珎 , β,, ,,,,,, φ , ,, , α 式中传递系数 ， ,,,法 拉第常数, , 金属电化学线切割技术原理 αβ α β 电极反应中的电子数量,气体常数,绝对温 , , 金属电化学线切割装置在加工时脉冲电源的正 度电极的过电位,交换电流密度 φ , 极连接工件阳极脉冲电源的负极连接工具电极丝 由上文分析可知当采用脉冲电源时基本可忽略 阴极两电极间保持较小间隙并在加工区喷射电 浓差极化对电极的影响因此通过控制电化学极化就 解液在实验中本研究采用 ,(,,,,的导电紫铜 Φ 能达到控制电极反应的目的单位时间内电化学反应 丝作为工具电极丝材料 未能及时消耗流入电极的带电粒子过量的带电粒子 加工原理及装置如图,所示 囤积在电极表面破坏了可逆的平衡电极反应产生极 化电极电位同时电极上进行的电化学反应速度也 受到极化电极电位的影响例如阳极极化会提高氧化 反应的能量加快氧化反应的速度抑制还原反应的速 珎珒 度即,,,因此电极的总电流就等于氧化反应电流 与还原反应电流之差于是得到电化学极化方程式 〔,〕 , β,, α,, ,,,,,, φ,,,, φ , [ ,, ,, ] , α , α 当极化电流较大时电极上的电化学反应平衡被 珎 珒 图, 加工原理示意图 破坏产生较大电极电位,和,大小差值很大其中一 珎 个可以忽略阳极表面产生的电化学极化由于,远 阴极上发生还原反应 珒 珒 大于,可忽略,由式,可得 ， ， ， ，, ,, ，,, , 为金属离子 Μ ?Μ ? ,? Μ , β,, ,,,,,, φ , 阳极上发生氧化反应 ,, , α ，，,, , , ， ，,, 阳极溶解金属的体积 ,可根据法拉第第一定律 Μ Μ ΟΗ ΗΟ Ο ? ? ? , , 和第二定律得到公式如下 , 脉冲电源下的切割缝宽模型分析 ,, ?,, ?，?,, ?,? π ?, , ω ω ω ,, , 在电极反应过程中影响加工间隙大小的因素主 式中元素的体积电化学当量即单位电量溶解的 ω 要是金属电极的浓差极化和电化学极化本研究采用 , ,, 元素体积;, ?,?, ,线 电极直径,,工 高频短脉冲电源加工时工件是分段加工的每段加工 件厚度,，电极反应的电流强度,,通过电极 时间极短有效地减少了金属离子在溶液中扩散层厚 界面的电量,?,,电流通过的时间, 度并且在脉冲间隔时间内利用电解液的流动冲刷使 在电解线切割加工过程中本研究使阴极线电极 溶液浓度均匀大大降低了浓差极化因此本研究在 匀速进给在时间 ,内进给的位移相等为,将式 Δ 脉冲电源条件下主要考虑电化学极化根据电化学原 ,代入式,中可以得出阳极金属在 ,时间内电 Δ 理浸入电解液中的金属电极表面同时存在着还原反 化学溶解的体积量 应和氧化反应电极电位处于平衡状态时还原反应 , πΔ, ,, ,, , β ,, , ,, ,,, ,, , 速度等于氧化反应速度阳极金属的被氧化和被还原 ω φ ,, ? , ,, , α 的量相等宏观上看阳极金属并未发生变化但从微 ,，,, π Δ ,,,,,,,,,,, , ,, , Δ φ Δ 观上看物质的交换始终不停地进行着只是氧化还 , , , 原反应速度相等达到了动态平衡电极反应速度可 由式 ,,可得切割缝宽为 〔,〕 , , 用电流密度来表示 ,,,,, ,,,,,β,,φ,, , ,,? 还原反应速度 , , ,, , α 第,期 朱晓龙等基于脉冲电源的金属电化学线切割工艺研究 ?,,,? 由此可知在采用高频脉冲电源进行电化学线切 ,(, 脉冲宽度对加工的影响 割加工过程中影响切割缝宽大小的因素有加工电源 为了研究脉冲宽度对切割缝宽的影响本研究使 的参数电压脉冲宽度脉冲周期线电极的进给速 其他参数保持不变脉冲宽度分别为 ,,,,,,, 度电解液参数的大小以及上述参数在加工过程中的 ,,,,,,,,不同脉冲宽度下的平均缝宽大小如图, 稳定性 所示 , 金属电化学线切割加工实验研究 电化学线切割加工的两极不直接接触而是留有 一条微小的加工间隙间隙内存在不断变化的电解液 无法通过溶解蚀除将工具电极的型面精确地复制到工 件被加工面上从而必须考虑重复精度和复制精度 因此电解加工精度的高低和加工间隙的大小密切相 关〔,,,〕在实际加工中要尽量减小缝宽来达到提高精 度的目的在用高频率脉冲电源电解加工时其电源 图, 不同脉冲宽度对切割缝宽的影响 的加工工艺参数如电压幅值脉冲宽度和脉冲周期 在脉冲宽度内脉冲电流对电极,溶液界面的双电 直接影响加工精度工件的表面质量和加工的稳定性 层不断地充电极化电极电位逐渐增大脉冲宽度内 等 电流持续时间非常短极化电极电位未达到平衡状态 ,(, 电压对加工的影响 就进入脉冲间隙使极化电极电位迅速下降至零所 为了研究加工电压幅值对切割缝宽的影响本研 以电化学反应条件不断变化总是处于暂态过程中 究进行以下实验来对比分析实验参数线电极均为 如果增 加脉冲宽度相当于在脉冲周期内延长双电层 直径,(,,,,的紫铜丝工件材料为厚度,,,的,,, 的充电时间原来靠近线电极的可分解区域的极化电 碳素结构钢电解液为,,(,,,,,,溶液脉冲频率为 极电位将变大甚至达到稳态过电位会继续快速蚀 ,,,,脉冲宽度为,,,切割深度为,,,,电压幅值 除工件但是充电时间的延长使原来分解区域外的电 从,,,增大到,,,得到的电压幅值与平均缝宽关 极电位也高于金属的分解电压并开始腐蚀工件所以 〔,,〕 系图如图,所示 加工区域增大定域性下降因此脉冲宽度的调节直接 反映了集中腐蚀区域的大小应根据加工条件尽量调 低脉冲宽度提高集中蚀除能力从而减小切割缝宽 ,(, 占空比对加工的影响 一个脉冲周期内分为两个时间段一段为加有电 压的脉冲宽度一段为电压为零的脉冲间隙在一个 脉冲周期内脉冲宽度与脉冲间隙各自所占时间的比值 就是占空比脉冲电源电解加工时本研究通过在脉 冲宽度内产生电流来蚀除工件材料在脉冲间隙内使 图, 不同电压幅值下缝宽变化图 电极去极化浓差极化和电化学极化并且利用电解 液流动来带走加工产物使加工能稳定地进行为了 从图,可知切割缝宽随着加工电压的增大而逐 研究加工脉冲占空比对切割缝宽的影响本研究其他 渐变宽这是因为电极的过电位与电压幅值成正比提 参数保持不变占空比分别为 ,(,,(,,(,和 ,(, 高关系导致电极的反应电流变大扩大了工件上发生 不同占空比下的平均缝宽的大小如图,所示 溶解蚀除的范围阳极材料的电化学去除速度显著加 由图,可知占空比从 ,(,增大到,(,时切割缝 快定域性下降杂散腐蚀变大表面质量也会降低 宽也逐渐增大因为占空比的增大导致单位时间内给 所以为了获得较好的切割加工表面质量和精度应该 电极溶液界面的双电层充电的电量增加即用于反应 在保证稳定加工的前提下尽量减少加工电压幅值 的电量增加由法拉第第一定律可知工件蚀除量也变 下转第,,,页 第,期 徐飞云等影响锥形喇叭口密封性的有限元分析 ?,,,? 国电力出版社,,,,( ,版(北京机械工业出版社,,,,( 〔,〕 顾伯勤李新华田 争(静密封技术〔,〕(北京中国标 〔,〕 屠胜立张 宪(膜式水冷壁焊接变形热弹塑性有限元分 准出版社,,,,( 析〔,〕(轻工 〔,〕 布赫特(工业密封技术〔,〕(北京化学工业出版社 〔,,〕 朱红建(基于,,,,,的粉料罐有限元分析及结构优化 ,,,,( 〔,〕(现代制造 〔,〕 王小刚(管路锥形密封结构的稳健 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 〔,〕(绵阳中国 〔,,〕 ,,,,,,,,,,,,,，,,,(，,,,,,,,,,,,,,,,,;, 工程物理研究院,,,,( ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,〔,〕(,,,,,;,, 〔,〕 冉光斌张方晓(双锥形管接头角度参数对管路密封的 〔,,〕 ,,,, 〔,〕 潘仁度(从分子密封学角度分析密封条件与泄露原因 ,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,, ;,,,,,,,,,,, , ,,,,,,,,,,,;,〔,〕(,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,;, 〔,〕 杜平安于亚婷刘建涛(有限元法原理建模及应用 , 〔,〕(,版(北京国防工业出版社,,, ,( 〔编辑张 翔〕 〔,〕 张朝晖(,,,,,,,(,结构分析工程应用实例解析〔,〕( 上接第,,,页 线切割可以有效地缩小切割缝宽在脉冲电流条件下 电源的电压脉冲宽度和占空比对切割缝宽有显著的 影响其实验规律验证了本研究对加工机理的分析 在上述工作基础上对于如何提高切割加工的稳 定性以及采用更高频率的脉冲电源来进一步缩小切割 缝宽从而提高精度还有待作进一步的研究 参考文献,,,,,,,;,, 图, 不同占空比对切割缝宽的影响 〔,〕 徐家文(电化学加工技术原理 ?工艺及应用〔,〕(北 京国防工业出版社,,,,( 大而此时线电极进给速度保持不变所以切割缝宽会 〔,〕 相 奎李湘生程 松等(金属电化学线切割工艺参 增大由以上分析可知在保证加工稳定的条件下要 数 提高加工精度可尽量减小加工脉冲电源的占空比 〔,〕 陈里龙李湘生李高飞等 金属电化学线切割加工装置 的设计及其实现〔,〕(机 ,(, 与直流电源加工的对比分析 〔,〕 陈里龙(金属电化学 快速线切割技术研究〔,〕(杭州浙 通过以上分析本研究对脉冲电源的参数进行优 江 理工大学机械与自动控制学院,,,,( 化同时进行直流电源的切割实验并加以对比笔者 〔,〕 王建业(脉冲电解加工技术在精微加工领域中的新发展 将脉冲电压设置成,,,脉冲宽度设定为,,,占空 〔,〕 王凤平(腐蚀电化学原理方法及应用〔,〕(北京化学 同脉冲电源加工出的工件切割缝宽在整个轨迹上的 工业出版社,,,,( 平均值为,(,,,,,上下波动范围仅,(,,,,而直 〔,〕 杨 辉卢文庆(应用电化学〔,〕(北京科学出版社 流电源的平均缝宽为,(,,,,,因此本次脉冲电源 ,,,,( 工件切割加工在缝宽值上比直流电源加工减小了 〔,〕 范植坚(电解加工技术及其研究方法〔,〕(北京国防工 业出版社,,,,( ,(,,,,,显著提高了加工精度并且加工过程较稳 〔,〕 范植坚(电解加工测试方法的研究进展〔,〕(电加工与 定 ,,( , 结束语 〔,,〕 郑冀鲁(,,,,,,与化学作图计算与数据处理〔,〕(北 京化学工业出版社,, ,,( 本研究用脉冲电源替换了电解切割电源系统的直 〔编辑张 翔〕 流电源分析了脉冲电源切割的理论缝宽模型并进行 了切割实验实验结果表明采用脉冲电流进行电化学