脈沖電解磨削加工的電源和試驗研究分析
電解磨削加工最早應用于磨削硬質(zhì)合金。由于設備投資大，機床維護復雜，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，以下對其進行一些介紹和探討。
一，改善電解磨削加工質(zhì)量的措施
1，影響電解磨削加工質(zhì)量的關鍵因素
多年來，為了提高電解磨削的加工質(zhì)量，國內(nèi)外進行了許多研究。過去的研究主要局限于考慮兩個主要參數(shù)——電極電壓和進給速度，即從電解作用和機械作用兩個方向來進行研究，并一致認為實現(xiàn)二者之間的合理匹配是提高電解磨削加工質(zhì)量的關鍵。有關資料還對二者之間的匹配比例進行了量化，認為90%的材料由電解溶解，10%的材料由機械去除為最佳匹配。事實上我們也在試驗中發(fā)現(xiàn)，若電解作用過強，則砂輪的機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，機械作用過強，則電解磨削近似于普通機械磨削，表面出現(xiàn)劃痕，表面粗糙度值也升高。
2，調(diào)整電解和機械作用精密匹配的措施
① 減小機械進給
為了精密調(diào)節(jié)電解和機械作用的匹配，需要在電解和機械兩方面入手。機械作用的調(diào)節(jié)重要的是要能實現(xiàn)微量進給，每次進給量很小，這樣機械作用能夠?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)電壓來實現(xiàn)的。但極間電壓不能太小，因為從金屬的陽極極化曲線看到，陽極電位必須達到一定值才能發(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間，以實現(xiàn)電解作用的微量調(diào)節(jié)。
另外，脈沖電解磨削對電解液產(chǎn)生擾動作用，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。
③ 采用電流調(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。因為，根據(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)的重量電化學當量；
I——電解時的加工電流；
η——電流效率；
t——電解時間；
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的波動不可避免，因而電流會相應變化，這使得電解作用量不可精確控制，采用電流調(diào)節(jié)則不存在這個問題，盡管極間電壓會波動，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。
二，恒流源對工件表面整平機理的解釋
電解磨削的整平機理是，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，阻礙著電解進行。高點處的鈍化膜不斷被砂輪刮掉，露出新的金屬繼續(xù)被電解，因而高點處的金屬溶解較快。低點由于鈍化膜的保護溶解較慢，工件在微觀高低點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，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，砂輪刮除高點鈍化膜的本質(zhì)沒有改變，因而微觀高低點依然存在去除速度差，工件能夠不斷被整平。
三，可調(diào)的恒流脈沖電源的研制
1，總體設計
本文的加工對象為Ф2mm的孔，所用工具為Ф1.8mm×2mm的電解磨頭。由于加工區(qū)相對的面積很小，所需電流不大，其中RL為負載電阻。整個電源可通過撥檔開關選擇直流和脈沖兩種輸出方式。
2，電流源的設計
電流源將全波整流的電壓Ui轉(zhuǎn)換成直流電流Io輸出給負載RL,電路采用CW317芯片實現(xiàn)，由于電流源兩端不能開路，在負載兩端接一旁路電阻R,電流通過可調(diào)電阻R2進行調(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。
3，主振級的設計
本文的脈沖電源主振級由555集成電路實現(xiàn)。在該電路中通過調(diào)節(jié)電位器R2和R3可實現(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)。
四，脈沖電解磨削加工的工藝試驗
1，脈沖電解磨削對尺寸去除量的影響
在不同的加工電參數(shù)下對Ф2mm的小孔進行加工試驗。試驗中每隔一定的時間（電解磨頭沿軸向往復運動一次）測量一次去除量，測量取5點平均值。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,測量結果如圖5所示。其它試驗條件為：電解液為NaNO3和NaNO2基復合溶液；徑向單步進給量1μm;電解磨頭往復運動速度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。
試驗結果表明，在不同電流密度下，脈沖電解磨削時的工件去除量要小于直流電解磨削時的去除量，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和電解時間t的乘積）相同的情況下，脈沖電解磨削時的加工去除量要比直流電解磨削時的去除量大。這是由于脈沖電解磨削時電解作用間歇進行，對電解液產(chǎn)生了擾動作用，使得電解產(chǎn)物更容易排除。另外，也因為在脈沖電解磨削時電解液有較多的時間更新，極間流場特性改善，使得有些成分能形成價氧化物溶解。
2，脈沖電解磨削對表面粗糙度的影響
前面的機理分析說明，脈沖電解磨削可以獲得更好的表面質(zhì)量，本文對此進行了試驗，試驗結果如圖6所示。試驗條件為：電解液為NaNO3和NaNO2基復合溶液，徑向單步進給量1μm,電解磨頭往復運動速度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。
試驗結果表明，脈沖電解磨削要比直流電解磨削的加工質(zhì)量高。而且，脈沖電解磨削時占空比增大，表面質(zhì)量也相應提高。這是因為在脈沖間隔期加工區(qū)的析熱、析氣以及電解產(chǎn)物得以充分排除，電解液有較多的時間更新，使電解液的流場和溫度場更均勻所至。
五，結論
電解磨削加工要獲得較高的加工質(zhì)量，關鍵在于電解和機械作用的合理匹配。本文采用新研制的可調(diào)恒流脈沖電源進行了電解磨削試驗，證明脈沖電解磨削比直流電解磨削有更好的加工質(zhì)量。
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