电解加工技术的应用和发展

图 ４ 扩 压 器 叶 间 通 道 电 解 加 工 进 给 仿 真［４９］ Ｆｉｇ．４ Ｆｅｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｅｒ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｔｕｎｎｅｌ ＥＣＭ
３）电 解 加 工 设 备 的 数 控 化 计 算 机 数 控 技 术 对 电 解 加 工 行 业 的 渗 透 ，还 体 现 在 电 解 加 工 设 备 的 数 控 化 ，早 期 电 解 加 工 机 床 控
图 ２ 阴 极 运 动 轨 迹 和 工 艺 参 数 控 制 装 置［３０］ Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｃａｔｈｏｄｅ ｍｏｔｉｏｎ ｔｒａｃｋ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
２）数 字 化 设 计 和 制 造 ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ 的数字化 制 造，前 期 在 电 解 加工领域的研究主要集中在阴极型面的计算机辅
制系统多采用分离元件的继电系统或简易的数控 系统，故 障 率 高，稳 定 性 差，使 用 寿 命 短，且 控 制 柔 性较差，自动化程 度 低．近 几 年 开 发 的 数 控 电 解 加 工机床，均采用 ＰＬＣ 或计算机控制系统，人机界 面 采 用 触 摸 屏 ，显 著 提 高 了 设 备 的 先 进 性 能 及 现 场 恶 劣环境中运行 的 可 靠 性 和 稳 定 性 ．继 ［４１，５３］ ８０ 年 代 英国 Ｒ．Ｒ 公司的电解加工叶片、荷兰 Ｐｈｉｌｉｐｓ公 司 电动剃须刀片 电 解 加 工 实 现 全 自 动 生 产 线 后，ＧＥ 公司、德宝公司研 发 了 立 式 ５ 轴 电 解 加 工 机 床，如 图５ 所 示，Ａｍｃｈｅｍ 公 司 研 发 了 集 数 据 处 理、模 型 生成和转换、ＮＣ 加工 及 三 坐 标 测 量 于 一 体 的 成 套 设 备 ，一 次 性 完 成 从 叶 片 锻 件 毛 坯 到 合 格 成 品 ．
半 个 世 纪 来 ，国 内 外 学 者 和 业 内 人 士 不 懈 地 在 电 解 加 工 工 艺 、设 备 、测 试 方 面 进 行 了 大 量 研 究 ，技 术 逐 渐 提 高 和 完 善 ；随 着 材 料 科 学 和 产 品 设 计 理 念 的 发 展 ，机 械 产 品 不 断 更 新 ，零 件 的 制 造 难 度 升 级 ， 使 具 有 表 面 质 量 好 、生 产 效 率 高 、无 工 具 损 耗 、无 切 削应力等优点的电解加工技术具备了重新崛起的 条件．
第 １０ 期 范 植 坚 等 ：电 解 加 工 技 术 的 应 用 和 发 展
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图 ５ 立 式 ５ 轴 数 控 电 解 加 工 机 床 Ｆｉｇ．５ ５－ａｘｉｓ ｖｅｒｔｉｃａｌ ＣＮＣ ＥＣＭ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ
鉴 于 电 解 加 工 以 拷 贝 式 为 主 ，一 般 数 控 电 解 加 工机床仍以立式 单 轴 居 多，根 据 加 工 对 象，国 内 针 对 异 形 深 孔 、变 螺 旋 角 的 螺 旋 线 等 加 工 开 发 了 卧 式 两 轴 联 动 数 控 电 解 加 工 机 床 ，如 图 ６ 所 示 ．
图 ３ 阴 极 型 面 计 算 机 辅 助 设 计［２３］ Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｃａｔｈｏｄｅ ｐｒｏｆｉｌｅ
图 １ 整 体 叶 轮 叶 间 通 道 阴 极 运 动 轨 迹 控 制［２７］ Ｆｉｇ．１ Ｃａｔｈｏｄｅ ｍｏｔｉｏｎ ｔｒａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｔｕｎｎｅｌｓ
＊ 收稿日期：２０１２－０４－２５ 作 者 简 介 ：范 植 坚 （１９４３－），女 ，西 安 工 业 大 学 教 授 ，主 要 研 究 方 向 为 特 种 加 工 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｉｊｉａｎｆａｎ＠ｘａｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．
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西 安 工 业 大 学 学 报 第 ３２ 卷
工的研究始于８０年代中 期，１９８６ 年 波 兰 华 沙 工 业 大学的 Ｊ．Ｋｏｚａｋ 提 出 以 棒 状 阴 极 作 旋 转 运 动， Ｋｏｚａｋ等开发了可 实 现 对 电 解 加 工 过 程 模 拟 的 计 算机辅助工程软件 ＣＡＥ－ＥＣＭ，根据阴极运动轨迹 求解工件形状或由给定工件形状反求阴极运动轨 迹，利用工艺试验 进 行 验 证，这 种 方 法 已 为 多 国 学 者 接 受 ［４５－４８］．南 京 航 空 航 天 大 学 采 用 直 线 刃 阴 极 数 控展成电解加工整体叶轮已在航空发动机上得到 应用，针对 闭 式 整 体 构 件 受 刀 具 可 达 性 限 制 的 问 题，提出采用近成 形 阴 极 数 控 电 解．开 发 的 数 控 展 成电解加工软件 包，具 有 叶 片 型 面 的 数 据 处 理、数 控加工的展成运动轨迹运 算 及 仿 真 等 功 能 ， ［２７，４９－５１］ 如图１所示．
助设计，后 发 展 到 加 工 间 隙 流 场 的 计 算 机 辅 助 分 析 ，加 ［１５－２５］ 工过程的数字化测量 ，加工过程的仿真， 如图３和图４所 示．实 现 工 装 夹 具 的 参 数 化 设 计， 对关键尺寸、装配 定 位 尺 寸、机 床 调 整 找 正 尺 寸 等 进 行 参 数 化 设 计 ，便 可 通 过 改 变 模 型 尺 寸 数 据 驱 动 模型实体发生相应变化 ． ［４９－５２］
图 ６ 卧 式 数 控 电 解 加 工 机 床 Ｆｉｇ．６ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ＣＮＣ ＥＣＭ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ
电解加工 系 统 由 机 床、电 源 及 电 解 液 系 统 组 成，为 了 使 电 解 液 池 的 沉 淀 效 果 高 效 合 理，文 献 ［２５］采 用 Ｃｏｍｓｏｌ模 拟 改 变 沉 淀 池 中 心 管 锥 口 直 径及其与反射板的间距对电解液的沉淀速度的影 响 ，如 图 ７ 所 示 ，以 优 化 传 统 沉 淀 池 的 设 计 ．
１．１ 与 计 算 机 数 控 技 术 结 合
１）对 阴 极 运 动 轨 迹 和 加 工 参 数 的 控 制 ２０世纪５０ 年 代 诞 生 的 数 控 技 术 开 创 了 数 字 技 术 应 用 于 制 造 的 先 河 ，以 数 控 方 式 使 阴 极 实 现 三 维运动，可望采用 简 单 阴 极 加 工 各 类 复 杂 零 件，成 为 电 解 加 工 成 形 阴 极 拷 贝 方 式 的 补 充 ．数 控 电 解 加
１ 促进电解加工技术进步的研究
针 对 阻 碍 电 解 加 工 技 术 发 展 的 关 键 问 题 ，人 们
开展了以下研究 工 作：为 提 高 电 解 加 工 精 度，人 们 先后提出非线性电解液［１－４］、混气［１］、工 频 级 脉 冲 电 流与振 动 进 给［５］、高 频 窄 脉 冲［６－７］、高 频 群 脉 冲 电 流［８］、电解电火 花 复 合 加 工 、电 ［１－２，９］ 极 平 动 式 孔 加 工［１０］、磁 场 复 合 电 解 、激 ［１１－１３］ 光 辅 助 电 解 等 ［１４］ 一 系列 技 术 措 施；为 缩 短 阴 极 研 制 周 期，开 展 了 ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ 数 字 化 设 计 和 制 造 、模 ［１５－２５］ 具 电 解加工参数数据库［２６］；在自 动 控 制 方 面，开 发 了 数 控 电 解 展 成 、阴 ［２７－２９］ 极 运 动 轨 迹、加 工 参 数 同 步 控 制、参 数 模 糊 控 制 的 方 法 ；在 ［３０－３２］ 测 试 技 术 方 面 提 出加工精度的评价方法［５］、间隙的直接测量和 间 接 测量 ；在 ［３３－３４］ 机理方面开展了阳极膜对加工精度影 响等研究 ；在 ［３５－３６］ 微细电化学加工方面的研究集中 在超短脉 冲 电 源、微 细 电 极 及 微 细 阵 列 电 极 的 研 制 ；在 ［３７－４２］ 设 备 方 面 开 发 了 卧 式 数 控 ２ 轴 联 动、立 式 数 控 ５ 轴 联 动 电 解 加 工 机 床 、可 编 程 控 制 器 控 制 的单轴电解加工机床［４３］，微秒级脉冲电源 ． ［４４］
电解加工技术的应用和发展＊
范植坚１，杨 森１，唐 霖２
（１．西安工业大学 机电工程学院，西安 ７１００３２；２．哈尔滨工业大学 机电工程学院，哈尔滨 １５０００１）
摘 要： 结合电解加工技 术 应 用 发 展 的 关 键，综 述 了 促 进 电 解 加 工 技 术 进 步 的 重 要 研 究 工 作，列举了计算机技术在电解加工工艺、阴极设计、控 制 和 设 备 方 面 的 部 分 应 用 实 例 以 及 微 细 电化学加工的研究进展，阐述了复合、组合集成是拓 宽 电 解 加 工 应 用 范 围 的 有 效 途 径 的 理 念． 分 析 了 目 前 航 空 、航 天 、兵 器 工 业 对 电 解 加 工 需 求 增 长 以 及 石 油 采 掘 对 电 解 加 工 的 需 求 异 军 突 起 的 情 况 ，电 解 加 工 技 术 的 日 臻 完 善 和 新 的 发 展 机 遇 预 示 着 电 解 加 工 的 春 天 到 了 ． 关 键 词 ： 电 解 加 工 ；计 算 机 技 术 ；复 合 和 组 合 ；微 细 电 化 学 加 工 中 图 号 ： ＴＧ６６２ 文 献 标 志 码 ： Ａ
早在１９２９年 Ｗ．Ｇｕｓｓｅｆ就进行了电解加工试 验 ，这 种 利 用 电 化 学 阳 极 溶 解 原 理 进 行 零 件 成 型 的 方法作为一种工艺的真正确立是在前苏联在炮管 膛或加工中 实 现 的．１９５６ 年 芝 加 哥 工 业 博 览 会 展 出第一台电解加工机床，１９５９年美国 Ａｎｏｃｕｔ公司 进 行 了 商 业 化 运 作 电 解 加 工 才 发 展 成 一 个 行 业 ．至 今，电解加工经历 了 曲 折 的 发 展 过 程，因 为 在 高 流 速 、大 电 流 、小 间 隙 的 加 工 条 件 下 ，间 隙 电 场 、流 场 、 电化学作用交互影响，难以得到均匀的 间 隙［１－２］，阴 极研制周期长，加 工 精 度 和 加 工 稳 定 性 差，参 数 自 动 控 制 困 难 ，这 些 问 题 成 为 电 解 加 工 进 一 步 推 广 的 障 碍 ，出 现 一 些 厂 家 上 不 去 ，下 不 来 的 情 况 ，使 电 解 加工的应用范围一度收窄．
第 ３２ 卷 第 １０ 期
西 安 工 业 大 学 学 报
Ｖｏｌ．３２ Ｎｏ．１０
２０１２年１０月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ＯHale Waihona Puke Baiduｔ．２０１２
文 章 编 号 ： １６７３－９９６５（２０１２）１０－７７５－１０
对 加 工 过 程 的 控 制 ，除 了 控 制 工 具 阴 极 的 行 进 路径，还包括对工 艺 参 数 的 控 制，西 安 工 业 大 学 与 西安昆仑工业集团公司开发的变螺距内螺旋线计 算 机 控 制 电 解 加 工 技 术 ，按 照 产 品 的 要 求 进 行 数 控 加 工 程 序 的 编 制 ，并 实 现 了 阴 极 运 动 轨 迹 和 工 艺 参 数 的 全 程 同 步 控 制 ［３０］，如 图 ２ 所 示 ．
电极侧壁不需绝缘． 国内外学者对电解电火花复合进行了二十年
不懈研究，取得以下成果：用 于 １～２ ｍｍ 的 小 孔 加工，深径比达６０以上．加工硬 质 合 金 速 度 为 ４～ １０ｍｍ／ｍｉｎ，加 工 纯 钨 ２～４ ｍｍ／ｍｉｎ，钛 合 金、不 锈 钢 、耐 热 钢 约 为 １２～２４ ｍｍ／ｍｉｎ，普 通 碳 钢 １５～ ３０ｍｍ／ｍｉｎ，表面粗糙度 Ｒｚ＝９～２０μｍ；用于成型 加工，比单纯采用电 解 加 工 减 小 了 侧 壁 间 隙 （即 提 高了加工精度），控 制 好 参 数，还 可 提 高 效 率，如 加 工４０Ｃｒ，在工作 液 压 力 相 同，直 流 电 压 相 同 （复 合 加工在直流电压上 叠 加 脉 冲）的 情 况 下，电 解 加 工 生 产 率 为 １０５ｍｍ３／ｍｉｎ，与 电 火 花 复 合，为 ３６０ ｍｍ３／ｍｉｎ，侧 壁 间 隙 从 ０．３２ ｍｍ 减 小 到 ０．１５ ｍｍ［１－２］．但是要真正 用 于 生 产，必 须 解 决 电 解 蚀 除 与 火 花 蚀 除 的 比 例 在 空 间 和 时 间 上 的 控 制 问 题 ，这 也 是 长 期 以 来 一 直 困 扰 该 项 工 艺 推 广 的 关 键 ．近 几 年有了突破，文献［９］从 电 解 电 火 花 复 合 电 源 研 制 入 手 ，调 整 电 解 与 火 花 相 的 比 例 ，如 图 ８ 所 示 ，针 对 复杂的非线性间隙与参数的关系采用模糊控制的 方法，优化了加工精度和表面粗糙度 ． ［８］