电解加工技术的现状与展望

电解加工技术的现状与展望

陈远龙

(合肥工业大学

合肥 230022)

任中根

(西北工业大学

西安 710072)

徐家文

(南京航空航天大学

南京 210016)

陈济轮

(首都航天机械公司

北京 100076)

摘要：分析总结了国内外电解加工工艺技术研究及设备研发的现状，展望了其近期的发展方向。 关键词：电解加工 技术现状 发展展望

0 前言

在经历大约 20 年的低潮后，从 20 世纪 90 年代后期起，电解加工又重新焕发了生机。其研究 机构及人员逐渐壮大，应用领域(尤其在航天、航空、军工领域)有所扩展，研究成果及论著数量激 增，工艺技术水平及设备性能均达到了一个新的高度。

1 工艺技术研究

目前，电解加工工艺技术研究涉及的方向较多，但主要集中在微秒级脉冲电流加工、微精加工、 数控展成加工、阴极设计及磁场对电解加工的影响等五大领域。下面分别加以详述。 1.1 微秒级脉冲电流加工

自 20 世纪 70 年代初起，前苏联、美国、日本、法国、波兰、瑞士、西德等相继开始了对脉冲 电流电解加工的研究。在国内，多家单位相继开展了毫秒级脉冲电流电解加工的研究并成功用于工 业生产。

随着近代功率电子技术的发展，新型快速功率电子开关元件如 MOSFET、IGBT 等出现，使得 有可能实现微秒级脉冲电流电解加工。20 世纪 90 年代以来，微秒级脉冲电流电解加工基础工艺研 究取得突破性进展。研究表明，此项新技术可以提高集中蚀除能力，并可实现 0.05 mm 以下的微小 间隙加工，从而可以较大幅度地提高加工精度和表面质量，型腔最高重复精度可达 0.05 mm[1,2,3]， 最低表面粗糙度可达 Ra0.40 μｍ[1]，有望将电解加工提高到精密加工的水平，而且可促进加工过程 稳定并简化工艺，有利于电解加工的扩大应用。

国内外众多研究机构利用微秒级脉冲电流开展了模具型腔及叶片型面加工、型腔抛光、电解刻 字、电解磨等工艺可行性试验以及气门模具生产加工试验[1，3]，研究成果进一步从工艺角度证实了 上述结论。

1.2 微精加工

从原理上而言，电化学加工技术可分为两类：一类是基于阳极溶解原理的减材技术，如电解加 工、电解抛光等；另一类是基于阴极沉积原理的增材技术，如电镀、电铸、刷镀等。这两类技术有 一个共同点，即材料的去除或增加过程都是以离子的形式进行的。由于金属离子的尺寸非常微小 (10-1nm 级)，因此，相对于其它“微团”去除材料方式(如微细电火花、微细机械磨削)，这种以“离 子”方式去除材料的微去除方式使得电化学加工技术在微细制造领域、以至于纳米制造领域存在着 极大的研究探索空间。

从理论上讲，只要精细地控制电流密度和电化学发生区域，就能实现电化学微细溶解或电化学 微细沉积。微细电铸技术是电化学微细沉积的典型实例，它已经在微细制造领域获得重要应用。微

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细电铸是 LIGA 技术一个重要的、不可替代的组成部分，已经涉足纳米尺寸的微细制造中，激光防 伪商标模版和表面粗糙度样块是电铸的典型应用[5,6]。

但电化学溶解(成型)加工的杂散腐蚀及间隙中电场、流场的多变性严重制约了其加工精度，其 加工的微细程度目前还不能与电化学沉积的微细电铸相比。目前电化学微精成型加工还处于研究和 试验阶段，其应用还局限于一些特殊的场合，如电子工业中微小零件的电化学蚀刻加工(美国 IBM 公司)、微米级浅槽加工(荷兰飞利浦公司)、微型轴电解抛光(日本东京大学)已取得了很好的加工效 果，精度已可达微米级 [5]。微细直写加工、微细群缝加工及微孔电液束加工，以及电解与超声、电 火花、机械等方式结合形成的复合微精工艺已显示出良好的应用前景[9~12]。

1.3 数控展成加工

传统的拷贝式电解加工的阴极设计制造困难，加工精度难以保证。尤其对整体叶轮上的扭曲叶 片之类通道狭窄的零件表面，由于受工具阴极刚性及加工送进方式的限制，拷贝式电解加工更难以 完成其加工任务。

20 世纪 80 年代初，以简单形状电极加工复杂型面的柔性电解加工——数控展成电解加工的思 想开始形成，它以控制软件的编制代替复杂的成形阴极的设计、制造，以阴极相对工件的展成运动 来加工出复杂型面。这种加工方法工具阴极形状简单，设计制造方便，应用范围广，具有很大的加 工柔性，适用于小批量、多品种、甚至单件试制的生产中。

80 年代中期，前苏联乌法航空学院特种加工工艺及设备研究所以过程控制为突破口，设计了一 种柔性电解加工单元，应用特殊的电流脉冲波形和高选择性的电解液，加工精度达 0.02 mm，表面 粗糙度达 Ra0.2～0.6?m。

波兰华沙工业大学的 Kozak 教授于 1986 年率先提出了电解铣削的思想，以棒状旋转阴极作类 似于圆柱状侧铣刀的成形运动来形成加工表面，成功地应用于直升机旋翼座架型面的加工，加工中 采用 NaNO3 电解液，精度可达±0.01～0.02mm，表面粗糙度达 Ra0.16～0.63?m。

波兰 Cracow 金属切削学院的 A.Ruszaj 和 J.Cekaj 教授利用形似球头铣刀的工具阴极，进行了型 面光整加工的试验研究，取得了形状误差小于 0.01mm 的加工效果，从而证明了该工艺在模具的光 整加工方面具有很好的应用价值。

美国、英国、俄罗斯都高度重视数控电解加工技术的研究并已得到应用，在新型航空发动机及 航天火箭发动机的研制中发挥了重要作用。美国 GE 公司的五轴数控电解加工，美国、俄罗斯仿形 电解加工带冠整体叶轮代表了数控电解加工整体叶轮的国际先进水平。

南京航空航天大学从 20 世纪 80 年代中期开始进行数控展成电解加工工艺技术的研究，已在电 解加工设备研制、加工机理研究、控制软件编制及工艺试验等方面均取得了重要进展[7,8,9 ]。具体研 究内容包括以下几方面：

(1) 设备研制：研制了五轴数控电解加工机床及配套的多轴联动数控系统。该机床具有三个直 线运动坐标轴及二个旋转运动坐标轴，各轴均采用步进电机驱动。多轴联动数控系统为二级数控系 统，上位机为一台通用计算机，用于数据处理及生成数控加工程序，下位机为组合在一起的五台经 济型二轴数控单元及其驱动单元，用于驱动机床各轴运动。

(2) 成形规律研究：研究了棒状外喷式阴极、三角形截面内喷式阴极、矩形截面内喷式阴极三 种状况下展成电解加工间隙随一些主要工艺参数变化的规律。

(3) 阴极设计：针对整体叶轮结构，设计制造了不同结构的开槽阴极、型面精加工阴极，并通 过工艺试验对其结构进行不断改进，现已设计出了新颖结构的组合式开槽阴极及矩形截面整体式型 面精加工阴极，很好地解决了加工过程中易产生的阴极短路烧伤问题。

(4) 加工软件开发：针对整体叶轮的开槽加工及型面精加工，开发了相应的数控展成电解加工 软件，具有叶片型面的数据处理、数控加工的展成运动轨迹计算及整体叶轮的三维型面几何造型等 功能。

(5) 加工工艺试验：包括直纹面、非直纹面整体叶(涡)轮及带冠整体叶轮的展成电解加工、叶片 型面电解抛光与五轴联动电解磨削等。试验表明，工艺过程稳定可靠，可以获得较高的加工精度和

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较低的表面粗糙度。 1.4 阴极设计

目前的生产实际中，多采用迭代试验修正法来制作阴极，这不仅浪费人力物力，而 …… 此处隐藏：3788字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……