毕业设计（论文）环状沟槽电解线切割机床及工艺分析

目录1 绪论11.1电化学加工的研究与发展11.2线切割技术的研究与发展11.3研究的意义和目的21.4本文的主要研究内容31.5本章小结32 电解加工机理42.1 电解加工的基本原理42.1.1 电解加工成形原理42.1.2 法拉第定律62.2 电解加工的工艺参数72.2.1 电解加工的工艺特点82.2.2微尺度间隙流场的理论基础92.3 电解成形加工中促进电液循环的方法122.3.1冲液方法122.3.2旋转电极142.3.3阶跃进给142.4本章小结153 环状沟槽电解线切割加工机床173.1机床的设计构想173.2机床的总体方案及布局183.3运动进给系统223.3.1运动平台223.3.2工件阳极旋转运动系统223.4 工艺装置243.4.1旋转夹具的设计243.4.2阴极冲液装置设计243.5本章小结284 环状沟槽电解线切割工艺分析294.1影响加工工艺指标的因素294.2进给参数对加工的影响304.3电参数对加工的影响324.4线电极直接对加工的影响334.5本章小结34参 考 文 献35致谢37361 绪论1.1电化学加工的研究与发展在20世纪50年代之前，苏联科学家就以 “以金属局部高速溶解为基础的电化学加工”的试验研究。我国西安昆仑机械厂的深孔和膛线加工是最早研究并成功应用电化学加工技术的。20世纪70年代电化学加工技术被广泛推广，进入高速发展年代。80年代计算机技术开始进入电解加工，北京工业大学、南京航空航天大学、西安工业大学、华南理工大学先后开始可对电解加工研究探索。在国外，英国的人R,R公司电解加工叶片全自动生产线、荷兰飞利浦的电工剃须刀全自动电解加工生产线、美国CE公司的五轴数控电解加工机床为现在电解加工设备水平的代表。目前，由于电解加工加工间隙中的电场、磁场、流场及阳极溶解动力学的因素的交互影响，电解加工的过程非常复杂，使电解加工技术的纵深发展受到阻碍。除了个别应用对象外，还没有通用的在线直接检测加工间隙的有效手段。电解加工技术是一种无应力的高效加工方法，这一点在其加工枪管膛线和深孔时表现的尤为突出。电解加工既有能力高效加工大而复杂的零件，由于其电化学离子级的蚀除机理，使其在微细加工中很有潜质。1.2线切割技术的研究与发展在20世纪50年代电火花线切割技术在电火花加工的基础上发展起来，开始时时通过铜丝做成的现状刀具对工件进行电火花放电加工。其主要的技术有：加工控制系统、工作液循环系统、脉冲电源、走丝机构。电火花线切割加工原理与电火花成型技术原理基本相同，其原理为把工频交流电转换成特定频率的脉冲电流，通过电极丝转换成电火花来蚀除金属。其中电流的频率、电压等电参数对电火花加工的加工速度、加工过程、生产率、工艺质量及电极的消耗等有很大关系。电火花线切割技术的走丝机构是其不可或缺的组成部分，在进行电火花切割时，电极丝安装固定在丝筒上，在控制系统的控制下以给定进给速度做匀速的往返运动。由于电火花的溅射效果，在实际中，加工表面会出现坑洞，其加工的表面质量和精度都不理想。在慢走丝加工技术中，虽然加工的工艺水平达标，但是加工速度慢，电极丝只能用一次。其生产效率慢，慢走丝机床的技术含量高，生产成本较高，以上因素导致其经济效益不高，很难大面积推广。电火花切割加工中的工作液时循环使用的，所以工作液必须配有回收处理再运用的装置，这样能充分的利用工作液，加快工作液的流动速度，使其连续不断，快速的补充工作液及时冲走电火花加工中除下来的电蚀物，并且冷却电极丝和加工工件，保证加工的稳定性。控制系统则如所有机床的一样，在与控制加工精度，实现自动化加工。1.3研究的意义和目的金属的特种加工一直是当今制造业高度关注的问题。在金属切割方面，日益增长的需求是传统加工技术很难满足的，虽然现在已经有激光，电子束和电火花切割技术，但是这些技术的经济效益，工艺水平很难满足现有的要求。在制造中要求加工技术能有较高的加工效率，适合成批的生产；机床的技术要求低，生产成本低，适合快速广泛推广；机床的加工工艺水平又能满足现有的工艺要求。发展新型的金属切割加工技术已经刻不容缓。电化学加工技术在大深宽比的环形金属切割技术中，由于其刀具为非接触刀具，切割加工中在不受刀具自身刚度的影响，所以对刀具的几何形状并不受加工刚度的影响，电极丝很容易加工出大深宽比的沟槽。但是在加工大深宽比沟槽时，其流场，电场的相关理论并不完善，在这方面的技术方面还有许多有待解决的问题。在电解加工中，深孔的加工已经有较为成熟的理论基础，对于半径100mm8000mm等深空的加工中，电解加工的精度可达0.01mm0.02mm，表面粗糙度Ra0.016m0.08m，而在大深宽比金属切割问题中遇到了与深空加工相同的问题，即传统刀具的加工受到刀具几何形状，刚度的影响，在加工范围有局限性。电化学金属切割技术（Metal Wire Cut Electrochemical Machining,MWEM）是将电化学电解加工技术与金属切割技术相联合的一种新工艺。它有电化学加工中非接触复制加工，加工表面质量好的电化学加工的优势，是在解决大厚度金属切割切口倾斜问题而开展的探索性基础研究。MWEM是以电化学电解加工原理为基础，其非接触性，无应力的加工的基础理论使其在大深宽比沟槽金属切割方面有很大的发展潜能。另外，现在金属大深宽比切割技术存在着局限与不足：如电火花切割中电极丝的损耗严重，损耗机理复杂，补偿困难，加工精度低；慢走丝电火花加工的工艺周期长，加工成本高；激光加工的加工精度低，会出现锥度，再铸层；传统加工的金属切割加工受刀具影响无法进行大深宽比沟槽的加工。相比之下，大深宽比电解线切割则有加工精度高，加工成本低，刀具无损耗，加工工件不受其硬度的影响等理论上的优势。该加工方法既可以制造带有微槽道微缝的零件、又可以制造两维复杂形状高深宽比的微小零件。例如：电涡流传感器或其它微型电磁元件中需要的微型平面线圈、微型化学反应器中的微流道板、某些异型化喷丝板、微齿轮、微拨叉、微缝网板、以及微小型系统以及宏观尺度系统中的很多微小零部件。1.4本文的主要研究内容(1) 设计旋转工件电解线切割回转工件的加工工艺装备。针对大深宽比环状沟槽的电解线切割的理论分析，设计适合的轴向冲液电极和旋转夹具，改善了加工缝宽小于100m，深2000m环形沟槽加工间隙电解液循环更新困难的问题。(2) 设计了环形沟槽电解线切割机床。对其进行了总体设计、布局设计、主要零部件的设计。(3) 进行环状沟槽电解线切割加工的工艺研究，掌握加工电压，进给参数，电解液浓度，冲液速度对环状沟槽电解线切割加工精度、加工稳定性和表面质量的影响规律。1.5本章小结（1）从电解加工的发展进程论证了微细电解加工是电解加工未来的一个发展趋势。（2）在对传统加工与电解加工的比较中，电解加工有无加工应力，非接触加工，加工能耗低，能在离子级进行加工的优势。（3）在现在存在的微细机构加工中出现的问题进行新工艺方法的探索进行论述时，引入了电解加工在微细加工中的优越性，并确定了本文的主要研究内容，加工缝宽小于100m，深2000m环形沟槽及其加工装备的设计，加工工艺的分析。2 电解加工机理2.1 电解加工的基本原理2.1.1 电解加工成形原理用金属阴极与工件阳极在一定的电压下，通过电解池，在两极之间发生氧化还原反应的电化学反应，工具阳极蚀除工件阴极即为电化学加工。 图2.1 电解加工示意图 电解加工时，阳极为工件接直流电源阳极，工件为阴极接直流电源负极，电压在两极作用(一般8V-24V)，通过控制工具阴极与工件阳极的微小间隙 (通常0.11mm)，在特定压力的作用下(0.52MPa)微小间隙中形成电解液流场，作为阳极的工件发生氧化反应失去电子以离子状态进入电解液中，而作为阴极的工件发生还原反应得到电子，在电解液中形成电流。以Me表示金属原子，有如下电解化学反应方程式：阴极：Me-neMen+阳极：2H+2eH2。由于电解液中流场的作用，反应产生的沉积物质和焦耳热能随着电解液的流动被带走，工具阴极在机床系统的带动下做缓慢的进给运动 (进给速度02mmmin20mmmin)，慢慢的使工件阳极蚀除成形。图22中的细竖线用来表示加工过程中的电流，电流的密度用竖线的疏密程度来表示。在刚开始电解加工是，在工件与工具距离较近的地方通过的电流密度较大，电解液的流速也常较高，阳极溶解的速度也就较快，如图2.2所示。由于工具相对于工件以均匀速度不断进给，阳极工件表面按照阴极的形状不断溶解，电解产物不断被电解液冲走，直到工件的形状和尺寸均达到加工要求为止。图2.2 电解加工成形原理2.1.2 法拉第定律电解加工作为一种加工工艺方法，人们所关心的不仅是其加工原理，而且在实践上更关心其加工过程中工件尺寸、形状以及被加工表面质量的变化规律。而既可以定性分析、又能够定量计算，能够深刻揭示电解加工工艺规律的基本定律就是法拉第定律。法拉第定律包括以下两项内容：（1）法拉第第一定律：电流通过电解质溶液时，在电极的两相界面处(如金属溶液界面上)发生电化学反应的物质质量与通过其界面上的电量成正比。（2）拉第第二定律：在电极上溶解或析出1mol当量任何物质所需要的电量是一样的，与该物质的本性无关。根据法拉第第一定律和第二定律，电解加工时，如果阳极金属以理论的确定原子价溶解，则阳极溶解的金属的质量用公式表示如下： m=kQ=kIt=AzFist （2-1）式中 m 电化学反应溶解或析出的物质质量（g）； 电流效率； k 元素的质量电化学当量（g/As）； Q 通过两相界面的电量（C）； I 电流强度（A）； t 加工时间（s）； A 相对原子质量； z 化合价 F 法拉第常数（96487C/mol）； i 阴、阳极之间的电流密度（A/cm2）； s 加工面积（cm2）实际电解加工过程中，通常采用垂直于加工表面方向上的阳极金属(工件)蚀除速度来表示电解加工速度的快慢： Va=di (2-2)式中 Va 阳极蚀除速度（cm/s）； 电流效率； i 电流密度（A/cm2）；2.2 电解加工的工艺参数电解加工是利用电化学阳极溶解的原理的将工件成形加工。只有维持均匀稳定的小加工间隙，才能获得高的生产效率、加工精度和表面质量。加工间隙和电解液是电解加工的两个核心工艺要素，它们是设计工具阴极和选择加工参数的主要依据。在常规的电解加工中，电解加工的精度在0.1mm左右，在加工中侧面间隙是加工垂直度的直接影响因素，在加工中必须维持一个较小的侧面间隙。而端面间隙则是加工效率的重要指标，需维持在一个较小的值。在通常的电解线切割中主要使用的薄片状电极和电极丝，其加工示意图如下图。 （a）薄片工具阴极 （b）电极丝图2.3电解线切割时的加工间隙用薄片电极加工时，其侧面加工间隙可有如下表达式 s=b2h+bb （2-3）式中的h为加工时的工具进给深度从式（2-3）可以看出，加工深度的增加会使侧面间隙加大垂直度变坏，加工切口呈喇叭形。加工精度得不到保证。若采用线状电极加工时其表达式可改写为： s=b2b+bb （2-4）一般线电极的半径选用0.10.2mm，其加工深缝时，电极丝半径远小于加工深度，其侧面间隙可以保持在很小的值，在大深宽比环状沟槽的加工中，电极丝的半径为510m，这样在加工中就有能保证非常高的精度。2.2.1 电解加工的工艺特点加工间隙的影响因素众多如：电场、流场以及加工过程中产生的气泡、热量、电解产物。端面平衡间隙和法向平衡间隙计算公式分别为 b=UR （2-5） =URcos （2-6） 加工间隙的取值范围，在不同的加工方式下加工间隙的取值范围：（1） 电流模式为直流电流，电解液为线性电解液，加工间隙取值范围为0.20.5mm；（2） 电流模式为直流电流，电解液为非线性电解液，或混气电解液，加工间隙取值范围为0.10.2mm；（3） 电流模式为脉冲电流，阴极采用连续进给方式，加工间隙取值范围为0.030.1mm；（4） 电流模式为脉冲电流，阴极采用振动进给方式，加工间隙取值范围为00.05mm；（5） 电流模式为脉冲电流，阴极采用周期进给方式，加工间隙取值范围为00.05mm。2.2.2微尺度间隙流场的理论基础微米尺度的间隙流场与宏观的间隙流场有一定的区别，宏观流体力学有三个方程基于质量守恒原理的连续性方程基于动量守恒原理的连续性方程基于能量守恒原理的连续性方程并且宏观流体理论的研究范围往往在远大于分子运动尺度的范围下进行而不考虑流体分子的个别行为因此可以将宏观流体视为连续介质具有以下特性：（1） 宏观流体是连续分布的介质，可以无限分割为具有均布质量的宏观微元体，这样的微元体是研究宏观流体力学的最小单位，称之为微流体团，就是指宏观上无限小而微观上无限大的质量体；（2） 不发生化学反应和离解等非平衡热力学过程的流动流体中，微元体内流动状态服从热力学关系。（3） 除了特殊面外，宏观流体的力学和热力学参数再时空中是连续分布的，并且通常认为是无限可微的。在细微尺寸下尺寸范围会对流体特征产生影响，宏观流体特征与微观流体特征存在明显的不同，主要的表现在：（1）微米尺度范围内间隙有极大的面积/体积比,导致了表面效应；（2）微米尺度范围内间隙有极大的面积/体积比,导致了表面效应。综上所述，宏观的流体理论在微光流体在并不能客观描述其规律。在微细尺寸的电解线切割微小间隙流场模型中流动的主要问题在于粘性力对微细尺寸流体的流动的影响。流体的内部层与层之间具有切向力即为流体的粘性。流体的流动状态用雷诺数值判别： Re=L/ （2-7）式中Re-雷诺数 -流速 L-流体所在的特征尺寸 -流体的粘度从上式中可以看出，在细微间隙中特征尺寸L的取值非常微小，Re的值也变小，这样细微间隙中的流体一直处于层流状态。同时由于流体的体积与L3，表面积与L3成正比，流路表面的影响相对的增加。微流体流场特性只要受其边界层的影响，而吸附能力主要取决与微流体分子的特性与固体表面的自由能的高低（固体表面键能的强弱）。微细流体边界层的粘性系数可用如下关系方程表示： =0+yn （2-8）式中 0-普通微流体的粘性系数； -固体表面性质n-指数y-固体表面距离式中固体表面距离y是对其粘性系数影响最大的因数，从而影响细微流体特性最大的就是细微流体边界层，因为固体表面对细微流体的粘性里成为流体流动的最大阻力。细微尺寸的微流体我们可以做下面这样的假设：（1）各向同性；（2）细微流体是不可以被压缩的；（2）微流体的导电率与粘度在每个部分是不变的。电解线切割的流场可用图2.4（a）作说明，在加工区域的具体流场规律如图2.4（b），由于加工的尺寸为数十微米的微小间隙，可以将细微电解线切割的流场特征转化为对不可压缩二维定常流边界层内流体速度的分布规律的计算。图2.4 微细电解线切割流场示意图在对其流场特征进行分析时我们主要对不可压缩二维定常流边界层的动量方程和连续方程做简化处理。在细微电解加工中，用平行窄缝的微流体流动模拟细微间隙的微流体运动。固体壁面对细微流体的粘性作用力远大于自由流体粘度的作用，根据以上的微细流体流场分析，再利用不可压缩二维定常流边界层的动量方程和连续方程整理求解，可得到如下方程。 uy=-1n+1n+2dpdxH+n+1y(H-y)n+1 （2-9）u为流体沿电极轴向的速率；n为指数；x为工件厚度；H为定常数； 为固体表面性质。分析上式中的因素可以看出，线电极，工件的表面粘力，流体的运动速度，固体表面的性质，与工件的厚度是微细电解线切割中的主要粘性力来源。通过上述的分析我们发现，在实际的微细尺寸电解线切割加工中，加沉积与加工焦耳热的排出，主要是取决于加工间隙中的电解液的流动速度。因为，加工件的厚度，固体表面性质和其他的影响因素是不容易改变的，对其做出改变是不现实的。然而加快流体的流动速度会与提高加工精度（缩小加工间隙）是相互矛盾的，要解决这个问题就必须通过外加的运动的方式，改变细微加工中的流体速度，而不影响其加工精度。在实际的加工中，有许多的方法可以控制或者消除边界层，减小流体的流动阻力。如：（1）固壁滑移；（2）抽吸；（3）注射不同气体；（4）冷却壁面等。在实际的电解微细线切割中，由于加工间隙在微米甚至纳米尺寸，对其进行抽吸和注射不同气体是不容易达成的，这样做的实际效果也不明显。边界层的形成是流体分子对固体边壁的引力与摩擦形成的，流体分子吸附在固体壁面形成一道水膜与壁面相对静止和壁面一起运动，这层流体是固壁的一部分，导致流体层间出现速度差，所以尽量消除这个速度差，使固壁随着流体一起运动，极端地使固壁具有流体主流相同的速度，就能大大减小边界层的厚度甚至能避免边界层的形成。通过上面的叙述，使工件阳极与工件之间做相对的运动，就能改善细微电解加工中的流场，从而很好的提高了加工的稳定性，对于微细电解线切割加工中微尺度间隙流场中流体的运动速度有如下的估算公式。 uy=U0-120dpdxy(H-y) （2-10）从式中可以得出结论，固壁的性质只对相对U0（相对滑移速度）有影响，对边界层内的流体没有速度上的影响。通过对上式的分析，在细微电解加工中电极丝的轴向运动有利于间隙中的沉积物排出，改善流场特性，提高细微电解线切割的加工稳定性。2.3 电解成形加工中促进电液循环的方法上面的章节我们从细微流体运动的角度，在理论上论证了在细微电解线切割中工件的与工具的相对运动对微细间隙流场的改善。在实际电解成形加工生产中，促进电解液循环的方法有冲液方法、旋转螺旋电极、阶跃进给等方法。2.3.1冲液方法冲液方法主要用于小孔，深孔。在深孔加工中电解随着加工深度的增加电解液的循环更新变得十分困难，使用中心中空的管道作为阴极，电解液的流场示意图如图2.5所示。图2.5 正流式小孔加工示意图在加工多个孔或者孔深较大时，正流式的冲液设计则不能保证很好的加工稳定性和加工精度，此时常用反流式的加工冲液方法。其加工示意图如图2.6图2.6 反流式多孔加工示意图电解液先进入密封腔体，在液压的推动下挤入加工间隙，最后倒流入阴极座。在液压腔内的电解液均匀而起稳定的高压力状态。保证了能稳定、均速的从深孔流向阴极座。在多孔、深孔的加工中电解液稳定，均衡十分重要，而反流式冲液在实践生产中证明其在多孔，深孔的加工中有非常高的加工稳定性。2.3.2旋转电极电解加工中电解液的流动有排屑，降温，提高加工稳定性的作用。去了上一小节论述的强制冲吸电解液的方式，根据上面分析过的细微流场理论，使工具和工件发生相对运动不失为促进电解液循环的可行方案。旋转阴极的设计思路即是在微细的工具阴极加工出螺旋的沟槽，在电解加工时，选装工具阴极，在孔内形成泵效应。工件阴极的外侧做绝缘处理提高加工的垂直度。在实际加工中常选用梯阶形钻头，其刚度大，能很好的克服切削部分的摆动。旋转螺旋电极的加工刀具方便安装制造，有很好的实际加工效益。其加工原理图如图2.7所示。图2.7 旋转螺旋电极加工示意图这种方法在加工的时候，电极中心的速度理论为零，没有相对运动造成了其附近的加工产物很难排除，有钻头细长，加工时又做旋转运动，对钻头的直线度要求高，旋转时的径向跳动时影响加工精度的主要因素。2.3.3阶跃进给阶跃进给的排屑理论根据与旋转螺旋电极的基本相同，即使工件阳极与工具阴极发生相对运动，消除或控制边界层。不同的事阶跃进给时周期性的轴向进给，从而产生吸泵的效果，促进电解液的循环。其工作示意图如图2.8，图2.8 阴极周期阶跃进给加工示意图从图中可以看出（a）时，加工开始，加载加工电压，主轴进给，加工区域的电解液新鲜，（b）时，加工结束，卸载加工电压，主轴停止进给，加工沉积大量产生，热量增加。（c）时，加工电极开始向上复位运动，运动速度高，对孔中的电解液有吸抽效果，带出加工后的加工废屑，新的电解液涌入。（e）电极复位开始下一个加工周期。阶跃进给的加工方式有两种状态，一种是加载加工电压刀具阴极做加工进给运动，一种是卸载加工电压，刀具阴极做复位运动更新电解液。这种加工方法与一般的加工手段相比能够获得较小的加工间隙，加工效率高。阶跃周期短。有较高的垂直度。2.4本章小结（1）进行微细电解线切割的加工基本理论的建立，论证了电解线切割的可实现性。（2）对大深宽比沟槽的加工方法做了介绍，论证了线电极在加工沟槽时比片状电极好，因为其能获得更好的表面垂直度。（3）对电解线切割的流场理论进行了建立分析，得出了固壁滑移效果是线切割中最有可能实现的工艺方法的结论。（4）对现有电解加工的电解液促进循环系统进行了介绍，为冲液夹具的设计做了理论铺垫。3 环状沟槽电解线切割加工机床3.1机床的设计构想（1）机床的设计指标本机床用于在圆柱体外表面加工成形一个缝宽小于0.1mm，深2mm以上的环状沟槽，加工的深宽比大，加工间隙小，容易出现火花短路现象，严重时可能出现阴极损坏。加工材料主要为钢材，钢材中如果含有重金属元素在加工电解中可能产生有毒产物，如用硝酸钠做电解液加工高铬钢会产生有毒的铬离子。电液在还原反应后大多具有氧化腐蚀能力，在机床的设计时要考虑到设备应具有良好的耐腐蚀性。电解加工虽然是无加工应力，但是机床传动要保证很好的传动精度。应保证很好的刚性强。主轴的等效静负荷下，滑枕最大悬伸时，阴极安装板轴向形变位移12m或0.01m /KN，侧向变形位移小于0.5微米。进给速度特性硬，调速宽。为保证动态变载荷下的小加工间隙，进给速度从空载到满载变化量应小于2微米。（2）刀具进给运动在上一章节已经分析过了薄片电极与线电极的加工，线电极加工拥有较好的加工垂直度，故机床选用线电极加工。在细微流体间隙的分析中，我们得出固壁滑移是细微线切割中提高加工精度行之有效的工艺方法。在电火花加工中，通常使用走丝机构提高工件与工具的相对运动速度，从而提高加工的稳定性和加工精度。在实际加工中，将环状沟槽的成形运动分解为刀具阴极与工件阳极的合成时，应优先保证工件阳极运动，这样就可以不用走丝机构。而且工件阳极的体积远大于工具线电极，在实际的加工中工件运动造成的流场运动效果更好。综上所述，我们可以环状沟槽成形加工运动做如下的设计。由于是回转体的加工，其加工成形运动可以模仿传统车削加工，如果把阴极电极丝看成是车削刀具，进行X轴进给；工件阳极做旋转运动。刀具与工件的相对运动轨迹即为螺旋线加工轨迹。（3）机床主体结构由于机床的刚性要求高，大部分的钢材并不能满足其要求，而且机床要求很好的耐腐蚀性，钢材的选用受到很大的限制，初步的构想是选用精密测量中经常使用的大理石作为机床的主体支撑部件的材料。对于微细加工等高精度的机床要确保工具阴极与工件之间相对位置精度，这是采用电极CAD/CAM技术的基本条件，国外多采用这种方法。机床精度指标主要有：滑枕全行程内阴极安装板相对工作台的位置精度（平行度、垂直度和同轴度）。工作台，阴极安装板定位面平行度。工作台、阴极安装板上定位孔、定位键槽精度。（4）工艺装备对于微米级的加工，加工深度在100m，宽度小于20m的沟槽，固壁滑移工艺不能很好的满足加工需要，所欲工艺装备需要构造新的工艺系统，以注入新的电解液，排出电解产物促进加工中的电液循环。在构造工艺装备有如下要求：在加工中，由于缝隙的深宽比大，电解中金属沉积物，氢气等必须及时排出，否则会发生短路、火花，轻者影响加工稳定性，重则损坏电极丝，所以加工电极的设计要有很好的电液循环装置，使加工产物和气体能平稳流畅的从加工间隙中排出。由于加工的尺寸在微米级，工件本身就很小，微小的振动和误差都会对加工造成很大的影响，在工件夹具的设计时必须保证很好的同轴度，加工时能很好的控制工件旋转时的径向跳动。3.2机床的总体方案及布局在上一章加工性能的分析之后，机床做了如图3.1的布局。3-1 环状沟槽电解线切割机床总体布局图机床的选用立式机床C型，其加工额定电流为10A，在微细加工中的电流为上百毫安左右，在考虑机床尺寸小型化后其加工载荷依然富裕，由于C型机床的刚度较差，而细微加工对机床刚度的要求高，在设计中参照双立柱龙门机床机构对其做调整，最终选用做如图3-2。将Y、Z两轴放置在龙门框架上，电解液槽至于水平位移的滑动工作台上，工作台至于龙门机床底座上，这样保证了机床的刚度，方便电解液槽的放置。由于底座由大理石制成，不仅保证了很好的精度，还能防止电解液的腐蚀。在大理石与水平滑动工作台之间加上绝缘防震垫很好的隔绝了来自地面振动对加工精度的影响。-3-2立柱横梁设计参考车床布局的设计，最终选用X轴滑动工作台和三爪卡盘旋转夹持装置。加工采用弱压力冲液系统，在加工中冲液的反作用里十分小，所以在阴极设计时，可以忽略不计。前面已经叙述过，电解加工属于非接触，无应力加工，在电解过程中没有传统切削加工的加工应力，所以在阴极的设计中对自身刚度并没有过高要求。图3-2为本机床的三维模型图，图3-3为加工阴极三维模型。3-2环状沟槽电解线切割机床三维模型3-3冲液阴极三维模型3.3运动进给系统3.3.1运动平台伺服进给的装置称为运动平台，进给的装置称为运动平台，对于环状沟槽的电机线切割，要求进给的位移精度在0.1m左右。直流伺服电机低速性能好，在低速下仍能输出较大的扭矩，调速范围宽，可控性好，可以从快速直接转到工作速度而无超速，这些优点正好适合电解加工需要，电动机工作可靠、稳定时其突出优点，采用者种电机可以大大简化进给 系统可以直接用传动丝杆不需要减速器，提高了进给的精度，一台电机可以完成工作进给和快速进给，成本低，经济性好，时中小电解加工的最佳方案。在伺服电机中，通常以扭矩或者力来衡量电机大小，所以选电机首先要计算出折算到电机轴端负载扭矩或者力的大小。计算出扭矩以后需要留出一部分余量，一般选择电机连续扭矩=1.3倍负载扭矩，这样能保证电机可靠的运行。除此外还需要计算折算到轴端负载惯量的大小，一般选择负载惯量：电机转子惯量5：1，以保证伺服系统响应的快速性。本机构选用直流伺服电机加丝杠进给的方案，采用光栅尺反馈闭环控制。综合上述因素，选用德国PI公司的直线位移控制工作台，其型号为M-126PD。其伺服性能指标如表3.1所示：表3.1 M-126PD伺服性能指标型号行程（mm）分辨率（m）单向重复精度（m）双向重复精度（m）导轨直线度（m）导轨平面度（m）最大运行速度（m）M-126PD2501250.112/1002/100153.3.2工件阳极旋转运动系统在环状沟槽的电解线切割中，工件做低速旋转运动，要求电机能长期稳定的输出较低的速度，旋转速度过高可能会使加工间隙过小，不利于生产产物的排出，容易短路；速度过低会使加工的垂直度受到影响，降低加工精度。降低加工交流伺服电机功率小，低速性能好，恒扭矩；系统刚性较好；速范围宽；体积小，寿命长，可靠性好。这些性能能很好的满足需求。在工件阴极的电机选择时，由于阴极旋转运动时成形加工的辅助运动，其运动速度，动精度对并不是影响加工间隙的主要因素，所以对电机的分辨率要求并不高，其传动系统时直接通过电机轴传动到阳极工件夹具，不需要加入丝杆等传动部件增加传动的精度。由于电解加工的无应力特性，加上在传动过程中没有复杂的传动精度，电机本身的加工载荷极小，功率要求低。所以在电机的选择时额定功率、额定转速、转子惯量不在是选择电机的首要参数。阴极旋转电极靠近电解池，其主轴直接连接旋转夹具，其三维图如图3-4。由于卧式的设计电解液不会主轴浸入电机，而起加装了防护外盖，但湿度依然很高，需要电机有一定耐湿能力。在安装上，由于机床的总体尺寸很小，所以电机的整体尺寸小。综合上述因素选用ST系列110ST-M02030.其主要参数如下表。表3.2 ST系列110ST-M02030主要参数型号额定功率（Kw）额定转速（Rpm）绝缘等级使用环境110ST-M020300.63000B湿度小于90度电机的三维转配模型如图3-4图3-4阳极旋转电机三维模型3.4 工艺装置3.4.1旋转夹具的设计在前文中已经介绍了环状沟槽的电解线切割的成形运动，以及工件做旋转运动对工艺的必要性，考虑到加工的工件为圆柱或者类似圆柱的回转体，在夹具设计可以借鉴机床三爪卡盘的夹具设计。夹具中带阳电的金属零件表面会被杂散电流点蚀，或者在不同金属材料之间发生原电池电流腐蚀，在选择材料时非金属材料最好，但是为了保证夹具的刚度选用锡锌青铜合金。在电火花加工中绝缘件常使用玻璃刚，其零件加工精度可达2微米，符合夹具所需的精度。装夹装置的三维模型图如图3.5。玻璃钢绝缘垫锡锌铜合金图3.5旋转夹具三维造型图 3.4.2阴极冲液装置设计阴极冲液装置是电极丝的固定装置。在微米级的电解线切割中，旋转阳极的方法已经不能很好的满足加工的需求了，在除了旋转阳极增加固壁滑移效果时还必须添加电解液循环促进系统。加工中的产物是否能快速顺畅的排出，只要取决与电解液的促进循环系统。在第二章我们已经介绍过，在加工大深宽比结构时的电解液循环方法，如在加工深孔时，可以通过旋转阴极的方法促进电解液的循环，也可以通过阶跃式进给造成的泵吸效果加速电解液的循环，但这两种方法要求阴极有较大的体积尺寸，显然不适合线切割。在线割加工中，电火花加工通过冲液电极丝夹具的方法促进电解液的循环，这种方法可以借鉴，在电解线切割中，冲液阴极夹具也是可以实现的。（1） 线电极的制作在对缝宽0.1mm，深2mm以上的环状沟槽电解线切割中电极丝选用可以参照如下的理论计算公式。图3.6加工间隙状态示意图图中d为线电极的直径。b为加工端面尺寸，s为加工侧面尺寸。A处的金属蚀除速度为： A=dydt=Ux （3-1）得 xdx=Udt （3-2）为电流效率，为电化学当量，为导电率，U为加载电压。当t=0时x=x0，解得： x22=Ut=x022 （3-3）在通用电解理论中的线电极平衡进给速度c=Ub。取线电极进给量h 等于微米尺度线电极直径d 时，进给时间t为： t=hc （3-4）此时有： s=x （3-5)从式（3-1）（3-3）和（3-5）可以得到如下表达式： S=2s+d2Uc2db+1+d （3-6）在加工中用30%硝酸钠溶液作为电解液，对45刚进行加工，可以查得实际电化学当量80.1mm3/Ah，加工间隙S为0.1mm，加工电压U为5V，电解液的导电率为和进给速度会在下面的工艺分析中做介绍。通过上述的论述我们知道电极丝的直径与加工缝隙，电压等参数有关系，必须逐一而论。（2） 电极丝夹持工具的设计电极丝的直径一般在20100m之间，电解液的冲击容易引起电极丝的颤动，从而改变加工间隙影响加工，为了尽量的减小电极丝的颤动，在设计冲液夹具时，选择轴向冲液，电极液方向为沿着电极丝方向。如图3.7图3.7冲液电解线切割加工示意图电极丝在加工中必须保持绷紧以减小其振动，在夹持工具的设计中选择组合式的夹具以保证其绷劲，夹具的三维模型如下图3-8。图3.8电极丝夹具的三维造型图螺钉起到了固定线电极和导电的双重作用；线电极夹具由非金属材料制成，可以阻断加工回路的电流传递到运动系统中。在设计的冲液夹具上装丝的具体过程是：砝码悬挂法（即将电极丝挂上比其所能承受的最大重量略轻的砝码，使电极丝获得最大张紧力后，将其固定）将电极丝缠绕在夹具基体上，然后再将夹具组装成形。使用该方法装夹能使电极丝获得合适的张紧力，且多次重复装夹张紧力一致，保证了工艺的可重复性。电解液循环系统主要由储液箱、过滤器、泵、流量调节阀，流量计和净化装置组成。电解加工的示意图如下所示。图3.9电解加工单元示意图从冲液泵泵出的带有压力的电解液经过流量控制阀后，以一定的流量从冲液夹具的入液口进入冲液夹具，经导流槽后沿电极丝的轴向对工件进行冲液，其保证了电解能平稳的进入加工区域，稳定而流畅带走电解产物，从而使加工顺利的进行。电解槽中的电解液通过出口进入储液箱经过净化装置的净化处理实现循环利用。3.5本章小结（1）针对环状沟槽电解线切割的特性，对电解线切割的机床机架进行了设计。（2）针对环状沟槽的加工成形运动，对环状沟槽电解机床的运动伺服系统进行了设计。（3）针对环状沟槽的加工成形运动，对环状沟槽电解机床的旋转工件夹具进行了三维建模设计。（4）针对环状沟槽的加工工艺特点，电极丝直径进行了理论计算分析，对电极丝冲液夹具进行了三维设计。4 环状沟槽电解线切割工艺分析前面三章对环状沟槽的电解加工理论和加工机床进行了论述和设计，在此基础上需要通过实验研究对机床和加工方法的工艺性能做探讨。4.1影响加工工艺指标的因素在提高电解机床的加工精度方面的研究一直是一个热点问题，非接触式的电解加工与传统的接触式加工有很大的区别，无应力的加工方法式工件在加工中不会产生加工的应力，在加工中也不会有切削痕迹、毛刺、飞边等问题出现。电解加工中的误差主要有以下几种:一是工艺自身特点引起的误差（以下均称为电解加工的误差），由三部分组成：（1） 复制误差，即工件型面对工具阴极型面的差异；（2） 遗传误差，即加工中未完成纠正的毛坯型面的初始误差；（3） 重复误差，即在同一条件下加工尺寸的分散度。二是外围条件造成的误差，与切削加工工艺一样，包括：（1） 工具定位加紧误差及其形状位置误差；（2） 工件定位加紧误差；（3） 机床安装定位面形位误差；（4） 进给装置的误差。对于外围误差不是电解加工特有的，是一般机床加工共有的，不在本论文研究范围之内。我们重点讨论第一种误差，在第一种误差中遗传误差是毛坯留下的误差，电解加工的工艺手段对其没有影响液不做讨论。重复误差在电极丝的砝码法安装中已经对相应的工艺手段有过论述，这里不在重复。复制误差是电解加工中主要研究的问题，它与电解加工的工艺手段有密切关系，下面我们重点分析复制误差的来源和对影响复制误差的因素做研究分析。电解加工中的加工间隙却电解加工的一个显著特点，也是影响电解加工工艺的只要影响因素，在电场、流场、磁场，加工中产生的热、气泡、电解产物都能不同程度的改变加工间隙，使阴极工具电极不能很好的复制在加工阳极上，所以电极加工的核心工艺就是对电解加工间隙的有效控制，尽量减小加工间隙改变带来的加工误差。加工间隙分为法向间隙、端面间隙、侧向间隙，加工中端面间隙是加工端面与工件之间的间隙，其大小影响了加工效率和加工的表面质量（端面间隙过小引发短路、火花，高强电流会破坏加工的表面光滑度）。而侧面间隙则随着加工深度的加深影响加工的垂直度，在环状沟槽的加工中也要保证很小的侧面间隙。由式3-6可知在环状沟槽的电解加工中，工件的成形全部取决与电解线切割中的侧面间隙，而侧面间隙的大小有底面间隙和电极丝的直径来决定，加工精度直接和底面间隙相关。在电解加工中，工件由于阴极的蚀除不断的后退，而工具阴极不断的进给，当工件的溶解后退速度与工具阴极的进给速度一致时，其加工间隙保证一个不变的值，我们称这个值为平衡间隙。其有如第二章中的式（2-5），将其全微分可得如下表达式： db=bd(+d+dURUR-d （4-1）从式（4-1）中可以看出，影响平衡间隙大小的因素有：加工电参数，进给速度等4.2进给参数对加工的影响在电极丝直径、工件材料、工件厚度以及加工参数确定的情况下，电极丝的进给速度是有理论上的上限的，当超过上限阀值时就会发生短路，中断加工。加工的进给速度直接影响到了加工的效率，所以在不同加工条件下，以不同的速度进给，研究其对加工精度和表面质量的影响式有必要的。实验的初始条件做如下的设计：线电极丝为直径100微米的铜丝，加工圆柱的直径为4mm的45刚，电解液用0.1mol/L的硝酸钠溶液，加工加载10V的电压，加工深度为2000微米，加工的侧面间隙的大小s由下式决定: s=(DW-d)/2 （4-2）式中DW为缝宽；d为电极直径。加工结束后在2000微米的切削深度里每隔400微米用数字显微镜测量微缝宽度，并将所得的五个数值取平均，由此得出加工切缝宽度与电极进给速度的变化曲线如图4.1。图4.1电极丝进给速度与侧面间隙关系图由平衡公式（2-5）分析出，在电压等参数相同的情况下，进给速度增加，端面间隙将会减小，由式（3-6）可知侧面间隙的大小取决与端面间隙和电极丝的直径大小，所以速度的增加侧面间隙也会减小，在加工稳定的情况下提高进给速度可以提高加工精度和加工效率。图4.2是在进给速度为0.25m/s和0.15m/s显微镜下放大3000倍的加工缝内侧表面对比图 （a）0.25m/s （b）0.15m/s图4.2不同进给速度下微缝内侧显微图从图中可以看出快的进给速度可以能使加工表面均匀，提高了加工表面质量。进给的速度与加工停留的时间是成反比的，换句话说，当进给速度减小到原来的一半，加工停留的时间就会增加一倍，加工时间的加大使电极丝对加工缝隙的蚀除程度加大，使加工的精度与表面质量都很大程度的降低。综上所述，在理论阀值内尽量的提高进给速度是电解加工中的重要工艺手段。4.3电参数对加工的影响从式（4-1）中可以知道电参数使影响工艺加工的一个因素，交流电源的加工中电压、脉冲宽度、脉冲周期等电参数都是对电解加工工艺都影响，由于本次加工选用的是直流电源，没有脉冲的影响，所以本次实验只研究在进给速度、线电极直径等参数相同的情况下，不同电压对加工精度和表面粗糙度的影响。本次实验的初始条件如下：线电极选用50m的铜丝，工件的材料为45刚（切割深宽如上一个实验），电解液为0.1mol/L的NaNO3溶液，电压的幅值从3V增大到5V，得出的侧面间隙的大小如下图4.3所示图4.3加工电压与加工侧面间隙的关系图从图中可以知道在加工电压的增加下侧面间隙不断增大，电压的增大使加工电流增大，工件上发生的蚀除效果加快，在单位的时间里蚀除的物质量增加，但是随着电压的增大电化学反应的面积也在增加，对于非加工区域的蚀除效果增加，降低了加工的精度。图4.4为在4V和5V加工电压下，加工端口500倍显微镜下的对比图。（a）U=4V （b）U=5V图4.4 不同加工电压下的缝隙对比图在不断提高加工电压的过程中，从3V到10V加工的短路次数逐渐减小，在10v之后短路次数突然上升。在一定的阀值下，加工电压的提升降低了短路的次数提高了加工的稳定性，但是加工电压的提升使加工区域不集中，扩散现象明显，降低了加工的精度。实际加工中可以通过在精度允许的范围小提高加工的电压以提高加工的稳定性。反之，也可以在保证加工稳定性的前提下降低加工电压以获得更高的加工精度。4.4线电极直接对加工的影响在微米级的加工中，线电极的直径一般为微米或者亚微米级。在3.4.2节的分析中可以知道，线电极的直径很大程度上不但影响加工的端面间隙，也会对侧面间隙做出影响。本次实验条件如下：不同实验的参数如上一个实验，改动参数为，加工电压4V和5V，电极丝的直径为10m、25m、50m。使用不同直径线电极加工侧面间隙大小如图4.5所示。图4.5线电极直径对侧面间隙的影响从图中可知，随着线电极直径的增大，侧面间隙也增大。此外，此外线电极直径和侧面间隙大小又共同决定着微缝宽度的大小，可见线电极直径的降低，直接造成了微缝宽度的大幅度减小，尽可能采用直径小的线电极是提高微细电解线切割加工精度最关键的工艺措施之一。4.5本章小结（1）对影响环状沟槽电解线切割的工艺因素进行了分析，即为电压、进给速度、电极丝直径。（2）对影响环状沟槽工艺参数进行实验研究确定。参 考 文 献1 Gregory.T.A.Kovacs，张文栋，董海峰，李永红，等译.微传感器与微执行器全书M.北京:科学出版社,2003.2 Tai-Ran.Hsu,王晓浩,蓝金辉,杨兴,等译.MEMS和微系统设计与制造M.北京:机械工业出版社,2004.3 于滨微细电火花线切割加工控制制系统及工艺规律研究，D哈尔滨：哈尔滨工业大学，2004.4 王沫然,李志信.基于MEMS的微泵研究进展传感器技术N.2002-2-1(6) .5 Yunn-Shiuan Liao，Shun-tong Chen，Chang-sheng LinDevelopment ofa high precision tabletop versatile CNC wire-EDM for making intricate micro partsNJournal ofMicromechanics and Microengineering2005，(1 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