脉冲电解加工研究现状及进展

作者： 刘红普1 刘家平1 张成光1  

（1.河南工业职业技术学院机械工程系，河南 南阳 473009

摘要：本文综述了脉冲电解加工的国内外研究现状，重点介绍了脉冲电化学加工的机理及国外脉冲电解加工的研究进展，尤其是详细阐述了PECMM和复合加工技术，并对其进行了前景进行展望，提出了今后的重点研究方向。
关键词：脉冲电解加工 机理 复合加工

Progress of Pulse Electrochemical Machining
Liu Hong-pu1 Zhang Cheng-guang1 Liu Jia-ping1
(1. Department of Mechanical Engineering，Henan Polytechnic Institute，Nanyang，Henan，473009

Abstract: In this article, research present situation of Pulse Electrochemical Machining (PECM) was summarized in the domestic and foreign, and emphasizing mechanism and factors of PECM as well as progress of overseas PECM, elaborating PECMM and complex machining technique, forecasting to its prospect, and putting forward the next key research direction.
Keywords: PECM mechanism complex machining

我国成为世界重要的制造业基地，国家把先进制造技术列为今后15年重点发展的技术领域，提高机械加工质量成为重中之重。零件的表面质量不仅直接影响产品外观、决定零件工作状况好坏，并且最终将影响零件的使用性能和使用寿命。通过采用合理的加工技术、工艺方案和优化工艺参数，提高零件表面质量，是确保产品质量的重要手段。脉冲电解加工的优点是表面质量好，无划痕、硬化层、变质层及残余应力等缺陷，材料适应性广，不受硬度、强度和韧性等限制，是一种经济、高效的加工技术[1,2,3,4]。

1 国内外PECM/PECMM研究现状及进展
脉冲电解加工（Pulse Electrochemical Machining，PECM）的机理是利用有规律的间歇供电(脉冲电流)进行间隙加工，在脉冲电化学加工时间内阳极发生电化学溶解，从而达到改善零件表面质量的目的，如图1所示。加工时，由于脉冲电流的间隙作用和阶跃变化，使加工间隙中的电解液发生振荡而产生压力波；压力波的搅拌作用大大改善了加工间隙中电解液的流动条件，间隙通道内的电化学产物、析气和析热得以及时、充分排除，同时加速了间隙内电解液的更新。电解液的更新将阳极溶解生成的氧化膜冲走，露出新鲜的金属表面，同时重新在工件表面快速形成一层氧化物。脉冲电流能有效影响阳极溶解过程的动力学原理，在脉冲电解加工过程中使阳极表面始终处于极化－活化的周期性波动状态，扩大了阳极溶解范围，使电流密度曲线向高电流密度方向移动，从而进一步改善电解液的非线性特性和加工工件的表面质量。随着脉冲占空比增大(即脉冲时间缩短或间歇时间延长)，阳极钝化的范围也逐渐扩大，使表面质量的改善效果逐渐增强。研究证明，脉冲电流电解加工具有比一般直流电流加工精度高、表面微观不平度小、易于控制加工参数、便于采用小间隙加工等优点[1,2,5,6]。
图1 脉冲电解加工系统示意图
基于高级电解加工切削金属的精度的提高证明了对电子和精密仪器等微细零件的电解加工是有效的。但是，直流电解加工的理论和实际表明，其加工间隙、工具设计都需要进一步改进，这些要求在直流电解加工中都没有取得进展，并且由于电解间隙内压力、温度及阴极析氢产生气泡层等分布不均匀，形成间隙内电导率的不均匀，从而降低了加工精度。而脉冲电解加工（PECM）在加工精度方面可以满足要求。在脉冲电解加工中，常用脉冲发生器来提供阴极与阳极间的脉冲电压，典型的脉冲链由单个脉冲或脉冲群组成，如图3所示。电解加工时，阳极工件在脉冲宽度 （一般为1µs－5ms）时间内发生电化学溶解；溶解产物在脉冲间歇 （ ）时间内被高速流动的电解液冲走。为了加强电解液冲刷和产物排出，在脉冲间歇 期间工具从加工工件到间隙的最大位移 处退回，并且脉冲在间隙 范围内处于暂停与下一个脉冲开始阶段，可以在这期间重新检测间隙和复位工具，重新整理间隙中的一些不确定因素和调整间隙到所需要的值，所以，可以改善加工精度。因此，应用脉冲电解加工（PECM）光整加工复杂形状如冲模、涡轮叶片、精密电子零件等是非常可能的，并且其加工精度可达0.01－0.05mm[2]。
图3 脉冲电解加工原理
采用较大的加工间隙是脉冲电解加工精度受到限制的重要因素之一，如果加工间隙能大幅度减小，加工精度就会显著提高，利用脉冲电解加工进行微细加工的可能性也将增大。为了使脉冲电解加工（PECM）适合三维形状的微细加工，有必要重新改进电解加工系统，使加工间隙达到10µm以下，使用几十至几百纳秒的超短脉冲。不是根据加工零件大小和形状来设计制造工具，而是采用脉冲电解微细加工（Pulse Electrochemical Micro Machining，PECMM）方法，这种方法使用普通的工具电极（如圆形、平面工具电极），这种工具电极像微型铣刀一样运动，工具电极在计算机控制的纳米分辨驱动系统下沿着三维坐标轴移动，如图4所示。该PECMM加工系统具有可行性，并且PECMM加工系统应设置并维持一个较小的稳定加工间隙，这对获得更好的加工尺寸精度是非常重要的；但是，允许的最小加工间隙受到极间间隙条件的制约。PECMM模型表明，在没有气泡产生下，脉冲越短允许的加工间隙越小[6]。
图4 脉冲电化学微细加工
电解加工中，加工间隙的测控是非常重要的。据报道，在脉冲电解加工中，电流信号的方差可能会与加工间隙值之间存在有某种关系，例如会随着加工间隙的变大而增加。这意味着在某些情况下，电流信号可用来识别加工隙的大小[7]。另据报道，在脉冲电解加工中，流经加工间隙的电解液作用在阴极上的六维力以及电流方差信号与加工间隙值之间存在着某种关系，例如会随着加工间隙的变大而电流方差增加，六维力减少，这意味着，电流方差信号和电解液作用在阴极上的六维力可用来识别加工间隙的大小[8]。
为了测试电化学微细加工参数，设计了特殊的实验仪器尤其是加工工具[6]，如图5所示。阴极加工工具与阳极加工工件之间用脉冲电源来连接，其中阴极加工工具与脉冲电源的负极相连，阳极加工工件与脉冲电源的正极相连，电解液通过阴极工具的小孔与工件发生电化学反应，同时电解液带走了阳极溶解的产物。研究表明，专门设计的阴极加工工具能有效的测试脉冲电解加工参数，采用Na2NO3溶液作电解液加工后的工件表面比NaCl溶液平整、光亮，并且具有很好的机械性能，综合考虑电解液流动和电化学反应等因素，最佳的加工间隙为0.1～0.15mm。
图5 脉冲电化学微细加工示意图
根据脉冲电解加工原理及要求，采用如图6所示的实验原理[9]。实验中工具阴极材料为黄铜，形状为长方体；加工试件为短圆柱形状，材料为45号钢，表面经过粗磨，表面粗糙度为Ra2.2µm左右。根据工件材料，选用一定质量百分比的中性盐水溶液作为电解液，并采用合适的脉冲电源和2－3层200目的尼龙丝网对电解液进行过滤，同时设置阀来调节和控制电解液流速和压力。在上述工艺条件下，以加工间隙、电流强度、加工时间、脉冲宽度、脉冲频率为因素进行了正交试验，对试验结果进行比较选优，得到较佳的加工参数组合。根据优选数据进行了光整加工，测得加工后的工件表而粗糙度为Ra0.1µm左右。
图6 脉冲电解加工实验原理
1.工具阴极 2.工件阳极 3.阀 4.压力泵 5.电解液 6.过滤网
2 国内外PECM/PECMM复合加工研究现状及进展
脉冲电化学复合加工常指将脉冲电解加工与其它加工技术相结合，例如将脉冲电解加工与激光技术、超声技术、电火花抛光技术和新型加工技术等相结合，以及整合利用其它原理、方法、技术等，扬长避短，互相补充，拓宽电解加工的领域，提高电解加工的效率，达到更好的电解加工效果。
电解磨是一个较为成功的电化学复合加工的例子，在电解磨中，采用导电砂轮来去除金属材料，间隙由磨粒凸起的高度来决定。通常磨削过程仅负责去除工件表面的钝化膜，90%～95%的材料去除由电解作用来完成(图7)。因此，电解磨具有生产率高、磨轮损耗低的优点。在电解磨中，机械去除量和电化学去除量之间的比例是一个非常重要的参数。研究表明，脉冲电流中的脉宽、脉间的不同组合可使机械去除和电化学去除之间的比例大范围可调，因而给过程控制和参数优化带来很大便利；并且脉冲电流电解加工有利于提高溶解的定域性，减少杂散腐蚀，提高加工精度[4]。
图7 电解磨过程示意图
应用展成式球面成形原理[10]，开发出一种新型球面光整加工方法——展成式电解研磨复合球面加工法，其原理如图8所示，工具和工件都绕自身轴线回转，而且两轴在同一平面内相交成θ角。工具阴极采用管状结构，其端部附着一层环状粘弹性研磨介质，在调整工具与工件的相对位置，使环状研磨介质的平均直径通过被加工件的球顶点。为改善球顶部的表面加工质量，采用脉冲电解加工，并与直流电解加工进行对比实验。实验结果表明，采用直流电解研磨加工时，球顶部质量较差，而采用脉冲电解研磨复合加工时，球面整体达到了较高的表面质量。
图8 展成式电解研磨复合球面加工
此外，还应用脉冲电流进行了平面的电解研磨复合加工实验，也取得了较好的效果。当脉冲宽度 为15ms，占空比为 时，其金属去除率为相同幅值直流电加工的46%－49%。并且可以认为，脉冲电流在电解间隙内所产生的压力脉动作用，能促进电解液流动及电解产物的排除，有助于提高金属去除率。当采用相同占空比，并提高脉冲频率（ ＝40µs）时，现象更加明显。
激光辅助电解液流加工的可行性己被证实。在试验系统中，电解液被泵入一个密封的加工腔，然后从一个喷嘴中高速喷出，射向工件(图9)。同时，一束激光从侧面也射向工件的同一位置。施加在电极两端的脉冲电压和脉冲激光束参数被计算机精确控制。在电液流加工时，照射在加工区的激光束起到加速电化学反应的作用。对碳钢和非钝化电解液的试验结果表明，激光辅助可提高加工速度和减小杂散腐蚀[11]。
图9 激光辅助电解液流加工
近年来一个受到广为瞩目的研究是电化学辅助精密磨削(ELID)，图10表示了这一过程的原理。除了采用金属基金刚石磨轮的磨削系统外，试验系统还包括脉冲电源、辅助电极、电刷、电解液。在磨削过程中，辅助电极和金属基磨轮间产生电解作用，适量地去除附着在磨粒上的金属和基体金属，避免砂轮堵塞和保持磨轮的自锐，使精密磨削的效率显著提高。
图10 电化学辅助精密磨削原理
J.A.McGeough[13,14]将电解加工应用在模具的精密加工，研制了电火花-电化学抛光复合加工机。模具型腔由电火花预成型，直接用其电极在20%NaNO3电解液中进行高频、窄脉宽脉冲……电解加工，表面均匀、光整。采用电火花/电化学复合加工在EDM或WEDM成型加工模具型腔之后，直接用其电极在NaNO3电解液中进行脉冲电解加工，以去除表面淬硬层和表面裂纹，达到镜面级表面，并保持EDM已经达到的高精度[15]。
3、结论与展望
脉冲电解加工已经取得了许多进展，并且深入到脉冲电解微细加工领域，国内外许多专家都在致力于这方面的研究，如J.KOZAK教授团队在脉冲电化学方面取得的许多研究成果。但是在实际应用中还需要进一步完善，尤其是加工精度、加工速度和加工工艺等方面需要改进。因此，应该进一步加强脉冲电解加工的机理研究，加强与其它加工技术的组合探讨，朝着高度的自动化、柔性化、精密化、智能化和集成化方向发展，使之广泛用于机械制造加工，成为一项真正的先进制造技术。
参考文献
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[15].K.P.Rajurar, et al. Some aspects of ECM performance and control,Annals of the CIRP,37:183-186

作者简介：刘红普，男，1964年出生，汉族，籍贯河南省邓州市，河南工业职业技术学院机械工程系任教， 1985年毕业于中北大学，学士学位，主要研究方向是机械工程。