0引言

      电解加工是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理将零件加工成形的,加工过程中工具电极与工件阳极不接触,具有加工不受材料的强度和硬度限制、工具电极无损耗、不会产生加工变形和应力以及加工质量好、生产率高等优点[1]。电解线切割加工技术是电解加工技术与线割加工技术的结合,该技术不仅继承了电解加工的优点,而且还有自身的特点:采用线电极,结合工件的二维平面运动,能够简单地实现复杂微结构的加工;因为加工电极丝直径在微米级,加工间隙也在微米级,所以在微制造领域有很大的发展潜力。

      电解线切割加工时,随着工件深宽比的增大,加工间隙内电解产物的排除越来越困难,造成加工区电解液浓度、电导率发生变化,影响加工的精度与效率,制约了其实际应用水平的提高。文献[3]采用冲液加工的方式排出电解产物;文献[7]利用加工电极丝微振动的方式促进加工产物的排出;文献[8]采用电极丝往复运丝的方式实现电解产物的排出。

      为取得更好的加工效果,本文提出利用环形镀锌黄铜丝作为加工电极丝,配合精密电机的控制,使环形丝沿着重力的方向保持恒定的张力运行,能够有效地将电解加工产物及时排除,迅速更新电解液。环形电极丝理论上无损耗,可反复利用,降低了使用成本。

1环形丝电解线切割试验研究

1.1加工试验原理

      环形丝电解线切割加工原理如图1所示。本文通过冷焊模具将单根黄铜丝冷焊成环形电极丝,环形丝电极与电源负极相连,工件作为阳极与电源正极相连,采用电化学阳极溶解的原理,结合二轴数控运动平台,将工件加工成形。保持环形丝的运动方向与重力方向一致,对整个加工间隙内的电解液进行拖曳,有效利用电极丝的动能在加工间隙内部“扰动暠流体,使其产生对流运动,配合超声振动,促进新鲜电解液的进入和加快产物的排出,大幅度提高加工效率。

1.2加工试验系统

      环形丝单向运丝电解线切割加工系统示意图见图2,加工系统主要分为运动控制、恒张力运丝、加工状态监测三部分。

      系统采用PI公司高精度三轴运动平台实现X、Y、Z 伺服运动,将阳极工件夹具与Z 轴相连接,在计算机的控制下实现任意精密的二维运动。恒张力运丝部分由环形丝、运丝机构、张力传感器。

      和数据采集卡组成;采用首尾相接的环形电极丝4作为工具阴极,阴极丝环绕在恒张力装置上并施加一定的预紧力将其张紧,环形丝在主动轮9的带动下,开始沿着重力方向运动;张力传感器7配合数据采集卡10实时检测环形丝上的张力,将实时采集的张力与预先设定的张力作比较,若张力发生变化,则计算机会驱动电机8前进或者后退来控制环形丝上的张力,确保环形丝在恒定的张力下运行。为了选择合理的加工参数,加工过程中,电流由霍尔电流传感器检测并通过数据采集卡传入计算机。

1.3试验条件和方法

      本文通过四因素四水平的正交试验研究加工电压、进给速度、电解液浓度以及电极丝的运丝速度对加工间隙S 的影响。加工间隙的模型如图3所示,加工间隙S 用公式表示为：

       S = (S-d)/2

      式中,S 为切缝缝宽;d 为电极丝直径。

      试验采用200 的环形电极丝作为工具阴极,5mm 的不锈钢板(304SS)作为工件阳极,加工电解液为NaNo3 溶液,溶液温度设定在30。试验选用L16(45)的正交试验表,试验因素水平表见表1。其中,因素A 为加工电压,因素B为进给速度,因素C为电解液浓度,因素D为运丝速度。 

2试验结果与分析

      采用极差分析法分析加工试验结果,结果如表2所示。由表2可知,影响加工间隙的主次因素分别是进给速度、电解液浓度、加工电压和环形丝的运丝速度。

      根据表2可以作出各因素对加工间隙的影响趋势图,见图4。从图4进给速度与加工间隙的关系可以看出,进给速度对加工间隙的影响比较显著,加工间隙随进给速度的增大而减小,但是间隙的减小会使得电解液更新变得困难,加工稳定性变差。电解液浓度的变化影响溶液的电导率,电解液浓度增大会使得溶液中带电离子增多,从而溶液的电导率也随之增大,加工间隙变大;但是电导率的增大会导致电解加工定域性下降,加工精度变差,为保证加工表面质量与加工精度,电解液浓度不能过大。加工间隙随加工电压的增大而增大,即单位时间内,当加工电压增大时,加工间隙内电场增强,材料的蚀除量也随之增大;但是较大的加工电压会造成较严重的杂散腐蚀,影响加工精度。分析环形丝运丝速度与加工间隙的关系得知,较低的运丝速度对促进加工区产物排出影响小,加工区产物堆积严重,电导率小且加工间隙小;电极丝运丝速度的提高有利于电解产物与电解热的排出,加工间隙也随之变大,但是过快的运丝速度会加剧电极丝的抖动且伴随频繁的短路,加工不稳定。 

3复杂结构的加工

      通过正交试验获得优化后的加工参数如下:加工电压为9V,电解液浓度为5g/L,电极丝进给速度为1.2/s,电极丝运丝速度为5mm/s。以优化的加工参数在5mm厚的不锈钢板(304SS)上加工出五角星结构,如图5所示。环形丝电极是直径为200的镀锌黄铜丝,切缝宽度为250 左右,其深宽比达到20,加工过程中未出现短路现象。

4.结论

      (1)本文设计了恒张力运丝机构,建立了环形运丝电解线切割加工系统,使环形丝的运行始终与重力方向保持一致,有效地带出电解加工产物与电解热,有利于加工高深宽比结构零件。(2)在搭建的加工系统中进行了正交试验。结果表明,减小加工电压、减小电解液浓度,提高进给速度和降低运丝速度有利于提高电解加工精度,减小加工缝宽。(3)采用优化后的加工参数,在5mm 厚的不锈钢板上加工出五角星图案,加工缝宽在250 左右,深宽比达到20,加工过程稳定。