0引言
電解加工是利用金屬在電解液中可以發生陽極溶解的原理將零件加工成形的,加工過程中工具電極與工件陽極不接觸,具有加工不受材料的強度和硬度限制、工具電極無損耗、不會產生加工變形和應力以及加工質量好、生產率高等優點[1]。電解線切割加工技術是電解加工技術與線割加工技術的結合,該技術不僅繼承了電解加工的優點,而且還有自身的特點:采用線電極,結合工件的二維平面運動,能夠簡單地實現復雜微結構的加工;因為加工電極絲直徑在微米級,加工間隙也在微米級,所以在微制造領域有很大的發展潛力。
電解線切割加工時,隨著工件深寬比的增大,加工間隙內電解產物的排除越來越困難,造成加工區電解液濃度、電導率發生變化,影響加工的精度與效率,制約了其實際應用水平的提高。文獻[3]采用沖液加工的方式排出電解產物;文獻[7]利用加工電極絲微振動的方式促進加工產物的排出;文獻[8]采用電極絲往復運絲的方式實現電解產物的排出。
為取得更好的加工效果,本文提出利用環形鍍鋅黃銅絲作為加工電極絲,配合精密電機的控制,使環形絲沿著重力的方向保持恒定的張力運行,能夠有效地將電解加工產物及時排除,迅速更新電解液。環形電極絲理論上無損耗,可反復利用,降低了使用成本。
1環形絲電解線切割試驗研究
1.1加工試驗原理
環形絲電解線切割加工原理如圖1所示。本文通過冷焊模具將單根黃銅絲冷焊成環形電極絲,環形絲電極與電源負極相連,工件作為陽極與電源正極相連,采用電化學陽極溶解的原理,結合二軸數控運動平臺,將工件加工成形。保持環形絲的運動方向與重力方向一致,對整個加工間隙內的電解液進行拖曳,有效利用電極絲的動能在加工間隙內部“擾動暠流體,使其產生對流運動,配合超聲振動,促進新鮮電解液的進入和加快產物的排出,大幅度提高加工效率。
1.2加工試驗系統
環形絲單向運絲電解線切割加工系統示意圖見圖2,加工系統主要分為運動控制、恒張力運絲、加工狀態監測三部分。
系統采用PI公司高精度三軸運動平臺實現X、Y、Z 伺服運動,將陽極工件夾具與Z 軸相連接,在計算機的控制下實現任意精密的二維運動。恒張力運絲部分由環形絲、運絲機構、張力傳感器。
和數據采集卡組成;采用首尾相接的環形電極絲4作為工具陰極,陰極絲環繞在恒張力裝置上并施加一定的預緊力將其張緊,環形絲在主動輪9的帶動下,開始沿著重力方向運動;張力傳感器7配合數據采集卡10實時檢測環形絲上的張力,將實時采集的張力與預先設定的張力作比較,若張力發生變化,則計算機會驅動電機8前進或者后退來控制環形絲上的張力,確保環形絲在恒定的張力下運行。為了選擇合理的加工參數,加工過程中,電流由霍爾電流傳感器檢測并通過數據采集卡傳入計算機。
1.3試驗條件和方法
本文通過四因素四水平的正交試驗研究加工電壓、進給速度、電解液濃度以及電極絲的運絲速度對加工間隙
S 的影響。加工間隙的模型如圖3所示,加工間隙
S 用公式表示為：
S = (S-d)/2
式中,S 為切縫縫寬;d 為電極絲直徑。
試驗采用200
的環形電極絲作為工具陰極,5mm 的不銹鋼板(304SS)作為工件陽極,加工電解液為NaNo3 溶液,溶液溫度設定在30
。試驗選用L16(45)的正交試驗表,試驗因素水平表見表1。其中,因素A 為加工電壓,因素B為進給速度,因素C為電解液濃度,因素D為運絲速度。
2試驗結果與分析
采用極差分析法分析加工試驗結果,結果如表2所示。由表2可知,影響加工間隙的主次因素分別是進給速度、電解液濃度、加工電壓和環形絲的運絲速度。
根據表2可以作出各因素對加工間隙的影響趨勢圖,見圖4。從圖4進給速度與加工間隙的關系可以看出,進給速度對加工間隙的影響比較顯著,加工間隙隨進給速度的增大而減小,但是間隙的減小會使得電解液更新變得困難,加工穩定性變差。電解液濃度的變化影響溶液的電導率,電解液濃度增大會使得溶液中帶電離子增多,從而溶液的電導率也隨之增大,加工間隙變大;但是電導率的增大會導致電解加工定域性下降,加工精度變差,為保證加工表面質量與加工精度,電解液濃度不能過大。加工間隙隨加工電壓的增大而增大,即單位時間內,當加工電壓增大時,加工間隙內電場增強,材料的蝕除量也隨之增大;但是較大的加工電壓會造成較嚴重的雜散腐蝕,影響加工精度。分析環形絲運絲速度與加工間隙的關系得知,較低的運絲速度對促進加工區產物排出影響小,加工區產物堆積嚴重,電導率小且加工間隙小;電極絲運絲速度的提高有利于電解產物與電解熱的排出,加工間隙也隨之變大,但是過快的運絲速度會加劇電極絲的抖動且伴隨頻繁的短路,加工不穩定。
3復雜結構的加工
通過正交試驗獲得優化后的加工參數如下:加工電壓為9V,電解液濃度為5g/L,電極絲進給速度為1.2
/s,電極絲運絲速度為5mm/s。以優化的加工參數在5mm厚的不銹鋼板(304SS)上加工出五角星結構,如圖5所示。環形絲電極是直徑為200
的鍍鋅黃銅絲,切縫寬度為250
左右,其深寬比達到20,加工過程中未出現短路現象。
4.結論
(1)本文設計了恒張力運絲機構,建立了環形運絲電解線切割加工系統,使環形絲的運行始終與重力方向保持一致,有效地帶出電解加工產物與電解熱,有利于加工高深寬比結構零件。(2)在搭建的加工系統中進行了正交試驗。結果表明,減小加工電壓、減小電解液濃度,提高進給速度和降低運絲速度有利于提高電解加工精度,減小加工縫寬。(3)采用優化后的加工參數,在5mm 厚的不銹鋼板上加工出五角星圖案,加工縫寬在250
左右,深寬比達到20,加工過程穩定。
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