本發(fā)明涉及電解加工領(lǐng)域，特別涉及一種精密電解加工的運(yùn)行控制方法。
背景技術(shù)：
精密電解加工是一種以電解原理為基礎(chǔ)，基于陽極溶解的減材加工技術(shù)，加工時(shí)，刀具作為陰極與直流電源的負(fù)極連接，工件則作為陽極與電源正極相連。在陰極與工件之間通入電解液、接通電源發(fā)生電荷交換，陽極工件被溶解，這樣不用接觸工件便可對其進(jìn)行定點(diǎn)加工，精密制造出工件的不同輪廓形狀、環(huán)形通道、直槽和環(huán)形槽、異形孔、型腔、模具等，無需后續(xù)加工工序，被電解的工件材料在電解液中沉淀形成金屬氫氧化物，通過電解液處理系統(tǒng)進(jìn)行收集。
相對傳統(tǒng)加工和其他優(yōu)勢特種加工技術(shù)而言，目前的電解加工的基礎(chǔ)理論較為薄弱，工藝技術(shù)尚未成熟?，F(xiàn)有的電解加工技術(shù)未實(shí)現(xiàn)金屬零件的精密加工，且穩(wěn)定性不高；從表象來看，主要是“雜散腐蝕”對側(cè)壁面形狀的影響以及正面“整平比”不高的原因?qū)е拢科涓驹蛉允羌庸み^程未實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電化學(xué)反應(yīng)，陰極的進(jìn)給速度與反應(yīng)速度未能達(dá)成平衡，加工間隙以及產(chǎn)物的交換速率都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從而改變了加工區(qū)電場分布，導(dǎo)致各區(qū)域的反應(yīng)速度不一致，甚至荷電離子逸出界面電場區(qū)，破壞已加工區(qū)域，因而難以提高加工精度和加工穩(wěn)定性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明專利目的在于設(shè)計(jì)了一種精密電解加工的運(yùn)行控制方法，對電解加工狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算處理，并精確控制脈沖電源，從而控制加工間隙及其對應(yīng)的加工電壓、電流密度、進(jìn)給速度，完全解決了加工間隙的自動(dòng)控制方法，并保持穩(wěn)定的恒間隙加工，最終實(shí)現(xiàn)了不同材料的各種加工精度需求。
本發(fā)明具體是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
一種精密電解加工的運(yùn)行控制方法，通過對電解液的基本參數(shù)進(jìn)行定義和控制，再對各種加工狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算處理，并精確控制加工電壓、脈沖占空比、進(jìn)給速度，以滿足加工間隙對應(yīng)的電量需求，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電化學(xué)反應(yīng)。具體包括以下內(nèi)容：
設(shè)定電解液的基本參數(shù)并由所述電解液管理系統(tǒng)進(jìn)行控制，根據(jù)電解加工原理和方波脈沖的電學(xué)規(guī)律建立加工間隙d、幅值電流密度i與加工電壓u、電導(dǎo)率k、脈沖占空比d1的關(guān)系式：d＝f(u、k、d1)，i＝f(k、d1)；
定義材料的電化當(dāng)量ω，建立加工間隙d與材料電化當(dāng)量ω、電導(dǎo)率k、脈沖占空比d1的關(guān)系：d＝f(k、ω、d1)，再得到加工電壓u與電導(dǎo)率k、材料電化當(dāng)量ω、脈沖占空比d1的關(guān)系：u＝f(k、ω、d1)；
取一個(gè)副頻對脈沖進(jìn)行打包輸出，副頻對應(yīng)的占空比為d2，將幅值電流密度定義為i＝1/qd1，q為常量，得到主、副頻占空比之間的關(guān)系d2＝f(k、d1)，從而得到脈沖電源的平均電流密度ia＝f(k、u、d1、ω)；通過上述所有特征的定義和關(guān)聯(lián)，再將陰極進(jìn)給速度v定義為：v＝(q、ia)，結(jié)合電解液流量控制關(guān)系式m＝l×it，l為常量、it為即時(shí)電流，從而建立了穩(wěn)態(tài)電化學(xué)反應(yīng)，確保加工過程穩(wěn)定進(jìn)行。
進(jìn)一步，本發(fā)明所述電解液的基本參數(shù)包括電導(dǎo)率、濃度、溫度、ph值。
進(jìn)一步，本發(fā)明所述控制方法應(yīng)用于2.5d加工模式或3d加工模式，所述2.5d加工模式主要用于加工平面圖形沿法向拉伸而成的幾何體，所述3d加工模式應(yīng)用于復(fù)雜三維零件加工。
進(jìn)一步，本發(fā)明所述2.5d加工模式用于加工異形孔、齒輪、直槽型腔；所述3d加工模式用于加工金屬徽章、航空葉片、精密模具。
進(jìn)一步，本發(fā)明所述控制方法進(jìn)一步包括加工材料電化當(dāng)量ω的自動(dòng)確認(rèn)方法，包括：
設(shè)定電解液基本參數(shù)電導(dǎo)率k、溫度t、ph和脈沖占空比d1，選取一定面積的加工材料，并向系統(tǒng)輸入相應(yīng)的法向加工面積s，啟動(dòng)加工后，系統(tǒng)自動(dòng)給定一個(gè)初始ω，并實(shí)時(shí)檢測當(dāng)前加工電流it，按下列關(guān)系進(jìn)行迭代判斷，當(dāng)△vt趨近于0時(shí)，當(dāng)前對應(yīng)的ω值就是被加工材料的電化當(dāng)量；
設(shè)定：k、d1、ph、s；
賦值：ω＝ω0，ω0為初始電化當(dāng)量；
m＝l×it，l為常量、it為即時(shí)電流、m為電解液流量；
u＝f(k、ω、d1)；
d＝f(u、k、d1)；
ia＝f(k、u、d1、ωt)，2.5d加工模式；
ia＝f(k、d1)，3d加工模式；
vt＝(q、ia)，q為常量；
vt＝f(q、ia、fz),fz為振動(dòng)頻率,3d加工模式；
△vt＝vt-1-f(q、it、s)，s為法向加工面積；
ωt＝ωt-1-f(k、d1、△vt)
當(dāng)△vt→0時(shí)，停止迭代，ωt保持不變。
進(jìn)一步，本發(fā)明所述控制方法進(jìn)一步包括加工間隙自動(dòng)控制方法，具體包括：
材料的電化當(dāng)量ω得到確認(rèn)后電解池的基本屬性也就得到確認(rèn)，根據(jù)加工需要，改變占空比d1就可以實(shí)現(xiàn)不同精度等級(jí)的加工需求，設(shè)定好相應(yīng)參數(shù)后，系統(tǒng)自動(dòng)按照下列方案進(jìn)行恒間隙加工：
設(shè)定：k、d1、ph、ω、t，d1＜1，脈沖加工模式；
m＝l×it，l為常量、it為即時(shí)電流；
u＝f(k、ω、d1)；
d＝f(u、k、d1)；
ia＝f(k、u、d1、ω)，2.5d加工模式；
ia＝f(k、d1)，3d模式；
vt＝f(q、ia)，q為常量；
vt＝(q、ia、fz),fz為振動(dòng)頻率,3d加工模式；
ηs＝f(k、u、ω、d1、it)，ηs為動(dòng)態(tài)加工面積，2.5d加工模式；
ηs＝f(k、d1、it)，3d加工模式；
△it＝it-it-1；
△it→0時(shí)，it自動(dòng)保持不變、間隙d恒定；
設(shè)定：k、ph、ω、u、t，d1＝1，直流加工模式；
i＝f(u、ω)；
v＝f(q、i)，q為常量；
d＝f(ω、k、v)。
附圖說明
以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中：
圖1是本發(fā)明一種精密電解加工的運(yùn)行控制方法的控制系統(tǒng)圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明提出了一種精密電解加工的運(yùn)行控制方法，通過對電解液的基本參數(shù)進(jìn)行定義和控制，再對各種加工狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算處理，并精確控制加工電壓、脈沖占空比、進(jìn)給速度，以滿足加工間隙對應(yīng)的電量需求，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電化學(xué)反應(yīng)。
請參閱圖1，精密電解加工的控制系統(tǒng)主要包括主機(jī)控制系統(tǒng)、主機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)組件、脈沖電源系統(tǒng)、電解液管理系統(tǒng)。其中：主機(jī)控制系統(tǒng)可用plc、cnc、各種驅(qū)動(dòng)裝置以及傳感器等工控器來實(shí)現(xiàn)；主機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)組件可以設(shè)計(jì)為單軸、多軸等任意結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特征與cnc數(shù)控機(jī)床相似，陰極等同于主軸刀具，主要區(qū)別是陰極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有振動(dòng)和非振動(dòng)兩類；脈沖電源可按功率大小設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)與分類在電源專利中描述；電解液管理系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)電源功率大小進(jìn)行配套設(shè)計(jì)，主要包括：綜合控制管理系統(tǒng)(由plc實(shí)施)，粗電解液池、精電解液池，精密過濾系統(tǒng)，電解泥收集系統(tǒng)，溫控系統(tǒng)，ph調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。
具體的，所述精密電解加工的運(yùn)行控制方法包括以下內(nèi)容：
1、按照電化學(xué)熱力學(xué)特點(diǎn)對電解液的基本參數(shù)：電導(dǎo)率k、溫度、ph值進(jìn)行設(shè)定，并由電解液管理系統(tǒng)加以控制，考慮到加工區(qū)溫升的影響，同時(shí)還要保證有效功率與加工間隙一一對應(yīng)，應(yīng)對電功率密度進(jìn)行限制，為此引入了“當(dāng)量功率密度”，也就是每毫米加工間距、每平方毫米面積容許的電功率量，然后根據(jù)電解加工原理和方波脈沖的電學(xué)規(guī)律共同建立加工間隙d、幅值電流密度i與加工電壓u、電導(dǎo)率k、脈沖占空比d1的關(guān)系，從而得到兩項(xiàng)滿足功率密度與加工間隙的關(guān)系式：d＝f(u、k、d1)，i＝f(k、d1)，(1)；
2、根據(jù)“雙電層”和電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)的特性，引入“當(dāng)量平均電流密度”，即為每毫米加工間距、每平方毫米面積可接受的平均電流安培量，并將該值定義為不同材料的電化當(dāng)量ω；所對應(yīng)的微分電容為：20～60uf/cm2。按照方波脈沖的電學(xué)規(guī)律，結(jié)合上述中的幅值電流密度關(guān)系式，建立加工間隙d與材料電化當(dāng)量ω、電解液電導(dǎo)率k、脈沖占空比d1的關(guān)系，即為d＝f(k、ω、d1)，再得到加工電壓u與電導(dǎo)率k、材料電化當(dāng)量ω、脈沖占空比d1的關(guān)系：u＝f(k、ω、d1)。
3、為了確保恒間隙加工，必須使陰極的進(jìn)給速度與金屬的去除速度一致，然而金屬去除速度與平均電流密度直接相關(guān)，同時(shí)又受到加工區(qū)傳質(zhì)速度的嚴(yán)重制約；根據(jù)電化學(xué)傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)，傳質(zhì)速度主要取決于界面層的物質(zhì)濃度變化率dc/dt，為此將傳質(zhì)速度定義為反應(yīng)速度：即為單位時(shí)間內(nèi)(1毫秒)去除金屬的法向體積與法向間隙的電解液體積之比，其取值范圍為：20～60ppm/ms。
4、為了滿足上述定義特征，需要對脈沖電源的平均電流進(jìn)行再調(diào)節(jié)，以滿足各種加工狀態(tài)的電量需求，從而滿足反應(yīng)速度與傳質(zhì)速度的對應(yīng)關(guān)系；我們選取一個(gè)副頻對脈沖進(jìn)行打包輸出，副頻對應(yīng)的占空比為d2，同時(shí)將電解加工的幅值電流密度定義為i＝1/qd1，將其代入所述的幅值電流密度關(guān)系式中，得到主、副頻占空比之間的關(guān)系d2＝f(k、d1)，從而得到脈沖電源的平均電流密度ia＝f(k、u、d1、ω)，單位為a/mm2；通過上述所有特征的定義和關(guān)聯(lián)，再將陰極進(jìn)給速度v定義為：v＝(q、ia)，單位為mm/min；結(jié)合電解液流量控制關(guān)系式：m＝l×it，l為常量、it為即時(shí)電流、流量單位為：l/min，從而建立了穩(wěn)態(tài)電化學(xué)反應(yīng)，確保加工過程穩(wěn)定進(jìn)行。
5、進(jìn)一步，所述控制方法進(jìn)一步包括加工材料電化當(dāng)量ω的自動(dòng)確認(rèn)方法，包括：
設(shè)定電解液基本參數(shù)電導(dǎo)率k、溫度t、ph和脈沖占空比d1，選取一定面積的加工材料，并向系統(tǒng)輸入相應(yīng)的法向加工面積s，啟動(dòng)加工后，系統(tǒng)自動(dòng)給定一個(gè)初始ω0，并實(shí)時(shí)檢測當(dāng)前加工電流it，按下列關(guān)系進(jìn)行迭代判斷，當(dāng)△vt趨近于0時(shí)，當(dāng)前對應(yīng)的ω值就是被加工材料的電化當(dāng)量；
設(shè)定：k、d1、ph、s；
賦值：ω＝ω0，ω0為初始電化當(dāng)量；
m＝l×it，l為常量、it為即時(shí)電流；
u＝f(k、ω、d1)；
d＝f(u、k、d1)；
ia＝f(k、u、d1、ωt)，2.5d加工模式；
ia＝f(k、d1)，3d加工模式；
vt＝f(q、ia)，q為常量；
vt＝f(q、ia、fz),fz為振動(dòng)頻率,3d加工模式；
△vt＝vt-1-f(q、it、s)，s為法向加工面積；
ωt＝ωt-1-f(k、d1、△vt)
當(dāng)△vt→0時(shí)，停止迭代，ωt保持不變。
6、進(jìn)一步，所述控制方法進(jìn)一步包括加工間隙自動(dòng)控制方法，具體包括：
材料的電化當(dāng)量ω得到確認(rèn)后電解池的基本屬性也就得到確認(rèn)，根據(jù)加工需要，改變占空比d1就可以實(shí)現(xiàn)不同精度等級(jí)的加工需求，設(shè)定好相應(yīng)參數(shù)后，系統(tǒng)自動(dòng)按照下列方案進(jìn)行恒間隙加工：
設(shè)定：k、d1、ph、ω、t，d1＜1，脈沖加工模式；
m＝l×it，l為常量、it為即時(shí)電流；
u＝f(k、ω、d1)；
d＝f(u、k、d1)；
ia＝f(k、u、d1、ω)，2.5d加工模式；
ia＝f(k、d1)，3d模式；
vt＝f(q、ia)，q為常量；
vt＝(q、ia、fz),fz為振動(dòng)頻率,3d加工模式；
ηs＝f(k、u、ω、d1、it)，ηs為動(dòng)態(tài)加工面積，2.5d加工模式；
ηs＝f(k、d1、it)，3d加工模式；
△it＝it-it-1；
△it→0時(shí)，it自動(dòng)保持不變、間隙d恒定；
設(shè)定：k、ph、ω、u、t，d1＝1，直流加工模式；
i＝f(u、ω)；
v＝f(q、i)，q為常量；
d＝f(ω、k、v)。
7、上述都是基于陰極靜態(tài)情況下的機(jī)理，其加工間隙相對較大，為了提高復(fù)雜三維零件的加工精度，需進(jìn)一步減小加工間隙，然而加工間隙的減小，電解液流量隨之減小、流動(dòng)阻力增大，產(chǎn)物交換受阻，必須引入正弦波機(jī)械振動(dòng)陰極系統(tǒng)來提高電解液的交換速率；由于振動(dòng)的存在，加工間距在不斷變化，脈沖應(yīng)與機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行同步復(fù)合，其方法是將正弦波的相位角
進(jìn)一步，所述電解液的基本參數(shù)包括電導(dǎo)率、濃度、溫度、ph值。
進(jìn)一步，所述控制方法應(yīng)用于2.5d加工模式或3d加工模式，所述2.5d加工模式主要用于加工平面圖形沿法向拉伸而成的幾何體，所述3d加工模式應(yīng)用于復(fù)雜三維零件加工。所述2.5d加工模式用于加工異形孔、齒輪、直槽型腔；所述3d加工模式用于加工金屬徽章、航空葉片、精密模具。
設(shè)備結(jié)構(gòu)特征2.5d加工模式陰極沒有振動(dòng)系統(tǒng)；3d加工模式陰極具有50hz正弦機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，且含靜壓導(dǎo)軌、振動(dòng)頻率可調(diào)、相位可控。
加工運(yùn)行特征：2.5d加工模式的加工電壓30～60v，加工間隙大，速度較快，電解液流量較??；3d加工模式加工電壓0～30v，加工間隙小，速度較慢，電解液流量較大。
基于該原理的加工參數(shù)表現(xiàn)特征：加工電壓除以脈沖幅值電流為當(dāng)前加工間隙電阻；加工速度除以q為當(dāng)前平均電流密度；脈沖有效功率等于當(dāng)量功率密度×法向加工面積×加工間隙。
本發(fā)明提供的精密電解加工的運(yùn)行控制方法結(jié)合高能脈沖電源，實(shí)現(xiàn)了不同材料、不同參數(shù)的精加工，完美解決了該工藝的不穩(wěn)定性，幾乎完全消除了人為因素的影響。
以上所述本發(fā)明的具體實(shí)施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思所做出的各種其他相應(yīng)的改變與變形，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。