电解加工设备(上课5)

电化学加工技术

第四章电解加工设备电解加工设备4.1电解加工设备的组成4.2机床（刚度、进给稳定性、安全性）4.3电解液系统（净化）4.4电解加工电源（直流电源、脉冲电源）4.5控制系统4.6电解加工工装设备4.1电解加工设备的组成电解加工设备的组成：包括机床本体、整流电源、电解液系统三个主要实体以及相应的控制系统和加工工装设备。电解加工设备的基本要求(1)机床刚性强。(2)进给速度稳定性高。(3)设备耐腐蚀性好。(4)电气系统抗干扰性强。(5)大电流传导性好。(6)安全措施完备。加工机床分类按型式分类：卧式：适宜加工叶片、深孔、花键和筒形零件。

分为单头、双头、和三头三种类型立式：模具、型孔和短花键零件，分为C型和框型两种按加工方式分类：固定式：阴极和工件固定不动（适宜加工不长的管状零件）移动式：工件固定不动，阴极做直线移动

（中等直径和较长的筒形零件、花键、型面和型孔）旋转式：工件旋转，阴极固定或作直线移动

（直径较大、长度较短的筒形零件）加工机床分类按传动方式分类：机电方式：机床进给系统由电动机-减速器-滚珠丝杠副组成液电方式：机床进给系统包括油缸拖动、电液伺服位置、速度闭环控制系统机液混合传动：机床进给系统包括两部分，即快速由油缸拖动；慢速由直流伺服电机驱动油缸按加工对象分类：专用机床：叶片加工机床整体叶轮加工机床机匣加工机床膛线加工机床花键及筒形零件加工机床加工机床分类按加工对象分类：通用机床：型腔加工机床孔加工机床去毛刺加工机床刻印加工机床抛光加工机床电解加工设备的总体设计总体设计主要考虑的问题（1）电解加工设备的特殊工作条件以及由此带来的特殊问题工作现场环境恶劣需承受复杂的动态负荷大加工电流影响电源控制的稳定性极间间隙小且呈动态变化（2）电解加工设备的基本要求机床刚性好轴向刚度：主轴头伸出最大行程，根据机床的额定电流，按照3N/1A的比值，沿中心位置施加正向力，主轴头轴向变形位移≤0.15mm侧向刚度：主轴头伸出最大行程，根据机床的额定电流，按照3N/1A的比值，沿偏心e=1/4L施加正向力，主轴头侧向变形位移≤0.07mm（2）电解加工设备的基本要求（续）进给速度特性硬、调速范围宽设备耐腐蚀性强抗化学腐蚀和电化学腐蚀的能力，能耐浓度为20%、温度为50oC的NaCl电解液环境下的腐蚀机床精度较高（保证工具与工件之间位置的准确性）工作台和阴极安装板及各基准面的平行度和垂直度均匀≤0.02mm/300mm工作台与阴极安装板的平行度≤0.02mm/100mm导轨面与阴极安装板的垂直度≤0.018mm/100mm导轨面与工作台的垂直度≤0.018mm/100mm（2）电解加工设备的基本要求（续）电气系统抗干扰性强：控制和数字显示系统应确保所有功能不相互干扰，并能抵抗工艺电源大电流通断和极间火花的干扰，电源短路保护系统能抵抗电解加工设备自身以及周围设备的非短路信号的干扰大电流传导性好:降低导电系统线路压降，以减少电能损耗，提高传输效率。在脉冲电流加工过程中，采用低电感导线，以免波形失真。要求汇流排、电缆及接头的温度小于60oC整体配套性好:设备需成套、完整，特别是电解液系统及测试系统，设备各部分性能要互相匹配通用性强：投资较大，有柔性生产的需求安全、可靠（2）电解加工设备的基本要求（续）安全、可靠采用强制排风措施和配备缺风检测保护装置，各种危险、有害气体和水雾的排出，控制柜和电源柜应密封可靠，不发生凝露现象，防止腐蚀性气体渗入配备防止工具阴极及工件短路烧伤的快速短路保护机床加工过程中，工作箱门应锁定、防止意外打开。加工区有电解液飞溅的机床，保护罩应与电解液供液系统联锁承载大电流的汇流排应可靠固定。分别连接工具阴极和工件的汇流排应根据其承载电流大小保持合适的安全距离机床应于工具阴极电气相连，与工件之间应可靠绝缘电解加工机床的总体布局：各主要部件之间相互配置的方式。原则：有利于实现机床的主要功能，满足工艺的需要，能以最简便的方式达到所需要的机床刚度、精度可操作性好，便以维护，安全可靠，性价比高。机床运动系统的组成和布局对机床通用性、可操作性、刚性和加工精度的影响考虑总体布局与机床刚度、电源盒电解液泵容量之间的关系总体布局与加工精度的关系总体布局与机床操作、维修的关系4.2电解加工机床电解加工机床1)电解加工机床的主要类型(125页表4-1)

立式机床

卧式机床固定阴极式机床2)电解加工机床的主要部件工作箱主轴头床身进给系统导电系统

4.2电解加工机床4.2电解加工机床-工作箱工作箱：电解加工是在工作箱中完成的。一方面要向工作箱内引入加工电压和电解液；另一方面需将加工过程中产生的电解产物、热量和有害气体有效排出（工作箱体工作箱体的结构工作箱体的密封工作箱体的绝缘性能）4.2电解加工机床-主轴头主轴头：由滑枕、导轨、阴极安装板三部分组成滑枕：结构分别为箱形（重型机床10000A以上）、翅形（2000-10000A）、方形（轻型机床-打孔、套料机床）；滑枕需有较大的壁厚和截面积，并要加载一定的预应力，以保证足够的刚度，减少加工过程中的变形导轨：滚柱导轨:静压导轨滚动体组件-镶钢导轨自润滑塑料贴面导轨4.2电解加工机床-床身刚性和定位精度是床身的关键指标床身的刚性。为加强床身的刚性，应采取以下措施首先应科学设置总体布局大型立式机床床身有底座、立柱和横梁三部分组成框型结构中小型立式机床也常采用C型机身，其刚性较弱卧式机床承受的载荷较大，床身应选用箱形结构单件或小批量生产的机床，多采用焊接结构的床身，其刚度质量比相对较大铸造结构的床身，必须保证一定的截面尺寸，并合理配置加强筋4.2电解加工机床-床身刚性和定位精度是床身的关键指标床身的定位精度。需控制床身各安装基面（工作台、阴极安装板、导轨座）间的形位公差≤0.025mm/300mm4.2电解加工机床-进给系统进给系统分为机电类、液电类和机液混合类机电类进给系统。交流电机拖动开环控制系统直流电机拖动，可控硅调速，速度半闭环控制系统步进电机拖动，数字控制系统交流伺服电机拖动，半闭环控制系统4.2电解加工机床-进给系统进给系统分为机电类、液电类和机液混合类液电类进给系统油缸拖动，电液伺服位置、速度闭环控制系统油缸拖动，机液反馈，位置闭环控制系统机液混合类进给系统快速进给时由油缸拖动，慢速进给时由直流伺服电机驱动油缸。其可靠性较低，精度较低，机构较复杂，刚性较差，传动链较长。4.2电解加工机床-进给系统进给系统的性能由进给系统的变化量和进给速度调节范围进给速度的变化量（工作进给的刚性）低俗进给的稳定性好，没有爬行，漂移量≤0.01mm进给灵敏度、分辨率高。位置分辨率应高于0.01mm，速度分辨率应高于0.01mm/min速度特性硬。空载到满载的速度变化量应≤0.025mm/min对于双头机床，两个主轴头同步进给的精度应高于0.01mm进给速度调节范围。（最低速度要≤0.07mm/min,最高速度要≥10mm/min，为缩短辅助时间，速度≥300mm/min）4.2电解加工机床-导电系统固定在工作箱体上的阳极汇流排，必须与工作箱体可靠绝缘，两者之间要保持较大空间距离，并且应设置障碍物阻止电解液在两者之间形成回路。导电系统在传导大电流时，系统发热及线路压降要小。为减少脉冲电流传输失真和衰减，要尽量减少回路的寄生电感。必须采用低电感传输线，在线路布局时应缩短回路，所包含的面积要尽量小。4.2.3典型机床简介典型机床包括叶片电解加工机床和立式单头电解加工机床叶片电解加工机床立式单头电解加工机床叶片电解加工机床的技术特点DJS系列机床的机械结构方面，采用了下列新技术厚壁方箱滑枕、淬硬磨削镶钢导轨副，确保了主轴头的高刚度、高运动灵敏度主轴箱、控制柜、电源柜等全密封结构，对发热量大的电源采用简易空调降温，解决了这几种关键部件、系统的腐蚀问题及密封后的凝露问题大容积、不锈钢工作箱、T型门，因而调整、使用方面，耐蚀性好，但长期使用后在焊缝及未接阴极保护处仍有杂散腐蚀花岗石工作台，刚性好，精度高，耐腐蚀，绝缘可靠空心水冷大电流密封电缆，保证了大电流下电缆发热小且腐蚀小。由于电流密度可达10A/mm2以上，电缆数量大为减少不锈钢快速接头，使用方便，耐蚀性好。叶片电解加工机床的技术特点自动控制系统方面，采用了下列新技术数字控制位置、速度闭环控制系统，确保高位置精度和硬速度特性电解液压力下自动对刀，按给定值自动确定初始间隙，保证了小而恒定的初始间隙双头快速短路保护系统电动恒压控制系统电解液恒温系统，保证平衡间隙恒定电-气截止阀自动通、断电解液，可以在连续生产中不停泵DJS-06卧式双头电解加工机床DJS-10电液束加工机床DJW-20卧式单头电解加工机床DJZ-08多功能电解加工机床电解去毛刺机床DJK6032ADJK3150型机床-主要特点采用四立柱结构，机床刚度极好工作台采用高级花岗岩制造，不受腐蚀，可保持精度阴极进给系统采用步进电机驱动，滚珠丝杠传动，保证了进给速度的均匀性和稳定性，特别是低速进给的稳定性先进电气控制系统，采用可编程控制器（PLC）控制，稳定性高，可靠性好，控制柔性强采用触摸屏作为人机对话输入装置，操作方便、直观主要电解加工参数采用数字显示，实现数字调速及数字程序控制。DJK3150型机床-先进功能自动对刀功能自动加工功能自动分度功能故障自动处理功能变速加工功能适应控制功能电解液系统电解液系统的作用是向加工区供应一定压力、足够流量和适宜温度的干净电解液。它主要由泵、电解液槽、过滤器、管道、阀、流量计、热交换器等组成。4.3电解液系统主要部件及选用：电解液泵-电解液系统的心脏电解液槽-必不可少的重要部分过滤器热交换器4.3电解液系统泵则是电解液系统的心脏，它决定了整个电解液系统的基本功能，其选型至关重要。大多采用多级离心泵，它代替了过去使用的齿轮泵。因为离心泵的轴承与泵的压力腔分开，所以比较容易密封和防腐蚀，使用寿命较长。若将离心泵安装在低于电解液面的位置，泵的压力可选1-2MPa,混气加工时压力可选0.5-1MPa。泵的流量随加工对象而定，一般可按加工工件周边长度进行估算，即4.6L/(mm.min)4.3电解液系统-电解液泵4.3电解液系统-电解液槽在车间生产批量大、电解加工机床较多且容量较大时，一般均设有隔离的电解液间，其电解液槽可作为厂房固定设施由用户统一安排，此时可建立容量较大的水泥池式槽，这种槽耐用价廉，便于自然沉淀，温度变化较小，但占地面积大。对小批量多品种生产的单台电解加工设备，其电解液槽则可作为设备的附件由设备生产厂家统一配置，作为可移动的箱式槽，这种槽可用不锈钢或塑料板焊成，也可用玻璃钢或用普通钢板内衬耐腐蚀橡胶制成。由于金属氢氧化物成絮状攒在于电解液中，在大容量的电解液池中，可以采用自然沉淀，定期处理这些沉淀物的方法来清洁电解液，但所需时间较长，且不可能很彻底。在生产中采用80-100目的尼龙丝或不锈钢丝网做成过滤筒，套在电解液泵的进口处作为粗过滤，可滤掉较大颗粒的杂质，而在进入加工区以前再用网式或缝隙式过滤器进行精过滤，以进一步滤掉较细小的杂质颗粒。将两组过滤器并联与总管路上，可在加工过程中分别清洗。4.3电解液系统-过滤器电解液温度在加工中不断变化，且变化较快，温度的变化会影响加工间隙、电流效率及电流密度，对重复精度影响较大，应该加以控制，保证温度稳定。控制系统的主要设备室热交换器和温度自动调节系统。（1）电解加工冷却的方法：图4-7不用热交换器，串联交换，并联交换，嵌入式（2）热交换器所用材料的抗腐蚀性，结构上便于清洗4.3.2电解液系统-热交换器管道一般用金属管，在压力不高处（连接热交换器、净化机）用软管。管径可按泵接口直径来选用，也可按流速计算。不应低于能带渣的临界速度，也不能超过10-12m/s，通常可按流速3-8m/s选取管径。管接头用法兰或螺纹，要保证不漏。弯曲半径R≥（1-2）D，D为管道直径。用于电解液系统的阀应耐腐蚀，其通道截面应该和管道相应，有些阀因为盐的结晶会相应其启闭，不能用于电解液系统管路中续配置流量计和压力表。4.3.2.5电解液系统-管道、阀、流量计及其他净化设备与机床的连接：串联、并联串联净化将降低电解液的工作压力，常用并联净化过程分为连续净化与不连续净化自然沉淀净化法4.3.3电解液系统-电解液净化及环保措施不连续作用的离心分离机连续作用的离心分离机连续作用真空吸滤机连续作用压滤机连续作用板式沉淀箱（如Anocut所用）4.3.3电解液系统-净化设备42电解加工电源电解加工时利用单方向的电流对阳极工件进行溶解的，必须是直流电源。间隙小，电压在8-24V，要稳定。但需要几千至几万安培的电流。电解加工要求直流电源（主力），首先使交流电经过整流变为直流电，根据整流方式不同，电解电源可分三类：直流发电机组、硅整流电源和可控硅整流电源。应用脉冲电源可进行脉冲电流加工，改善表面质量。4.4电解加工电源43电解加工电源电解加工时利用单方向的电流对阳极工件进行溶解的，必须是直流电源。间隙小，电压在8-24V，要稳定。但需要几千至几万安培的电流。电解加工要求直流电源（主力），首先使交流电经过整流变为直流电，根据整流方式不同，电解电源可分三类：直流发电机组、硅整流电源和可控硅整流电源。应用脉冲电源可进行脉冲电流加工，改善表面质量。4.4.1电解加工对电源的要求44电解加工要求直流电源（主力），首先使交流电经过整流变为直流电，根据整流方式不同，电解电源可分三类：直流发电机组、硅整流电源和可控硅整流电源。直流发电机组硅整流电源可控硅整流电源4.4.2电解加工电源的种类及基本结构45直流发电机组:用交流电能带动交流电动机转变成动能，再带动直流电动机将动能转变为直流电能的装置。（早期使用，新设备中已不使用）4.4.2电解加工电源-直流发电机组特点：能量的二次转换而成，因而效率低噪音大、占地面积大，调节灵敏度低，从而导致稳压精度较低，短路保护时间较长。46硅整流电源:随着大功率硅二极管的发展，硅整流电源取代了直流发电机组简单型的硅整流器采用自耦变压器调压，无稳压控制和短路保护。采用饱和电抗器调压、稳压，但其调节灵敏度较低，短路保护时间较长，约25us,稳压精度不够高，仅为5%左右耗铜、耗铁量较大，经济性一般4.4.2电解加工电源-硅整流电源47可控硅整流电源:随着大功率可控硅器件的发展，可控硅调压、稳压的直流电源就取代了硅整流电源。特点：将整流和调压统一，由可控硅元件完成，自动化程度高结构简单，制造方便，反应灵敏整流获得脉动电流，电源纹波系数（3%-5%）比开关电源高，经电容、电感滤波后，并不能达到纯直流状态。随着可控硅元件质量的提高，可靠性越来越好，目前成为主要的电解电源4.4.2电解加工电源-可控硅整流电源48应用脉冲电源可进行脉冲电流加工，改善表面质量。一般直流电源和脉冲电源一般直流电源:一般普通的电解加工脉冲电源：特殊的电解加工（高精度）可控硅脉冲电源与开关型脉冲电源可控硅脉冲电源：波纹系数高（3%-5%）开关电源：波纹系数低（<1%），质量好4.4.3电解加工用脉冲电源49高频窄脉冲电源：峰值1000A、额度电压24V，最高脉冲频率20kHz，时间：微秒级。脉冲功率技术：把“慢”储存起来的较高密度的能量，进行快速压缩、转速或直接释放给负载的技术高频窄脉冲电源初级能源中间能源和脉冲成形系统高功率脉冲电源转换系统负载图4-4脉冲功率装置50高功率脉冲电源：为脉冲功率装置的负载提供电磁能量的装置，包括如图4-4所示的几部分按储能方法分高功率脉冲电源有：电容储能高功率脉冲电源电感储能高功率脉冲电源化学能及核能高功率脉冲电源机械能高功率脉冲电源高功率脉冲电源研究方向：提高电源的储能密度，研制大功率转换开关和产生高重复频率的大功率脉冲51特点：电解加工中产生火花和短路的原因主要因素：4.4.4快速短路保护系统52导致火花或短路的主要因素：电解液系统的压力、流量与加工电流不匹配，或电解液污浊机床与进给系统刚性不足流场设计不当加工参数选择不当导致火花或短路的主要因素53应具备的特殊功能能较全面采样出短路前可能发生的异常情况所产生的预兆信号能预置各种预兆信号的给定值能调整检测回路的灵敏性能将各种非短路预兆信号的误信号分离出去短路保护系统应具备的特殊功能54应在微秒级时间内熄灭前期的火花和拉弧或切断电源，并将间隙中由电容和电感存储的残留电能转移出去。当采用外加的快速切断装置时，其执行元件（大容量快速可控硅、快速保险）的可靠性要好，否则经常发生非正常损坏元件，因而频繁更换将影响其在生产中的应用效果快速切断装置应具备的主要功能55Anocut公司的保护系统：Anoguard检测系统及MiCrobar切断装置火花保护是取工作电压的高频振荡信号，测量第一个火花的尖峰瞬时值在发生几个故障的情况下，Anoguard系统能区分故障顺序“标记”控制-这是电极旁路装置（Microbar-微巴）直流电源短路保护系统-Anocut56AEG公司的保护系统信号检测的功能中有扰流检测、电弧检测以及电流波形检测三项新的内容检测到短路预兆信号后可以立即熄灭前期的短路火花和拉弧，从而防止发展到严重短路。直流电源短路保护系统-AEG57理想的短路保护系统正常加工：dU/dt发出信号-用交流可控硅调节器切断电源0.1s-“微巴”吸收电流回路内的电能，进给系统不停顿，电解液输入加工间隙以驱除造成火花和短路的隐患-恢复工作电压，继续加工偶然因素：dU/dt发出信号-由第三种切断方法切断电源1-2s的时间，主轴亦停止进给，而电解液泵则继续工作，这时探测间隙的装置检查间隙，若故障已消除则发出信号在原地恢复加工；若隐患较大，则停车用短路消除器清除后继续。4.4.4快速短路保护系统4.5.1控制系统的要求及组成总体要求运动部件的控制及操纵系统（控制系统）应功能可靠，并确保所有功能不相互干扰。应能承受预期的工作负荷和外来影响，控制信息载体的中断和损坏，不应导致危险局面的出现设置控制系统应考虑到误操作的附加危险，容易出错的控制器件应在设计上考虑容错，要防止由于无意或偶然触及控制器件所引起的意外启动4.5.1控制系统的要求及组成（续）总体要求每个“启动”控制器件附近应设置一个“停止”控制器件。机床的每个操作位置应设置急停器件数控机床应为每种控制功能设置工作状态选择开关。（可用“代码控制”进行选择）控制柜应耐腐蚀，柜体应密封可靠，柜内保证不发生凝露现象。其防护等级不得低于IP54控制系统的组成参数控制、循环控制、保护和联锁三个组成部分参数控制系统的要求循环控制系统的要求保护和联锁系统的要求特殊功能为确保加工中产生的有害气体和电解液水雾有效排出，机床应采取强制排风措施，并配备缺风检测保护装置防止电解液飞溅而设置的工作箱门的联锁以及防止潮气进入而设置的电器柜门的联锁主轴头和电源柜内渗入潮气的报警防止工具阴极及工件短路烧伤的快速短路保护4.5.2.1间隙控制系统方案加工间隙在电场和流场的作用下，是时间和空间的变化函数，且空间极小，使得在线测量非常困难，特别是三位空间的间隙测量，目前还没有成熟的方案控制方案采用的间接控制法，即通过控制影响间隙的主要参数来控制间隙。具体有：恒参数控制、自适应控制4.5.2.1间隙控制系统方案恒参数控制：通过闭环系统分别控制电压、进给速度（或加工电压）、电解液浓度、温度、压力（或流量）等参数的恒定来保证加工间隙的恒定（控制精度为1%）4.5.2.1间隙控制系统方案自适应控制：通过控制系统使某些参数之间按照一定的规律变化，以相互抵消这些参数分别引起的加工间隙的变化。（例：根据电导率的变化相应调整加工电压或进给速度）自适应控制适用于大电流、大流量的加工（恒电导率法的投资及使用成本高）主要缺点：只能控制平均间隙，不适合复杂型面、型腔加工控制精度的关键：参数的准确测量和采样、根据各参数之间的变化规律建立合适的数学模型4.5.2.2循环控制系统方案循环控制系统可分为：继电系统：用行程开关预给定的程序转换位置简易数控系统：用数字拨码盘开关预置的程序转换位置，并配备位置数字显示；或用逻辑门及灵敏继电器组合成要求的动作顺序微机控制系统：用微机的软件控制加工程序可编程序控制器系统：根据所要求的控制功能，用标准模块组合而成4.5.3计算机及PLC控制系统计算机控制系统（CNC）：各种技术综合运用的产物可编程控制器（PLC）控制系统：对主轴位置的“数字控制”，对各种开关量的“顺序控制”。（易于使用、编程和修改，成本较低，逻辑运算功能强，可处理大量的开关量，直接输出到每个具体的执行器件）计算机控制系统（CNC）-特点能获得较高的加工精度（数字式伺服传动，保证加工参数，有利于加工间隙的均匀，自动加工减少人为因素，可获得较高的加工和重复精度）生产效率高（合理选择参数，缩短加工时间；定位精度高，停机检测次数少）监控功能强，故障报警、诊断能力完善减轻了操作者的劳动强度、降低了对成熟技术工人的要求计算机控制系统（CNC）-组成CNC装置的基本构成计算机控制系统（CNC）-硬件结构微处理器及其总线存储器输入/输出接口（I/O）MDI/CRT接口。（键盘输入和显示器接口）纸带阅读机接口穿孔机和电传机接口位置控制器计算机控制系统（CNC）-软件结构管理软件（管理零件程序的输入输出；显示零件程序、阴极位置、系统参数、机床状态及报警；诊断CNC装置是否正常运行）控制软件（译码、阴极补偿、速度控制、插补运算、位置控制）可编程控制器（PLC）控制系统-特点可靠性好功能完善：种类多、模块丰富、指令功能强大编程简单：梯形图语言易学易懂在线编程：编程器或电脑现场编程，也可网络编程安装容易体积小、重量轻、功耗低性价比高可编程控制器（PLC）控制系统-对比PLC与继电器控制系统的比较（153页表4-6）PLC与计算机控制系统的比较（153页表4-7）可编程控制器（PLC）控制系统-结构PLC是一种工业控制用的专用计算机，是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是在程序控制器、1微处理器和微机控制器的基础上发展起来的。由硬件系统和软件系统组成。可编程控制器（PLC）控制系统-硬件系统主机系统：存储单元扩展接口外围设备接口中央处理器（CPU）输入单元光电隔离输出单元隔离驱动电源可编程控制器（PLC）控制系统-软件系统系统软件系统管理程序用户指令解释程序供系统调用的标准程序模块操作站系统程序用户软件开关量逻辑程序控制模拟量运算程序及闭环控制程序操作站系统程序典型系统-硬件结构控制器：CQM1H-CPU51