精密脉冲电解磨削的电源和试验

魔神

    

1　问题的提出

　　电解磨削最早应用于磨削硬质合金。由于设备投资大，机床维护复杂，因而其发展速度比较缓慢。但由于该方法具有较好的整平能力，磨削力和磨削热又很小，表面无烧伤和裂纹，因此用在某些领域还有很大的优势。为此，国内外一直致力于提高它的加工质量。近年来，较新的方法是采用脉冲电源进行电解磨削，更有效地改善了加工效果。我们也开展了这方面的初步研究，以下对其进行一些介绍和探讨。

2　改善电解磨削加工质量的措施

2.1　影响电解磨削加工质量的关键因素　　多年来，为了提高电解磨削的加工质量，国内外进行了许多研究。过去的研究主要局限于考虑两个主要参数——电极电压和进给速度，即从电解作用和机械作用两个方向来进行研究，并一致认为实现二者之间的合理匹配是提高电解磨削加工质量的关键。有关资料还对二者之间的匹配比例进行了量化，认为90%的材料由电解溶解，10%的材料由机械去除为最佳匹配。事实上我们也在试验中发现，若电解作用过强，则砂轮的机械整平作用显著减弱，表面粗糙度值升高，且工件不光亮；反之，若电解作用过弱，机械作用过强，则电解磨削近似于普通机械磨削，表面出现划痕，表面粗糙度值也升高。

2.2　调整电解和机械作用精密匹配的措施　　①　减小机械进给　　为了精密调节电解和机械作用的匹配，需要在电解和机械两方面入手。机械作用的调节重要的是要能实现微量进给，每次进给量很小，这样机械作用能够实现精密调节。　　②　采用脉冲电源　　电解作用的调节，以往是通过调节电压来实现的。但极间电压不能太小，因为从金属的阳极极化曲线（图1中曲线2）看到，阳极电位必须达到一定值才能发生阳极电解溶解。各种金属在特定的电解液中存在一个最低溶解电压，极间电压只有大于此值，金属才能溶解，而在精密电解加工时需要电解作用较小，这就产生了矛盾。在这种情况下，可以采用脉冲电源，通过减小脉冲电源的占空比来缩短电解作用时间，以实现电解作用的微量调节。

图1　电极极化曲线

　　另外，脉冲电解磨削对电解液产生扰动作用，使得电解产物易于排除，电解液更新加快，电解液流场更均匀，从而改善了加工效果。　　③　采用电流调节　　电解和电解磨削过去所用的电源一直用电压调节电流，但从电解磨削加工过程来看，直接采用电流调节更合理。因为，根据法拉第定律：M=ηKIt式中　M——电极上溶解或析出物质的重量；　　　K——被电解物质的重量电化学当量；　　　I——电解时的加工电流；　　　η——电流效率；　　　t——电解时间；　　可以看出，电解作用去除量的大小直接和电流I成比例，它与电压无直接关系。而在加工体系中，极间电压U和加工电流I具有如下间接关系：

U=U₁+IR+U₂

式中　U₁、U₂分别为阴极和阳极的极化电位。若采用电压调节，尽管可使极间电压U恒定，但电解加工期间，由于气泡和电解产物产生、排除以及极间间隙的变化，使极间电阻R的波动不可避免，因而电流会相应变化，这使得电解作用量不可精确控制，采用电流调节则不存在这个问题，尽管极间电压会波动，但不影响电解作用去除量，只要保证所用电压高于工件金属的阳极溶解电压即可。

2.3　恒流源对工件表面整平机理的解释　　电解磨削的整平机理是，工件在电解作用下，表面被氧化生成阳极钝化膜，该膜的电阻较大，阻碍着电解进行。高点处的钝化膜不断被砂轮刮掉，露出新的金属继续被电解，因而高点处的金属溶解较快。低点由于钝化膜的保护溶解较慢，工件在微观高低点去除速度差的存在使工件不断被整平。采用可调的恒流电源时，控制的是外电路电流恒定，而不是加工区各处的电流密度恒定。相反，砂轮刮除高点钝化膜的本质没有改变，因而微观高低点依然存在去除速度差，工件能够不断被整平。