关于数控电解机械复合切割加工间隙研究

陈新刚

【摘 要】 电解是基于金属阳极在电解液中发生电化学溶解的原理， 对工件进行减材加工。在电解加工时， 工件材料是以离子的形式被蚀除， 理论上工件可达到微米甚至纳米精度， 因此在精密、微细制造领域有着潜在的应用前景。电解加工的间隙不但决定了加工效率和加工面的质量，也是影响精度的核心要数，同时也是阴极设计和加工参数选择的重要依据，加工速度并不随加工间隙的减小而单调增大， 实际加工速度存在极限值（ 极大值） 。为兼顾加工效率和加工精度， 应以与之对应的间隙值作为实际加工间隙。

【关键词】 数控 电解 机械复合切割 间隙

数控电解机械复合切割技术是一种利用电解加工和数控技术的复合加工技术，这种技术具有切割效率高、切割质量好、操作简单等的优点，所以在实践运用中受到很大的欢迎。传统电解加工一般为反铐式成型加工，即工件形状复制阴极形状，考虑到加工间隙的存在，两者形状并不完全一致，所以传统电解加工阴极设计较为复杂。与之不同的是，数控电解机械复合切割加工是利用带镀层的回转体复合阴极走数控轨迹加工工件，可一次割断工件或以某一深度割槽。所以国内外学者都孜孜不倦致力于加工间隙的检测和控制研究，只是方法各异。

1 数控电解机械复合切割加工原理

数控电解机械复合切割的结合了物理及化学方面一些原理。具体来说是利用工具电极与工件之间发生的电化学反应，使工件发生电解腐蚀，同时利用一些数控方法，使工具电极在数控系统的控制下走出轨迹，形成切缝，从而对工件进行切割。数控电解机械复合切割的特点从不同的角度会有所不同（见图1）。

2 数控电解机械复合切割加工间隙理论研究

数控电解机械复合切割加工时阴极和工件随机床走数控轨迹，电解液由供给系统以一定压力流入阴极内部，再从阴极喷缝喷入加工间隙内，在电场作用下阴极进给方向上的工件材料发生电化学腐蚀而被加工，加工模型如图2所示。在阴极圆心建立一直角坐标系 OXY，X轴方向跟进给方向一致，在X轴正方向形成的加工间隙Δa0可认为是平衡端面间隙，Δa0决定了加工的速度；与X轴垂直的Y轴正负向间隙Δb1和Δb2为最终加工间隙，根据对称性Δb1和Δb2理论上大小相等，它们共同决定了加工精度。

电解加工的过程中会不可避免地出现一些不溶性的固体电解产物。如氢氧化铁、电解泥等。这些物质的存在会严重影响切割的效率及效果。因此，必须要将其滤除。通常情况可以采用有自清洁功能的过滤系统进行过滤，如离心式过滤器等。另外电解加工过程中，很多物质会发生化学反应，比如水分解成氢离子和氢氧根离子，硝酸钠就会分解生成氨气等。因此，要应定期或在线监测电解液的浓度，并根据实际情况进行调整。根据电解加工平衡间隙理论，进给方向的平衡间隙Δa0（α为0度时）为：

（1）

电极高速旋转时，由于电解液具有一定粘性，旋转电极的边界将拽引着周围的流体随它一起作圆周运动，加强了间隙内电解液的对流，改善了流场。电极旋转排屑方式适用于单电极圆孔加工和扫描加工。但由于在电极端部中心处离心力接近零，电解产物无法顺利排出，故仍需依赖间歇回退来强化电解液更新。图3是优化后数控电解机械复合切割加工间隙流畅分析。

电解加工中，大量的电解液流过加工间隙，同时由于电化学反应，阴极会有大量氢气析出，阳极溶解亦有电解产物生成，故在电解加工间隙中一般为液、气、固三相流，由于电解产物一般为絮状离子沉淀，占体积很小，可以忽略其对电解液流场的影响，所以可以将间隙中流场简化为气、液两相流问题处理。

当加工间隙减小到极值点附近时，此时加工过程实际由电化学反应步骤和反应产物移除步骤混合控制，两个步骤的潜在反应速度基本相同。当加工间隙$继续减小，趋近于零时，加工速度随$近似呈现线性减小，这是由于在加工间隙很小时，间隙空间内容污（反应产物） 能力弱，阳极金属蚀除速度迅速降低，有效加工时间很短，此时反应产物移除步骤成为加工过程的控制步骤，加工速度主要受电解产物移除速度的影响（见图4）。

在数控电解机械复合切割加工中，每一个正常加工速度都对应一个平衡间隙。加工参数相同时，速度越快，平衡间隙越小，为求得高效率和高精度，实际生产中往往追求最快平衡进给速度和对应最终加工间隙。只是加工对象和加工条件不同时，其最快平衡进给速度和最终加工间隙是不同的，实际生产中需根据具体要求通过计算和试验求得满足条件的加工参数。为了更直观地研究不同加工参数对最终加工间隙的影响，现进行一组试验，研究电压、电解液温度、主轴转速等主要加工参数对最终间隙和最快平衡进给速度的影响大小。

取电压20V，其他条件同上，研究温度对最终加工间隙的影响。试验结果如表1所示，随着温度的增加，两者都随之增加，温度超过30℃后，最大平衡进给速度不再变化，而最终加工间隙还有很小的增加，这是因为温度增加，引起工件加工区出液口杂散腐蚀所致。

3 结语

通过论文的分析可以看出，数控电解机械复合切割技术相对于其他的切割技术具有很大的推广潜力及优势。实际加工速度存在极限值（极大值），将对应的间隙值作为实际加工间隙，可兼顾加工效率和加工精度。在电解液温度和复合阴极转速各自变化时，最快平衡进给速度并未随之一直变大，而是趋于某一稳定值，最终间隙也只是少许变化，说明电解液温度和转速对数控电解机械复合切割量的影响是阶段性的，超过某一值后，最大进给速度将基本保持不变，为得到更好的加工精度和效率，实际加工中使用这一稳定值即可。

参考文献：

[1]干为民，徐波，褚辉生.数控电解机械复合切割加工间隙研究[J].制造技术与机床，2013，10：41-44.

[2]潘光显.数控电解机械复合切割技术加工的基础研究[D].南京农业大学，2009.

[3]干为民，褚辉生，丁仕燕，徐宏力.数控电解机械复合切割机床的设计[J].常州工学院学报，2008，05：14-17+21.

[4]郎晋喜.浅析数控电解机械复合切割应用中的问题[J].电子制作，2013，18：168.endprint

【摘 要】 电解是基于金属阳极在电解液中发生电化学溶解的原理， 对工件进行减材加工。在电解加工时， 工件材料是以离子的形式被蚀除， 理论上工件可达到微米甚至纳米精度， 因此在精密、微细制造领域有着潜在的应用前景。电解加工的间隙不但决定了加工效率和加工面的质量，也是影响精度的核心要数，同时也是阴极设计和加工参数选择的重要依据，加工速度并不随加工间隙的减小而单调增大， 实际加工速度存在极限值（ 极大值） 。为兼顾加工效率和加工精度， 应以与之对应的间隙值作为实际加工间隙。

【关键词】 数控 电解 机械复合切割 间隙

数控电解机械复合切割技术是一种利用电解加工和数控技术的复合加工技术，这种技术具有切割效率高、切割质量好、操作简单等的优点，所以在实践运用中受到很大的欢迎。传统电解加工一般为反铐式成型加工，即工件形状复制阴极形状，考虑到加工间隙的存在，两者形状并不完全一致，所以传统电解加工阴极设计较为复杂。与之不同的是，数控电解机械复合切割加工是利用带镀层的回转体复合阴极走数控轨迹加工工件，可一次割断工件或以某一深度割槽。所以国内外学者都孜孜不倦致力于加工间隙的检测和控制研究，只是方法各异。

1 数控电解机械复合切割加工原理

数控电解机械复合切割的结合了物理及化学方面一些原理。具体来说是利用工具电极与工件之间发生的电化学反应，使工件发生电解腐蚀，同时利用一些数控方法，使工具电极在数控系统的控制下走出轨迹，形成切缝，从而对工件进行切割。数控电解机械复合切割的特点从不同的角度会有所不同（见图1）。

2 数控电解机械复合切割加工间隙理论研究

数控电解机械复合切割加工时阴极和工件随机床走数控轨迹，电解液由供给系统以一定压力流入阴极内部，再从阴极喷缝喷入加工间隙内，在电场作用下阴极进给方向上的工件材料发生电化学腐蚀而被加工，加工模型如图2所示。在阴极圆心建立一直角坐标系 OXY，X轴方向跟进给方向一致，在X轴正方向形成的加工间隙Δa0可认为是平衡端面间隙，Δa0决定了加工的速度；与X轴垂直的Y轴正负向间隙Δb1和Δb2为最终加工间隙，根据对称性Δb1和Δb2理论上大小相等，它们共同决定了加工精度。

电解加工的过程中会不可避免地出现一些不溶性的固体电解产物。如氢氧化铁、电解泥等。这些物质的存在会严重影响切割的效率及效果。因此，必须要将其滤除。通常情况可以采用有自清洁功能的过滤系统进行过滤，如离心式过滤器等。另外电解加工过程中，很多物质会发生化学反应，比如水分解成氢离子和氢氧根离子，硝酸钠就会分解生成氨气等。因此，要应定期或在线监测电解液的浓度，并根据实际情况进行调整。根据电解加工平衡间隙理论，进给方向的平衡间隙Δa0（α为0度时）为：

（1）

电极高速旋转时，由于电解液具有一定粘性，旋转电极的边界将拽引着周围的流体随它一起作圆周运动，加强了间隙内电解液的对流，改善了流场。电极旋转排屑方式适用于单电极圆孔加工和扫描加工。但由于在电极端部中心处离心力接近零，电解产物无法顺利排出，故仍需依赖间歇回退来强化电解液更新。图3是优化后数控电解机械复合切割加工间隙流畅分析。

电解加工中，大量的电解液流过加工间隙，同时由于电化学反应，阴极会有大量氢气析出，阳极溶解亦有电解产物生成，故在电解加工间隙中一般为液、气、固三相流，由于电解产物一般为絮状离子沉淀，占体积很小，可以忽略其对电解液流场的影响，所以可以将间隙中流场简化为气、液两相流问题处理。

当加工间隙减小到极值点附近时，此时加工过程实际由电化学反应步骤和反应产物移除步骤混合控制，两个步骤的潜在反应速度基本相同。当加工间隙$继续减小，趋近于零时，加工速度随$近似呈现线性减小，这是由于在加工间隙很小时，间隙空间内容污（反应产物） 能力弱，阳极金属蚀除速度迅速降低，有效加工时间很短，此时反应产物移除步骤成为加工过程的控制步骤，加工速度主要受电解产物移除速度的影响（见图4）。

在数控电解机械复合切割加工中，每一个正常加工速度都对应一个平衡间隙。加工参数相同时，速度越快，平衡间隙越小，为求得高效率和高精度，实际生产中往往追求最快平衡进给速度和对应最终加工间隙。只是加工对象和加工条件不同时，其最快平衡进给速度和最终加工间隙是不同的，实际生产中需根据具体要求通过计算和试验求得满足条件的加工参数。为了更直观地研究不同加工参数对最终加工间隙的影响，现进行一组试验，研究电压、电解液温度、主轴转速等主要加工参数对最终间隙和最快平衡进给速度的影响大小。

取电压20V，其他条件同上，研究温度对最终加工间隙的影响。试验结果如表1所示，随着温度的增加，两者都随之增加，温度超过30℃后，最大平衡进给速度不再变化，而最终加工间隙还有很小的增加，这是因为温度增加，引起工件加工区出液口杂散腐蚀所致。

3 结语

通过论文的分析可以看出，数控电解机械复合切割技术相对于其他的切割技术具有很大的推广潜力及优势。实际加工速度存在极限值（极大值），将对应的间隙值作为实际加工间隙，可兼顾加工效率和加工精度。在电解液温度和复合阴极转速各自变化时，最快平衡进给速度并未随之一直变大，而是趋于某一稳定值，最终间隙也只是少许变化，说明电解液温度和转速对数控电解机械复合切割量的影响是阶段性的，超过某一值后，最大进给速度将基本保持不变，为得到更好的加工精度和效率，实际加工中使用这一稳定值即可。

参考文献：

[1]干为民，徐波，褚辉生.数控电解机械复合切割加工间隙研究[J].制造技术与机床，2013，10：41-44.

[2]潘光显.数控电解机械复合切割技术加工的基础研究[D].南京农业大学，2009.

[3]干为民，褚辉生，丁仕燕，徐宏力.数控电解机械复合切割机床的设计[J].常州工学院学报，2008，05：14-17+21.

[4]郎晋喜.浅析数控电解机械复合切割应用中的问题[J].电子制作，2013，18：168.endprint

【摘 要】 电解是基于金属阳极在电解液中发生电化学溶解的原理， 对工件进行减材加工。在电解加工时， 工件材料是以离子的形式被蚀除， 理论上工件可达到微米甚至纳米精度， 因此在精密、微细制造领域有着潜在的应用前景。电解加工的间隙不但决定了加工效率和加工面的质量，也是影响精度的核心要数，同时也是阴极设计和加工参数选择的重要依据，加工速度并不随加工间隙的减小而单调增大， 实际加工速度存在极限值（ 极大值） 。为兼顾加工效率和加工精度， 应以与之对应的间隙值作为实际加工间隙。

【关键词】 数控 电解 机械复合切割 间隙

数控电解机械复合切割技术是一种利用电解加工和数控技术的复合加工技术，这种技术具有切割效率高、切割质量好、操作简单等的优点，所以在实践运用中受到很大的欢迎。传统电解加工一般为反铐式成型加工，即工件形状复制阴极形状，考虑到加工间隙的存在，两者形状并不完全一致，所以传统电解加工阴极设计较为复杂。与之不同的是，数控电解机械复合切割加工是利用带镀层的回转体复合阴极走数控轨迹加工工件，可一次割断工件或以某一深度割槽。所以国内外学者都孜孜不倦致力于加工间隙的检测和控制研究，只是方法各异。

1 数控电解机械复合切割加工原理

数控电解机械复合切割的结合了物理及化学方面一些原理。具体来说是利用工具电极与工件之间发生的电化学反应，使工件发生电解腐蚀，同时利用一些数控方法，使工具电极在数控系统的控制下走出轨迹，形成切缝，从而对工件进行切割。数控电解机械复合切割的特点从不同的角度会有所不同（见图1）。

2 数控电解机械复合切割加工间隙理论研究

数控电解机械复合切割加工时阴极和工件随机床走数控轨迹，电解液由供给系统以一定压力流入阴极内部，再从阴极喷缝喷入加工间隙内，在电场作用下阴极进给方向上的工件材料发生电化学腐蚀而被加工，加工模型如图2所示。在阴极圆心建立一直角坐标系 OXY，X轴方向跟进给方向一致，在X轴正方向形成的加工间隙Δa0可认为是平衡端面间隙，Δa0决定了加工的速度；与X轴垂直的Y轴正负向间隙Δb1和Δb2为最终加工间隙，根据对称性Δb1和Δb2理论上大小相等，它们共同决定了加工精度。

电解加工的过程中会不可避免地出现一些不溶性的固体电解产物。如氢氧化铁、电解泥等。这些物质的存在会严重影响切割的效率及效果。因此，必须要将其滤除。通常情况可以采用有自清洁功能的过滤系统进行过滤，如离心式过滤器等。另外电解加工过程中，很多物质会发生化学反应，比如水分解成氢离子和氢氧根离子，硝酸钠就会分解生成氨气等。因此，要应定期或在线监测电解液的浓度，并根据实际情况进行调整。根据电解加工平衡间隙理论，进给方向的平衡间隙Δa0（α为0度时）为：

（1）

电极高速旋转时，由于电解液具有一定粘性，旋转电极的边界将拽引着周围的流体随它一起作圆周运动，加强了间隙内电解液的对流，改善了流场。电极旋转排屑方式适用于单电极圆孔加工和扫描加工。但由于在电极端部中心处离心力接近零，电解产物无法顺利排出，故仍需依赖间歇回退来强化电解液更新。图3是优化后数控电解机械复合切割加工间隙流畅分析。

电解加工中，大量的电解液流过加工间隙，同时由于电化学反应，阴极会有大量氢气析出，阳极溶解亦有电解产物生成，故在电解加工间隙中一般为液、气、固三相流，由于电解产物一般为絮状离子沉淀，占体积很小，可以忽略其对电解液流场的影响，所以可以将间隙中流场简化为气、液两相流问题处理。

当加工间隙减小到极值点附近时，此时加工过程实际由电化学反应步骤和反应产物移除步骤混合控制，两个步骤的潜在反应速度基本相同。当加工间隙$继续减小，趋近于零时，加工速度随$近似呈现线性减小，这是由于在加工间隙很小时，间隙空间内容污（反应产物） 能力弱，阳极金属蚀除速度迅速降低，有效加工时间很短，此时反应产物移除步骤成为加工过程的控制步骤，加工速度主要受电解产物移除速度的影响（见图4）。

在数控电解机械复合切割加工中，每一个正常加工速度都对应一个平衡间隙。加工参数相同时，速度越快，平衡间隙越小，为求得高效率和高精度，实际生产中往往追求最快平衡进给速度和对应最终加工间隙。只是加工对象和加工条件不同时，其最快平衡进给速度和最终加工间隙是不同的，实际生产中需根据具体要求通过计算和试验求得满足条件的加工参数。为了更直观地研究不同加工参数对最终加工间隙的影响，现进行一组试验，研究电压、电解液温度、主轴转速等主要加工参数对最终间隙和最快平衡进给速度的影响大小。

取电压20V，其他条件同上，研究温度对最终加工间隙的影响。试验结果如表1所示，随着温度的增加，两者都随之增加，温度超过30℃后，最大平衡进给速度不再变化，而最终加工间隙还有很小的增加，这是因为温度增加，引起工件加工区出液口杂散腐蚀所致。

3 结语

通过论文的分析可以看出，数控电解机械复合切割技术相对于其他的切割技术具有很大的推广潜力及优势。实际加工速度存在极限值（极大值），将对应的间隙值作为实际加工间隙，可兼顾加工效率和加工精度。在电解液温度和复合阴极转速各自变化时，最快平衡进给速度并未随之一直变大，而是趋于某一稳定值，最终间隙也只是少许变化，说明电解液温度和转速对数控电解机械复合切割量的影响是阶段性的，超过某一值后，最大进给速度将基本保持不变，为得到更好的加工精度和效率，实际加工中使用这一稳定值即可。

参考文献：

[1]干为民，徐波，褚辉生.数控电解机械复合切割加工间隙研究[J].制造技术与机床，2013，10：41-44.

[2]潘光显.数控电解机械复合切割技术加工的基础研究[D].南京农业大学，2009.

[3]干为民，褚辉生，丁仕燕，徐宏力.数控电解机械复合切割机床的设计[J].常州工学院学报，2008，05：14-17+21.

[4]郎晋喜.浅析数控电解机械复合切割应用中的问题[J].电子制作，2013，18：168.endprint