浅析数控电解机械复合切割应用中的问题

【摘 要】数控电解机械复合切割是利用电解加工和数控技术的一种复合加工技术，综合了电解―机械复合加工技术与数控技术的优点，有很大的应用潜力。本文对数控电解机械复合切割工业的问题进行了探讨。

【关键词】数控；电解；机械复合切割

一、前言

材料的切割加工在机械加工中占有重要的地位，如金属板材的下料、半导体单晶硅材料切片等就离不开切割加工。特别是随着技术的发展，在一些领域上使用切割加工来代替原来的加工技术往往有着独特的优点。例如，在传统的轮齿条加工常用的方法是金属切削法，切下来的材料只能重新用来炼钢，但是如果利用切割加工，如制造齿条，那么只要用一块钢板，按齿条轮廓的形状进行切割，就能一次切出两个齿条，不但效率高，还节约材料。常用的材料切割方式主要有氧气切割、等离子体切割、激光切割、水射流切割、电火花线切割、沙轮切割、线锯切割、电解切割等，其中数控电解机械复合切割具有很大的发展潜力，下面对这种切割方法进行论述。

二、数控电解机械复合切割的涵义与特点

电解加工是一种发展较快、应用广泛的新工艺。目前在国内外而应用与枪炮、航空发动机、模具等的制造工业，在机械制造中已成为一种不可缺少的工艺方法。 数控电解机械复合切割是基于电解加工与机械磨削同时作用，并利用数控技术进行加工控制的一种复合加工方法，原理是利用工具电极与工件之间发生的电化学反应而使工件发生电解腐蚀，同时又利用数控的方法，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。

从加工方式来看，数控电解机械复合切割的特点是：（1）加工范围广，生产效率高。由于数控电解加工主要是通过电化学腐蚀的方法来进行切割加工，从原理上来说，加工性能受材料的化学性质影响，而与材料的机械性能没有直接的关系，只要选好了合适的电解液，大多数的金属材料都能加工。同时，电化学加工的效率远高于电火花加工，所以数控电解机械复合切割的效率高于电火花线切割。特别是切割一些很厚的材料时，由于激光的功率、高压水射流的水压力、以及电火花线切割的铝丝能通过的电流有限，这几种方法都不容易实现。但电解机械复合切割的工具电极比较粗，又由于有电解液通过，能将电流产生的热量及时带走，所以电极能通过很大的电流，故能切割厚的材料，（2）加工表面质量好。由于电解加工利用的是电化学腐蚀来进行加工，不会产生加工应力和表面裂纹，加工时产生的热量很少，所以加工的表面质量好于机械加工和电火花加工。（3）工具损耗小。电解加工理论上是没有工具损耗，即使是电解―机械复合加工，工具损耗也远小于普通的机械加工。 （4）能切割形状复杂的切缝。由于该技术是电解加工与数控技术的复合，利用数控技术，切割出形状复杂的切缝，从而加工出一些形状复杂的零件，如硬质合金落料模、大模数齿轮等。（5）能切割一些高硬度韧性的材料，如钢结硬质合金等材料，由于硬度极高，用一般的机械切割的方法很难对进行加工，而且熔点也很高，电火花线切割速度也极慢。但用于粘结硬质合金的高强度钢则很容易被电解除去，故很适合于电解机械复合切割。

三、数控电解机械复合切割应用中的问题

1、电极的标准化和系列化

在电解机械复合切割过程中，工具电极对电解加工有很大的影响。金属原子都是由内层带正电的金属阳离子和外层带负电的电子组成的，所以当它与其盐的溶液接触时，常会和电解液发生离子交换的现象。例如，当活泼金属与其盐的溶液接触时，由于金属离子在电解液中比在金属晶体里更稳定，所以它就会溶解到电解液里，这时电解液由于接受了金属离子而带正电，而金属中因为剩下电子而带负电，金属与其盐的溶液之间将会产生静电力。随着金属离子的不断溶解，静电力将会越来越大，金属离子的溶解也将会越来越慢，最后直至停止。这时金属和溶液之间将形成一层薄的双电层，金属表面带负电而溶液带正电。为了使电解机械复合切割不因电极的不更换而使加工效果不稳定，所以工具电极应该标准化和系列化。标准化使电解机械复合切割的再现性好，而系列化后，针对不同的加工情况可选用不同的电极，能使电解机械复合切割加工的适应性更好。

2、电解液的选择

在电解加工过程中，电解液的主要作用是：起导电作用。在电解加工中进行电化学反应，使阳极的金属能被溶解腐蚀掉。将电解产物以及电解时产生的热量带走。对电解加工的电解液来说，应该满足以下基本要求： （1）具有足够的蚀除速度，生产率要高，这要求电解质在溶液中有较高的电离度。（2）具有较高的加工精度和表面质量，在加工时金属离子不能析出而沉积在阴极上，以免影响阴极的形状。（3）阳极反应的产物应该是不溶性的化合物，以便于处理。除此之外，还希望电解液的价格全便宜，在电解过程中消耗小，对设备的腐蚀小。电解液可分为酸性、碱性和中性盐溶液三种。其中中性盐溶液的腐蚀小，使用时对人身比较安全，故应用最广泛。常用的有氯化钠、硝酸钠和氯酸钠三种电解液。几种常用的电解液都有一定的缺点，因此可以将它们混合成复合电解液使用，例如，硝酸钠电解液的加工精度高，但电流效率低，而氯化钠电解液加工精度低而电流效率高。故可将它们制成复合电解液，既可保持硝酸钠电解液加工精度高的特点，又能提高加工速度。

3、电解液泵的调速

电解液的流量对电解加工的影响也很大，在不同的加工情况下对电解液的流量有不同的要求。在实验中是通过调节泵的回水量来调节电解液的流量的，但是这样会造成泵的能量白白损耗。在工业应用中，可以通过调节水泵电机的转速和转矩来调节泵压力和流量，从而节约能源，降低加工成本。现在电机调节速是一种很成熟的技术，有失量控制、直接力矩控制、简单的控制等。失量控制和力矩控制动态性能高，但成本高。而简单的控制动态性能虽然不好，但稳态性能好，而且成本低。电解加工时只要求电解液的流动稳定，故可以用V/F控制（如图）。主要由不控整流器、滤波器、三相逆变器和控制电路组成。不控整流器由六个整流二极管构成，三相交流电经整流器变成有一定波动的直流电，滤波器由电容和电感组成，由于电容上的电压和电感上的电流不能突变，所以通过滤波器后直流电上的波动将会被滤除，从而变成平稳的直流电。三相逆变器将直流电变成有效值和频率都可调的三相交流电，从而驱动水泵电机。

4、电解液的过滤

电解加工时会产生不溶性的固体电解产物。如电解加工钢铁时会生成氢氧化铁，在电解液箱里会形成电解泥。这些电解泥会对泵、电解液、工具电极等造成不利的影响。如使电解液的电阻增加等，因此必须要将其滤除。在实验中使用了过滤布，而工业化进行电解机械复合切割时电解泥的产量可能会很大，用过滤布很容易堵塞，所以应采用有自清洁功能的过滤系统，如离心式过滤器等。

5、电解液的检测

在电解加工过程中，水不断地被分解成氢离子和氢氧根离子，它们分别在阴极和阳极发生电化学反应而被消耗掉，同时，电解液里的电解质也有可能发生分解，如硝酸钠就会分解生成氨气而消耗，这样会使电解液的浓度发生改变。因此应定期或在线监测电解液的浓度，如变化过大应即时调整。

总之，数控电解加工虽然在实验上已经取得了初步的成功，但数控电解机械复合切割技术在具体应用中还会遇到很多的问题，还从经济、生产效率、环境保护、节能降耗方面进行进一步研究。

参考文献：

[1]张玉峰.小模数齿轮数控慢走丝线切割加工工艺方法的研究.制造技术与机床，2008 （8）

[2]白基成，郭永丰，刘晋春.特种加工技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.

[3]魏家鹏.数控线切割技术在模具制造业中的应用与展望.现代制造，2008 （8）