電解加工技術的現狀與遠景展望
1 引言
在經歷大約二十年的低潮后，從20世紀90年代后期起，電解加工又重新煥發了生機。其研究機構及人員逐漸壯大，應用領域（尤其在航天、航空、**領域）有所擴展，研究成果及論著數量激增，工藝技術水平及設備性能均達到了一個新的高度。
2 工藝技術研究
電解加工技術的現狀與遠景展望目前，電解加工工藝技術研究涉及的方向較多，但主要集中在微秒級脈沖電流加工、微精加工、數控展成加工、陰極設計及磁場對電解加工的影響等五大領域。下面分別加以詳述。
2.1 微秒級脈沖電流加工
電解加工技術的現狀與遠景展望自20世紀70年代初起，前蘇聯、美國、日本、法國、波蘭、瑞士、西德等相繼開始了對脈沖電流電解加工的研究。在國內，多家單位相繼開展了毫秒級脈沖電流電解加工的研究并成功用于工業生產。
隨著近代功率電子技術的發展，新型快速功率電子開關元件如MOSFET、IGBT等出現，使得有可能實現微秒級脈沖電流電解加工。20世紀90年代以來，微秒級脈沖電流電解加工基礎工藝研究取得突破性進展。研究表明，此項新技術可以提高集中蝕除能力，并可實現0.05mm以下的微小間隙加工，從而可以較大幅度地提高加工精度和表面質量，型腔*高重復精度可達0.05mm[1,2,3]，*低表面粗糙度可達Ra0.40μｍ[1]，有望將電解加工提高到精密加工的水平，而且可促進加工過程穩定并簡化工藝，有利于電解加工的擴大應用。
國內外眾多研究機構利用微秒級脈沖電流開展了模具型腔及葉片型面加工、型腔拋光、電解刻字、電解磨等工藝可行性試驗以及氣門模具生產加工試驗[1，3]，研究成果進一步從工藝角度證實了上述結論。
2.2 微精加工
電解加工技術的現狀與遠景展望從原理上而言，電化學加工技術可分為兩類：一類是基于陽極溶解原理的減材技術,如電解加工、電解拋光等；另一類是基于陰極沉積原理的增材技術,如電鍍、電鑄、刷鍍等。這兩類技術有一個共同點,即材料的去除或增加過程都是以離子的形式進行的。由于金屬離子的尺寸非常微小(10-1nm級)，因此，相對于其它“微團”去除材料方式（如微細電火花、微細機械磨削），這種以“離子”方式去除材料的微去除方式使得電化學加工技術在微細制造領域、以至于納米制造領域存在著極大的研究探索空間。
從理論上講，只要精細地控制電流密度和電化學發生區域，就能實現電化學微細溶解或電化學微細沉積。微細電鑄技術是電化學微細沉積的典型實例，它已經在微細制造領域獲得重要應用。微細電鑄是LIGA技術一個重要的、不可替代的組成部分,已經涉足納米尺寸的微細制造中,激光防偽商標模版和表面粗糙度樣塊是電鑄的典型應用[5,6]。
但電化學溶解（成型）加工的雜散腐蝕及間隙中電場、流場的多變性嚴重制約了其加工精度，其加工的微細程度目前還不能與電化學沉積的微細電鑄相比。目前電化學微精成型加工還處于研究和試驗階段，其應用還局限于一些特殊的場合，如電子工業中微小零件的電化學蝕刻加工(美國IBM公司)、微米級淺槽加工(荷蘭飛利浦公司)、微型軸電解拋光(日本東京大學)已取得了很好的加工效果，精度已可達微米級[5]。微細直寫加工、微細群縫加工及微孔電液束加工，以及電解與超聲、電火花、機械等方式結合形成的復合微精工藝已顯示出良好的應用前景[9,10,11,12]。
2.3 數控展成加工
傳統的拷貝式電解加工的陰極設計制造困難,加工精度難以保證。尤其對整體葉輪上的扭曲葉片之類通道狹窄的零件表面，由于受工具陰極剛性及加工送進方式的限制，拷貝式電解加工更難以完成其加工任務。
20世紀80年代初，以簡單形狀電極加工復雜型面的柔性電解加工──數控展成電解加工的思想開始形成，它以控制軟件的編制代替復雜的成形陰極的設計、制造，以陰極相對工件的展成運動來加工出復雜型面。這種加工方法工具陰極形狀簡單，設計制造方便，應用范圍廣，具有很大的加工柔性,適用于小批量、多品種、甚至單件試制的生產中。
80年代中期，前蘇聯烏法航空學院特種加工工藝及設備研究所以過程控制為突破口，設計了一種柔性電解加工單元，應用特殊的電流脈沖波形和高選擇性的電解液，加工精度達0.02mm，表面粗糙度達Ra0.2～0.6mm。
波蘭華沙工業大學的Kozak教授于1986年率先提出了電解銑削的思想，以棒狀旋轉陰極作類似于圓柱狀側銑刀的成形運動來形成加工表面，成功地應用于直升機旋翼座架型面的加工，加工中采用NaNO3電解液，精度可達±0.01～0.02mm，表面粗糙度達Ra0.16～0.63mm。
波蘭Cracow金屬切削學院的A.Ruszaj和J.Cekaj教授利用形似球頭銑刀的工具陰極，進行了型面光整加工的試驗研究，取得了形狀誤差小于0.01mm的加工效果，從而證明了該工藝在模具的光整加工方面具有很好的應用價值。
美國、英國、俄羅斯都高度重視數控電解加工技術的研究并已得到應用，在新型航空發動機及航天火箭發動機的研制中發揮了重要作用。美國 GE公司的五軸數控電解加工，美國、俄羅斯仿形電解加工帶冠整體葉輪代表了數控電解加工整體葉輪的國際先進水平。
在國內,南京航空航天大學從20世紀80年代中期開始進行數控展成電解加工工藝技術的研究，已在電解加工設備研制、加工機理研究、控制軟件編制及工藝試驗等方面均取得了重要進展[7,8,9]。具體研究內容包括以下幾方面：
(1)設備研制：研制了五軸數控電解加工機床及配套的多軸聯動數控系統。該機床具有三個直線運動坐標軸及二個旋轉運動坐標軸，各軸均采用步進電機驅動。多軸聯動數控系統為二級數控系統,上位機為一臺通用計算機,用于數據處理及生成數控加工程序,下位機為組合在一起的五臺經濟型二軸數控單元及其驅動單元，用于驅動機床各軸運動。
(2)成形規律研究：研究了棒狀外噴式陰極、三角形截面內噴式陰極、矩形截面內噴式陰極三種狀況下展成電解加工間隙隨一些主要工藝參數變化的規律。
(3)陰極設計：針對整體葉輪結構,設計制造了不同結構的開槽陰極、型面精加工陰極,并通過工藝試驗對其結構進行不斷改進，現已設計出了新穎結構的組合式開槽陰極及矩形截面整體式型面精加工陰極,很好地解決了加工過程中易產生的陰極短路**問題。
(4)加工軟件開發：針對整體葉輪的開槽加工及型面精加工,開發了相應的數控展成電解加工軟件,具有葉片型面的數據處理、數控加工的展成運動軌跡計算及整體葉輪的三維型面幾何造型等功能。
(5)加工工藝試驗：包括直紋面、非直紋面整體葉（渦）輪及帶冠整體葉輪的展成電解加工、葉片型面電解拋光與五軸聯動電解磨削等。試驗表明,工藝過程穩定可靠,可以獲得較高的加工精度和較低的表面粗糙度。
2.4 陰極設計
電解加工技術的現狀與遠景展望目前的生產實際中，多采用迭代試驗修正法來制作陰極，這不僅浪費人力物力，而且要求操作者具備豐富的實踐經驗和很高的技術水平，同時也大大延誤了生產周期，增加了制造成本。特別是對于形狀復雜和精度要求較高的零件，陰極設計問題已成為影響電解加工應用的一個重要原因。
南京航空航天大學研究設計了陰極設計CAD/CAE/CAM系統的結構框架以及開發策略。該系統基于專家系統,結合專業技術人員和領域專家的經驗來優選工藝參數,并且采用基于自由邊界的數值算法,保證算法的收斂性[10]。
南京航空航天大學還提出了一種基于正問題數值求解模擬“試驗修整”進行陰極設計的方法。該方法將生產實際中制造陰極的過程再現于計算機上。采用有限元求解拉普拉斯方程得到加工間隙中的電位分布，通過不斷地將獲得的等位線與理想工件邊界進行比較，將得到的差值映射到陰極端用來指導陰極的修整，直到工件陽極端的差值小于所允許的值。該設計方法具有易于處理復雜邊界、收斂性好、精度高的特點[11]。
合肥工業大學也提出了應用陰極設計數據表來進行陰極設計的方法，通過合理設計工藝試驗，獲取了特征部位的加工間隙偏差值，據此計算出各特征部位對應陰極處的附加修正量。在此基礎上，建立五種陰極設計數據表，為陰極設計提供了豐富的修正數據。在此基礎上，可望建立陰極設計數據庫[12]，。
2.5磁場提高電解加工精度的研究
這項技術早期研究較多的是磁場對電解磨削、電解拋光的影響。近年來，國內開展了電解成型加工疊加磁場的研究。
西北工業大學的研究發現當加工對象是鈦合金或者是在NaCl電解液中加工45鋼時，磁場可以顯著減少雜散腐蝕，提高加工精度，而在NaNO3電解液中加工45鋼則效果甚微[13]。
西安工業學院進行了磁場影響電場的仿真試驗及在電解加工裝置上疊加磁場的加工工藝試驗。試驗表明，電解加工過程中疊加磁場會改變原有電場分布，進而改變間隙流場的分布，從而有利于解決以往電解加工過程中的雜散腐蝕現象，提高電解加工的質量。只有在疊加磁場方向垂直于電場方向且N 極指向電場疊加磁場時,對電場均布有較明顯的作用。[14]此外，采取切割流線的方向疊加磁場，洛侖茲力的作用有利于成股的束流展開；磁場可以減小電解液的粘度，改善其流動性能，有利于及時排走電解產物和熱量，改善加工條件，提高加工穩定性[15]。
除了上述五大研究方向之外，帶冠整體葉輪加工、周期循環電解加工、數控銑床電解加工、脈沖電解加工間隙測控方法、基于BP神經網絡的電解加工精度預測模型、電解加工中管理系統的開發……等工藝技術的研究均有所**或突破。
3 設備研發
電解加工是一種制造技術，常要求設備研發在工藝技術之前。甚至可以說，許多工藝技術必須建立在先有硬件的基礎之上（如微秒級脈沖電流加工、振動進給加工等）。
電解加工的設備主要包括機床、電源和電解液系統三個主要實體以及相應的控制系統。
3.1 機床
早期的電解加工機床，其控制系統多為采用分離元件的繼電系統或簡易數控系統，其故障率高，穩定性差，使用壽命短，且控制柔性較差，自動化程度低。因而，這兩類系統近年來逐漸被PLC控制系統和計算機控制系統所替代。
3.1.1英國進口高精密葉片加工成套設備
從英國Amchem公司進口的成套設備代表了目前國際上*高水準。該設備擁有一個包括產品數據處理、模型生成與轉換、加工數據、測量數據以及它們之間交互的集成系統。它借助于圖形工作平臺、NC加工設備和三坐標測量機可高效地設計出合格陰極工裝來滿足精密電解加工葉片的需要，與加工葉片的精密數控電解機床構成一個閉環系統。
設備按如下程序運行：在基于UG下的CAD/CAM工作平臺上，通過網絡或其它介質輸入葉片產品數據，建立產品數字主模型。隨后，該系統CAD/CAM數據在經運算和處理后將生成葉片加工陰極工裝的NC代碼和測量陰極工裝與葉片產品的測量特征點參數，并分別發送給數控銑床和三坐標測量機(CMM)。三坐標測量機按要求對陰極工裝和葉片產品進行測量。陰極工裝測量不合格的要返修；葉片產品型面參數測量不合格時，要檢測陰極工裝的型面，必要時更換工裝設計或返修；葉片產品位置及尺寸參數測量不合格時，要調整工裝和電解加工工藝參數。測量結果可在計算機上進行評估和分析，評估結果能以數字報表形式由打印機輸出，分析結果能以圖形放大形式由繪圖機輸出[16]。
該設備能從鍛件毛坯一次性電解加工出滿足葉片設計圖*終尺寸和表面質量要求的合格產品，加工效率高，而且可三件同時加工。
3.1.2國產PLC數控電解加工機床
近年開發的電解加工機床，普遍采用了PLC控制系統。
可編程控制器(PLC)集數據處理、程序控制、參數調節等功能于一體，它靈活通用、易于編程、使用方便、可靠性高，可以在電解加工等工業控制現場的惡劣環境中可靠地工作，平均無故障時間高達5萬～10萬小時以上。而觸摸屏技術是近幾年新興的一種多媒體技術，它具有簡單易學、操作方便，穩定性好等特點，日益得到人們的關注和青睞。
合肥工業大學自主開發的DJK3150型數控電解加工機床，采用PLC和觸摸屏技術，其控制性能明顯優于普通電解加工機床，具有自動對刀、自動加工、自動分度、故障自動處理、定時加工、變速加工和適應控制等先進功能，同時也顯著提高了電解加工機床的可靠性和穩定性。該機床已在工業企業穩定用于生產[17]。
北京首都航天機械公司與四通公司合作，也開發了PLC控制系統。該系統采用步進電機驅動，直線光柵反饋，具有高運動精度。
3.1.3可重構電解加工機床研究
常規的電解加工機床是根據用戶具體需求單機生產,機床研制周期長、設計重復、成本高。為此,南京航空航天大學提出采用開放式控制系統、模塊化思想開發可重構電解機床,將機床本體分解成運動軸模塊和機床臺面兩大部分,各運動軸模塊配置相應的控制模塊,控制模塊通過總線連接成為整體。控制模塊都是智能化模塊,內部包含模塊類型、功能信息。這些模塊加入到系統時,可直接與PC機進行通信。PC機探測到有新模塊時,根據加工對象、加工精度、加工批量等要求,可構建成單軸、雙軸或三軸電解加工機床,這種體系結構的主要特點是CNC硬件平臺獨立于機床控制單元,各模塊通過CAN總線傳遞信息,極大地簡化了數控系統硬件平臺和連線,借助于網絡的柔性控制體系結構和開放的數據交換可經濟、高效地實現可重構的數控機床[18]。
臺灣元智大學與合肥工業大學也合作開展了可重構電解加工機床研究，并已制造出小型樣機。
3.2 電源
3.2.1毫秒級脈沖電源
由于制造成本與直流電源相差無幾，近年開發的機床基本上配置了毫秒級脈沖與直流兩用電源。舊設備改造時，除了針對特定產品的專用設備以外，也大多更換為脈沖電源。
3.2.2微秒級脈沖電源
90年代由華南理工大學和英國愛丁堡大學合作研制MOSFET脈沖電源,已開發了1000A、2000A的工程化樣機，主要性能指標如下[3]:
額定峰值電流: 1000Ａ（2000A）；
額定電壓: 24Ｖ(直流)，20Ｖ(脈沖峰值)；
*高脈沖頻率: 100Hz～20KHz，連續可調；
脈沖寬度: 25μｓ～5ms，連續可調；
短路保護關斷時間: 10μｓ
該電源解決了大電流快速換流所引發和派生的諸多技術難題，如：矩形波波形畸變，功率開關器件的過壓擊穿、過熱燒損，快速短路保護等，有望用于實際生產。
此外，多家研究機構還開發了不同類型的小功率微秒級脈沖電源，主要用于電化學拋光、微細加工等領域。
3.2.3 高頻群脈沖電源
北京理工大學和合肥工業大學相繼開展了高頻群脈沖電源的研究。該電源可用于微細電解加工。
群脈沖是經過主脈沖(高頻)和調制脈沖(低頻)相乘獲得的特殊脈沖信號。高頻群脈沖電源既能單獨控制每一個脈沖的寬度，也可以控制一組內脈沖的個數，因而輸出脈沖的波形靈活多變，特別適合于微細加工[19]。
3.2.4 雙向脈沖電源
為了保持陰極工作表面的幾何尺寸及物化性能的穩定，須利用雙向脈沖電源的負半周電流來去除陰極表面的沉積。
該類電源尤其適合用于深小孔的加工。
4 展望
近階段，電解加工的研究重點及應用領域會主要集中在以下幾個方向：
⑴微秒級脈沖電解加工工藝規律及擴大應用的研究。
脈沖參數（脈沖寬度及占空比）對加工效果的影響；流場的影響，沖液加工的可行性及相應的參數選擇；在不同領域的應用及相應的參數選擇。
⑵微秒級脈沖電源的進一步研發。
脈沖電源的工程化完善；脈沖參數在較大范圍內可調，脈沖寬度更小、功率更大的脈沖電源的研制。
⑶電化學微細加工的研究
電化學加工技術具有優良的加工機理，具有在微精甚至在納米加工領域進一步研究探索的空間，但必須在自身工藝規律認識和完善的基礎上不斷**，才能在微精加工及MEMS制造領域有所作為。具體應關注以下幾點：
①注重工藝復合化，實現與其它精密微精加工技術的優勢互補。
②實現加工過程自動檢測與控制，實時補償加工參數變化對加工精度的影響，從而有效控制加工精度；
③以平面工藝為基礎，完善設備、電極制作及加工工藝，達到可加工各種復雜三維微結構的目標；
④開發微進給系統及微控工作臺。
⑤ 微細加工電解液的研究。
⑷數控電解加工工藝的完善、設備的改進、以及穩定工程應用的研究。
在航空、航天發動機整體構件、如整體葉盤、整體渦輪、整體機匣的加工中，作為數控銑削、精密鑄造方法的必要補充，數控電解顯示了極大的優越性[20]。應進行相關工藝及設備的研究，力求將數控電解在發動機研制和生產中得到穩定應用。
⑸電解加工機床（包括其控制系統）及電解液系統性能的進一步改善。
精密加工、微細加工等新技術對電解加工設備提出了更高的要求，如：機床的高定位精度及低速進給的穩定性、電解液系統的高清潔度及參數的穩定等，這些都需要引起足夠重視。
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電解加工技術的現狀與遠景展望
作者簡介：陳遠龍，男，1964年10月出生，合肥工業大學特種加工研究所所長，副研究員，博士。主要從事特種加工工藝及設備方面的研究開發工作。
本文由:線切割,電火花機床,中走絲線切割機床,穿孔機,電火花成型機生產廠家蘇州中航長風引用發布: