關(guān)于ECM工藝中對(duì)金屬切削厚度的控制方法埃及舍賓El-Kom，姆努菲亞大學(xué)生產(chǎn)工藝與機(jī)械設(shè)計(jì)系，海沃迪碩士于2001年4月18日接收；2002年3月6日修正；2003年8月6日收錄。摘要電化學(xué)加工（ECM）的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于對(duì)硬加工部件的處理更加精確且能使其表面保持高度完整性。新的技術(shù)采用一種可同時(shí)做推移與旋轉(zhuǎn)的電極，來定量切削經(jīng)預(yù)加工過的硬化鋼孔與鋼條樣本。其中的一支電極可同時(shí)控制兩種運(yùn)動(dòng)速度，即：推移速度與旋轉(zhuǎn)速度。精細(xì)的孔陣分布于電極的一個(gè)單面上，能把電解質(zhì)灌入刀具與工件之間的空隙里。已有人提議為精確估算不同工作條件下工件層的厚度建立數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明這項(xiàng)技術(shù)可以將表層切削厚度精確到200m，因此人們把此方法歸結(jié)為超級(jí)加工工藝。最后，實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)果相得益彰。得出的結(jié)論對(duì)增強(qiáng)ECM工藝的可控制性大有裨益。2004愛思唯爾B.V.,版權(quán)所有。關(guān)鍵字：電化學(xué)加工；工孔加工；電解質(zhì)；成形預(yù)期；表面完整性1.引言電化學(xué)加工技術(shù)（ECM）在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用日漸增多，這主要得益于它能夠?qū)Ω哂捕鹊牟牧线M(jìn)行復(fù)雜的成形處理1。高硬度材料的表面加工存在很多問題，首當(dāng)其沖的是部件的精確度與表面完整性。當(dāng)前，ECM工藝被視為一項(xiàng)獨(dú)特的方案，它使得放電加工工藝后的工件表面處理具備更精細(xì)的準(zhǔn)確度與高度的表面完整性24。另一方面，預(yù)加工成形的ECM工藝處理能力似乎還沒有完全成熟，電極間隙里的電解質(zhì)供給與分配仍有難題待解5,6。各種的研究報(bào)告里對(duì)工孔的電化學(xué)加工都有研究711。刀具外形的改進(jìn)7，刀具的旋轉(zhuǎn)方式8,9，電化學(xué)搪磨方法10是用來改善電解質(zhì)分配的主要技術(shù)。有報(bào)告指出，在ECM工藝中電解質(zhì)的壓強(qiáng)下降通常與這些方法的使用有關(guān)聯(lián)。另外，電解質(zhì)導(dǎo)電性發(fā)生變化與其在刀具與工件間隙間的流通性有關(guān)12。這導(dǎo)致加工精度的可控性下降。有時(shí)，會(huì)導(dǎo)致表層質(zhì)量變差。人們也已注意到，在電解質(zhì)灌入與抽離的部位，工件加工后的表面平整度存在偏差。目前，已有人建議采用帶有可同時(shí)推移與旋轉(zhuǎn)的ECM工藝來切削鋼孔或鋼棒表面。沿其中的一支電極表面分布有精細(xì)的孔陣，能把電解質(zhì)灌入工具與軋件之間的空隙里，如圖1所示。圖1ECM工藝的鋼孔和鋼條處2理論模型為了實(shí)現(xiàn)ECM工藝的精確成型，考慮每個(gè)刀具元素長(zhǎng)度的影響后，可計(jì)算得出工件表面的連續(xù)切削厚度。由圖1可知，刀具與工件在單側(cè)邊的幾何間距為Ysi。在ECM過程中，側(cè)邊間距初值將根據(jù)電極（刀具）的前移進(jìn)度增加。每個(gè)刀具電極元素（b）都會(huì)使工件半徑值產(chǎn)生一個(gè)增量siY。取決于工件長(zhǎng)度（B）與ECM工藝的其他工作條件，工件的直徑（Dwi）由以下關(guān)系式確定：2witsiDDY（1）其中，tD是刀具直徑。電解質(zhì)面積（A）由以下等式計(jì)算出：224witADD（2）電解質(zhì)周轉(zhuǎn)速率（Vsi）可由下式得出：siiQVA（3）其中，Q是電解質(zhì)流動(dòng)速率（mm3/min）。電解質(zhì)周轉(zhuǎn)率因其流動(dòng)橫截面積的不同而不同。沿側(cè)邊間隙切削的金屬厚度可由以下得出13：sisiYZJt（4）其中，Z是有效金屬切割率（Amm3/min），由如下公式得出：ZFw（5）其中，是化學(xué)當(dāng)量，W是工件密度（g/cm3），F(xiàn)是法拉第常量。當(dāng)初始側(cè)邊間距為Ysi，工件表面Jsi處電流密度的理想值通常為13：isisiKJVVY（6）其中，Ki為電解質(zhì)的導(dǎo)電率，Ysi為側(cè)邊間距，V為外加電壓，V是過壓值10。連續(xù)加工時(shí)間區(qū)間（t）可由刀具著落時(shí)間區(qū)間（b）和進(jìn)給率（f），根據(jù)以下等式估算：btf（7）刀具元素長(zhǎng)度b終點(diǎn)處的側(cè)邊間距寬度可以表達(dá)為：1sisisiYYY（8）其中，siY是在側(cè)邊距為Ysi時(shí)，刀具元素長(zhǎng)度b內(nèi)的金屬切削厚度。此二相介質(zhì)的導(dǎo)電率Ki可由以下確定10：011niKK（9）其中，K0是在槽罐內(nèi)的電解質(zhì)導(dǎo)電率，是在T0時(shí)的電解質(zhì)導(dǎo)電率的溫度系數(shù)，是每個(gè)電極區(qū)間的溫升，是氫的空泡系數(shù)，以及可由上文提到過的等式（10）和（11）得出。刀具組件長(zhǎng)度的溫升可由以下等式（10）表示：22iisisieebKVVVYc氫的空泡系數(shù)由以下等式得出10：*1iiiiiAXAX（11）其中，*asiiesisibJXVY（12）gigiPR（13）egigiaA（14）gelVV（15）其中，gi在每個(gè)區(qū)間內(nèi)的氫密度（g/mm3），Rg是氣體常量，i是每個(gè)區(qū)間內(nèi)的溫度（0C），e是電解質(zhì)密度（g/mm3），g是氣體的電化學(xué)當(dāng)量，b是電解質(zhì)流動(dòng)方向上的距離（mm），P是電解質(zhì)壓強(qiáng)（Mpa）。導(dǎo)致溫升的主要因素是焦耳熱10。然而，此操作中的溫升不高，是因?yàn)榇诉^程為處理工藝而非成型工藝。目前操作的初步測(cè)試表明電解質(zhì)溫度的變化不超過10C。這是由于電解質(zhì)的流動(dòng)循環(huán)以及刀具的快速進(jìn)給率。因此，假定導(dǎo)電率恒定是合理的7。Ki=K0（16）在等式（4）中代入等式（5）-（7），可重寫等式為:0siwsiKbYVVFfY（17）在等式（10）中代入等式（17），得出：01sisiwsiKbYYVVFfY（18）最終的側(cè)邊空隙間距可由以下估算得出：02IjfsiiwsiKbYYVVFfY（19）根據(jù)以上的等式，每個(gè)刀具元素（b）以不同的側(cè)邊間隙長(zhǎng)度（Ysi）進(jìn)入電極間的空隙，每個(gè)刀具元素在工件表面上會(huì)產(chǎn)生互不相等的、特定的金屬切削厚度（dg）。最終的工件直徑將是所有不同金屬切削厚度與工孔的直徑初始值之和。對(duì)于鋼材質(zhì)，當(dāng)K0=0.021mm1，外加電壓為V=20V，V=2.3V14，進(jìn)給率f=20mm/min，且初始側(cè)邊間距（Ysi）=0.5mm，等式（19）等于：20.50.04IjfisibYY（20）以上等式的第二項(xiàng)表示對(duì)金屬切削厚度最終值的求和。對(duì)于路德級(jí)別上的ECM加工工藝，用同樣的方法，幾乎無需改動(dòng)，鋼條（陽極）直徑（Dtf）最終精確值即可估算：2tftjDDdg（21）其中，Dtf是鋼條直徑的初始值，dg是最終的金屬切削厚度，可由以下表達(dá)式給出：圖2金屬切削厚度計(jì)算圖3不同進(jìn)給率下，外加電壓對(duì)dg的影響0wsiKLdgVVFfY（22）其中，L是陰極區(qū)間值。以上等式是從主徑向間隙架構(gòu)中簡(jiǎn)化而來。這些等式是基于平行平面間隙架構(gòu)的，其合理性在類似的案例中已得到證明。對(duì)于用ECM處理的工孔加工工藝，人們提出一種計(jì)算機(jī)模型，用以對(duì)