技术领域
[0001] 本
发明涉及一种超声调制微细电化学加工实验装置，属于复合精密、微细特种加工技术领域。
背景技术
[0002] 难加工材料(如
电子陶瓷、高温
合金、硬质合金等)、复杂异形面(如：三维曲面、异型孔槽等)零部件的制造已成为现代制造科学的研究热点，其核心问题在于如何解决精密、
微细加工难题。
[0003] 在精密微细特种加工技术领域，电化学加工以“分子”级单位去除加工，具有微精加工的机理优势，存在实行微细加工甚至
纳米级加工的可行性。其中，基于电化学
阳极溶解的
电解加工由于大
电流时的杂散
腐蚀作用、
精度较难控制、而微电流电解由于
钝化作用，加工过程难以持续。采用高频、窄脉冲微细电解可消除钝化，实现小间隙微精加工。目前有选用高频窄脉冲电源，将超声与电解复合用于大电流
密度下的高速大去除量加工，提高了加工的效率。然而微小间隙过程变化复杂，若无精密微位移进给系统和及时去除加工杂质的电解液系统，电解加工过程随时可能发生
短路，这无疑将造成工具、
工件烧伤报废，影响到加工过程的安全持续运行。
[0004] 在超声复合电解加工实践中，因
电极与加工工件间存在复杂多变的物理、化学过程，加工深度越深，加工过程的
稳定性越难以持续保持，如没有完善的超声辅助系统、电解加工系统、伺服进给系统、电解液系统、短路保护系统，就不能对加工过程进行及时有效的在线参数的调节与控制，加工过程将不稳定，同时加工效率、精度均将下降。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种超声调制微细电化学加工实验装置，解决上述问题中加工深度不可实时准确调节控制的
缺陷，解决随着加工深度增大，加工过程中出现的稳定性低、加工效率低、加工精度下降的缺陷，通过本发明可准确检测加工区的间隙大小，实现工件的恒速进给加工，工作液的循环更新有效排除加工产物，利用超声辅助电解加工以提高加工效率，增加短路保护装置以提高加工安全度，本发明在提高工件加工效率与加工稳定性同时，可有效提高加工精度、提高加工表面
质量。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：超声调制微细电化学加工实验装置，其特征是，包括超声振动系统、电解加工系统、同步斩波系统、伺服进给系统、短路保护系统、电解液循环系统、在线参数调节系统、PLC装置；
[0007] 所述超声振动系统包括超声电源、压电式换能器、压电陶瓷片、变幅杆、
工具电极；所述电解加工系统包括数字存储示波器、脉冲电源、限流
电阻、电流
传感器、
电压传感器、加工工件；所述同步斩波系统包括同步斩波器、激光微位移传感器、超声振动测量基准片；
[0008] 所述伺服进给系统包括Z进给机构、X进给机构、Y进给机构、
电机驱动器、升降台、
工作台、位移传感器，所述Z进给机构包括
伺服电机、减速器、滚珠
丝杠；所述短路保护系统设有电磁
阀开关；
[0009] 所述电解液循环系统包括
温度传感器、电导率传感器、纯净
水、
电解质、储液槽、出液管、进液管；所述在线参数调节系统设有控制计算机；
[0010] 所述超声振动系统中，压电式换能器与超声电源连接，变幅杆一端与压电陶瓷片连接，另一端连接工具电极，超声电源产生连续可调的超声频交变电
信号，经过压电式换能器、压电陶瓷片和变幅杆转换放大后传递至工具电极，工具电极的端面产生同频超声频机械振动，并作用于加工工件，加工工件置于设有电解液的工作台内；
[0011] 所述电解加工系统中，限流电阻
串联在电解加工系统中，可调节单个脉冲放电
能量，其分别连接变幅杆与脉冲电源；所述脉冲电源还分别连接数字存储示波器、电流传感器，电流传感器也连接于数字存储示波器，并将电解加工系统中的电流信号转换为电压信号，由数字存储示波器进行显示、测量、存储，用数字存储示波器的两个通道，可观测超声振动
位置与电源加电电压的同步精度与变化情况；数字存储示波器与控制计算机连接，数字存储示波器的
电信号可由串行口传送到控制计算机中显示、处理；电压传感器一端连接PLC装置，另一端连接工具电极与加工工件，可测得电解加工时的极间电压值；
[0012] 所述同步斩波系统中，激光微位移传感器位于超声振动测量基准片上方，并与同步斩波器连接，对工具电极位置进行动态快速测量，将其转换为包含超声振动
频率、
相位、幅值信息的电信号传送给同步斩波器；同步斩波器产生关闭与开通的斩波信号，控制所述电解加工系统的开通与关断，使电解加电与所述工具电极的超声频振动实现同频、同步，提高电解加工工件的效率；
[0013] 所述伺服进给系统中，还包括
支撑架、装置底座，X进给机构固定于Y进给机构，Y进给机构固定于装置底座，支撑架置于工作台下方，并固定于X进给机构上；Z进给机构的伺服电机安装于支撑架内，与减速器配套使用，伺服电机由电机驱动器驱动运行，电机驱动器连接于PLC装置；所述升降台、滚珠丝杠均置于支撑架的内部空腔，滚珠丝杠穿过升降台中部与伺服电机连接，并在伺服电机的驱动下，带动升降台上下移动；所述工作台正下方设有工作台底座，工作台底座插入支撑架的内部空腔，并置于升降台上方，升降台上下移动，带动工作台作Z向进给移动，工作台下方设置有可实现检测升降距离变化的位移传感器，该位移传感器连接于PLC装置；
[0014] 所述短路保护系统中，
电磁阀开关分别连接电流传感器、同步斩波器，且电磁阀开关与电流传感器一并连接于PLC装置，一旦电流传感器检测到电解短路信号，PLC装置通过电磁阀开关使所述电解加工系统断电，防止因短路对工具电极或加工工件的损坏，起到了短路保护的作用；
[0015] 所述电解液循环系统中，温度传感器与电导率传感器用于检测工作台内电解液的温度与分析电解液的电解质的成分对比，且两传感器均连接于PLC装置，纯净水与电解质的容器下分别设有纯净
水电磁阀开关、电解质电磁阀开关；工作台与储液槽通过出液管与进液管连接，出液管上设有出液管电磁阀开关，进液管上设有
离心泵与
过滤器，
离心泵由泵用
电动机控制，泵用电动机、纯净水电磁阀开关、电解质电磁阀开关、出液管电磁阀开关均连接于PLC装置，进液管与出液管的端口分布于储液槽内两端，两端口之间设有过滤网，有效过滤掉电解加工排除的颗粒杂物；
[0016] 所述在线参数调节系统中，控制计算机连接超声电源、数字存储示波器、激光微位移传感器、PLC装置，控制计算机通过实时采集实验加工过程数据，对加工过程进行实时参数数据的调节，进而控制超声振动系统、电解加工系统、同步斩波系统、伺服进给系统、短路保护系统、电解液循环系统，通过对整个实验系统实时在线参数配置，实现对实验系统的控制调节。
[0017] 优选的，所述工作台底座底端外壁与支撑架的空腔内壁间隙配合，工作台底座的底端面与升降台之间设有
橡胶垫圈，以避免冲击
力造成相互的损坏。
[0018] 进一步优选的，所述电磁阀开关为
常闭开关，灵敏度高，起到短路快速切断作用。
[0019] 进一步优选的，所述离心泵优选多级离心泵，密封和防腐较好，所以使用周期较长。
[0020] 进一步优选的，所述工作台与储液槽选用防腐蚀强的
花岗岩或耐蚀
水泥制作。
[0021] 进一步优选的，所述过滤网采用筛孔尺寸为Φ0.07-0.15mm的尼龙丝网。
[0022] 进一步优选的，所述电解质优选
硝酸钠，电解液选用质量分数为5％的硝酸钠水溶液，其中均参入
碳化
硼W10微粉。
[0023] 进一步优选的，所述支撑架中电机为伺服电机进给精度高，承载能力强，相应速度快，不丢步。
[0024] 进一步优选的，升降台的
导轨为滚珠丝杠，保证了高的传动灵敏度，使低速进给时不发生爬行现象。所述升降台配合于所述支撑架内导轨(滚珠丝杠)，只留Z方向一个
自由度，位移大小也受到限制。
[0025] 加工过程参数采集，影响超声调制微细电化学加工实验系统加工效果的主要影响因素：超声振动参数(振幅A、频率f、功率W)、电解加工参数(极间电压U、极间电流I、脉冲频率fv、脉冲占空比D)、电解液参数(电流效率η、温度℃、电导率σ)、伺服进给参数(加工间隙△、进给速度υ)、加工工件参数(电化学当量ω)、工艺指标参数(加工时间t、加工精度δ、表面粗糙度Ra)。
[0026] 对于振幅A和频率f，其值同超声电源与变幅杆形状有关，利用激光微位移传感器采集变幅杆下端面的超声振动测量基准片的振动
波形，通过控制计算机处理得到超声振幅和超声频率；超声振动功率W测量可有电流传感器获取超声电源的功率信号来表征；极间电压U的测量，即测电解液的欧姆电压降UR值，将电压传感器连接到工具电极和加工工件来测得极间电压；极间电流I的测量，使用连接在电解加工回路中的电流传感器测得极间实时加工电流；脉冲频率fv由超声斩波系统采集超声振动频率f，经过同步斩波器后实现与超声频振动的同频、同步，同时调节同步斩波器可获得所需的脉冲占空比D；对于电流效率η，与电解液的选取有关以及极间电流I的值有关；对于温度℃，其测量选用
热电偶温度传感器对工作台中的电解液温度实时检测；对于电导率σ，通过PLC装置控制电磁阀开关定量制作所需要的质量分数的电解液，电解液的电导率通过电导率传感器对工作台电解液进行实时检测；对于加工间隙△和进给速度υ，可根据蚀除速度要求控制伺服电机带动工作台的升降实现改变，可通过设置于工作台下方的位移传感器对工作台位移实时检测实现间隙的测量，经
软件转换得出进给速度；对于电化学当量ω，与加工工件材料有关，可由元素含量的比例折算出或由实验确定。
[0027] 超声振动系统在电解加工中起到辅助作用，能有效提高电解加工效率，工具电极:所需振幅一般在0.01-0.1mm。通过对工具电极位置进行动态快速测量，同步斩波器产生关闭与开通的斩波信号，控制所述电解加工系统的开通与关断，使电解加电与所述工具电极的超声频振动实现同频、同步，提高电解加工工件的效率。在实际电解加工中，工件进给速度的大小往往影响到加工间隙的大小，即影响着工件尺寸和加工精度δ。其电解加工规律如下：
[0028] 电解加工系统中，在电解加工开始时，加工工件与工具电极起始间隙为Δ0，通电后，加工间隙 逐渐增大，由关系式知，工件蚀除速度 将逐渐减小，为保证电解加工持续进行，伺服进给系统带动加工工件以恒定速度υc向工具电极进给，则加工间隙逐渐减小。随着时间推移，当工件蚀除速度υa达到工件进给速度υc，即两者达到动态平衡υa＝υc时，加工间隙端面平衡间隙 在电解达到平衡状态时，电解液参数、工件材料、电压均保持不变，即ηωσUR＝C(常数)，则工件蚀除速度 由此说明，电极间隙愈小工件蚀除速度愈大，但间隙过小将引起火花放电或者电解产物的排泄不畅，反而降低蚀除速度或已被脏污堵死而引起短路。
[0029] 起始间隙Δ0一般与端面平衡间隙Δb差距很大，为了减少过渡时间，加工开始前，通过控制伺服电机带动加工工件迅速以上移动，尽量减少起始加工间隙。
[0030] 在电解加工过程中，加工区电流为 若电流传感器检测到异常大电流时，PLC装置将迅速动作，控制电磁阀开关开路使电解加工系统断电保护工具电极和加工工件不被烧毁。
[0031] 本发明的有益效果：
[0032] 该超声调制微细电化学加工实验装置，将微细电解加工与超声频振动同频、同步，通过超声频振动作用消除电解钝化膜，促进加工产物的排除与工作液的更新，有效改善加工间隙，提高加工效率；本发明工作台由伺服电机带动进给，实现恒参数控制，加工间隙可实时检测，加工速度可调节控制，保持了加工过程的稳定，实现系统参数的实时优化、高精度和高效率的加工目标；电解极间电流被实时检测，短路一旦发生，能及时切断电解加工回路的电流，有效保护了工具与工件，实现短路保护功能，实现工件的可持续加工；本发明的电解液系统电解液有足够的流动速度，电解液循环流动更新，可冲走氢气、带走加工区的大量热量，过滤掉金属氢
氧化物等电解产物，同时，电解液的配置可根据实验要求实时调节控制。
[0033] 本发明将超声辅助、伺服进给、短路保护、恒参数控制、在线参数调节功能结合于一体，实现微细电化学实验系统参数的可实时在线配置调节，保证了加工过程的安全稳定，实现了系统化、智能化、高精度和高效率的加工目标，可以解决复合精密、微细特种加工技术领域的一系列问题，具有很广泛的市场应用。
附图说明
[0034] 图1为超声调制微细电化学加工实验装置的结构示意图；
[0035] 图中：1、控制计算机；2、超声电源；3、数字存储示波器；4、脉冲电源；5、限流电阻；6、电流传感器；7、电磁阀开关；8、同步斩波器；9、压电式换能器；10、压电陶瓷片；11、变幅杆；12、激光微位移传感器；13、工具电极；14、超声振动测量基准片；15、工作台；16、加工工件；17、工作台底座；18、支撑架；19、位移传感器；20、橡胶垫圈；21、滚珠丝杠；22、升降台；
23、伺服电机；24、X进给机构；25、Y进给机构；26、装置底座；27、电压传感器；28、温度传感器；29、电导率传感器；30、PLC装置；31、电机驱动器；32、纯净水；33、电解质；34、纯净水电磁阀开关；35、电解质电磁阀开关；36、出液管电磁阀开关；37、储液槽；38、过滤网；39、出液管；
40、进液管；41、过滤器；42、离心泵；43、泵用电动机。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图和
实施例对本发明进行详细的描述。
[0037] 本发明的超声调制微细电化学加工实验装置示意图如图1所示，包括超声振动系统、电解加工系统、同步斩波系统、伺服进给系统、短路保护系统、电解液循环系统、在线参数调节系统。
[0038] 其中，超声振动系统包括超声电源2、压电式换能器9、压电陶瓷片10、变幅杆11、工具电极13；电解加工系统包括数字存储示波器3、脉冲电源4、限流电阻5、电流传感器6、电压传感器27、加工工件16；同步斩波系统包括同步斩波器8、激光微位移传感器12、超声振动测量基准片14；伺服进给系统包括Z进给机构(包括伺服电机23、减速器、滚珠丝杠21)、电机驱动器31、升降台22、工作台15、位移传感器19；短路保护系统有电流传感器6、电磁阀开关7、PLC装置30构成；电解液循环系统包括温度传感器28、电导率传感器29、PLC装置30、纯净水32、电解质33、纯净水电磁阀开关34、电解质电磁阀开关35、出液管电磁阀开关36、储液槽
37、过滤网38、出液管39、进液管40、过滤器41、离心泵42、泵用电动机43以及工作台15；在线参数调节系统设有控制计算机1，可控制电解加工系统、同步斩波系统、超声振动系统。
[0039] 超声振动系统，压电式换能器9与超声电源2连接，变幅杆11一端与压电陶瓷片10连接，另一端连接工具电极13。超声电源2产生连续可调的超声频交变电信号，经过所述压电式换能器9、压电陶瓷片10和变幅杆11转换放大后连接工具电极13，工具电极13端面产生同频超声频机械振动，并作用于加工工件16，加工工件置于设有电解液的工作台15内。
[0040] 电解加工系统，脉冲电源4作为电解加工系统的供电电源，限流电阻5串联在电解加工系统中，可调节单个脉冲放
电能量，限流电阻分别连接变幅杆与脉冲电源。脉冲电源4连接于数字存储示波器3、电流传感器6，电流传感器6也连接于数字存储示波器3，将电解加工系统中的电流信号转换为电压信号，由数字存储示波器3进行显示、测量、存储，用数字存储示波器3的两个通道，可观测超声振动位置与电源加电电压的同步精度与变化情况。数字存储示波器3的电信号可由串行口传送到所述控制计算机1中显示、处理，电压传感器27连接工具电极13与加工工件16，可测得电解加工时的极间电压值。
[0041] 同步斩波系统，激光微位移传感器12位于超声振动测量基准片14上方，
对电极工具13位置进行动态快速测量，并将其转换为包含超声振动频率、相位、幅值信息的电信号传送给同步斩波器8，同步斩波器8产生关闭与开通的斩波信号，控制所述电解加工系统的开通与关断，使电解加电与所述工具电极13的超声频振动实现同频、同步，提高电解加工工件16的效率。
[0042] 伺服进给系统，还设有支撑架18、装置底座26，X进给机构24固定于Y进给机构25，Y进给机构固定于装置底座，支撑架置于工作台下方，并固定于X进给机构24上。Z进给机构的伺服电机23安装于支撑架内，与减速器配套使用，伺服电机23由电机驱动器31驱动运行，电机驱动器31连接于PLC装置30。
[0043] 支撑架18内(内部空腔)还设有与伺服电机23连接的滚珠丝杠21，升降台也置于该空腔内，滚珠丝杠21可带动升降台22上下移动，升降台22配合于支撑架18内导轨(即滚珠丝杠21)，只留Z方向一个自由度，位移大小也受到限制。工作台15置于工作台底座17正上方，工作台底座17升入支撑架内部空腔，并置于升降台上方，可在升降台22的作用下作进给移动(Z向)，X进给机构24、Y进给机构25可控制工作台的在X向、Y向的进给移动。工作台底座17底端外壁与支撑架18内壁间隙配合，工作台底座17底端面与升降台22之间设有橡胶垫圈20，以避免冲击力造成相互的损坏。
[0044] 短路保护系统，电磁阀开关7设置于所述电解加工系统线路上，分别连接电流传感器6、同步斩波器8，并其与电流传感器6一并连接到PLC装置30上，一旦电流传感器6检测到电解短路信号，PLC装置30就会通过电磁阀开关7使所述电解加工系统断电，防止因短路对所述工具电极13或加工工件16的损坏，起到了短路保护的作用。
[0045] 电解液循环系统，温度传感器28与电导率传感器29用于检测工作台15内电解液的温度与分析电解液的电解质的成分对比，纯净水32与电解质33容器下均设有电磁阀开关(34、35)，工作台15与储液槽37通过出液管39与进液管40连接，出液管39上设有出液管电磁阀开关36，进液管40上设有离心泵42与过滤器41，离心泵42由泵用电动机43控制，泵用电动机43与以上所有电磁阀开关(34、35、36)均连接于PLC装置30，可根据实验需要，实时制作所要求的电解液，进液管40与出液管39的端口分布于储液槽37的两端，中间设有过滤网38，有效过滤掉电解加工排除的颗粒杂物；
[0046] 在线参数调节系统，控制计算机1连接超声电源2、数字存储示波器3、激光微位移传感器12、PLC装置30，控制计算机1通过实时采集实验加工过程数据，可对加工过程进行实时参数数据的调节，进而控制所述超声振动系统、所述电解加工系统、所述同步斩波系统、所述伺服进给系统、所述短路保护系统、所述电解液循环系统，通过对整个实验系统实时在线参数配置，实现对实验系统的控制调节，增加了电解加工的稳定性，提高了加工精度与效率。
[0047] 支撑架18中电机为伺服电机23进给精度高，承载能力强，相应速度快，不丢步。升降台22的导轨为滚珠丝杠21，保证了高的传动灵敏度，使低速进给时不发生爬行现象。
[0048] 电解加工系统中电磁阀开关7为常闭开关，灵敏度高，起到短路快速切断作用。电解液离心泵42，优选多级离心泵，密封和防腐较好，所以使用周期较长。工作台15与储液槽37选用防腐蚀强的花岗岩或耐蚀水泥制作。过滤网38采用筛孔尺寸为Φ0.07～0.15mm的尼龙丝网。电解质优选硝酸钠，电解液选用质量分数为5％的硝酸钠水溶液，其中均参入碳化硼W10微粉。
[0049] 超声调制微细电化学加工实验装置：
[0050] 加工过程参数采集，影响超声调制微细电化学加工实验系统加工效果的主要影响因素：超声振动参数(振幅A、频率f、功率W)、电解加工参数(极间电压U、极间电流I、脉冲频率fv、脉冲占空比D)、电解液参数(电流效率η、温度℃、电导率σ)、伺服进给参数(加工间隙△、进给速度υ)、加工工件参数(电化学当量ω)、工艺指标参数(加工时间t、加工精度δ、表面粗糙度Ra)。
[0051] 对于振幅A和频率f，其值同超声电源2与变幅杆11形状有关，利用激光微位移传感器12采集变幅杆11下端面的超声振动测量基准片14的振动波形，通过控制计算机1处理得到超声振幅和超声频率；超声振动功率W测量可有电流传感器6获取超声电源2的功率信号来表征；极间电压U的测量，即测电解液的欧姆电压降UR值，将电压传感器27连接到工具电极13和加工工件16来测得极间电压；极间电流I的测量，使用连接在电解加工回路中的电流传感器6测得极间实时加工电流；脉冲频率fv由超声斩波系统采集超声振动频率f，经过同步斩波器8后实现与超声频振动的同频、同步，同时调节同步斩波器8可获得所需的脉冲占空比D；对于电流效率η，与电解液的选取有关以及极间电流I的值有关；对于温度℃，其测量选用热电偶温度传感器28对工作台15中的电解液温度实时检测；对于电导率σ，通过PLC装置30控制电磁阀开关(34、35)定量制作所需要的质量分数的电解液，电解液的电导率通过电导率传感器29对工作台15电解液进行实时检测；对于加工间隙△和进给速度υ，可根据蚀除速度要求控制伺服电机23带动工作台15的升降实现改变，可通过设置于工作台15下方的位移传感器19对工作台15位移实时检测实现间隙的测量，经软件转换得出进给速度；对于电化学当量ω，与加工工件16材料有关，可由元素含量的比例折算出或由实验确定。
[0052] 超声振动系统在电解加工中起到辅助作用，能有效提高电解加工效率，工具电极13所需振幅一般在0.01-0.1mm。通过对工具电极13位置进行动态快速测量，同步斩波器8产生关闭与开通的斩波信号，控制所述电解加工系统的开通与关断，使电解加电与所述工具电极8的超声频振动实现同频、同步，提高电解加工工件的效率。在实际电解加工中，工件16进给速度的大小往往影响到加工间隙的大小，即影响着工件尺寸和加工精度δ。其电解加工规律如下：
[0053] 电解加工系统中，在电解加工开始时，加工工件16与工具电极13起始间隙为Δ0，通电后，加工间隙 逐渐增大，由关系式知，工件蚀除速度 将逐渐减小，为保证电解加工持续进行，伺服进给系统带动加工工件16以恒定速度υc向工具电极13进给，则加工间隙逐渐减小。随着时间推移，当工件蚀除速度υa达到工件进给速度υc，即两者达到动态平衡υa＝υc时，加工间隙端面平衡间隙 在电解达到平衡状态时，电解液参数、工件材料、电压均保持不变，即ηωσUR＝C(常数)，则工件蚀除速度 由此说明，电极间隙愈小工件蚀除速度愈大，但间隙过小将引起火花放电或者电解产物的排泄不畅，反而降低蚀除速度或已被脏污堵死而引起短路。
[0054] 起始间隙Δ0一般与端面平衡间隙Δb差距很大，为了减少过渡时间，加工开始前，通过控制伺服电机23带动加工工件16迅速以上移动，尽量减少起始加工间隙。
[0055] 在电解加工过程中，加工区电流为 若电流传感器检测6到异常大电流时，PLC装置30将迅速动作，控制电磁阀开关7开路使电解加工系统断电保护工具电极13和加工工件16不被烧毁。
[0056] 以上优选的实施例仅用对本发明技术方案的详细说明，并未限制本发明的具体实施方式，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明构思的前提下，可以对本发明的技术方案的简单
修改或替换，均属于本发明技术方案的保护范围。
