本发明提供一种精密电解加工的运行控制方法，通过对电解液的基本参数进行定义和控制，再对各种加工状态的参数进行计算处理，并精确控制加工电压、脉冲占空比、进给速度，以满足加工间隙对应的电量需求，从而实现稳态电化学反应。本发明提供的精密电解加工运行控制方法对电解加工状态的参数进行计算处理，并精确控制脉冲电源，从而控制加工间隙及其对应的加工电压、电流密度、进给速度，完全解决了加工间隙的自动控制方法，并保持稳定的恒间隙加工，最终实现了不同材料的各种加工精度需求。
1.一种精密电解加工的运行控制方法，其特征在于，通过对电解液的基本参数进行定义和控制，再对各种加工状态的参数进行计算处理，并精确控制加工间隙及其对应的加工电压、脉冲占空比、进给速度，以满足加工间隙对应的电量需求，从而实现稳态电化学反应，具体包括以下内容：设定电解液的基本参数并由电解液管理系统进行控制，根据电解加工原理和方波脉冲的电学规律建立加工间隙d、幅值电流密度i与加工电压U、电导率K、脉冲占空比D1的关系式：d＝f(U、K、D1)，i＝f(K、D1)；
定义材料的电化当量ω，建立加工间隙d与材料电化当量ω、电导率K、脉冲占空比D1的关系：d＝f(K、ω、D1)，再得到加工电压U与电导率K、材料电化当量ω、脉冲占空比D1的关系：U＝f(K、ω、D1)；
取一个副频对脉冲进行打包输出，副频对应的占空比为D2，将幅值电流密度定义为i＝
1/(Q×D1)，Q为常量，得到主、副频占空比之间的关系D2＝f(K、D1)，从而得到脉冲电源的平均电流密度ia＝f(K、U、D1、ω)；通过上述所有特征的定义和关联，再将阴极进给速度V定义为：V＝f(Q、ia)，结合电解液流量控制关系式m＝L×It，L为常量、It为即时电流，从而建立了稳态电化学反应，确保加工过程稳定进行。
2.根据权利要求1所述的一种精密电解加工的运行控制方法，其特征在于，所述电解液的基本参数包括电导率、浓度、温度、PH 值。
3.根据权利要求1所述的一种精密电解加工的运行控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于2.5D加工模式或3D加工模式，所述2.5D加工模式主要用于加工平面图形沿法向拉伸而成的几何体，所述3D加工模式应用于复杂三维零件加工。
4.根据权利要求1所述的一种精密电解加工的运行控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括加工材料电化当量ω的自动确认方法，包括：设定电解液基本参数电导率K、温度T、PH和脉冲占空比D1，选取一定面积的加工材料，并向系统输入相应的法向加工面积S，启动加工后，系统自动给定一个初始ω，并实时检测当前加工电流It，按下列关系进行迭代判断，当△Vt趋近于0时，当前对应的ω值就是被加工材料的电化当量；
m＝L×It，L为常量、It为即时电流、m为电解液流量；
ia＝f(K、U、D1、ωt)，2.5D加工模式；
Vt＝f(Q、ia)，Q为常量；Vt为实时阴极进给速度；
Vt＝f(Q、ia、fz),fz为振动频率,3D加工模式；
△Vt＝Vt-1-f(Q、It、S)，S为法向加工面积；
ωt＝ωt-1-f(K、D1、△Vt)，ωt为材料电化当量随时间变化值；
5.根据权利要求4所述的一种精密电解加工的运行控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括加工间隙自动控制方法，具体包括：材料的电化当量ω得到确认后电解池的基本属性也就得到确认，根据加工需要，改变占空比D1就可以实现不同精度等级的加工需求，设定好相应参数后，系统自动按照下列方案进行恒间隙加工：设定：K、D1、PH、ω、T，D1＜1，脉冲加工模式；
Vt＝f(Q、ia)，Q为常量，Vt为实时阴极进给速度；
Vt＝f(Q、ia、fz),fz为振动频率,3D加工模式；
ηs＝f(K、U、ω、D1、It)，ηs为动态加工面积，2.5D加工模式；
设定：K、PH、ω、U、T，D1＝1，直流加工模式；
一种精密电解加工的运行控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电解加工领域，特别涉及一种精密电解加工的运行控制方法。
背景技术
[0002] 精密电解加工是一种以电解原理为基础，基于阳极溶解的减材加工技术，加工时，刀具作为阴极与直流电源的负极连接，工件则作为阳极与电源正极相连。在阴极与工件之间通入电解液、接通电源发生电荷交换，阳极工件被溶解，这样不用接触工件便可对其进行定点加工，精密制造出工件的不同轮廓形状、环形通道、直槽和环形槽、异形孔、型腔、模具等，无需后续加工工序，被电解的工件材料在电解液中沉淀形成金属氢氧化物，通过电解液处理系统进行收集。
[0003] 相对传统加工和其他优势特种加工技术而言，目前的电解加工的基础理论较为薄弱，工艺技术尚未成熟。现有的电解加工技术未实现金属零件的精密加工，且稳定性不高；从表象来看，主要是“杂散腐蚀”对侧壁面形状的影响以及正面“整平比”不高的原因导致，究其根本原因仍是加工过程未实现稳态电化学反应，阴极的进给速度与反应速度未能达成平衡，加工间隙以及产物的交换速率都处于不稳定状态，从而改变了加工区电场分布，导致各区域的反应速度不一致，甚至荷电离子逸出界面电场区，破坏已加工区域，因而难以提高加工精度和加工稳定性。
发明内容
[0004] 为了解决以上技术问题，本发明专利目的在于设计了一种精密电解加工的运行控制方法，对电解加工状态的参数进行计算处理，并精确控制脉冲电源，从而控制加工间隙及其对应的加工电压、电流密度、进给速度，完全解决了加工间隙的自动控制方法，并保持稳定的恒间隙加工，最终实现了不同材料的各种加工精度需求。
[0005] 本发明具体是通过以下技术方案实现的：
[0006] 一种精密电解加工的运行控制方法，通过对电解液的基本参数进行定义和控制，再对各种加工状态的参数进行计算处理，并精确控制加工电压、脉冲占空比、进给速度，以满足加工间隙对应的电量需求，从而实现稳态电化学反应。具体包括以下内容：
[0007] 设定电解液的基本参数并由电解液管理系统进行控制，根据电解加工原理和方波脉冲的电学规律建立加工间隙d、幅值电流密度i与加工电压U、电导率K、脉冲占空比D1的关系式：d＝f(U、K、D 1)，i＝f(K、D1)；
[0008] 定义材料的电化当量ω，建立加工间隙d与材料电化当量ω、电导率K、脉冲占空比D1的关系：d＝f(K、ω、D1)，再得到加工电压U与电导率K、材料电化当量ω、脉冲占空比D1的关系：U＝f (K、ω、D1)；
[0009] 取一个副频对脉冲进行打包输出，副频对应的占空比为D2，将幅值电流密度定义为i＝1/(Q×D1)，Q为常量，得到主、副频占空比之间的关系D2＝f(K、D1)，从而得到脉冲电源的平均电流密度ia＝f(K、U、D1、ω)；通过上述所有特征的定义和关联，再将阴极进给速度V定义为：V＝f(Q、ia)，结合电解液流量控制关系式 m＝L×It，L为常量、It为即时电流，从而建立了稳态电化学反应，确保加工过程稳定进行。
[0010] 进一步，本发明所述电解液的基本参数包括电导率、浓度、温度、 PH值。
[0011] 进一步，本发明所述控制方法应用于2.5D加工模式或3D加工模式，所述2.5D加工模式主要用于加工平面图形沿法向拉伸而成的几何体，所述3D加工模式应用于复杂三维零件加工。
[0012] 进一步，本发明所述2.5D加工模式用于加工异形孔、齿轮、直槽型腔；所述3D加工模式用于加工金属徽章、航空叶片、精密模具。
[0013] 进一步，本发明所述控制方法进一步包括加工材料电化当量ω的自动确认方法，包括：
[0014] 设定电解液基本参数电导率K、温度T、PH和脉冲占空比D1，选取一定面积的加工材料，并向系统输入相应的法向加工面积S，启动加工后，系统自动给定一个初始ω，并实时检测当前加工电流It，按下列关系进行迭代判断，当△Vt趋近于0时，当前对应的ω值就是被加工材料的电化当量；
[0015] 设定：K、D1、PH、S；
[0016] 赋值：ω＝ω0，ω0为初始电化当量；
[0017] m＝L×It，L为常量、It为即时电流、m为电解液流量；
[0018] U＝f(K、ω、D1)；
[0019] d＝f(U、K、D1)；
[0020] ia＝f(K、U、D1、ωt)，2.5D加工模式；
[0021] ia＝f(K、D1)，3D加工模式；
[0022] Vt＝f(Q、ia)，Q为常量，Vt为实时阴极进给速度；
[0023] Vt＝f(Q、ia、fz),fz为振动频率,3D加工模式；
[0024] △Vt＝Vt-1-f(Q、It、S)，S为法向加工面积；
[0025] ωt＝ωt-1-f(K、D1、△Vt)，ωt为材料电化当量随时间变化值；
[0026] 当△Vt→0时，停止迭代，ωt保持不变。
[0027] 进一步，本发明所述控制方法进一步包括加工间隙自动控制方法，具体包括：
[0028] 材料的电化当量ω得到确认后电解池的基本属性也就得到确认，根据加工需要，改变占空比D1就可以实现不同精度等级的加工需求，设定好相应参数后，系统自动按照下列方案进行恒间隙加工：
[0029] 设定：K、D1、PH、ω、T，D1＜1，脉冲加工模式；
[0030] m＝L×It，L为常量、It为即时电流；
[0031] U＝f(K、ω、D1)；
[0032] d＝f(U、K、D1)；
[0033] ia＝f(K、U、D1、ω)，2.5D加工模式；
[0034] ia＝f(K、D1)，3D模式；
[0035] Vt＝f(Q、ia)，Q为常量，Vt为实时阴极进给速度；
[0036] Vt＝f(Q、ia、fz),fz为振动频率,3D加工模式；
[0037] ηs＝f(K、U、ω、D1、It)，ηs为动态加工面积，2.5D加工模式；
[0038] ηs＝f(K、D1、It)，3D加工模式；
[0039] △It＝It-It-1；
[0040] △It→0时，It自动保持不变、间隙d恒定；
[0041] 设定：K、PH、ω、U、T，D1＝1，直流加工模式；
[0042] i＝f(U、ω)；
[0043] d＝f(ω、K、V)。
附图说明
[0044] 以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
[0045] 图1是本发明一种精密电解加工的运行控制方法的控制系统图。
具体实施方式
[0046] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0047] 本发明提出了一种精密电解加工的运行控制方法，通过对电解液的基本参数进行定义和控制，再对各种加工状态的参数进行计算处理，并精确控制加工电压、脉冲占空比、进给速度，以满足加工间隙对应的电量需求，从而实现稳态电化学反应。
[0048] 请参阅图1，精密电解加工的控制系统主要包括主机控制系统、主机驱动结构组件、脉冲电源系统、电解液管理系统。其中：主机控制系统可用PLC、CNC、各种驱动装置以及传感器等工控器来实现；主机驱动结构组件可以设计为单轴、多轴等任意结构，其结构特征与 CNC数控机床相似，阴极等同于主轴刀具，主要区别是阴极驱动系统有振动和非振动两类；脉冲电源可按功率大小设计，具体结构与分类在电源专利中描述；电解液管理系统应根据电源功率大小进行配套设计，主要包括：综合控制管理系统(由PLC实施)，粗电解液池、精电解液池，精密过滤系统，电解泥收集系统，温控系统，PH调节系统等。
[0049] 具体的，所述精密电解加工的运行控制方法包括以下内容：
[0050] 1、按照电化学热力学特点对电解液的基本参数：电导率K、温度、PH值进行设定，并由电解液管理系统加以控制，考虑到加工区温升的影响，同时还要保证有效功率与加工间隙一一对应，应对电功率密度进行限制，为此引入了“当量功率密度”，也就是每毫米加工间距、每平方毫米面积容许的电功率量，然后根据电解加工原理和方波脉冲的电学规律共同建立加工间隙d、幅值电流密度i与加工电压 U、电导率K、脉冲占空比D1的关系，从而得到两项满足功率密度与加工间隙的关系式：d＝f(U、K、D1)，i＝f(K、D1)，(1)；
[0051] 2、根据“双电层”和电荷转移动力学的特性，引入“当量平均电流密度”，即为每毫米加工间距、每平方毫米面积可接受的平均电流安培量，并将该值定义为不同材料的电化2
当量ω；所对应的微分电容为：20～60uF/cm 。按照方波脉冲的电学规律，结合上述中的幅值电流密度关系式，建立加工间隙d与材料电化当量ω、电解液电导率K、脉冲占空比D1的关系，即为d＝f(K、ω、D1)，再得到加工电压U 与电导率K、材料电化当量ω、脉冲占空比D1的关系：U＝f(K、ω、D1)。
[0052] 3、为了确保恒间隙加工，必须使阴极的进给速度与金属的去除速度一致，然而金属去除速度与平均电流密度直接相关，同时又受到加工区传质速度的严重制约；根据电化学传质动力学，传质速度主要取决于界面层的物质浓度变化率dc/dt，为此将传质速度定义为反应速度：即为单位时间内(1毫秒)去除金属的法向体积与法向间隙的电解液体积之比，其取值范围为：20～60ppm/ms。
[0053] 4、为了满足上述定义特征，需要对脉冲电源的平均电流进行再调节，以满足各种加工状态的电量需求，从而满足反应速度与传质速度的对应关系；我们选取一个副频对脉冲进行打包输出，副频对应的占空比为D2，同时将电解加工的幅值电流密度定义为i＝1/(Q×D 1)，将其代入所述的幅值电流密度关系式中，得到主、副频占空比之间的关系D2＝f(K、D1)，从而得到脉冲电源的平均电流密度 ia＝f(K、U、D1、ω)，单位为A/mm2；通过上述所有特征的定义和关联，再将阴极进给速度V定义为：V＝f(Q、ia)，单位为mm/min；结合电解液流量控制关系式：m＝L×It，L为常量、It为即时电流、流量单位为：l/min，从而建立了稳态电化学反应，确保加工过程稳定进行。
[0054] 5、进一步，所述控制方法进一步包括加工材料电化当量ω的自动确认方法，包括：
[0055] 设定电解液基本参数电导率K、温度T、PH和脉冲占空比D1，选取一定面积的加工材料，并向系统输入相应的法向加工面积S，启动加工后，系统自动给定一个初始ω0，并实时检测当前加工电流It，按下列关系进行迭代判断，当△Vt趋近于0时，当前对应的ω值就是被加工材料的电化当量；
[0056] 设定：K、D1、PH、S；
[0057] 赋值：ω＝ω0，ω0为初始电化当量；
[0058] m＝L×It，L为常量、It为即时电流；
[0059] U＝f(K、ω、D1)；
[0060] d＝f(U、K、D1)；
[0061] ia＝f(K、U、D1、ωt)，2.5D加工模式；
[0062] ia＝f(K、D1)，3D加工模式；
[0063] Vt＝f(Q、ia)，Q为常量，Vt为实时阴极进给速度；
[0064] Vt＝f(Q、ia、fz),fz为振动频率,3D加工模式；
[0065] △Vt＝Vt-1-f(Q、It、S)，S为法向加工面积；
[0066] ωt＝ωt-1-f(K、D1、△Vt)，ωt为材料电化当量随时间变化值；
[0067] 当△Vt→0时，停止迭代，ωt保持不变。
[0068] 6、进一步，所述控制方法进一步包括加工间隙自动控制方法，具体包括：
[0069] 材料的电化当量ω得到确认后电解池的基本属性也就得到确认，根据加工需要，改变占空比D1就可以实现不同精度等级的加工需求，设定好相应参数后，系统自动按照下列方案进行恒间隙加工：
[0070] 设定：K、D1、PH、ω、T，D1＜1，脉冲加工模式；
[0071] m＝L×It，L为常量、It为即时电流；
[0072] U＝f(K、ω、D1)；
[0073] d＝f(U、K、D1)；
[0074] ia＝f(K、U、D1、ω)，2.5D加工模式；
[0075] ia＝f(K、D1)，3D模式；
[0076] Vt＝f(Q、ia)，Q为常量；
[0077] Vt＝f(Q、ia、fz),fz为振动频率,3D加工模式；
[0078] ηs＝f(K、U、ω、D1、It)，ηs为动态加工面积，2.5D加工模式；
[0079] ηs＝f(K、D1、It)，3D加工模式；
[0080] △It＝It-It-1；
[0081] △It→0时，It自动保持不变、间隙d恒定；
[0082] 设定：K、PH、ω、U、T，D1＝1，直流加工模式；
[0083] i＝f(U、ω)；
[0084] d＝f(ω、K、V)。
[0085] 7、上述都是基于阴极静态情况下的机理，其加工间隙相对较大，为了提高复杂三维零件的加工精度，需进一步减小加工间隙，然而加工间隙的减小，电解液流量随之减小、流动阻力增大，产物交换受阻，必须引入正弦波机械振动阴极系统来提高电解液的交换速率；由于振动的存在，加工间距在不断变化，脉冲应与机械振动进行同步复合，其方法是将正弦波的相位角 与脉冲的放电时间按规律进行匹配，确保在对应间隙下释放相应的电量，结合上述中的机理，可以建立如下关系式： 式中 为相位角，fz为振动频率，V为阴极进给速度。
[0086] 进一步，所述电解液的基本参数包括电导率、浓度、温度、PH 值。
[0087] 进一步，所述控制方法应用于2.5D加工模式或3D加工模式，所述2.5D加工模式主要用于加工平面图形沿法向拉伸而成的几何体，所述3D加工模式应用于复杂三维零件加工。所述2.5D加工模式用于加工异形孔、齿轮、直槽型腔；所述3D加工模式用于加工金属徽章、航空叶片、精密模具。
[0088] 设备结构特征2.5D加工模式阴极没有振动系统；3D加工模式阴极具有50Hz正弦机械振动系统，且含静压导轨、振动频率可调、相位可控。
[0089] 加工运行特征：2.5D加工模式的加工电压30～60V，加工间隙大，速度较快，电解液流量较小；3D加工模式加工电压0～30V，加工间隙小，速度较慢，电解液流量较大。
[0090] 基于该原理的加工参数表现特征：加工电压除以脉冲幅值电流为当前加工间隙电阻；加工速度除以Q为当前平均电流密度；脉冲有效功率等于当量功率密度×法向加工面积×加工间隙。
[0091] 本发明提供的精密电解加工的运行控制方法结合高能脉冲电源，实现了不同材料、不同参数的精加工，完美解决了该工艺的不稳定性，几乎完全消除了人为因素的影响。
[0092] 以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
