摘要:研制了能够实现X、Y、Z三轴直线运动和绕X、Z两轴转动的空间五自由度电化学超精密研磨机床。利用该机床，可以对电化学超精密研磨技术进行工艺研究，实现模具型腔的光整加工。
模具在各个工业领域中发挥着重要作用，但模具型腔光整加工的高精度和高效率一直是影响模具工业发展的重要因素。模具的光整加工技术直接影响模具的使用寿命和产品质量。目前，常见的模具光整加工有电化学抛光、机械研磨抛光和超声波抛光等。电化学加工是在通电状态下利用阳极在电解液中选择性地溶解工件表面微观不平中的凸出部分，使金属表面变得光滑并呈现光泽的一种表面抛光方法。用该方法加工模具的型腔，易产生电解腐蚀斑点，而且电极的形状必须与模具型腔相一致。由于电极制造水平的限制，单纯的电解加工很难应用于模具的光整加工，特别是汽车车身这种大型模具的加工。机械研磨是将磨料及其附加剂涂于或嵌在研磨工具表面上，在一定的压力作用下，借助于研磨工具和被研磨工件之间的相对运动，从被研磨工件表面上除去极薄的金属层，从而使工件获得极高精度的一种工艺方法，但它的加工效率较低。超声波加工是利用工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面，把被加工工件表面的材料粉碎成很细的微粒，从工件上打下来。电化学超精密研磨技术就是将上述三种加工方法相复合。这种技术更好地利用了弹性加工的均化效应、电化学加工的高效率、机械研磨的高精度和小表面粗糙度值以及超声波加工的空化效应。
我们研制开发了能够实现X、Y、Z三轴直线运动和绕X、Z两轴转动的空间五自由度电化学超精密研磨机床。利用该机床，可以对电化学超精密研磨技术进行工艺研究。
1 机床的组成
电化学超精密研磨机床主要由机床主体、动力提供和控制系统三大部分组成。机床主体部分主要包括床体、工作台和工作头：动力提供部分主要包括步进电动机、超声波发生器、换能器和电解电源：控制部分采用西门子SIMATIC S7-200 CPU214型PLC。
步进电动机作为一个执行部件，需要与控制器、功率驱动器及负载一起组成步进电动机驱动系统。由于步进电动机的性能在很大程度上依赖于驱动电源驱动形式和电源电压等，因此驱动器的性能直接影响到整个系统的技术性能、稳定性及可靠性，所以驱动器是步进电动机驱动系统的关键。我们采用了中国兵器工业总公司新技术推广研究所制造的HH系列445V8型步进电动机驱动电源。
超声波发生器采用陕西翱达超声波技术有限责任公司研制生产的ACQ-600型超声波发生器。它采用了日本20世纪90年代的先进技术，使用了PLL频率自动跟踪系统，使发生器的振荡频率与换能器谐振频率达到一致，使发生器输出的功率充分馈给换能器，有效地提高了系统的电声转换效率。功放系统采用推挽电路，输出方波信号。由于换能器是容性负载，所以经电感补偿后，加在换能器两端的信号为正弦波。振动换能系统由夹心式压电换能器和聚能器件组合而成，该系统将来自发生器的超音频电能转换成超音频机械能。
电解电源采用的是石家庄市无线电十厂制造的HT-1711H直流稳压电源。
2 工具电极的设计
复合加工中比较难实现的就是工具电极的设计，电化学超精密研磨技术由于采用了三种加工方法的复合，从而导致工具电极的设计不能采用传统的设计。工具电极的主轴既要能够高速旋转，又要作为电解加工的阴极，同时还必须满足超声加工的高频振动。为此采用了外加电解液的方法，这样可以避免电解液在工具电极内流动所带来的设备复杂性，也避免了电解液对工具电极传动设备的腐蚀性，还解决了电解液中混有磨粒易造成对工具头的阻塞问题。另外，压电效应超声波换能器需要一定的电压，同时主轴又要高速旋转。本文采用了碳刷滑环式的电流传导方式，将滑环套在电木制成的滑套上，滑套与主轴之间采用紧配合，很好地解决了这一问题，既满足主轴高速旋转的可行性，同时采用两套滑环，碳刷用小弹簧压紧在滑环上，又保证了电流传导的可靠性与平稳性。主轴高速旋转与换能器工作都产生一定的热量，这样就要有良好的散热装置，针对实际情况采用了上下两头风冷式散热装置，即在电动机与主轴连接处的空隙中添加了一个小型环式散热片，它采用铝材，重量轻，固定在主轴的紧定螺母上，与主轴同时转动。这样在主轴工作时，它就在主轴上方产生了一个小的气流涡旋，能够较好地把热量散发出去：另外，在换能器与主轴连接部位的主轴套上开了12个长方形的孔，这样在主轴旋转的时候，就会产生较强的气流流动，很好地把换能器产生的热量散发出去。
1.壳体 2.主轴 3.工具头 4.变幅杆
5.换能器 6.滑环 7.散热扇 8.电动机
图1 工具电极示意图
图2 工艺单编制区界面
主轴的转动采用直流电动机，可以很方便地改变电动机转速与方向。在电动机与主轴连接的方式上采用了柔性轴方式，这样可以避免在电动机启动时对主轴系统的冲击。工具电极示意图如图1所示。
为了适应不同模具型腔表面的加工需求，我们在同一主轴系统上分别设计了三种工具电极头，即柱状圆盘式(底面为工作面)、柱式(侧面为工作面)、柱状圆球头式。工具电极用细牙螺纹连接在变幅杆上，可以保证超声波的稳定传递。工具头使用精制无纺布，其组织纤维和粘结剂均细，材质松软，弹性好，气孔容积大，因此对研抛液和磨料的浸含性高，研抛作用好，能减小表面粗糙度值，并能将微小的毛刺清除干净。
3 机床的控制
电化学超精密研磨机床的工作台可实现X和Y轴的移动及绕Z轴的转动，工具头可实现Z轴的移动及绕X轴的摆动，同时工具头可绕自身轴线转动，所有的这些运动都要通过控制台上的按键进行控制。本机床采用了西门子SIMATIC S7-200 CPU214型PLC进行控制，具有结构小巧、运行速度高及多功能和多用途等特性。S7-200的CPU214从整体上看有下述四部分:①输入部分:主要用于接收现场的控制信号：②输出部分:主要用于向现场输出具有足够驱动能力的控制信号：③程序存储器:用于存放用户程序：④处理器:是S7-200系统中的核心，它控制着整个S7-200系统做有序的工作。处理器周期性地执行扫描程序:首先它读入所有输入端上各控制信号的状态，并把读入的状态存入过程输入映象区。然后，处理器在内部计数、位存储器和计时器的控制下逐行扫描用户程序，并执行有关的计算或操作，得到当时应有的控制信号。最后，处理器将处理所得到的结果输出到过程输出映象区中，并在周期的末尾，将输出映象区中的信号同时输出到它们的输出端。如此周而复始，S7-200实现对现场过程的控制。
机床在控制方面，主要采用了微机和可编程控制器两级控制方式。在上位微机控制中，以Visual Basic 5.0为平台编写了微机与PLC通信的接口程序，实现了完全微机控制机床运动，达到了设计要求。
为了更好地与PLC通信，对工艺单流程进行了编制，其工作界面如图2所示。
4 结语
我们研制的电化学超精密研磨机床，完全满足电化学超精密研磨技术的工艺要求。此项技术为模具的高效光整加工开辟了一条较为有效的途径。
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