基于速度控制的电化学加工外圆面台阶成型方法与流程

本发明涉及电化学加工技术，尤其涉及一种适用于细长轴、细长管类零件外圆面台阶成型的移动阴极电化学加工方法。

背景技术：

细长轴、细长管类零件是机械加工当中的一类难加工零件，主要是因为细长零件抗变形能力较差，在一些精度要求较高的场合，传统切削加工难以实现稳定加工。电化学加工独特的材料去除机理决定了其不产生加工应力，有利于保证加工精度。将电化学加工应用于细长轴加工具有优势。采用移动式阴极加工，可以实现小宽度阴极加工大长度零件。但是，对于带台阶的细长轴、细长管类零件，采用移动阴极时形成和准确控制台阶形状是一项难题。原因在于，移动阴极电化学加工细长轴、细长管类零件时，零件上任意一点的去除量，取决于该点所接受的加工时间和加工电流，对于台阶部位，若要保证成型精度，应当使移动阴极以同样的加工条件扫描过所有加工区域，但由于阴极具有一定的宽度，当阴极到达台阶部位时，会产生加工质量的问题。如附图2所示，在现有技术中，移动阴极1从台阶下区域A移动到即将到达台阶上区域C时采用停止运行的方式，以防止对于台阶上区域C进行加工。但这种方法导致的后果是，从台阶下区域A上靠近台阶上区域C划分出来的一个长度为移动阴极1长度的台阶区域B上不同点受到加工的时间不同，即越靠近台阶上区域C的点受到加工的时间越短，最终在台阶区域B形成一个锥形而非一个垂直的台阶。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于速度控制的电化学加工外圆面台阶成型方法，能够加工形成垂直台阶。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于速度控制的电化学加工外圆面台阶成型方法，待加工成台阶状的工件包括两个区域，分别为需要加工成较细外圆的台阶下区域以及需要加工成较粗外圆的台阶上区域，该方法包括如下步骤：

S1：在所述台阶上区域表面包裹一层绝缘材料；

S2：采用与所述工件的轴向长度比为0.001～0.5的移动阴极沿所述工件的轴线方向对所述工件进行多次往返移动加工，其中，所述移动阴极在单次移动加工的过程中，其移动速度以及其与所述工件中心轴的距离保持不变；

S3：当所述台阶下区域的去除厚度达到预先设定的阀值K时，控制所述移动阴极靠近所述工件并重复S2过程；若所述移动阴极与所述工件中心轴的距离小于所述台阶上区域的外径，则针对所述移动阴极从所述台阶下区域向所述台阶上区域方向移动的单向移动过程如下：

当所述移动阴极即将触碰到所述台阶上区域时，控制所述移动阴极远离所述台阶下区域，使得所述移动阴极能够但还未开始跨过所述台阶上区域，并在此时立即减慢所述移动阴极的移动速度，减慢后的移动速度由下式决定：

V1＝V0·Δ0/Δ1；

其中，V0为所述移动阴极减速前的速度，V1为所述移动阴极减速后的速度；Δ0为所述移动阴极远离所述台阶下区域前，所述移动阴极与所述工件外表面的间距；Δ1为所述移动阴极远离所述台阶下区域后，所述移动阴极与所述工件外表面的间距；

针对所述移动阴极从所述台阶上区域向所述台阶下区域方向移动的单向移动过程，正好是所述移动阴极从所述台阶下区域移动到所述台阶上区域的单向移动过程的逆过程。

优选情况下，阀值K为2mm。

优选情况下，移动阴极与工件外表面的间隙Δ处于以下范围：0<Δ≤5mm。

优选情况下，移动阴极的移动速度V处于以下范围：0<V≤50mm/s。

优选情况下，移动阴极与工件之间的电压U处于以下范围：0<U≤50V。

优选情况下，移动阴极与工件之间的加工电流密度J处于以下范围：7A/cm²≤J≤15A/cm²。

本发明的优点在于，通过将台阶上区域进行绝缘处理，移动阴极的加工就不会影响到该区域，从而可以直接越过该区域，如此一来，只要控制移动阴极在单次移动加工过程中与工件的中心轴距离不变，那么台阶下区域各个点所受到的加工效率和加工时间就都是一样的，从而去除量也是一样的，如此一来就可以形成一个垂直台阶了。而采取将移动阴极往工件中心轴方向移动的方式，可以增大加工的效率，并且通过抬起移动阴极的方式能够避免移动阴极触碰到台阶上区域，在此过程中适当改变移动阴极的移动速度，仍然能保证台阶下区域上各个点的去除量相同，从而能够在提高加工效率的情况下形成垂直台阶；而相比利用和工件长度相等的整体阴极加工而言，利用比工件更短的移动阴极进行加工的优点在于，一方面所需要的加工电流较小，另一方面加工精度更高，当面对不够光滑的工件的时候，移动阴极可以通过适当改变移动速度从而修正工件上的崎岖，但这并不和上面说到的匀速相矛盾，因为速度的调整也是在上述匀速范围轻微调整，调整范围视工件的光滑程度而定。

附图说明

图1是未加工的工件的示意图；

图2是现有技术中采取的技术方案的加工示意图；

图3是本发明采取的技术方案的加工示意图；

图4是本发明为提高图3中所示技术方案的加工效率的加工示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作描述。

如图1所示，本发明的目的在于，将图1中所示的外表面呈现圆柱外表面的工件2(也就是说工件2也可以是中空的管类工件等)，加工成图3所示带有垂直台阶的工件。我们采取的加工阴极是相比工件2更短的移动阴极1，若要给移动阴极1的长度定一个范围，可以定为和工件2的轴向长度比为0.001～0.5。

为了方便对工件2的各个部分进行描述，根据工件2不同区域的加工特点，将工件2分为两个区域，分别为需要加工成较细外圆的台阶下区域A以及需要加工成较粗外圆的台阶上区域C。

为了解决锥形台阶的问题，本发明采取的方法如图3所示，首先对台阶上区域C进行绝缘处理，或者更具体的说，在台阶上区域C的外表面包裹上一层绝缘材料3，或者涂上一层绝缘漆或绝缘胶等。绝缘后的台阶上区域C，就不再受到移动阴极1的加工影响了，那么移动阴极1就也可以直接越过台阶上区域C了。

接下来，为了让台阶下区域A的去除量相同，要做的事情是让每一次移动阴极1的加工过程对于这两个区域上的任一点的加工时间以及加工效率都要相同。

对于加工时间的保证，可以让移动阴极1直接在工件2的三个区域上方来回匀速移动加工，对于这句话，有以下几点要注意：

1)可以在上述三个区域外的地方进行移动阴极1的转向和变速过程；

2)上面说的“上方”仅仅是为了表示方便，利用图中所示的上方来表达，实际上根本无需这样的限制，移动阴极1只要是处于三个区域外侧即可；

3)上面说的“匀速”仅仅是针对单次移动的过程而言的，而且这里的单次对于不同方向也有区分。比如说，移动阴极1从台阶下区域A移动到台阶上区域C的一次运行过程中，移动阴极1的运动是匀速的；下次的单向运行中，比如移动阴极1从台阶上区域C回到台阶下区域A的时候，虽然其在此过程中也必须保持匀速，但是这个速度可以与上次从台阶下区域A到台阶上区域C的移动过程中的速度有所不同。之后任意一次，包括不同方向的移动，都可以使用不同的速度进行移动，但对于单次的移动而言，必须保证匀速。

对于加工效率的保证，可以让每个单次运行过程中，移动阴极1与工件2的中心轴的距离a保持不变，如此一来，移动阴极1与工件2的外表面间隙在单次运行过程中也会保持不变，此时默认保证电压等其他条件不变，加工效率就是不变的了。而当然，要注意到的是，这里的单次和上一段落中说的单次的含义是相同的，从而在移动阴极1的不同次移动过程中，其与工件2的中心轴距离a可以有所不同。

虽然上述技术方案实现了垂直台阶，但存在加工效率的问题，随着移动阴极1对于工件2的不断加工，台阶下区域A的外径在不断减少，移动阴极1与台阶下区域A的外表面间距就会越来越大，从而由电化学的加工规律可知，加工效率会越来越低。那么接下来，我们要解决的问题就是尽量提高加工效率。

首先一个解决方案是，每次加工过后，缩短移动阴极1与工件2的中心轴距离a(即控制移动阴极1向工件2中心轴进给)并重复原来的加工过程，如此一来就可以缩短移动阴极1与台阶下区域A的外表面间距。又或者实际上，没必要太早控制移动阴极1进给，可以在台阶下区域A的去除量达到某一特定的阀值K后，再采取进给运动，比如我们可以定这个阀值为2mm。

但这里存在的问题是，我们不可能无止境地缩短这个间距，因为一旦移动阴极1与工件2的中心轴距离a小于台阶上区域C的外半径，那么在从台阶下区域A移动到台阶上区域C的过程中，移动阴极1就会触碰到台阶上区域C。

如图4所示，为了解决这个问题，本发明采取的方案是，当移动阴极1即将触碰到台阶上区域C时，迅速抬起移动阴极1，又或者说迅速地增大移动阴极1与工件2中心轴距离a，使得移动阴极1能够但还未开始跨过台阶上区域C；而这里的“迅速”一词则理解为，相比于移动阴极1在轴向上的移动，移动阴极1此时在径向上的抬起几乎可以被认为是瞬间完成的。

但这里存在的一个问题是，当我们迅速抬起移动阴极1后，移动阴极1和台阶下区域A的间距就增大了，从而由电化学加工的规律可知，在这次加工过程中，台阶下区域A在不同区域的加工效率有所不同，这会阻碍垂直台阶的形成，因此，在抬起移动阴极1后，理应采取一些方案增大加工效率。

可以从电化学加工工件表面的蚀除公式出发寻找：

R＝ηωσUt/Δ＝ηωσUh/VΔ

式中：R表示工件表面材料去除量，η为电流效率，ω为电解物质的体积电化学当量，σ为电解液的电导率，U为阴阳极之间的间隙电压，t为加工时间，V为阴极移动速度，h为阴极沿工件轴向的宽度，Δ为极间间隙。

由此通用公式结合本发明的具体情况，我们选择从移动阴极1的移动速度V，以及移动阴极1与工件2之间的电压U着手，在移动阴极1被抬起后，立刻采取以下两种操作方案中的任意一种：

方案1：减慢移动阴极1的移动速度，其减慢后的速度值由下式决定：

V1＝V0·Δ0/Δ1；

其中，V0为移动阴极1变速前的速度，V1为移动阴极1变速后的速度；Δ0为还未增大移动阴极1与工件2中心轴距离时，移动阴极1与工件2外表面的间距；Δ1为增大移动阴极1与工件2中心轴距离后，移动阴极1与工件2外表面的间距。

之所以这么做，是因为减慢移动阴极1的移动速度后，对工件2的加工时间会增加，从而能够弥补加工效率减低带来的去除量的减少，并且公式是根据原来的电化学侵蚀公式准确推导出来的。这个方案仅仅控制机械运动就可实现，实施简单，控制方便。

方案2：加大移动阴极1与工件2之间的电压，其加大后的电压值由下式决定：

U1＝U0·Δ1/Δ0；

其中，U0为加大电压前移动阴极1与工件2之间的电压，U1为加大电压后移动阴极1与工件2之间的电压；Δ0为还未增大移动阴极1与工件2中心轴距离时，移动阴极1与工件2外表面的间距；Δ1为增大移动阴极1与工件2中心轴距离后，移动阴极1与工件2外表面的间距。

之所以这么做，是因为增大移动阴极1与工件2之间的电压后，加工效率会增加，从而能够弥补由于间隙变化带来的加工效率的降低，公式也是由电化学侵蚀公式准确推导出来的。这个方案需要控制电源，但不需要控制机械运动；

在以上两种方案中，当采取电压变化时，速度就不能变化；当采取速度变化时，电压就不能变化。在此过程中，可以通过考察加工电流，即移动阴极1和工件2中间的电流来考察加工效率。

上面所说的，仅仅是针对移动阴极1从台阶下区域A移动到台阶上区域C的单向移动过程，而对于反向的移动，即移动阴极1从台阶上区域C移动到台阶下区域A的单向移动过程我们没有讨论。对于这点，首先要明确的是，我们完全可以只采取单向的移动过程，即在从台阶下区域A移动到台阶上区域C的单向移动过程结束后，将移动阴极1通过其他方式重新移动到台阶下区域A，又或者直接让另外一个完全相同的移动阴极重复从台阶下区域A到台阶上区域C的移动过程。而当然，也可以采取往返移动加工的方式进行加工，这在效率上会有所提高，但是从台阶上区域C到台阶下区域A的加工过程是从台阶下区域A到台阶上区域C的加工过程的逆过程，即移动阴极1要从台阶上区域C“跳下”至台阶下区域A，而这个过程中的速度和电压变化正好是上面说到过的变化的逆变化，就像是时间倒流，即速度要增加，或电压要减小。对于这个逆过程的控制，显然也需要付出精力去进行设计，因此若不愿意做此过程，可以只采取单向移动的方式进行加工。

随着移动阴极1对于工件2的加工，台阶下区域A的外径越来越小，也可以相应地在每次加工结束后继续缩短移动阴极1与工件2的中心轴间距a，从而维持加工效率在较高的水平。

本发明中较佳的工艺参数取值范围为：移动阴极1和工件2的极间间隙范围：0<Δ≤5mm；移动阴极1的移动速度范围：0<V≤50mm/s；移动阴极1和工件2之间的极间电压范围0<U≤50V；移动阴极1和工件2之间的加工电流密度J处于以下范围：7A/cm²≤J≤15A/cm²。

最后要说明的是，在本发明中，有一些电化学加工过程中所默认进行的操作，包括将电源负极连接移动阴极1，将电源正极连接工件2；在移动阴极1和工件2之间加电解液；对工件2进行转动加工等等，都是电化学加工领域中的技术人员所默认要进行的操作，虽然上述技术方案未具体描述，但理应包含于本发明的技术方案中。

另外，对于本发明中涉及的一些关于方位的词，比如“上方”、“抬起”、“跳下”等，都仅仅是针对图中所示的，其表达的含义也应理解为是部件之间的相对位置关系而与方位无关。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。