采用双极性脉冲的电化学加工方法

专利名称：采用双极性脉冲的电化学加工方法
技术领域：
本发明涉及在电解液中的导电工件和导电电极之间加双极性电脉冲，对工件进行电化学加工的方法，其间，一个或多个正常极性的电流脉冲与相反极性的电压脉冲交替进行。
这种方法可从俄罗斯专利说明SU1440636A1中得知，并可用于生产具有复杂外形的部件或由高强度、高硬度的钢和合金制成的成形工具。在正常极性的电流脉冲过程中，工件相对于电极而言处于正电位，工件的金属溶解到电解液中，同时在工件的表面上形成钝化层。在相反极性的电压脉冲过程中，工件相对于电极而言处于负电位，在工件表面发生除钝(depassvation)作用。与此同时，水中形成的氢使工件附近的电解液变为碱性。高PH值引起工件表面的钝化层发生溶解反应。反极性电压脉冲之后有一个停顿，大致相当于电压脉冲长度的0.5至2倍。
这种方法的缺点在于，不知道相反极性电压脉冲的电压值变化的最佳限度，以保证高的生产率、精度和加工质量。电极发生溶解，使得电极的大小和形状发生改变，其结果是破坏了精度和表面质量。
美国专利3654116公开了一种双极性脉冲电化学加工的方法，其中正常极性的脉冲与相反极性的脉冲交替进行。对相反极性的脉冲的幅值和/或持续时间及/或位置按照一定的方式进行控制，使得这些脉冲的作用恰好足够消除钝化作用。然而，这种方法并没有公开相反极性的脉冲其幅值所应处于的最佳限度。
本发明的一个目的，在于提供一种提高工件的精度、生产率和加工质量的方法。本发明的另一个目的，在于提供一种实施上述方法的设备。为此，在开始段落中定义的这类方法的特征，在于电压脉冲的幅值在两个预定值之间调节，这两个值是从工件的给定表面质量和电极损耗的发生导出来的，这样的导出是通过加工该工件之前的至少一次测试得出的。
利用预先测试来决定幅值所应处于的最佳限度，可以消除电极溶解和随之引起的对加工精度的破坏，而且，伴随着精心确定的表面质量如很好的光洁度，还可以获得很高的加工效率。
在加工铬-镍钢时，在这些运行情况下，废电解液中遗留的有毒六价铬减少了，这样很容易就可以符合环保要求。
相反极性的电压脉冲幅值所应处于的最佳限度，是通过根据本发明的各种方法来确定的，其特征在于，在测试中，电压脉冲的幅值从初值逐渐上升至终值，其特征还在于，这两个预定值是根据某个参数连续值之间的差值的符号变更来决定的，该参数是运行过程中电极和工件之间间隙的典型参数。
已经发现，在给定相反极性电压脉冲的幅值的情况下，电极和工件之间间隙的典型参数的连续值之间差值的符号变更的发生，是一种特征现象。第一个符号变更显示一个范围的开始，其间电压脉冲的幅值产生光亮的工件表面。第二个符号变更标志着电极开始溶解在电解液中以及加工精度开始遭到破坏这一时刻。在测试中，相反极性电压脉冲的幅值被升高，并且在随后的两个符号变更过程中，相应的幅值均被储存下来。接着，这两个相应的幅值就成为两个预定值，加工过程就在这两个值之间进行。
如果不加相反极性的脉冲，在正常极性的电流脉冲结束后一刹那，电极和工件之间的电压并不为零，而是等于极化电压，如果不再加电流脉冲，该电压将逐渐减少到零。根据本发明，测试过程中电压脉冲的幅值从基本对应于极化电压的初值，一直上升至最终值，最终值小于等于电极开始溶解到电解液中时的电压。
根据电极和工件之间间隙的典型参数对该方法进行的第一个改进，其特征在于，该参数是电流脉冲过程中间隙之间电压的总体最小(global minimum)幅值，这个总体最小幅值是由工件和电极之间的相互振动引起的。在这种情况下，该参数是间隙之间的电压。在电极和工件之间除了有连续运动外，还有振动。例如，电极做正弦运动而工件向振荡的电极方向连续移动。在电极最接近工件的时间间隔内，加上正常极性的电流脉冲。在电流脉冲过程中，电极和工件之间间隙上的电压波形有一个总体最小值。这个总体最小电压值依赖于相反极性电压脉冲的幅值大小。在测试中，相反极性电压脉冲的幅值逐渐增加，连续的总体最小电压值之间的差值也被计算出来。一旦发生差值的符号变更，对应的相反极性电压脉冲的幅值就被确定下来。
在测试中，每一个正常极性的电流脉冲过后，相反极性电压脉冲的幅值可以以给定的步长增加。在步长比较小的情况下，只有在比较多的电流脉冲之后，连续的总体最小值的电压值才会发生可测量的变化。在这种情况下，要将许多总体最小值的连续电压值综合起来并作平均，以便足够精确地将符号变更检测出来。一般来说，在所采用的步长比较大的情况下，两个连续脉冲之间的符号变更就能被测量出来。最佳的步长依赖于所希望的电压脉冲幅值限度的精度。
在测试中，要保持预定的间隙大小。为此，该方法的还有一个变例，其特征在于，采用一定方法控制电极和工件之间间隙的大小，即，在电流脉冲过程中，电极和工件之间的电压会出现一个局部最大值。电流脉冲加热电解液。当电极离开工件时，会出现空泡，电解液也开始起泡，导致在间隙中产生额外的气泡。这使得电解液的阻值暂时上升，表现为电流脉冲过程中电极和工件之间电压变化的局部最大值。
还有可能利用间隙的其它特征，来确定电极和工件之间间隙的典型参数。为此，对根据本发明的方法进行第二个改进，其特征在于，该参数是电压脉冲过程中间隙之间电流的积分。
在这种情况下，将电压脉冲过程中流经电极和工件之间间隙的瞬态电流测出来。该电流的积分就作为用来检测符号变更的参数。
对该方法的第三个改进，其特征在于，该参数是电流脉冲过程中间隙之间电压的积分。
在这个可供选择的方法中，将电流脉冲过程中存在于电极和工件之间间隙的瞬态电压测出来。该电压的积分就作为用来检测符号变更的参数。
最后所提到的两种可供选择的方法，尤其适合电极和工件之间的电压不存在总体最小值的情况。之所以缺少这样的总体最小值，可能是由于工件和电极之间没有发生振动。另外一个原因可能是存在振动，但是每个电流脉冲都被分成一组短脉冲，以便防止产生过多的空泡及防止电解液的温度升得太高。这样，总体最小值就不可能或很难被测出来。
此外其它可供选择的方法有的是测量间隙之间的电阻，在这种情况下，将电阻变化中的符号变更检测出来；还有的是测量间隙本身的尺寸，在此情况下，将间隙尺寸变化中的符号变更检测出来。在后一种情况下，可利用本方法的一个变例，将合适的相反极性电压脉冲的幅值测量出来，其特征在于，在测试中，电压脉冲的幅值连续上升，电极和工件之间的间隙的尺寸被测出来，间隙尺寸的后一个测量值和前一个测量值之间的差也被计算出来，电压脉冲的幅值根据这个差值中符号变更的发生来确定，随后进行的加工则根据所确定的幅值进行。
再次说明一下，在上述可供选择的典型参数的情况下，不再需要在电极和工件之间产生振动。
此外，需要说明的是，相反极性电压脉冲可以比正常极性电流脉冲之间的暂停要短，以便达到同样的表面除钝处理效果。
本发明还涉及一种设备，用于在电解液中的导电工件和导电电极之间加双极性电脉冲，对工件进行电化学加工，其间，一个或多个正常极性的电流脉冲与相反极性的电压脉冲交替进行。为实施这种方法，尤其是为了对电极和工件之间间隙的典型参数中的符号变更进行测试，该设备的特征在于该设备包含-一个电极；-将电极和工件定位并彼此隔开以便在它们之间维持一定间隙的设备；-将电解液注入电极和工件之间的间隙的设备；-电流源，可与工件和电极电导通，用于将电流脉冲加到工件和电极上；-输出电压可控制的电压源，可与工件和电极电导通，用于将电压脉冲加到工件和电极上；-用于将电流源和电压源交替连到工件和电极上的设备；-产生用于逐渐改变电压源输出电压的控制信号的设备；-用于分析、储存工件和电极之间脉冲的电压和/或电流波形的设备；-用于检测某参数的连续值之间的差值中符号变更的设备，该参数是从脉冲的电压波形或电流波形、或者是从电极和工件之间的间隙上的电阻得出的；-用于在检测到符号变更后，将电压源的控制信号的瞬态值储存下来的设备；电流源提供电化学加工工件所必需的电流脉冲。理想电流源是一种输出阻抗极高的供电电源，不管负载的阻抗如何，总是提供给定大小的电流。然而，实际上输出阻抗是有限的，但尽管如此，供电电流仍与电极和工件之间的瞬时电阻不相关。间隙上电压的变化几乎全部由间隙间的电阻而不是由电流源自身的输出电阻决定。这样一个电流源使得有可能对总体最小值中的符号变更和间隙间电压积分的符号变更进行测量。然而，如果选定的参数是电压脉冲过程中电流的积分，电流源就没有必要有高的输出阻抗。事实上，在相反极性电压脉冲过程中测量电流时，正常极性电流脉冲过程中的电压波形并不起作用。在给定情况下，电流源的输出阻抗可以低到使电流源成为电压源。
电压源提供工件表面除钝所需的相反极性的电压脉冲。理想电压源是一种输出阻抗极低的供电电源，不管负载的阻抗如何，总是提供给定大小的电压。然而，实际上输出阻抗是有限的，但供电电压仍与电极和工件之间的瞬时电阻不相关。间隙电流的变化几乎全部由间隙间的电阻而不是由电压源自身的输出电阻决定。特别在测量相反极性的电压脉冲过程中电流的积分时，最好有一个具有低输出阻抗的电压源。在测量总体最小值中的符号变更以及正常极性电流脉冲过程中间隙间的电压积分的符号变更时，相反极性的电压脉冲过程中的电流波形起着次要的作用。电压源的输出阻抗也可以很高，使得电压源成为电流源。
电压源的输出电压是可控制的，以便在测试中允许电压脉冲的幅值逐渐变化。电流源和电压源交替与电极和工件相连，从而产生双极性脉冲串。如果电极和工件相互之间作振动，脉冲串最好与这个振动以某种方式同步，即，使得电流脉冲的正中间与电极和工件之间最接近的那一点一致。
流经电极和工件之间间隙的电流和/或间隙间电压的变化，被作为时间的函数测出来并储存在存储器中。电流和电压最好用与计算机相耦合的模数转换器来测量，并将测量的数据储存在计算机中。计算机分析这些测量数据，并将所测参数的变化的符号变更计算并检测出来。计算机还产生控制电压源输出电压的控制信号。在测试中，电压源输出电压在来自计算机的控制信号的命令下逐渐变化。一旦计算机检测到符号变更，相关的控制信号就被储存起来。在结束测试过程后，控制信号被调整到一定的值，该值位于符号变更时发现的值之间。
说明一下，在测试中，也可以不分析电流和/或电压，而利用合适的位置传感器以及与其相耦合的模数转换器，分析间隙尺寸的变化。
现在，将参照附图，对本发明的这些和其它方面进行叙述和阐明，这些图为

图1示意性地画出了一个实施根据本发明方法的设备的实现方案；图2表示在根据本发明方法的一个变例中信号的波形；图3代表在实施根据本发明方法的变例过程中，电极和工件之间电解液的状态变化；图4表示在根据本发明方法的变例过程中信号的波形；图5表示实施根据本发明方法的可供选择的电流脉冲的一个波形；图6表示实施根据本发明方法的设备的实现方案的电路方框图；图7表示在实施根据本发明方法过程中，过程参数和相反极性的电压脉冲的幅值之间的关系；图8表示在实施根据本发明的方法过程中电极和工件之间所产生的电压波形；图9是根据本发明方法的处理步骤的流程图。
图1表示的是一个对工件2进行电化学加工的设备。工件2由平板4支承，平板则以传送速度Vk向电极6移动，而电极6在马达10驱动的曲轴8作用下，相对于工件2作振动。工件由诸如含铬的钢等制成。电解液如碱金属的硝酸盐水溶液在电极6和工件2之间的间隙5中流动，并在来自容器3的压力P1作用下循环流动。工件2、平板4以及电极6都是导电的。电极6和平板4与电源12相连，电源12向电极6和平板4提供双极性的电脉冲。电脉冲包含正常极性的电流脉冲，此时平板4并因此工件2相对于电极6而言处于正电位，这种脉冲与相反极性的电压脉冲交替进行，对相反极性的电压脉冲而言，工件2相对于电极6而言处于负电位。在正常极性电流脉冲过程中，工件2的金属溶解到电解液中去，而与此同时，在工件2的表面也形成钝化层。在相反极性电压脉冲过程中，工件2的表面则被除钝，同时，由于水中产生了氢，工件2附近的电解液变成碱性的。高PH值引起工件2表面的钝化层发生溶解反应。
图2中的曲线I代表电极6和工件2之间的间隙5的尺寸S(t)的变化。曲线II和曲线III分别表示的是间隙5上的电压U和流经间隙5的电流I的变化。在图2的曲线IV中，在时间段ti内将正常极性的、幅值为Ip的电流脉冲加上，此时电极6的位置离工件2最近。如图2的曲线II所示，在这些电流脉冲过程中，间隙5上的电压具有总体最小值。如图2的曲线V所示，电流脉冲与时间段tu内的幅值为Un的相反极性电压脉冲交替进行。
参见图3，在电极6接近工件2的最初阶段，间隙的尺寸Smax比较大时，电解液是湍流，电解液中有蒸气和气泡。从图2的曲线II中的第一个最高电压U可以看出，在这个阶段，电极6和工件2之间的间隔具有比较大的电阻。
随着电极6的接近，电解液中的压力升高，引起蒸气和气泡溶解，使间隙中的电解液变得均匀一致，在间隙尺寸比较小时，可以获得比较高的电流密度。从图2的曲线II电压U出现的总体最小值可以看出，其结果是电阻下降了。电极6和工件2之间距离的增加以及蒸气和气泡的重新形成，会导致电阻再次增加到第二个最大值，如图2的曲线II所示。使用的电功率可以很大，使得电解液剧烈地沸腾，从而在间隙中形成额外的气泡。间隙中额外气泡的形成引起电解液电阻的暂时增加，表现为在电流脉冲过程中电极和工件之间电压变化的局部最大值。图4更详细地表示出了具有局部最大值U3max的电压U的变化，这个最大值出现在总体最小值Umin之后。
这里说明一下，使用与相反极性电压脉冲交替进行的成组的正常极性电流脉冲，可以避免气泡大量形成这种情况发生。图5表示出了这种双极性的脉冲串。用这种方法，处理过程可更稳定地进行，在相同的最小间隙尺寸的情况下能够获得更精确的结果。
图6表示的是根据本发明的电化学加工设备的电路方框图，包括根据本发明运行的电源12。电源12包含电流源14，其提供的电流Ip的大小由控制信号CSI来改变，以及可变电压源16，其提供的电压的大小Un可由控制信号CSU来改变。电流源14的负端和可变电压源16的正端都通过可选的串联电阻18与电极6相连。电流源14的正端通过开关20与工件2相连。在时间段ti内(见图2)，开关20在同步单元22提供的信号Si作用下被关闭。可变电压源16的负端通过开关24与工件2相连。在时间段tu内(见图2)，开关24在信号Su的控制下被关闭，Su也由同步单元22提供，此外同步单元还使马达10同步。利用模数转换器26，在端子32和34上将电极6和工件2之间的模拟电压U测出来并转换成数字信号DU，并在计算机28中进行储存、分析和处理。如果需要的话，可以利用第二个模数转换器30，测量在端子36和38处串联电阻18上的电压降，从而将流经间隙的电流I测出来，模数转换器30将模拟电压降转换成数字信号DI，再由计算机28用与处理数字信号DU类似的方法对DI进行处理。也可以不使用处理电阻18，而采用电流变压器或其它合适的接口。如果在适当的时刻，模数转换器26的输入端从端子32和34间的电压测量换接到端子36和38间的电流测量，就可以省去模数转换器30。同步单元22、模数转换器26和30以及计算机28都有时钟脉冲(图6未画出)供应，保证数据的采集和处理与双极性电流脉冲的出现以及电极的振动同步进行。平板4的位置利用位置传感器40来监测，该传感器提供的信号DS是平板4的位移的测量值。计算机28通过适当的接口42和44，产生电流源14的控制信号CSI和可控电压源的控制信号CSU，接口42和44则由诸如模数转换器等来形成。
如图4所示，通过控制平板4的传送速度Vk对间隙5进行调节，从而产生局部最大值U3max。借助于模数转换器26和计算机28或示波器，可以通过分析电压U来确定这个局部最大值。然而，如果需要的话，也可以为间隙5的尺寸选择其它任何工作点，例如，电压U中没有局部最大值U3max的那一点。
实验表明，在给定的条件下进行电化学加工过程，根据时间段内相反极性电压脉冲的电压Un在极化电压Upol和电极6开始溶解的电压Un2之间的变化，总体最小值Umin(见图2的曲线2)首先在幅值Un＝Un1处通过最小值Umin＝Up1，接着上升并在幅值Un＝Un2处通过最大值Umin＝Up2。图7说明了这种情况。在正常极性的电流脉冲结束的一刹那，如果没有加上相反极性的脉冲，那么极化电压是电极6和工件2之间的电压。参见图8的曲线1。如果不再加电流脉冲，极化电压Upol将逐渐地下降到零。在第一个区域，电压Un位于Upol和Un0之间，在工件2的表面上有黑色氧化膜。电压Un这时还不足以使氧化膜除钝。在第二个区域，电压Un位于Un0和Un1之间，使用的相反极性的电压脉冲起作用，工件2的表面开始变得光亮起来。在接下来的第三个区域中，电压Un位于Un1和Un2之间，由于没有了氧化层，溶解过程进行得更顺利，工件2的传送速率Vk因此有显著的增加。工件2的表面因而具有很高的光亮度，平均表面粗糙度Ra小于0.1微米。对含铬的钢而言，在光亮层中发现的铬的含量要比单极性处理情况下的要高。此外，在这些情况下，废电解液中的有毒六价铬离子的浓度也减少了。值Un＝Un1所引起的运行状态，具有较小的间隙尺寸St和均匀的、没有气泡的电解液，由此分别产生较高的重复精度和工件溶解速率。电极6在值Un＝Un2时开始溶解，但这并不是我们所期望的，因为这样会降低加工精度。
为得到理想的效果，相反极性电压脉冲的电压Un被维持在极限值Un1和Un2内。根据本发明，这些范围是由在进一步处理工件2之前所进行的测试确定的。为此，在给定的运行情况下，电压Un从等于极化电压Upol的起始值开始，逐渐地上升到不大于电压Un＝Umax的终值，在Un＝Umax点电极开始溶解。在两个连续的电流脉冲之间，电压Un以步长ΔUn增长。对每一个电流脉冲而言，都要测出Umin并计算出与前一个电流脉冲的电压Umin之间的差值。如果在这个差值中发生第一个符号变更，将会得到图7中曲线的值Un＝Un1。如果在若干个脉冲信号之后，在差值中得到第二个符号变更，就可以获得值Un＝Un2。在步长ΔUn比较小的情况下，只有经过较大数量的电流脉冲之后，在连续总体最小电压值Umin中才会发生可测量的变化。在上述情况下，要将许多连续的总体电压最小值综合起来并作平均，以便足够精确地将符号变更检测出来。这可以通过对计算机28合理编程来实现。在两个连续的脉冲之间，比较大的步长一般会产生能够测出的符号变更。最佳步长依赖于所期望的电压脉冲幅值Un的范围Un1和Un2的精度。
现在将通过描述所要经过的若干步骤来对本方法进行说明。
步骤1选择加工过程的运行状态给定的运行状态为与图4所示的信号波形有关的描述，即电极6和工件2之间的振动，以及间隙5之间的电压U的总体最小值中出现的局部最大值U3max。然而，也可能存在不同间隙尺寸和没有振动的运行状态，如与工件2的溶解速率基本相等的稳恒传送速率Vk，使得间隙基本上维持恒定。
步骤2测量极化电压Upol如图8中的曲线II所示，在测试中，电压Un将从值Un＝Upol开始增加。为确定极化电压Upol的大小，在测试之前要加上若干单极性的脉冲，即在时间段ti内的正常极性电流脉冲之间的时间段tu内，图6中的开关24并没有被关闭。然后，间隙5上的电压按如图8所示曲线I变化。使用模数转换器26和计算机28，将极化电压Upol的值测出并储存下来。
步骤3进行测试以确定电压U的极限值Un1和Un2图9表示由计算机28响应所测的电压，进行测试的过程流程图。下面是图9中方块的标题B0 开始B1 Un＝UpolB2 Flag＝TRUEB3 Umin
＝0B4 i＝1B5 Un＝Un+ΔUnB6 测量Umin[i]B7 ΔUmin＝Umin[i-1]-Umin[i]B8 i＝i+1B9 Flag＝TRUE？B10 ΔUmin＜0B11 Flag＝FALSEB12 Un1＝UnB13 ΔUmin＞0？B14 Un2＝UnB15 结束计数器i保存电流脉冲序列数的计数。Umin[i]则是第i个电流脉冲过程中Umin的测量值。
在方块B1中，在步骤2中测出的初始值Upol被赋于变量Un.，计算机28通过数模转换器44向可变电压源16提供控制信号CSU，其结果是使该电压源的输出电压Un等于Upol。在方块B2中，值TRUE被赋于布尔变量Flag。在方块B3中，值Umin
被设置为零。在方块B4中，计数器被设置为1。初始化完成后，在方块B5中电压Un增加，计算机每一次都向可变电压源16提供相应的控制信号CSU。在下一个电流脉冲过程中，电压Umin在方块6中被测出来。随后，在方块7中，将前一个电流脉冲和当前电流脉冲的Umin的差值计算出来。在方块B8中，计数器增加1，以便进行下面的测量。在方块B9中，测试Flag。在方块B2中，Flag已被赋于了值TRUE。这样，第一次执行方块B10，以确定方块B7中计算的差值中是否有符号变更，换句话说，是否有小于0的差值。如果不是这种情况，程序将返回方块B5。如果差值小于0，则执行方块B11，将变量Flag设置为FALSE。在方块B12中，符号变更时Un的瞬态值被作为变量Un1储存起来。接着，程序返回方块B5。由于Flag已经被设置为FALSE，在完成方块B9的测试后将执行方块B13。方块B13校验在方块B7中计算的差值中是否有反的符号变更发生，换句话说，差值是否大于0。如果不是这种情况，程序返回方块B5。如果差值大于0，将执行方块B14，第二个符号变更时Un的瞬态值被作为变量Un2储存起来。这之后，测试在方块B15中结束。这个过程在图8的曲线II中得到了阐明，其中显示了两个连续电流脉冲[i-1]和[i]的电压U。
步骤4中断运行测试完成后，可以中断运行以便在步骤5中作出选择。
步骤5根据发现的极限值Un1和Un2选择工作电压现在，电压Un被设置在测试中发现的值Un1和Un2之间。值Un1和Un2被储存在计算机28的存储器中。利用合适的软件，就有可能通过数模转换器42，将控制电压CSU设置成与Un的选定值相对应的值，Un位于极限值Un1和Un2之内。
步骤6进行加工过程在给定的条件和选定的电压Un下，现在开始继续加工。图8中的曲线III代表双极性脉冲过程中电压U的变化。在平板4经过一个预定的位移之前，一直要进行加工。这个位移是用位置传感器40(见图6)测出来的。
步骤7停止加工过程在平板4达到预定的位移后停止加工。此后，脉冲也被中断。
在根据上述方法，在以碱金属的硝酸盐水溶液为基础的电解液中对含铬钢进行电化学加工时，会产生一定的效果，其中相反极性的电压脉冲会在工件表面引起强制性的极化放电，活性氢原子被释放到待加工的工件表面上，导致工件上的氧化层中的金属氧化物和工件的双电荷层中的离子(包括重铬酸盐离子Cr2O72-)减少。
通常，当使用双极性脉冲时，在铬钢的表面可以进行如下化学反应对铁而言，有
对铬而言，有
在阳极极化情况下，会在加工表面形成下面的氧化物FeO，Fe2O3，Cr2O3，CrO3。
在阴极极化的情况下，则会在工件的加工表面发生如下反应
根据下面的反应，水中产生的活性的氢原子减少了表面氧化物
阴离子Cr2O72-则按照下式反应
相反极性电压脉冲的电压的选择是基于下面的考虑。相反极性电压脉冲的电压的幅值不应该太大，以致于电极开始溶解，并且总电荷Qn不应该使工件上发生钝化的表层出现临界碱化值。必要的相反极性脉冲持续时间tu由Qn决定，Qn对释放一定量的氢是必要的，这些氢足以使减少氧化层的反应能够进行下去。
如图5所示，使用与相反极性电压脉冲交替进行的成组的正常极性电流脉冲时，在进行确定Un1和Un2的测试时通常并不能测出Umin。相反，却可以计算时间段ti内间隙上电压Un的积分Fp(见图7)，以此作为替代参数。积分Fp的连续值的差值显示了与Umin中相似的符号变更。另外，还可以在时间段ti的分时间段上进行积分。在电极和工件之间没有振动时的电化学加工方法，如工件2的传送速率为恒定值Vk的加工方法中，对积分Fp进行测量就特别有用，此时，Vk与工件2的溶解速率基本相同，从而使间隙尺寸基本保持不变。
另外一个可供选择的参数是Qn(见图7)，Qn是时间段tu内，即相反极性电压脉冲过程中电流I的积分。图2的曲线III表示的就是电流I。积分Qn代表在相反极性电压脉冲过程中所消耗的电量。通过串联电阻18和模数转换器30将电流I测出来，并在计算机28中进行积分(见图6)。由图7显而易见，积分Qn在Un＝Un1处表现出最大值，在Un＝Un2处表现出最小值，这恰好与参数Umin相反，Umin在Un＝Un1处有最小值，而在Un＝Un2处则有最大值。这意味着如果积分Qn被用作参数，测试过程中的符号变更将正好相反。图9流程图中的方块B10应该确定ΔQn是否大于零，方块B13则应该确定ΔQn是否小于零。在相反极性电压脉冲过程中电流的积分测量值，是又一个适合电极和工件之间没有振动的电化学加工方法的参数。
其它参数有间隙电阻和间隙尺寸St(见图7)，这些参数是间隙中的介质的行为以及电极和工件之间的化学过程的测量值。电阻可以通过测量电流脉冲的时间段ti中的电压U和电流I得到。由图7显而易见，与Umin类似，间隙尺寸St在Un＝Un1处有最小值。通过检测间隙尺寸，可以将符号变更检测出来。
在均由退火过的钢制成的工件和电极之间实施了上述方法。工件2的表面积是0.3cm2；电解液是重量百分比为8％的NaNO3水溶液；正常极性电流脉冲的电流密度为80A/cm2；持续时间ti为3ms；电解液压力为0.7×105Pa；电解液的温度为20℃；电极的振动频率为47Hz；振幅为0.2mm；正常极性的电流脉冲的波形是矩形(见图2，曲线III)；相反极性的电压脉冲的波形也是矩形(见图2，曲线II)。
间隙尺寸St是时间的函数，通过一定的方式控制St，使得电极和工件之间的电压中出现局部最大值(见图4)。在上面介绍过的测试中，相反极性电压脉冲的电压Un从与极化电压Upol＝+2.3V相等的电压变到电极开始溶解时的电压(-0.8V)。总体最小值Umin被用作检测符号变更的参数。上限Un1被发现为+0.05V，而下限Un2则被发现为-0.6V。接下来，将电压Un保持在所发现的极限值内继续加工。
还有一种方法可供选择，可以使电极轻轻地碰一下工件2，然后再调节间隙的尺寸。在加工过程中，调节间隙尺寸以便获得基本恒定的平均传送速率Vk，这里Vk与工件2的溶解速率基本相等。
这里公开了在电解液中的导电工件和导电电极之间加双极性电脉冲，对工件进行电化学加工的方法，其间，一个或多个正常极性的电流脉冲与相反极性的电压脉冲交替进行。电压脉冲的幅值在两个预定的值之间调节，预定值是从给定的工件表面质量和电极损耗的发生导出来的，这样的导出是通过加工该工件之前的至少一次测试得出的。在测试中，电压脉冲的幅值从初始值逐渐增加到最终值。两个预定值是根据某参数连续值的差值中的符号变更来确定的，这个参数代表了电极和工件之间间隙的典型参数。该参数可以是电流脉冲过程中间隙电压的总体最小幅值，该总体最小值是由工件和电极之间的相对振动引起的。该参数也可以是电压脉冲过程中间隙电流的积分；或是电流脉冲过程中间隙电压的积分；或间隙间的电阻；或间隙的尺寸。
权利要求
1.在电解液中的导电工件(2-)和导电电极(6)之间加双极性电脉冲，对工件(2)进行电化学加工的一种方法，其间，一个或多个正常极性的电流脉冲与相反极性的电压脉冲交替进行，其特征在于，电压脉冲的幅值(Un)在两个预定的值(Un1，Un2)之间调节，预定值是从给定的工件(2)表面质量和电极(6)损耗的发生导出来的，这样的导出是通过加工该工件(2)之前的至少一次测试得出的。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在测试中，电压脉冲的幅值(Un)从初始值逐渐增加到最终值，以及两个预定值是根据某参数连续值之间的差值中的符号变更来确定的，这个参数是电极(6)和工件(2)之间的间隙的典型参数。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，幅值(Un)的初始值基本对应于电流脉冲结束后，工件(2)和电极(6)之间的极化电压(Upol)。
4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于，幅值(Un)的最终值不大于电极开始溶解在电解液中时的幅值(Unmax)。
5.根据权利要求2、3或4的方法，其特征在于，该参数是电流脉冲过程中间隙电压的总体最小幅值(Umin)，该总体最小值是由工件(2)和电极(6)之间的相对振动引起的。
6.根据权利要求2、3或4的方法，其特征在于，该参数是电压脉冲过程中间隙(5)电流的积分(Qn)。
7.根据权利要求2、3或4的方法，其特征在于，该参数是电流脉冲过程中间隙(5)电压的积分(Fp)。
8.根据权利要求2、3或4的方法，其特征在于，该参数是间隙(5)间的电阻。
9.根据权利要求2、3或4的方法，其特征在于，该参数是间隙(5)的尺寸(St)。
10.根据权利要求5或7的方法，其特征在于，两个预定值中的第一个值是根据从负到正的第一个符号变更确定的，第二个值则是根据接下来的从正到负的第二个符号变更确定的。
11.根据权利要求6的方法，其特征在于，两个预定值中的第一个值是在从正到负的第一个符号变更时得到的值，第二个值则是在接下来的从负到正的第二个符号变更是得到的值。
12.根据权利要求9的方法，其特征在于，在测试中，电压脉冲的幅值(Un)连续增加，电极(6)和工件(2)之间的间隙(5)的尺寸(St)被测出来，并将间隙(5)的后一个和前一个尺寸测量值的差计算出来，电压脉冲的幅值(Un)是由差值中符号变更的发生确定的，接下来，以这样所确定的幅值的电压继续加工。
13.根据权利要求5的方法，其特征在于，电极(6)和工件(2)之间间隙的尺寸被以一定的方式进行控制，使得在电流脉冲过程中，工件(2)和电极(6)之间的电压出现局部最大值(U3max)。
14.根据权利要求5的方法，其特征在于，振动与电流脉冲的出现同步。
15.根据前面任一权利要求的方法，其特征在于，工件(2)由含铬钢制成。
16.根据前面任一权利要求的方法，其特征在于，电解液是碱金属的硝酸盐水溶液。
17.根据用于在电解液中的导电工件(2)和导电电极(6)之间加双极性电脉冲，对工件(2)进行电化学加工的设备，其间，一个或多个正常极性的电流脉冲与相反极性的电压脉冲交替进行，其特征在于，该设备包含-电极(6)；-将电极(6)和工件(2)定位并彼此隔开以便在它们之间维持一个间隙(5)的设备(4，40)；-将电解液注入电极(6)和工件(2)之间的间隙(5)的设备(3)；-电流源(14)，与工件(2)和电极(6)电导通，用于将电流脉冲加到工件(2)和电极(6)上；-输出电压可控制的电压源(16)，与工件(2)和电极(6)电导通，用于将电压脉冲加到工件(2)和电极(6)上；-用于将电流源和电压源交替连到工件(2)和电极(6)上的设备(20，24)；-产生用于逐渐改变电压源(16)输出电压的控制信号(CSU)的设备(44，28)；-用于分析和储存工件(2)和电极(6)之间脉冲的电压和/或电流波形的设备(26，28，30)；-用于检测某参数连续值之间的差值中符号变更的设备(28)，该参数是从脉冲的电压波形或电流波形、或者是从电极(6)和工件(2)之间的间隙(3)上的电阻导出的；-用于在检测到符号变更后，将电压源(16)的控制信号的瞬态值储存下来的设备(28)；
18.根据权利要求17的设备，其特征在于，用于分析和储存的装置包含将脉冲的电压波形或电流波形数字化的模数转换器(26，30)。
19.根据权利要求17或18的设备，其特征在于，该设备包含在电极(6)和工件(2)之间产生振动的装置(8，10)，以及与振动同步地将装置(20，24)交替接到电流源(14)和电压源(16)上的装置(22)。
20.在电解液中的导电工件(2)和导电电极(6)之间加双极性电脉冲，对工件(2)进行电化学加工的方法所使用的电源，其间，一个或多个正常极性的电流脉冲与相反极性的电压脉冲交替进行，其特征在于，该电源包含-电流源(14)，与工件(2)和电极(6)电导通，用于向工件(2)和电极(6)提供电流脉冲；-输出电压可控制的电压源(16)，可与工件(2)和电极(6)电导通，用于向工件(2)和电极(6)提供电压脉冲；-将电流源(14)和电压源(16)交替连接到工件(2)和电极(6)上的装置(20，24)；-产生用于逐渐改变电压源(16)输出电压的控制信号(CSU)的设备(44，28)；-用于分析和储存工件(2)和电极(6)之间脉冲的电压和/或电流波形的设备(26，28，30)；-用于检测某参数的连续值之间的差值中符号变更的设备(28)，该参数是从脉冲的电压波形或电流波形、或者是从电极(6)和工件(2)之间的间隙(3)上的电阻导出的；-用于在检测到符号变更后，将电压源(16)控制信号的瞬态值储存下来的设备(28)；
全文摘要
在电解液中的导电工件(2)和导电电极(6)之间加双极性电脉冲，对工件(2)进行电化学加工的方法，其间，一个或多个正常极性的电流脉冲与相反极性的电压脉冲交替进行。电压脉冲的幅值(Un)在两个预定的值(Un1，Un2)之间调节，预定值是从给定的工件(2)表面质量和电极(6)损耗的发生导出来的。这样的导出是由加工该工件(2)之前的至少一次测试得出的。在测试中，电压脉冲的幅值(Un)从初始值逐渐增加到最终值。两个预定值(Un1，Un2)是根据某参数连续值的差值中的符号变更来确定的，这个参数是电极(6)和工件(2)之间的间隙(5)的典型参数。该参数可以是电流脉冲过程中间隙(5)电压的总体最小幅值(Umin)，该总体最小值是由工件(2)和电极(6)之间的相对振动引起的。该参数也可以是电压脉冲过程中间隙(5)电流的积分(Qn)；或是电流脉冲过程中间隙(5)电压的积分(Fp)；或间隙(5)间的电阻；或间隙(5)的尺寸(St)。
文档编号B23H3/02GK1165493SQ96191039
公开日1997年11月19日 申请日期1996年7月9日 优先权日1995年7月18日
发明者N·Z·吉梅夫, A·N·扎克伊夫, A·L·别洛高斯基, I·L·阿加福诺夫, N·A·阿米尔沙诺娃, V·N·库沙科, R·R·马奇狄诺夫 申请人:菲利浦电子有限公司