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1、(10)申请公布号 CN 102380676 A (43)申请公布日 2012.03.21 CN 102380676 A *CN102380676A* (21)申请号 201110132338.9 (22)申请日 2011.05.20 PCT/RU2010/000472 2010.08.27 RU B23H 3/00(2006.01) B23H 3/02(2006.01) (71)申请人 PECM 工业有限责任公司 地址 俄罗斯联邦乌法 (72)发明人 亚历山大尼古拉耶维奇扎伊特瑟 夫 里纳特米亚萨若维奇萨拉赫丁诺 夫 提姆菲弗拉基米罗维奇科萨列夫 尼克雷瓦莱里维奇谢拉夫基 (74)专利代理机。
2、构 北京安信方达知识产权代理 有限公司 11262 代理人 周靖 郑霞 (54) 发明名称 电化学加工的方法 (57) 摘要 本发明涉及金属和合金的电化学加工的方 法， 更特别地涉及高精度尺寸的电化学加工。 本发 明可用于在复杂成形表面上形成规则纳米层和微 米层。公开了一种使用与对应于电极间间隙中的 电解液压力最大值的振荡相位同步的电流脉冲来 在中性电解液中进行电化学加工的方法， 其中以 特定的方式设定预定频率和幅度时的加工电极的 振荡模式和电极靠近速度， 特征在于， 以使电极间 间隙处的电解液压力的最大值 Pmax(t) 不超过电 极间间隙处的电解液压力的可接受的最大值 Pmax 的方式来设。
3、定电极靠近速度。本发明使用振荡的 加工电极， 通过调整最大压力值并确保最小电极 间间隙与最大电解液压力的最优组合的瞬时的供 应电流脉冲的可能性来允许提高精度， 同时维持 电化学加工的生产率。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 CN 102380691 A1/1 页 2 1. 一种使用电流脉冲来在中性电解液中进行电化学加工的方法， 所述电流脉冲与对应 于电极间间隙中的电解液压力的最大值的振荡相位同步， 其中依赖于振荡的预定频率和幅 度来选择加工电极的振荡模式和电极靠近速度， 所。
4、述电极靠近速度被选择以提供不超过所 述电极间间隙处的所述电解液压力的可接受的最大值Pmax的所述电极间间隙处的所述电解 液压力的最大值 Pmax(t)。 2. 一种使用电流脉冲来在中性电解液中进行电化学加工的方法， 所述电流脉冲与对应 于电极间间隙中的电解液压力的最大值的振荡相位同步， 其中依赖于振荡的预定频率和幅 度来选择加工电极的振荡模式和电极靠近速度， 所述方法还包括以下控制步骤 ： 当所述电 极间间隙处的所述电解液压力的最大值 Pmax(t) 高于所述电极间间隙处的所述电解液压力 的可接受的最大值Pmax时， 减小所述电极靠近速度， 而当所述电极间间隙处的所述电解液压 力的所述最大值 。
5、Pmax(t) 低于所述电极间间隙处的所述电解液压力的所述可接受的最大值 Pmax时， 增大所述电极靠近速度， 所述电极间间隙处的所述电解液压力的所述最大值 Pmax(t) 被维持在范围 0.8Pmax Pmax(t) Pmax内。 3. 根据权利要求 2 所述的方法， 其特征在于， 在高于所述电极间间隙中的所述电解 液压力的所述可接受的最大值 Pmax的所述电极间间隙中的所述电解液压力的所述最大值 Pmax(t) 下使用所述加工电极的谐波正弦振荡时， 减小所述加工电极的振荡频率， 而在低于 所述电极间间隙中的所述电解液压力的所述可接受的最大值Pmax的所述电极间间隙中的所 述电解液压力的所述。
6、最大值 Pmax(t) 下使用所述振荡时， 增大所述加工电极的振荡频率。 4. 一种用于在中性电解液中进行电化学加工的装置， 所述装置包括 ： 电流脉冲发生器， 其用于产生与对应于电极间间隙中的电解液压力最大值的振荡相位 同步的电流脉冲， 以及 振荡的加工电极， 其中以使所述电极间间隙中的所述电解液的最大值Pmax(t)不超过所 述电极间间隙中的所述电解液的可接受的最大值Pmax的方式来基于预定频率和幅度选择所 述电极的形状和靠近速度。 5. 一种用于在中性电解液中进行电化学加工的装置， 所述装置包括 ： 电流脉冲发生器， 其用于产生与对应于电极间间隙中的电解液压力最大值的振荡相位 同步的电流。
7、脉冲， 振荡的加工电极， 其中基于预定频率和幅度来选择所述电极的形状和靠近速度， 以及 控制单元， 其用于以下述方式来控制过程 ： 当所述电极间间隙中的所述电解液压力 的最大值 Pmax(t) 高于所述电极间间隙中的所述电解液压力的可接受的最大值 Pmax时， 减小所述电极靠近速度， 而当所述电极间间隙中的所述电解液压力的所述最大值 Pmax(t) 低于所述电极间间隙中的所述电解液压力的所述可接受的最大值 Pmax时， 增大所述电 极靠近速度， 所述电极间间隙中的所述电解液压力的所述最大值 Pmax(t) 被维持在范围 0.8Pmax Pmax(t) Pmax内。 6. 一种制造物品， 其由金。
8、属或金属合金制成， 所述物品通过权利要求 2 所述的方法获 得， 其中所述物品具有特征为粗糙度小于 Ra 0.1M 的规则的表面层。 权 利 要 求 书 CN 102380676 A CN 102380691 A1/4 页 3 电化学加工的方法 0001 相关申请的交叉引用 0002 本申请要求于 2010 年 8 月 20 日提交的国际申请 PCT/RU2010/000472 的权益。该 申请的内容在此通过引用全文并入。 0003 发明背景 0004 本发明涉及金属和合金的电化学加工 (ECM)， 且更特别地涉及高精密尺度的电化 学加工。本发明可以用于在复杂成形的表面上形成规则的纳米层和微米。
9、层。 0005 与机械方法和热能方法相比， 电化学加工的最重要的优点包括不存在工具磨损且 生产率独立于待加工的材料的强度和刚度。然而， 至近十年电化学加工一直很少用于精制 工件加工阶段， 因为其一直不能够提供加工表面所需的仿形精度和质量。 例如， 在许多情况 下不能满足与使加工误差降低至小于10m并使粗糙度误差降低至小于Ra 0.1m相关的 技术要求。 0006 通过使用提供高的影片几何特性判断度的电化学加工技术提供了对上述问题的 有效解决方案。就此而言， 使用根据本发明的振荡的加工电极进行脉冲电化学加工的方法 被认为是有前途的方法。 0007 1980 年 7 月 22 日的出版物 US 4。
10、,213,834， IPC B23H3/02、 B23H3/00、 B23P1/14 公 开了一种电化学加工的方法， 在该方法中， 具有电压脉冲(当使用电流源时)的形状变化特 性的信号用于以小的电极间间隙值来执行过程。 特别地， 在脉冲期间， 所使用的信号与在电 极处的第二电压导数的最大值成比例。 0008 该方法的缺点在于以下事实 ： 当加工具有大的未绝缘的侧表面的特定工件时， 高 的电流通过这些表面， 从而将工作电流分流。在这种情况下， 由于前面的电极间间隙处的 处理， 具有电压脉冲的形变特性的信号将非常弱。 例如， 这发生在将具有复杂横截面的三维 加工电极切割到工件中的阶段或在用具有未绝。
11、缘的侧表面的管穿出小直径开口的过程等。 与关于间隙大小的不可靠的数据有关的另一个问题在于下述事实 ： 由于成穴现象或由停滞 区域的形成引起的电解液电导率的局部改变而不是由于电极间间隙改变， 所以经常发生电 压脉冲形状的特性失真。 0009 1977 年的出版物 SU717847， IPC B23H 3/02 公开了一种用于电化学尺度加工的方 法， 其中， 使用具有陡峭的电流电压特性的脉冲电源， 同时其中一个电极是振荡的并且在电 极彼此相向移动时的阶段期间施加电压脉冲来进行加工， 其中通过分别选择电极彼此相向 移动时和电极彼此相背移动时的位置处的电压尖峰来控制当前电压脉冲， 通过改变电极间 间隙。
12、的入口处的电解液压力来调整电压峰值。 0010 该方法的主要缺点在于下述事实 ： 未考虑当在小的电极间间隙值 ( 小于 0.02mm) 下执行过程和对相对大的面积 ( 尤其是高于 15cm2) 进行电化学加工时发生的临界条件特 征。这些特征被视作电压脉冲、 电阻或电流的波形图的失真。当在低的电极间间隙值下进 行电化学加工时， 过程行为的这些特征反映机器的加工系统的特定的动态特性和灵活性， 特别地通过显示与电极振荡的正弦曲线的显著偏离， 并且因此， 间隙的曲线在邻近其较低 位置的相位的电极轨道的位置处发生改变。 过程行为的所述特征被视作例如特定参数的波 说 明 书 CN 102380676 A 。
13、CN 102380691 A2/4 页 4 形图的规则形状的失真并预期电极间间隙的短路故障。 0011 然而， 由于未获知电极间间隙处发生的临界条件的特征标志物 ( 或信号 )， 所以当 在低的电极间间隙值下执行过程时， 已知的方法不允许检测电极间间隙处的临界条件。缺 少这样的数据不允许基于主要结果因素来提供稳定的技术结果并使其必须在大的电极间 间隙处进行加工， 这又导致减小的与加工生产率、 准确性和质量有关的过程特性以及增大 的电化学加工过程的功率消耗。 0012 1995 年 7 月 9 日公布的专利 RU 2038928， IPC B23H3/02 公开了一种使用具有陡 峭的电流电压特性。
14、的脉冲电源来进行电化学尺度加工的方法。 当其中一个电极是振荡的 并且当电极彼此相向移动时的阶段期间施加电压脉冲时来进行加工， 其中通过选择电极彼 此相向移动时的位置处的前沿电压尖峰和电极彼此相背移动时的位置处的后沿电压尖峰 来控制当前电压脉冲， 相对于当电极彼此相向移动到最小距离时的瞬间来调整脉冲供应瞬 间以便使前沿电压尖峰与后沿电压尖峰相等， 当电压尖峰普遍在电极彼此相向移动的位置 处时脉冲供应被延时， 当电压尖峰普遍在电极彼此相背移动的位置处时脉冲电压被提前施 加， 加工电极进给速率被增大直至第三局部电压极值在脉冲的中间形成并维持以便遵循下 面的关系 ： 0013 0014 其中 Ul.e。
15、是第三局部极值的电压幅度， Umin是最小电压值。 0015 上述方法 ( 以及前面提及的其他方法 ) 的缺点在于以下事实 ： 基于基本上依赖于 电极间介质的许多流体动力和热物理学条件的间接的电参数来确定电极间介质的条件和 / 或电极间间隙的大小。 因此， 执行过程控制系统基于不可靠的数据来控制， 这使得其不可能 在最小电极间间隙值下进行加工。 0016 1996 年 4 月 20 日公布的 USSR 发明人证书号 1839372， IPC B23H 7/26 公开了一 种用于具有振荡的加工电极的尺度电化学加工的设备。 该设备包括经由角接联接器被电动 机驱动的偏心轴， 所述轴经由弹簧板被连接到。
16、携载加工电极的压头。通过联接器的导向叉 的非均匀的旋转来确定加工电极的振荡模式和速度， 从而维持最小间隙， 这允许增大制备 电流通过时间。 0017 该设备的缺点涉及其结构复杂性和偏心轴非均匀旋转定律的不变性， 这限制在最 优的电极间间隙值和最优的电解液压力下的电流脉冲供应。 0018 2010 年 2 月 10 日公布的俄罗斯专利申请号 2008132342， IPC B23H7/30 公开了与 本发明和所声称的其技术效果最接近的现有技术方法。 该专利申请涉及一种使用与振荡相 位同步的电流脉冲来在中性电解液中， 在低的电极间间隙值下进行电化学加工的方法， 所 述振荡相位对应于电极间间隙处的最。
17、大电解液压力， 其中对于预定的频率和幅度来说， 以 使高压脉冲的持续时间等于或超过电流脉冲的持续时间的方式来选择加工电极的振荡模 式和电极靠近速度， 并且在最小电极间间隙值时达到最大压力幅度， 基于供应力值与加工 电极的工作面积的比来确定电极间间隙中的压力， 以使由电极间间隙处的电阻变化曲线界 定的面积在电流脉冲期间是最小的方式来相对于压力最大值调节电流脉冲供应相位。 0019 上述原型样品的缺点涉及当加工电极汇合时(振荡)缺少对电极间间隙处的最大 说 明 书 CN 102380676 A CN 102380691 A3/4 页 5 电解液压力的控制， 这导致降低的加工精度和生产率。 0020。
18、 本发明的目的是使用振荡的加工电极， 通过调整最大压力值并确保最小电极间间 隙与最大电解液压力的最优组合的瞬时的供应电流脉冲的可能性来提高精度， 同时维持电 化学加工的生产率。 0021 发明概述 0022 根据第一实施方式， 通过提供一种使用与对应于电极间间隙处的电解液压力最大 值的振荡相位同步的电流脉冲来在中性电解液中在小的电极间间隙值下进行电化学加工 的方法而实现上文设定的目的， 以特定的方式来设定预定频率和幅度时的加工电极的振荡 模式和电极靠近速度。根据本发明， 以使电极间间隙处的电解液压力的最大值 Pmax(t) 不超 过预定条件下的电极间间隙处的电解液压力的可接受的最大值Pmax的。
19、方式来设定电极靠近 速度。 0023 根据第二实施方式， 通过提供一种使用与对应于电极间间隙处的电解液压力最 大值的振荡相位同步的电流脉冲来在中性电解液中在小的电极间间隙值下进行电化学加 工的方法而实现上文设定的目的， 以特定的方式来设定预定频率和幅度时的加工电极的振 荡模式和电极靠近速度。根据本发明， 当电极间间隙处的电解液压力的最大值 Pmax(t) 高 于电极间间隙处的电解液压力的可接受的最大值 Pmax时， 减小电极靠近速度， 而当电极间 间隙处的电解液压力的最大值 Pmax(t) 低于电极间间隙处的电解液压力的可接受的最大 值 Pmax时， 增大电极靠近速度， 电极间间隙处的电解液压。
20、力的最大值 Pmax(t) 被维持在范围 0.8Pmax Pmax(t) Pmax内。 0024 此外， 根据本发明， 当在高于电极间间隙中的电解液压力的可接受的 最大值 Pmax 的电极间间隙处的电解液压力的最大值 Pmax(t) 下采用加工电极的谐波正弦振荡时， 减小 加工电极的振荡频率， 而当在低于电极间间隙中的电解液压力的可接受的最大值 Pmax 的 电极间间隙中的电解液压力的最大值 Pmax(t) 下采用所述振荡时， 增大加工电极的振荡频 率。 附图说明 0025 通过附图进一步阐明了本发明。图 1 示出了根据第一实施方式的电极间间隙处的 压力分布的时间依赖性图， 其中电极靠近速度 。
21、( 加工电极振荡 ) 未受到控制。图 2 示出了 根据第二实施方式的电极间间隙处的压力分布的时间依赖性图， 其中电极靠近速度 ( 加工 电极振荡 ) 受到控制。 0026 发明详述 0027 以其非限制性的示例性实施方式阐述了本发明以便更好理解， 将在下文更详细地 讨论本发明的非限制性的示例性实施方式。 0028 在压力Po下使电解液(含氧气的盐的水溶液)泵送通过电极间间隙。 加工电极执 行与供应方向同轴的谐波振荡S(t)。 工件和加工电极被连接到具有陡峭的电流电压特性的 单极脉冲电源。测试和计算表明， 当加工电极和工件因从电极间间隙挤出的电解液的粘性 摩擦而在加工电极的较低位置的相位之前的区。
22、域中彼此相向移动时， 电极间间隙中的压力 P(t) 达到其最大值 ( 图 1)。对于预定的条件和电化学加工模式， 基于预定的最小间隙 Smin、 说 明 书 CN 102380676 A CN 102380691 A4/4 页 6 待加工的面积 F 和技术系统的刚度 J 来确定可接受的最大压力值 Pmax。将所述值与加工期 间电极间间隙中的当前压力值 Pt进行对比。 0029 Pmax k1JSmin/F， 0030 其中 0031 Pmax是可接受的最大压力值， MPa ； k1是由待加工的表面的形状和尺寸界定的系数 ； J 是技术系统的刚度， N/m ； Smin是预定的最小间隙， mm 。
23、； F 是待加工的面积， mm2( 第一实施 方式 )。 0032 根据第二实施方式， 如果 P(t) Pmax， 那么减小电极靠近速度， 而如果 P(t) Pmax， 那么增大电极靠近速度， 将电极间间隙处的电解液压力的最大值Pmax(t)维持在范围 0.8Pmax Pmax(t) Pmax内 ( 图 2)。 实施例 0033 使用具有轴向刚度 J 40N/m 的 ET500 机器和具有 400mm2面积的柱形加工 电极， 在 10的硝酸钠水溶液中对由高合金铬钢 40x13 制成的工件进行电化学加工。在 加工过程前， 将振荡的加工电极和待加工的工件移动到接触点， 但不供应制备电流脉冲 (fa。
24、brication current pulse)， 然后将它们移动成相距预定的最小电极间间隙距离Smin 0.01mm。接着设置下面的加工模式 ： 电极间间隙的入口处的电解液压力 Po 0.25MPa ； 供 应速率 0.15mm/min ； 电解液温度 18 ； 电流脉冲和加工电极振荡频率 67Hz ； 电流脉冲持续 时间 2.5ms ； 空转时加工电极的振荡幅度 0.24mm， 电极间间隙处的最大电解液压力瞬间的 电压脉冲幅度10V。 除了电流和电压测量值外， 还测量了加工期间的供应力和电极间间隙的 变化。当完成转换过程时， 电极间间隙的最小值增大了约 17。瞬间 Pmax(t) 时的制备。
25、电流 脉冲的供应伴有在脉冲前沿的电压尖峰Umax。 因此， 与在频率47.5Hz下的加工相比， 加工误 差增大约 20。( 见下表， 最优模式满足要求 0.8Pmax Pmax(t) Pmax)。 0034 表 0035 f.Hz Pmax， MPa Pmax(t)， MPa Smin(t)， mm Umax， V 67 1.1 2.4 0.023 18 47.5 1.1 1 0.014 13 0036 因此， 在最优加工电极振荡频率下 ( 基于电极间间隙中的电解液压力最大值和预 定的电极间间隙的最小变化的条件的最优的加工电极靠近速度 ) 进行的加工提供更高的 电化学加工精度， 同时维持其生产率。 0037 因而， 本发明使用振荡的加工电极， 通过调整最大压力值并确保最小电极间间隙 与最大电解液压力的最优组合的瞬时的供应电流脉冲的可能性来允许提高精度， 同时维持 电化学加工的生产率。 说 明 书 CN 102380676 A CN 102380691 A1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102380676 A 。