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：
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。
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。
技术实现要素：
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。
本发明具体是通过以下技术方案实现的：
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：
设定电解液的基本参数并由所述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/qd1，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＝(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。
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。
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。
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。
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：
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；
设定：k、d1、ph、s；
赋值：ω＝ω0，ω0为初始电化当量；
m＝l×it，l为常量、it为即时电流、m为电解液流量；
u＝f(k、ω、d1)；
d＝f(u、k、d1)；
ia＝f(k、u、d1、ωt)，2.5d加工模式；
ia＝f(k、d1)，3d加工模式；
vt＝(q、ia)，q为常量；
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)
当△vt→0时，停止迭代，ωt保持不变。
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：
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；
m＝l×it，l为常量、it为即时电流；
u＝f(k、ω、d1)；
d＝f(u、k、d1)；
ia＝f(k、u、d1、ω)，2.5d加工模式；
ia＝f(k、d1)，3d模式；
vt＝f(q、ia)，q为常量；
vt＝(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；
ηs＝f(k、d1、it)，3d加工模式；
△it＝it-it-1；
△it→0时，it自动保持不变、间隙d恒定；
设定：k、ph、ω、u、t，d1＝1，直流加工模式；
i＝f(u、ω)；
v＝f(q、i)，q为常量；
d＝f(ω、k、v)。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
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
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。
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。
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。
具体的，所述精密电解加工的运行控制方法包括以下内容：
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)；
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当量ω；所对应的微分电容为：20～60uf/cm2。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)。
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。
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/qd1，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＝(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。
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：
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；
设定：k、d1、ph、s；
赋值：ω＝ω0，ω0为初始电化当量；
m＝l×it，l为常量、it为即时电流；
u＝f(k、ω、d1)；
d＝f(u、k、d1)；
ia＝f(k、u、d1、ωt)，2.5d加工模式；
ia＝f(k、d1)，3d加工模式；
vt＝f(q、ia)，q为常量；
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)
当△vt→0时，停止迭代，ωt保持不变。
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：
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；
m＝l×it，l为常量、it为即时电流；
u＝f(k、ω、d1)；
d＝f(u、k、d1)；
ia＝f(k、u、d1、ω)，2.5d加工模式；
ia＝f(k、d1)，3d模式；
vt＝f(q、ia)，q为常量；
vt＝(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；
ηs＝f(k、d1、it)，3d加工模式；
△it＝it-it-1；
△it→0时，it自动保持不变、间隙d恒定；
设定：k、ph、ω、u、t，d1＝1，直流加工模式；
i＝f(u、ω)；
v＝f(q、i)，q为常量；
d＝f(ω、k、v)。
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
进一步，所述电解液的基本参数包括电导率、浓度、温度、ph值。
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。
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。
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。
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。
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。
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。