電化學去內交叉孔毛刺專用機床電氣系統設計

朱勛鵬

(昆明船舶設備研究試驗中心，昆明　650051)

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電化學去內交叉孔毛刺專用機床電氣系統設計

朱勛鵬

(昆明船舶設備研究試驗中心，昆明650051)

摘要：經機械加工后的內交叉孔毛刺大小不一、可達性差，去除較為困難。確定采用從毛刺根部插入加工電極的電化學去毛刺加工方法，分析了電化學去毛刺機床的基本構成及特點，在此基礎上對機床的電氣系統進行了設計與研究，完成了主電氣回路、安全檢測系統、控制系統、控溫系統的設計及加工電源的選取。該系統具有極間短路檢測、安全操作保護、提供溫度適合的電解液、按設定參數控制加工過程等功能，具有操控方便，使用安全，可靠性好的特點。

關鍵詞：電化學去毛刺；專用機床；電氣系統；內交叉孔

0引言

內交叉孔毛刺通常是指鉆削與零件主孔垂直或傾斜的徑向表面時在內腔處形成的不良殘留物。ISO13715對毛刺的定義是：加工或成型過程殘留在理想幾何形狀之外邊緣部分的粗糙剩余材料[1]。毛刺的存在會影響工件質量及使用壽命，妨礙機械系統的裝配，因此對毛刺的去除必不可少[2-5]。

對于可達性差的內交叉孔毛刺，一直是個令人頭痛的問題，當前工廠主要采用手工法進行去除，即操作工人利用毛刷、倒角刀具等進行毛刺去除。該方法自動化程度低、成本較高，且脫落的鐵末容易附著在零件小孔內，影響零件的使用[6]。

電化學去毛刺是用工裝將工件定位夾緊后，在毛刺部位相應處安裝合適的工具電極，隨后控制電解液在接通電流的工件和工具之間通過，瞬間溶解毛刺，去毛刺的同時，在內通道相交處產生均勻、精確的倒圓邊角。該方法具有效率高，加工質量好，并適合用于去除可達性差的內孔毛刺的優點[7]。

作為加工工藝的載體，機床的性能的好壞直接決定了加工零件的質量與精度，電化學去毛刺加工是一種先進的去毛刺技術，加工過程涉及電場、流場、電化學反應等各類因素綜合作用，故此決定了電化學去毛刺機床的特殊性和復雜性[8]。本文對內交叉陣列孔毛刺進行分析，結合電化學去毛刺方法，對用于去除內交叉孔毛刺的電化學去毛刺機床電氣系統進行設計，該系統具有操作可靠，使用方便的特點。

1內交叉孔毛刺特點及去除原理

進行去毛刺加工時，毛刺大小是確定加工條件和去毛刺工具布局形式的依據。對于內交叉小孔毛刺，由于毛刺位于可達性差的零件中空內腔內，且高度較大，因此適合采用從毛刺根部插入電極的加工方法，當根部毛刺被完全溶解后，其余毛刺脫落，去毛刺過程完成。

進行去毛刺加工時，將電源正極與工件相連作為陽極，負極與銅電極相連作為陰極，當通以一定的加工電壓后，工件毛刺處的自由電子從導線中沿著電源正極方向定向運動至銅電極，電解液中的陰離子向陽極移動，其中水離解的OH-與在鐵金屬表面和溶液接觸的Fe2+進行電化學反應生成墨綠色的Fe(OH)2，進而從鐵金屬表面脫落，并終止形成黃褐色的Fe(OH)3，完成毛刺的去除，而陽離子則向陰極處移動，銅電極表面的電子被H+得到生成氫氣逸出。

2化學去毛刺機床的構成與特點

電化學去毛刺機床由機械系統、電解液系統和電氣系統三大部分組成，如圖1所示。其中，機械系統是機床最基本的部分，它對整個機床而言就相當于人體的骨架，對機床的安裝起到連接紐帶作用，并在加工時為工件提供合理的棲身之處；電解液系統專門負責輸送純凈且成分配比合理的電解液至加工區，同時回收加工后的電解液與電化學產物；電氣系統相當于人體的心臟、大腦及傳輸神經，向整個機床提供能量，并對去毛刺加工過程進行檢測與操控。特別地，電化學去毛刺機床工作在一個潮濕、電氣干擾性較強的惡劣環境中，對機床的電氣系統必須做好相應的絕緣處理。

圖1　去毛刺機床系統結構圖

與一般機械加工機床相比，電化學去毛刺機床工作時需運輸高速流動的電解液和傳導數十至上百安培(單工位最大可達到50安培，多工位加工時甚至會達到幾百安培)的大加工電流，故在對機床的整機設計時必須考慮機床的最大加工能力和電解液循環系統的布局及匹配問題，對加工電源及相應的電氣元件進行合理的選擇及設計。此外，機床必須具有良好的剛度、密封性以及耐腐蝕性等。

3電氣系統的基本構成

電氣系統是整個機床上所有電路的集合，主要包含主電氣回路和相應的檢測與控制回路。機床加工時電解液的輸送與否、加工電源對兩極進行送電與否、工裝夾具對工件與電極的定位夾緊與拆卸、檢測系統上電等，都是通過電氣系統傳遞電信號來實現的。

3.1主電氣回路設計

主電氣回路相當于人體的傳輸神經，遍布整個機床，將操作人員給出的指令傳遞到機床的各執行部件完成相應動作，同時將檢測系統得出的各參數傳至相應顯示界面與控制系統中，具體線路布局如圖2所示。

主電氣回路由機床總電源開關Q1，熔斷器FU1、FU2，交流接觸器KM1與直流接觸器KM2常開主觸點、KM3常閉主觸點，空氣開關Q2、Q3，熱繼電器KR1、KR2，液壓泵電機M1、氣泵電機M2，380V轉220V變壓器，控制工裝夾具的電磁換向閥開關K1、K2、K3、K4，連接220V電壓的電解液檢測裝置、可輸出合適工作電壓的加工電源以及將220V電壓轉換輸出適合于控制系統與與保護電路的開關電源。檢測與控制回路的構成包含接觸器KM1、KM2、KM3的線圈，電磁閥線圈YA1、YA2、YA3、YA4，接近開關SQ、去毛刺過程控制系統及溫控系統。

圖2　機床主電氣回路

工作時，首先按下總開關Q1，為機床引入380V交流電，經過變壓器處理，可以為加工電源等裝置提供220V交流電，閉合空氣開關Q2，完成氣泵的供電，閉合空氣開關Q3，機床各部分完成配電，隨后可通過控制電磁換向閥開關K1、K2、K3、K4控制氣動夾具完成工件與工具的定位與裝夾，當檢測系統檢測無短路現象發生、各加工參數正常時，且保護系統確定安全后，啟動控制去毛刺過程控制系統開始加工，當加工結束后，控制電磁換向閥開關K1、K2、K3、K4完成工件的拆卸，整個過程結束。其中，K1、K2為控制工位1工作與非的控制按鈕，K3、K4為控制工位2工作與非的控制按鈕。

3.2安全檢測回路設計

圖3　安全檢測回路工作流程圖

設計安全檢測回路的目的是為了確保使用機床過程的安全，其具體工作流程如圖3所示。根據其功能的不同可細分為操作保護電路和短路檢測電路。一方面，為了避免在對工件進行夾持與拆卸時因操作失誤引發觸電的危險，設計了操作保護電路，即當機床推拉門沒關上時，則操作保護回路將控制電源正極與工件之間將處于開路狀態，并直至操作門關閉后才對工件部分進行送電。另一方面，電化學去毛刺加工中，工具電極很容易和工件突起的毛刺相接觸，發生短路現象，若此時給兩極通電進行加工，電極與工件之間將會通過很大的電流，容易損壞電源并燒傷工件和加工電極，造成巨大的損失。因此，電化學去毛刺加工機床中應設有短路檢測電路。即在工件和電極通電之前，先接通短路檢測電路對極間是否短路進行檢測。如果兩極之間短路，則檢測電路會產生報警信號，阻止對兩極進行上電。

圖4　短路檢測電路

短路檢測電路如圖4所示，啟動檢測系統后，則電流傳感器WCS2702向控制器傳遞相應信號，若兩極間發生斷路現象，即兩極間電路導通，通過較大的電流時，由控制系統的相應端口輸出信號控制三極管8550驅動蜂鳴器進行報警提示操作人員，同時控制系統輸出相關信號對直流接觸器KM3線圈進行控制驅動KM3常閉主觸點斷開，避免了因為短路造成加工電源、工件及電極的損壞。

為了確保操作安全，避免誤操作而引發危險，在加工電源正負極連接工件和電極的線路中間添加了一個繼電器，該繼電器通過安裝在機床床身上的電感式接近接近開關進行控制。若機床的操作門處于打開狀態，則接近開關遠離機床操作門，則接近開關不輸出信號，繼電器處于斷開狀態，使得工件與電極處均不帶電，保證了操作過程的安全。當關閉機床操作門時，接近開關控制直流接觸器KM2的線圈接通KM2主觸點，將電源正負極與工件和工具電極接通，此時若控制系統驅動電解液泵向工作區域輸送電解液，則加工開始。電感式接近開關主要由振蕩器、開關電路及放大輸出電路三大部分組成，其工作原理如圖5所示。通電后振蕩器產生一個交變磁場。當關閉機床操作門時，由于機床門為金屬材料，當其進入交變磁場的感應范圍，會在接近開關接近機床門處產生渦流，引起震蕩衰減，導致停震。振蕩器振蕩及停振信號被開關放大器放大處理并轉化成開關信號，觸發與之相連的繼電器吸合，接通電源與兩極之間的線路。

圖5　電感式接近開關工作原理示意圖

3.3控制系統設計

控制系統相當于人的大腦，對各過程進行相應指令的發送。具體結構框圖如圖6所示，其主要由單片機EPM570T100C3N、交流接觸器KM1、直流接觸器KM3、X25045存儲模塊、顯示器、鍵盤、復位電路及檢測系統組成。鍵盤用于輸入和調整所需加工時間，X25045對其進行存儲，并采用發光二極管進行顯示。當工件與工具完成裝夾經檢測回路確定無短路現象發生，且判定各項加工工藝參數合理后，按下鍵盤上的運行鍵驅動交流接觸器KM1和直流接觸器KM3線圈使工件與電極進行通電并驅動電解液泵向極間間隙輸送電解液開始電化學去毛刺加工，單片機通過定時系統與鍵盤輸入參數進行比較，當達到設定的加工時間后，單片機輸出信號驅動交流接觸器KM1和直流接觸器KM3的線圈斷開KM1、KM3主觸點控制兩極斷電及電解液泵的斷電，完成電化學去毛刺加工。

圖6　控制系統結構框圖

該控制系統以單片機EPM570T100C3N作為控制核心，成本低廉。其次，該系統適應性強，針對大小不一的毛刺，所需的去毛刺時間不盡相同，只需通過鍵盤設置不同的加工參數就可適應不同零件的去毛刺加工需求。

選用三相固態繼電器TSR-40DA-H作為交流接觸器KM1以便實現對電解液泵的控制。TSR-40DA-H是一種無觸點通斷電子開關，通過在其輸入控制端輸入3～32V直流電壓進行控制，輸出受控端可連接24～480V的交流電，額定工作電流高達100A。具有結構強度高、耐沖擊、抗震動性強的優點。直流接觸器KM2、KM3分別選用沈陽二一三控制電器制造有限公司生產的BC98-Z11020Z1、BC98-Z11002Z1接觸器，該類直流接觸器的額定工作電流為110A。其中，控制器輸出的電壓信號采用三極管放大至24V進而完成對KM3線圈的控制。

3.4加工電源的選擇

去毛刺加工時，電源相當于人體的心臟，起到提供能量的作用，其性能的好壞直接影響工件毛刺的去除效果。由于電化學去毛刺加工的電流密度很大(10～100A/cm2)，所以電源的輸出電流也較大。電化學去毛刺加工時的電壓穩定性對加工精度有很大影響，電壓波動將直接導致加工電流變化。所以電化學去毛刺機床配套的直流電源應有良好的穩壓性能，電壓的波動范圍應控制在±(1%～2%)范圍內。為機床配置電源時，必須考慮成本等因素，故在滿足加工要求的條件下，電源容量不應過大也免造成成本過高。電源容量的大小主要根據工件毛刺部位投影面積和電流密度的乘積而定[9]。

為了避免去毛刺時發生意外短路而燒壞陰極，致使設備故障而無法加工，加工電源必須具有短路保護裝置以便短路時能迅速切斷電源，保護工具陰極和工件不被燒傷。綜合上述要求及成本等多方面因素，可以采用兆信KXN-30010D高效率恒壓、恒流型高頻開關電源作為機床加工電源，該電源電壓范圍為0～30V，最大輸出電流為100A，顯示精度為±1%±1字。具有帶載能力強、連續工作故障率低的特點，并帶有過壓、過溫、過載、過流保護功能。

3.5控溫系統設計

在對工件進行電化學去毛刺加工時，電解液溫度對加工速度、加工精度及表面質量均有影響。若加工過程中電解液溫度變化過大，會使得工件的加工精度和表面質量降低。適當提高電解液溫度可增加電解液的導電性，降低極化，防止陽極鈍化，以增大加工速度。另一方面，電解液溫度的增加將使得電導率增大，進而增大加工速度，最終使得極間間隙快速增大。

根據電化學去毛刺的加工要求及特點，電解液溫度一般應控制在20℃～35℃范圍內，若電解液的溫度低于20℃時，工件陽極表面(即毛刺部分)會發生鈍化、結疤現象，使得加工過程不能連續正常地進行；若電解液溫度過高時，會造成電解液的局部沸騰、蒸發，出現空穴進而導致工件和工具之間發生短路現象，最后燒傷工件表面[10]。因此，必須設計控溫系統對電解液溫度進行嚴格的控制。

圖7　控溫系統工作原理圖

控溫系統包括冷卻器、加熱器、溫度傳感器和溫度控制器，其工作原理如圖7所示。將溫度傳感器放置于電解液槽的中部，單片機通過接受溫度傳感器信號進行判定，若電解液溫度高于35℃，則單片機輸出高電壓信號控制連接在電源與冷卻器間的常開繼電器1閉合，啟動冷卻器，對電解液進行降溫；若電解液溫度低于20℃，則單片機輸出高電壓信號控制連接在電源與加熱器間的常開繼電器2閉合，啟動加熱器，對電解液進行加熱；當溫度傳感器傳給單片機的信號在20℃～35℃之間時，則單片機輸出低電壓信號，確保繼電器1、2處于斷開狀態。

4結論

本文介紹了一種適合于內交叉小孔毛刺去除的電化學去毛刺機床電氣系統的設計，分析了電化學去毛刺機床電氣系統的特殊性及應具備的功能，在此基礎上完成了包括防止操作失誤而引發危險的安全保護電路、避免兩極短路而燒傷設備的短路保護電路、控制去毛刺加工過程的控制系統、確保向工作區輸送溫度適合的電解液的控溫系統等的設計。該系統能很好地滿足電化學去毛刺機床對電氣系統的相關要求，并能安全可靠地實現對內交叉孔毛刺去除過程相關參數的控制與檢測。具有操作方便、安全性好、可靠性高、適應性廣的特點。

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(編輯李秀敏)

文章編號：1001-2265(2016)07-0063-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.018

收稿日期：2015-08-31；修回日期：2015-10-04

作者簡介：朱勛鵬(1989—)，男，云南巧家縣人，昆明船舶設備研究試驗中心助理工程師，碩士，研究方向為機電一體化技術與機器人，(Email)xunpeng.ok@163.com。

中圖分類號：TH16；TG65

文獻標識碼：A

Design of the Electrical System on Special Machine Tool forElectrochemicalDeburringinInternalCrossedHole

ZHU Xun-peng

(KunmingShipborneEquipmentResearch&TestCenter,Kunming650051,China)

Abstract：The burr of internal cross hole，which was formed after mechanical processing，has a series of characteristics such as they are not of uniform size,has poor accessibility and so on.Deburring was very difficult. The method of electrochemical deburring that machining electrode is inserted from the root of burr was confirmed.This paper analyzes the basic structure and characteristics about the machine tool for electrochemical deburring,based on this,the electrical system of machine tool was designed, which consist of main electrical circuit, security detection system,control system,temperature detect system and processing power.This system can achieve a series of functions, such as,detecting the short circuit phenomenon between the cathode and the anode,ensuring the safety of the operation,providing electrolyte which have suitable temperature,controlling the process according to parameter setting,etc.What’s more,it can be operated easily,safely and reliably.

Key words：electrochemical deburring;special machine tool;electrical system;internal crossed hole