常偊舶，何 利，宋義知，金 雪

(1.沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159; 2.大連中車柴油機有限公司，遼寧 大連 116022)

激光電解復合加工電解液循環(huán)控制系統(tǒng)研究

常偊舶1，何 利1，宋義知1，金 雪2

(1.沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159; 2.大連中車柴油機有限公司，遼寧 大連 116022)

為解決金屬材料微結構的高精度、高效率和高質量的微細加工問題，提出了一種激光電解復合加工新方法.分析了激光電解復合加工電解液流體的冷卻效應以及氣液兩相流的影響原理. 設計了基于激光電解復合加工的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)，分析了控制系統(tǒng)原理，搭建了控制系統(tǒng)硬件結構，并對其軟件系統(tǒng)進行詳細設計. 系統(tǒng)通過柱塞液壓泵和電動調節(jié)閥對電解液增壓并控制其流量，通過溫度傳感器和離子選擇電極檢測數據，實時控制電動調節(jié)閥、加熱器等元件的啟閉，實現電解液循環(huán)控制系統(tǒng)的自動控制.

激光電解復合加工；冷卻效應；氣液兩相流；循環(huán)控制系統(tǒng)

進入新世紀以來，金屬材料微結構的激光，電解微細加工技術得到了高速發(fā)展，同時各種新型復合微細加工技術亦不斷涌現[1]. 激光微細加工存在熱影響區(qū)大、再鑄層厚、表面加工質量差等問題[2].電解微細加工存在效率低、側蝕嚴重、電解產物排除困難等缺點[3].Tangwarodomnukun V等對水輔助激光加工進行了研究，水輔助加工可以有效減小熱影響區(qū)，提高表面粗糙度，但無法消除再鑄層[4].徐家文等對噴射液束電解輔助激光加工進行了研究，電解作用可有效消除微裂紋和再鑄層，提高加工表面質量，但這種加工方法因噴射液束在工件表面向四周散射而產生雜散腐蝕會降低加工精度[5-7].張朝陽等對脈沖激光電化學復合加工進行研究，利用納秒脈沖電流有效地溶解再鑄層，提高了加工表面質量，但因激光能量密度的分布不均勻，導致加工的線條深度不均勻，降低了加工精度[8-9]. 因此，探索一種新的微細加工方法，解決金屬材料微結構的高精度、高效率和高質量的微細加工問題，是非常必要的.

結合激光與電解在微細加工中的技術優(yōu)勢，本研究提出一種激光電解復合加工新方法，通過激光高效去除材料，以高頻脈沖電解有效去除再鑄層，獲得高質量、高精度的微細結構. 為了更好地解決加工過程的實際問題，本研究通過分析電解液流體的冷卻效應以及氣液兩相流的影響，研究電解液流體機理，設計基于激光電解復合加工的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)，搭建了控制系統(tǒng)的硬件結構，并對軟件系統(tǒng)進行詳細設計，從而實現電解液循環(huán)控制系統(tǒng)的自動控制.

1 激光電解復合加工新方法

激光電解組合微細加工方法如圖1所示.通過電解液流體輔助激光加工高效去除鎳基合金材料，形成孔型，極大地減少材料的熱影響區(qū)，降低材料的熱變形和熱損傷，使材料保持其原有結構，提高了加工效率. 在激光加工間隙內，高頻脈沖電解加工通過側壁絕緣管狀電極限制化學反應區(qū)域、小間隙加工、低濃度酸性電解液處理等方法，去除激光加工產生的再鑄層并精密控型，提高了加工質量和加工精度[10].

圖1 激光電解復合加工新方法

2 電解液流體機理

2.1 電解液流體的冷卻效應

電解液輔助激光加工采用電解液流體對微結構邊緣進行有效的冷卻并在激光脈沖間隙內及時地帶走微結構內燒蝕區(qū)域的熱量，使這些熱量不能進一步傳導給工件，極大地降低材料的熱變形和熱損傷，使材料保持其原有結構[11].

2.2 氣液兩相流的影響

在電解加工過程中，電解液流體流過加工間隙的同時，在陰極反應大量析出氫氣，陽極溶解產生電解產物并析出氧氣等氣體，在不考慮體積比很小的電解產物對電解液電導率及密度影響的情況下，可簡化為氣、液兩相流[12]，如圖2所示.

圖2 氣液兩相流示意

陰極析出的大量微小氣泡進入加工間隙電解液中，形成氣液兩相流，電解液電導率隨氣體含量的增加而降低，同時加工電流產生焦耳熱，使電解液電導率產生不均勻分布.

3 電解液循環(huán)控制系統(tǒng)設計

針對激光電解復合加工自動化控制問題，考慮系統(tǒng)的控制要求、工作環(huán)境的特點以及配置、安裝和編程等實際問題，本研究選擇簡單易操作且可靠性高的西門子S7_200系列PLC，使用222中央處理器作為控制核心，設計基于激光電解復合加工的電解液循環(huán)控制系統(tǒng).

3.1 控制系統(tǒng)原理

基于激光電解復合加工的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖3所示. 系統(tǒng)運行前，電解液箱內注入足量的電解液，啟動PLC控制系統(tǒng)，攪拌器工作，系統(tǒng)根據溫度傳感器和離子選擇電極的反饋信號對電解液溫度值和濃度值進行調整(圖4). 液壓柱塞泵啟動，利用電動調節(jié)閥3調節(jié)流量，單向閥防止液體回流，蓄能器平衡液體壓力，保證加工電解液的流量和壓力.系統(tǒng)通過溫度傳感器和離子選擇電極檢測數據，實時控制電動調節(jié)閥、加熱器等元件的啟閉，保持加工間隙電解液溫度、濃度的恒定.

加工后的電解液經電解液箱中間過濾網，先濾掉較大顆粒的電解產物，再通過過濾器進入加工區(qū)域，使電解液純度對加工的影響降到最低. 加工結束時若循環(huán)工作的電解液達到加工極限而變成廢液，則打開截止閥，讓廢液由排出口排出.

圖3 基于激光電解復合加工的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)原理

圖4 電解液循環(huán)系統(tǒng)控制流程

3.2 控制系統(tǒng)設計

電解液循環(huán)控制系統(tǒng)硬件結構如圖5所示.通過PLC控制端的人機交互界面，管理起始、終止控制及溫度、濃度的設定. 以溫度傳感器和離子選擇電極為輸入，放大電路處理之后，由A/D轉換器將模擬信號轉換為數字量輸出到PLC控制中心，再控制電動調節(jié)閥、柱塞液壓泵、加熱器等元件，實現電解液循環(huán)系統(tǒng)的自動化控制.

圖5 電解液循環(huán)控制系統(tǒng)硬件結構

選擇的PLC型號為6ES7 212-1AB23-0XB0.電解液循環(huán)控制系統(tǒng)開關量由2個輸入點和7個輸出點組成.I/O點地址分配如表1所示.添加 I0.2～I0.5常開觸點開關元件，實現系統(tǒng)的自動控制.

西門子S7_200系列PLC可靠性高，并可以用梯形圖、語句表(即指令表)和功能塊圖3種語言編程.本研究選擇直觀、簡單的梯形圖設計軟件系統(tǒng)，利用儲存器M0.0～M1.0代表各步，通過壓力、濃度和溫度并行方法實現控制，再利用STEP 7-Micro/WIN編程軟件和S7_200仿真軟件進行調試，驗證程序的可行性. 控制系統(tǒng)梯形圖如圖6所示.

表1 I/O點地址分配

圖6 電解液循環(huán)控制系統(tǒng)梯形圖

4 結束語

本研究提出一種激光電解復合加工新方法，通過激光高效去除鎳基合金材料，形成孔型，采用側壁絕緣管狀電極限制化學反應區(qū)域、小間隙加工、低濃度酸性電解液電解等方法有效地去除再鑄層，提高了加工質量和加工精度. 分析了電解液流體的冷卻效應以及氣液兩相流影響，研究了電解液流體機理，設計了基于激光電解復合加工的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)，分析了控制系統(tǒng)原理，設計了軟硬件系統(tǒng)，較好地解決了加工過程中去除金屬和非金屬夾雜物造成的極間短路問題. 系統(tǒng)通過柱塞液壓泵和電動調節(jié)閥，對電解液增壓并控制其流量，通過溫度傳感器和離子選擇電極檢測數據，實時控制電動調節(jié)閥、加熱器等元件的啟閉，實現了電解液循環(huán)控制系統(tǒng)的自動控制.

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Research on the Electrolyte Circulation Control System Based on Laser Electrochemical Machining

CHANG Yu-bo1，HE Li1，SONG Yi-zhi1，JIN Xue2

(1.College of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159,China;2.Dalian CRRC Diesell Engine Co.,Ltd,Dalian 116022,China)

In order to improve the precision, efficiency and quality of micro-structure of metal material in micro-machining, this thesis puts forward a new method of laser electrochemical composite machining, analyzed cooling effect of the laser electrochemical composite electrolyte fluid and the theory of the influence of two-phase flow theory. This thesis firstly designed the electrolyte circulation control system based on laser electrochemical machining, and then analyzed the theory of the control system and established the hardware structure of the control system, finally designed the software system in detail. The temperature sensor and ion selective electrode in the control system detected data and the control system supercharged the electrolyte and controlled its flow rate through the plunger pump and the electric booster regulator and simultaneously, the switch of the electric control valve and the heater was controlled, thus the self-control of the electrolyte circulation control system was realized.

laser electrochemical composite machining; cooling effect; two-phase flow; circulation control system

2016-06-10

常偊舶(1991-)，男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向為特種微細加工.

1006-3269(2016)04-0055-06

TP29

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.04.013