基于双电层电容的微细电解加工间隙的在线检测方法

摘要

一种基于双电层电容的微细电解加工间隙的在线检测方法，首先采用有侧壁绝缘层和下端面平整且保持裸露的微小尺寸金属部件作为电极，然后把表面积大电极数个数量级的金属工件固定在电解池中；将电极移动至金属工件上方，将钝性电解液以恒定速度V侧流冲入，引起加工间隙h变化，进而引起圆柱电极、钝性电解液和金属工件之间总等效双电层电容C2改变，从总等效双电层电容C2大小的改变可检测出加工间隙h的大小，最后，采用阻抗测量法，将总等效双电层电容C2作为被测对象，在数微秒内测量出总等效双电层电容C2的值，即可获得加工间隙h的值；方法简单，易于实现，能在数毫秒内在线精确检测出加工间隙的大小。

说明书

技术领域

本发明涉及电解加工间隙的检测技术领域，具体涉及一种基于双电层电容 的微细电解加工间隙的在线检测方法。

背景技术

电解加工（Electrochemical Machining，ECM）是利用电流流过加工间隙使 阳极金属在电解液中以离子形式溶解，从而将阳极金属工件加工成型的一种加 工方法。电解加工与传统机械加工及常用特种加工方法（激光加工、电子束加 工、离子束加工、超声加工、电火花加工等）相比而言，有以下优点：应用范 围广，凡是导电材料均可加工，且不受材料的强度、硬度和韧性等影响；工件 材料以离子形式被去除，理论加工精度高，可达微米甚至纳米尺度；表面质量 好、无热影响层，加工后工件表面无残余应力及毛刺；工具电极无损耗。常规 尺度电解加工在制造领域中已成为一种不可或缺的加工手段。自上世纪90年代 以来，随着性能优异的金属合金材料的不断涌现和对高精度高质量微三维结构 零件需求的日益增长，促使微细电解加工（Micro-ECM或μECM）有了迅速发 展。

在微细电解加工中，为了提高加工定域性，减少杂散腐蚀和降低工件表面 粗糙度，进而提高加工精度和加工质量，通常采用的方法有：一是通过控制高 频脉冲电信号的幅值、频率及电极进给速度，来减小加工间隙，加工间隙的变 化将直接影响加工零件的形状精度和尺寸精度；加工间隙过大，将导致加工效 率降低，甚至不加工；在保证正常加工的前提下，加工间隙越小，脉宽越窄， 加工精度越高。二是减小电极尺寸及改变电极的边缘条件，比如对电极部分表 面进行绝缘处理等，以减少电极周围电力线的影响。另外，采用低浓度钝性电 解液也是必要的技术手段之一。当加工尺寸缩小至介观尺度时，工具电极约为 数微米至数百微米，加工间隙也只有数微米至数十微米。加工间隙过小，电解 液更新及加工产物（电解泥及气泡）排出不畅，可能导致打火或短路，严重时 还将损坏工具和工件，致使加工失败，加工稳定性变差，重复误差变大。工件 阳极溶解过程中的很多因素造成加工间隙的变化，加工间隙受电场、流场、金 属/溶液界面电化学特性等几方面因素影响，随着加工时间和加工位置的不同而 变化；它是决定加工精度的关键因素之一，直接影响加工效率、表面质量和加 工稳定性，也是设计工具阴极、选择加工参数的主要依据，是电解加工的核心 工艺要素。

目前国内外先后出现了多种电解加工间隙的检测方法，主要分为两大类： 间接测控法和直接检测法。间接测控法是通过对影响加工间隙的电压、电流、 电解液电导率、电解液浓度、pH值、温度、流量等加工参数的控制达到对间隙 的测控。间接测控法主要包括恒参数测控法、自适应测控法和模型预测法等。 直接检测法是加工过程中对间隙进行采样，或对反映间隙的电信号等信息进行 采样，然后对加工参数进行修正，使加工间隙接近理论值。直接检测法主要包 括感应涡流探测法、超声测距法、电磁辐射检测法、周期循环对刀法、原电池 电势法、加工电压波形畸变法、间隙平均电流检测法等，直接测量加工间隙。

恒参数测控法加工过程中影响间隙的主要参数采样是在间隙外的区域完成 的，因而并非实时值，而是宏观的平均值，不能实时在线检测加工间隙，控制 效果一般，难以实现高精度加工。

自适应测控法通过使加工参数之间相互按照一定的规律变化，以相互抵消 这些参数分别引起的间隙变化，达到间隙恒定的目的。自适应控制法的主要缺 点是只能控制平均间隙，在达到平衡之前，由于毛坯型面的误差，加工表面上 各点间隙差异大，平均间隙就不能正确反映最小间隙了，这时只控制平均间隙 容易造成最小间隙过小而短路、烧伤；或最小间隙过大而降低整形效率。美国 Anocut公司、德国AEG公司分别采用电解液电导率、电解液浓度、pH值为控 制信号的自适应控制方法，虽然综合了温度、浓度的信息，但仍不能全面反映 间隙状态，效果不太理想。

模型预测法是通过模型预测出最小理论间隙的工艺参数，对信号与间隙值 进行线性修正，使加工间隙接近于最小理论间隙。如美国Nebraska-Lincoln大学 的B.Wei和K.P.Rajurkar等学者，对脉冲电解加工的电流信号进行随机建模分析 和对电流信号的频谱分析，提出可采用电流信号的方差等特征来检测间隙。这 种方法结构简单，但没有得出方差信号与加工间隙值之间的定量关系式，无法 进行定量检测，而且适用于间隙较大的场合。再如基于六维力和加工电流，利 用多传感器数据融合理论，得到间隙融合方程式。该融合方程式比六维力或加 工电流单独信号得到的方程更准确反映加工间隙值，这种方法适合于在线检测 加工间隙0.2~0.4mm，误差在<10%左右的宏观尺度工件的间隙检测，而对于微 细电解加工而言，由于电极尺寸很小，而且冲液压力很小电解液作用在工具电 极上的压力非常微弱，这种基于力信号的间隙检测难以适用，且传感器安装比 较困难。再如，基于统计的电加工间隙检测中，间隙状态通过用间隙检测的统 计信息及贝叶斯最小风险决策方法识别，使用该识别结果进行伺服控制。模型 预测法可提高电加工的可靠性和稳定性，但对间隙本身并未实现在线检测，而 且误差较大。

感应涡流探测法是利用感应涡流在线、非侵入检测加工间隙的一种检测方 法。但电涡流传感器安装困难，而且对电解加工的一些特定工艺参数，如工具 和工件的材料成分、密度、电解液的电导率，都非常敏感，这使得测量结果的 可信度比较差。

超声测距法是利用超声波在线测量加工间隙的一种检测方法。但超声波传 播受温度及加工间隙内气泡影响，且这种方法对电极尺寸和电解液流道尺寸有 一定要求，精度不高，而且探头安装困难。

电磁辐射检测法是利用间隙中辐射出的射频信号与加工状态之间的关系， 检测加工间隙的一种检测方法。该方法可以定性监测间隙状态，但不能精确测 量间隙值，结构复杂，实现难度较高，测量误差较大。

周期循环对刀法是利用周期接触检测（对刀）维持加工间隙的一种检测方 法。这种方法在线、准实时地将加工间隙维持在一定范围（有微小波动），可减 少加工时火花和短路等异常情况的发生，提高加工质量，且这种方法实现较为 容易，具有一定精度，但周期性接触检测会使加工效率有所降低，且会产生点 蚀，降低表面粗糙度。

原电池电势法是通过停车后测量极间原电池电势值来判断间隙大小的一种 方法。该方法没有接触误差，但测量精度不高，无法实现高精度加工。

加工电压波形畸变法是将畸变信息作为控制间隙的依据而实现间隙检测的 一种方法。虽然能够测出加工间隙大小，但该方法只能用于正弦波或斩断的正 弦波脉冲电流加工，应用范围有限。

间隙平均电流检测法是通过电流平均值及其方差这两个参数对间隙进行检 测的一种方法。该平均电流检测装置还具有结构简单、成本低、可靠性好等优 点，但检测精度较低，无法实现高精度电解加工。

上述方法在宏观尺寸的电解加工过程中，实现了加工间隙的检测或加工状 态的预测，但对于间隙大小的精确值以及间隙状态的准确预测仍然缺乏实用有 效的手段，尤其是应用于微细电解加工时，如何在加工精度达到所期望要求的 前提下，简单、高效、精确、快速地实现加工间隙的在线检测，在微细电解加 工中，仍为有待解决的关键技术问题。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目在于提供一种基于双电层 电容的微细电解加工间隙的在线检测方法，本发明方法简单，易于实现，能在 数毫秒内在线精确检测出加工间隙的大小，为实现高精度、高质量工件的稳定 微细电解加工提供了必要条件。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于双电层电容的微细电解加工间隙的在线检测方法，包括如下步骤：

步骤1：首先采用有侧壁绝缘层2和下端面平整且保持裸露的金属部件作为 电极1，然后把与电极1相比而言，表面积大数个数量级尺寸的金属工件5装夹 并固定在电解池7中；

步骤2：将电极1移动至金属工件5上方，然后将钝性电解液8以恒定速度 V侧流冲入，当钝性电解液8以恒定速度V侧流冲入后，加工间隙h的变化引 起间隙内的流速发生改变，间隙内的流速改变引起电极下端面/溶液界面3和工 件电极/溶液界面6上感应电场强度的变化，进而引起其界面净电荷密度的改变， 界面净电荷密度的变化引起界面流动电势的变化，从而引起界面第二双电层电 容C₂和第三双电层电容C₃的改变，即引起圆柱电极1、钝性电解液8和金属工 件5之间的总等效双电层电容C₂的改变，加工间隙h的变化导致总等效双电层 电容C₂的大小改变，从总等效双电层电容C₂大小的改变可检测出加工间隙h 的大小，加工间隙h变大，等效双电层电容C₂也变大，反之亦然，其间的电解 液等效电阻为R；

其中：加工间隙h为：电极1下端面与钝性电解液8的电极下端面/溶液界 面3，距离工件5上表面与钝性电解液8的工件电极/溶液界面6之间的高度；

总等效双电层电容C₂为：电极1的侧壁绝缘层2与钝性电解液8的电极绝 缘侧壁/溶液界面4上的第一双电层电容为C₁，电极1的电极下端面/溶液界面3 上的第二双电层电容C₂远远大于第一双电层电容C₁，第二双电层电容C₂与第 一双电层电容C₁相并联后的等效电容值约等于第二双电层电容C₂，工件电极/ 溶液界面6上的第三双电层电容C₃远远大于电极下端面/溶液界面3上的第二双 电层电容C₂，第二双电层电容C₂与第三双电层电容C₃串联后的等效电容值约 等于第二双电层电容C₂，则电极下端面/溶液界面3上的第二双电层电容C₂即是 电极1、钝性电解液8和金属工件5之间的总等效双电层电容；

步骤3：最后，采用现有的阻抗测量法，将电极1、钝性电解液8和金属工 件5之间的总等效双电层电容C₂作为被测对象，在数微秒内测量出总等效双电 层电容C₂的值，即可获得加工间隙h的值。

所述电极1为圆柱电极。

所述钝性电解液8为NaNO₃或NaClO₃电解液。

所述的阻抗测量法中，将电极1、钝性电解液8和金属工件5之间的总等效 双电层电容C₂作为被测对象，在被测对象外部施加峰-峰值电压为数百毫伏、频 率为数百KHz的正弦信号，保证电极下端面/溶液界面3和工件电极/溶液界面6 上发生的电极反应极少，使金属处在钝化状态。

通过本发明基于双电层电容的微细电解加工间隙的在线检测方法，在加工 系统中不增加额外传感器的前提下，采用电解液侧流冲液方式，利用工具电极/ 溶液界面上双电层电容值随加工间隙改变而变化的关系，精确、快速地实现加 工间隙的在线检测。具有方法简单，易于实现，当0<h<100μm时，其测量精度 高达±1μm；另外，能在数毫秒内、快速检测出加工间隙的大小等优点，为实现 高精度、高质量工件的稳定微细电解加工过程，提供了必要条件。

附图说明

图1是基于双电层电容的微细电解加工间隙的在线检测方法的装置结构示 意图。

图2是电极下端面/溶液界面和工件电极/溶液界面等效电路示意图。

图3是理论仿真、实验测量双电层电容与加工间隙之间的对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，选用的金属工件5为金属平板，在金属工件5上采用 有侧壁绝缘层2和下端面平整且保持裸露的微小尺寸金属圆柱体作为电极1，针 对微细柱状电极端面电解铣削加工微三维结构的工艺过程，设计出一种基于双 电层电容的微细电解加工间隙的在线检测方法。首先采用有侧壁绝缘层2和下 端面平整且保持裸露的微小尺寸金属圆柱体作为电极1，把与电极1相比而言， 大数个数量级尺寸的金属工件5装夹并固定在电解池7中，将电极1移动至金 属工件5上方，然后将钝性电解液8以恒定速度V侧流冲入。当钝性电解液8 以恒定速度V侧流冲入后，加工间隙h的改变引起界面第二双电层电容C₂和第 三双电层电容C₃的变化，即引起圆柱电极1、电解液8和金属工件5之间的总 等效双电层电容C₂的改变。加工间隙h的改变导致总等效双电层电容C₂的大小 变化，从总等效双电层电容C₂大小的变化可检测出加工间隙h的大小。加工间 隙h变大，等效双电层电容C₂也变大，反之亦然。当0<h<100μm时，其测量精 度高达±1μm。所述的覆盖有电极外壁绝缘层2和电极下端面平整且保持裸露的 微小尺寸金属圆柱电极1可以由电极外壁绝缘层2和电极下端面平整且保持裸 露的微小尺寸金属其他形状的电极所代替。

实验中采用AV2781A型LCR测试仪，应用阻抗测量法，将电极1、钝性电 解液8和金属工件5之间总等效双电层电容C₂作为被测对象，电极直径为 100μm，钝性电解液8为浓度为0.5mol/L NaNO3，在被测对象外部施加电压为 0.5V、频率为100KHz的正弦信号，保证电极下端面/溶液界面3和工件电极/溶 液界面6上发生的电极反应极少，使金属电极处于钝化状态，在数微秒内测量 出等效双电层电容C₂的值。在三种不同冲液速度下，当加工间隙h在0~100μm 范围内逐渐增大时，对应的等效双电层电容C₂也从约2.6nF逐渐单调递增至约 5nF左右，其对应变化趋势如图3中的实线所示。

当电解液侧流冲入速度u₁为0.505m/s、加工间隙h在0~100μm范围内逐渐 增大时，仿真中对应的等效双电层电容C₂从约2.47nF逐渐单调递增至约4.12nF 左右，如图3中的方框点线所示；实验中对应的等效双电层电容C₂从约2.6nF 逐渐单调递增至约4.3nF左右。如图3中的黑方框实线所示。

当电解液侧流冲入速度u₂为0.655m/s、加工间隙h在0~100μm范围内逐渐 增大时，仿真中对应的等效双电层电容C₂从约2.49nF逐渐单调递增至约4.54nF 左右，如图3中的圆圈点线所示；实验中对应的等效双电层电容C₂从约2.6nF 逐渐单调递增至约4.6nF左右。如图3中的黑圆圈实线所示。

当电解液侧流冲入速度u₃为1.058m/s、加工间隙h在0~100μm范围内逐渐 增大时，仿真中对应的等效双电层电容C₂从约2.49nF逐渐单调递增至约5.12nF 左右，如图3中的三角点线所示；实验中对应的等效双电层电容C₂从约2.67nF 逐渐单调递增至约4.89nF左右。如图3中的黑三角实线所示。

通过分析、仿真和实验可知，当加工间隙h在0~100μm范围内逐渐增大时， 对应的等效双电层电容C₂也从约2.5nF单调递增至约5nF左右，当冲液速度大 于1m/s时，加工间隙h增大，其相对误差也逐渐变大，在冲液速度为1.058m/s 下，理论仿真与实验测量值之间的最大相对误差小于10%。通过工具电极/溶液 界面处双电层电容值C₂的大小来检测加工间隙，当0<h<100μm时，该方法的检 测精度可达±1μm。