梁延德，舒利明,，夏恒，何福本

（1.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024；2.东京农工大学机械系统工程系，日本东京 184-8588）

电解制备同轴微细电极组件偏心误差的分析与修正研究

梁延德1，舒利明1,2，夏恒2，何福本1

（1.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024；2.东京农工大学机械系统工程系，日本东京 184-8588）

在微细电极电解制备过程中，由于电极装夹不当等原因，会引起同轴微细电极组件产生偏心误差。通过分析电解制备过程，运用高速图像采集手段对加工过程中的电极边缘进行动态影像采集，并运用图像处理方法进行偏心误差量化分析。在此基础上提出工艺修正对策，通过适当改变电解间隙和阳极转速，可较好地实现对偏心误差的纠正。

微细电极；电解制备；偏心误差；图像处理

对于微细孔、微细三维结构的加工，通常有电化学放电加工、电火花加工、电解加工、电解电火花复合加工、超声复合放电加工、超声复合电解加工等方法[1-2]。这些方法通常利用微细电极作为加工工具，对零件进行电加工操作，因此，电极自身的误差会直接影响零件的加工质量。目前，微细电极的制备方法主要有：线电极电火花磨削法、块电极反拷法、单脉冲放电法、电火花沉降法、电解加工法、电化学沉降法等[3-8]。其中，电解加工法由于具有加工效率高、成形表面粗糙度好、无热影响层、无内部应力、不受材料硬度限制等优点，故被广泛应用于微细电极加工领域。

为了提高微细电极的电解制备精度，国内外学者进行了大量的实验研究，发现利用工件电极高速旋转以增强电解液搅拌，可有效提高加工稳定性和效率[9-10]。同时，在利用加工得到的微细电极进行后续微细加工时，为避免二次装夹引入的误差，一般将制得的微细电极连同其夹持主轴作为工具电极组件，在高转速下，对工件进行微细电加工操作[9]。在电解制备微细电极过程中，主轴一般具有较高精度，其回转误差可忽略不计，因而微细电极与旋转主轴之间的安装误差成为电极组件的主要误差来源。此类误差主要包括电极径向跳动误差和轴线角度偏摆误差。通常情况下，被夹持电极相对于主轴轴线的角度偏摆误差远小于径向跳动误差，故安装误差可简化为电极的径向跳动误差，即因电极几何轴线与实际旋转轴线不重合而产生了偏心量。

针对上述问题，本文在自行研制的微细电解加工实验平台上，建立一套基于高速视觉采集与图像处理的检测装置，测量旋转电极组件的偏心量大小。在惰性电解液环境中，分析和研究改变电极转速、加工间隙等参数对电极组件偏心量的影响。

1 电解制备实验平台

实验采用的微细电极制备装置及系统组成见图1，由恒流式脉冲电源、电解加工实验装置、高速摄影机及PC机组成。其中，电解加工实验装置由三自由度移动平台、可旋转精密主轴及电解池组成，工件电极位置可在X、Y、Z 3个方向上进行调整，以保证工件电极与工具电极之间的相对位置。

图1 电解制备实验系统

采用KEYENCE VW-9000高速显微摄像机对实际加工过程进行拍摄，观察并确定工件电极几何轴线与旋转轴线之间的空间位置及组件偏心量的大小。在惰性电解液中，采用恒流脉冲电源对初始直径为300 μm的碳化钨（WC）电极进行电解制备，具体实验加工参数见表1。

表1 加工参数表

电解制备微细电极的原理见图2。工件（微细电极）初始直径为D，加工后的直径为d，工件电极浸入溶液深度为L1，由于水表面张力作用，液面以上的工件被加工高度为L2，加工间隙为G，工具电极厚度为H，电极转速为S。

图2 微细电极制备原理示意图

2 数据处理

在实际加工过程中，工件电极一直浸没在电解液中，高速摄影机无法对加工过程进行实时拍摄，因此需采用定时拍摄的方法完成数据采集。在保证摄像机空间位置和工件电极转速不变的前提下，每隔一定的时间段，操作实验平台将工件电极和主轴沿Z轴方向移出电解液，并通过高速摄影机采集电极的旋转图像。然后，采用相关图像处理技术对图像数据进行处理与分析[11]，判定电极在旋转时的几何外边缘及其旋转轴线的位置，具体数据处理流程见图3。

图3 数据处理流程图

由于实验设定的高速摄影机图像采集频率和采集时的电极转速分别为1000 fps、2000 r/min，同时结合实验观察结果，确定所需处理的图像数量为30帧。对图片进行灰度处理，提取各图片的像素数据，并转化为相应的二维数组后，再将数组叠加起来，可得到层高为30的三维矩阵。提取三维矩阵在层高方向上的最大值，重组并转化为平面二维数组，再运用一阶Roberts算子对矩阵数据进行微分处理，可得矩阵行向的两个极大值位置，即图像的轮廓边界。叠加处理前后的电极图像见图4。

图4 叠加处理前后的工件电极图像

如图4b所示，几何轴线1、2分别是通过以外包络面1与外包络面2为电极轮廓右侧、左侧为边界，同时结合单帧图像（图4a）的电极直径确定的。提取处理后图像的左、右轴线位置数据，与摄影机光学标尺进行对比，采用最小二乘法计算出两轴线上各点距离的平均偏差，作为组件偏心量。经实验观察发现，在提取图像边界轮廓过程中存在基本像素点的随机测量误差，结合光学标尺的像素尺寸，经换算可得一个像素点的几何误差约为2.11 μm。因此，在本数据处理中引入±2.11 μm的误差棒，以保证测量和数据处理结果的正确性。

3 偏心误差分析与实验

3.1 电极转速对偏心误差的影响

实验证明在不同工件电极转速下，其加工精度存在很大的差别，因此，电极转速是影响微细电极制备精度的重要因素[9]。基于上述实验系统和条件，通过有规律的改变电极转速，研究其对电极制备过程中偏心误差的影响。图5是不同电极转速下的组件偏心量变化情况。可看出，当电极转速为0 r/min时，其偏心量变化规律呈抛物线形，与初始偏心量相比，加工完成后的组件偏心误差较大；当电极转速达到1000 r/min后，偏心量先不断减小，而后稳定在±5 μm的变化范围内。通过对比可发现，在主轴旋转的情况下，组件偏心量均遵循先减小、后维持在一定范围内的变化规律。

图5 不同电极转速下的偏心量变化对比图

由于在不同装夹条件下，各组实验条件的组件初始偏心量也不相同，因此，无法通过上述实验数据有效地判断转速大小对组件偏心误差修正的效果。本实验通过比较初始偏心量与加工结束后的偏心减小量大小，引入“偏心去除百分比”的概念，作为转速对偏心误差影响程度的指标，其分析结果见图6。可看出，当电极转速为0 r/min时，偏心去除百分比呈负值，表明电极在不旋转时，加工完成后的偏心误差大于组件的初始偏心误差；随着电极转速的增大，偏心去除百分比逐渐变为正值；当转速超过1000 r/min后，偏心去除百分比几乎保持不变，稳定在40%左右。因此可推断，当电极转速较低时，提高转速有利于减小组件的偏心误差；当电极转速提高到一定值后，再提高转速将不再具备提高偏心误差修正的能力。

图6 不同电极转速下的偏心去除百分比

3.2 加工间隙对偏心误差的影响

电解加工过程中，工件电极和工具电极之间的加工间隙大小是直接影响微细电极制备质量的重要因素[12]。通过设定电极转速为2000 r/min不变，研究加工间隙对偏心误差修正能力的影响，实验结果见图7。由于在电解加工中，加工间隙的大小直接影响加工速率的快慢。在加工间隙为100 μm的情况下，当加工时间达到80 s时，工件电极尖端已开始消失，故其加工时间设定为80 s，其余实验的加工时间均设定为90 s。由图7可看出，各加工间隙下的偏心量均呈先减小、后趋于稳定的变化规律，组件的偏心误差均得到了不同程度的改善。

图7 不同加工间隙下的偏心量变化情况

同样地，为减少初始偏心量不同对实验结果的影响，引用偏心去除百分比对实验数据进行分析（图8）。可看出，当加工间隙为100 μm时，偏心去除百分比为16%，偏心量减少效果不明显；而当加工间隙为500 μm时，偏心去除百分比为45%，偏心量明显减小。因此可推断，在一定范围内，适当增大加工间隙，可有效提高对偏心误差的修正能力。

图8 不同加工间隙下的偏心去除百分比

4 结论

针对微细电加工电极组件的电解制备方法，设计了一套具有检测功能的微细电解加工实验装置，并应用图像采集和数据分析等方法，对电极组件制备过程中的偏心误差进行了检测和分析。实验发现，通过改变电极转速和加工间隙等实验参数，可有效减小系统偏心量，并得到以下结论：

（1）在电解制备微细电极组件过程中，改变电极转速可修正组件偏心误差。随着转速的提高，偏心修正能力逐渐变强，但达到某一阈值后，其偏心修正能力趋于稳定。

（2）在一定范围内，适当增大电极间的加工间隙，偏心误差的修正能力也会逐渐增强。

（3）随着加工时间的增加，无论改变电极转速或调整加工间隙，偏心误差修正效果均趋于稳定。

当然，微细电极的电解制备加工中还有一些关键技术需要研究，如何确定电极偏心去除的反应机理及小偏心误差下的偏心修正，都是下一步的工作计划和内容。

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书讯

《第15届全国特种加工学术会议论文集》

本书共分上、下两册，收录了第15届全国特种加工学术会议录用的论文165篇，全面展示了近年来我国特种加工领域学术理论研究和自主技术创新的成果。上册由综述、电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花微细加工、电弧加工5个部分组成，下册由电化学加工、激光加工、增材制造、超声加工、其他特种加工5个部分组成。本书可供特种加工领域的专家学者、科技人员、管理干部、技术工人及院校师生阅读和参考。每册工本费100元（含邮费）。

◆购书款邮汇：[215011]苏州高新区金山路180号电加工与模具编辑部。电话：0512-67274541。

Analysis and Correction Research on Eccentric Error of Micro Electrode Assembly in the Processing of Electrochemical Machining

Liang Yande1，Shu Liming1,2，Xia Heng2，He Fuben1
（1.Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；
2.Tokyo University of Agriculture and Technology，Tokyo 184-8588，Japan）

Because of the improper clamping,there are the eccentric errors in the processing of electrochemical machining for the micro electrode.It is necessary to analyze the processing of electrochemical machining，to design a system for detecting the eccentric errors，in which a high-speed CCD is applied to capture images during manufacturing.Through extracting the edges of the electrode and image data processing，the eccentric errors are measured and confirmed.The different comparing experiments indicate that adjusting the rotational speed of electrode and changing the machining gap properly can improve the index of the eccentric error effectively.

micro electrode；electrochemical machining；eccentric error；image processing

TG662

A

1009－279X（2014）04－0024-04

2014-03-05

梁延德，男，1953年生，教授。