一种电火花-电解复合加工占比闭环调控方法及系统

本发明属于特种加工，具体涉及一种电火花-电解复合加工占比闭环调控方法及系统，尤其涉及一种基于高压微气泡的电火花-电解加工占比闭环调控方法及系统。

背景技术：

1、电火花加工（electrical discharge machining, edm）基于极间脉冲放电的瞬时高温实现材料蚀除，不受工件材料硬度、强度限制，可完成复杂型面与型腔结构的精密加工；但其加工后工件表面易产生重铸层与微裂纹，劣化工件表面完整性与服役性能。电解加工（electrochemical machining, ecm）基于电化学阳极溶解原理实现材料去除，加工过程无切削力、无残余应力，可有效消除电火花加工产生的重铸层，表面质量优异；但电解过程伴随析气副反应，全程强电解加工会产生大量有害气体，环保处理与职业健康防护成本高，且电解作用过强易引发杂散腐蚀，导致加工轮廓精度下降、非目标区域受损。

2、电火花-电解复合加工（electrochemical discharge machining, ecdm），是钛合金、高温合金、淬硬钢等难加工金属材料精密制造的关键技术方法，综合了电火花加工与电解加工二者的技术优势。电火花放电产生的瞬时高温可局部破坏工件表面的钝化膜，为电解溶解提供反应位点，以此保障电解过程稳定进行，电解溶解可修整放电缺陷、优化表面完整性。但该复合加工模式也存在固有的工艺矛盾，粗加工大余量去除阶段需要提高edm加工占比，充分发挥电火花高效蚀除能力，精加工表面光整阶段则需要提高ecm加工占比，依靠电解溶解获得高完整性加工表面，现有工艺很难在同一工序内根据加工余量变化灵活、连续地切换二者的作用占比。两种机制在极间间隙内同时存在相互制约的竞争关系，电火花放电占比升高，会使工件更容易产生重铸层与微裂纹，表面损伤问题更为突出，电解占比升高又会带来杂散腐蚀与有害气体排放问题，二者无法通过单一参数调整同时实现优势最大化，难以在同一工序内兼顾成型精度、表面质量、加工效率与环保性。因此，如何实现edm与ecm占比的在线、连续、定量调控，充分发挥二者协同效应，是制约该技术规模化工业应用的关键技术难题。

3、现有edm/ecm加工占比的调控手段主要围绕电参数优化、电解液配方调整与极间间隙控制三个方向展开。通过修改电压、脉冲宽度、占空比等电参数可直接改变加工能量分配，但该方法对两种加工机制的耦合性强，难以实现解耦控制，模式切换往往需要重新匹配全套参数，易引发放电稳定性下降、加工质量波动等问题，且占比调节范围有限。通过更换电解液配方、调整浓度可改变电解作用强度，但该方法响应滞后，不同电解液切换易引入交叉污染，大幅提升工艺复杂度与运行成本，无法实现加工过程中的在线连续调节。通过调整极间间隙改变极间电场与流场分布，也可实现加工模式的转变，但复合加工的极间间隙通常仅数十微米，对机床进给系统的动态精度与稳定性要求极高，调控窗口狭窄，难以适配复杂动态加工过程。

4、专利cn103480926a公开了一种微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法及其专用工具，采用空间分区策略，管电极施加脉冲电压，在高压脉冲作用下端面实现电火花轴向进给穿孔加工，在低压脉冲作用下孔壁进行径向电解光整加工。但该方案本质上是“分时/分区”加工思路，电火花和电解分别在加工区域的不同部位或不同时序内发生，无法实现同一加工区域内两种机制占比的在线、连续、定量调控，未涉及气泡对加工介质的主动调控。专利cn114700568a公开了一种带式电极电火花电解复合加工沟槽结构的方法及装置，通过控制电压幅值在高于或低于电火花放电临界电压的范围内变化，初步实现了加工占比的切换调控，但该方案依赖电压这一电参数实现占比切换，仅能实现有限范围内的占比调节；电压切换为开环控制方式，缺乏基于加工状态的实时反馈修正机制，无法根据加工过程中钝化膜生成、产物堆积等动态变化调整占比。专利cn212552139u公开了一种倒置式气泡辅助排屑超声振动微细电火花加工复合系统，利用气泡辅助排屑，以改善电火花加工深孔时的蚀除物排出问题，该方案虽引入了“气泡辅助”概念，但气泡仅起到辅助排屑的被动辅助作用，并非用于主动调控edm与ecm的加工占比；且该专利为开环辅助系统，气泡参数（压力、流量）仅根据预设值供给，缺乏基于加工状态反馈的闭环调节机制。

5、综上，现有技术加工占比无法实现在线连续调节，难以同步兼顾加工质量与环保性，加工占比调控多为开环控制，缺乏动态修正机制，工艺稳定性不足，未针对粗加工、半精加工、精加工的不同工艺目标制定对应的控制逻辑与反馈规则、无法实现余量去除、钝化膜破除、表面光整的多目标协同优化，并且缺乏一种以高压微气泡作为核心调控介质的加工占比在线连续定量调节的技术方案。

6、因此，亟需开发一套完整的、兼具闭环控制与协同效应的edm/ecm占比调控方法及系统，以实现复合加工效率、质量与环保性的协同优化。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种电火花-电解复合加工占比闭环调控方法及系统，通过高压微气泡介质与液压主控分级闭环调控、闭环反馈修正、分阶段差异化控制的技术方案，实现edm/ecm加工占比的宽范围、高精度、在线连续调控，工艺流程简化、加工成本降低，且有害气体排放大幅减少，工艺环保性提升。

2、采用的技术方案为：

3、一种电火花-电解复合加工占比闭环调控方法，包括以下步骤：

4、s1.组装与设置固定工艺参数：装夹工件与工具电极，开启供液增压模块与微气泡生成模块，划分粗加工、半精加工、精加工三个工艺阶段，分别预设各阶段的目标edm占比区间与对应初始进液压力；

5、s2.粗加工阶段：调节进液压力至高压区间，以电火花放电蚀除为主导实现材料快速去除，通过实时电流采集与占比在线计算，维持edm占比稳定在目标区间；粗加工阶段进液压力调节至0.7~0.8 mpa，目标edm占比控制在0.85~0.9；

6、粗加工阶段的闭环控制逻辑为：实时高频采集极间电流波形，通过电流波形积分法在线计算当前edm实际占比，将其与目标占比区间进行偏差比对；当实际占比低于目标区间下限时，控制系统自动升高进液压力，提升气泡体积分数，降低介质等效电导率，增强局部电场畸变，以提高edm放电概率；当实际占比高于目标区间上限时，控制系统降低进液压力，减少气泡体积分数，使占比回落至目标区间；

7、s3.半精加工阶段：逐步降低进液压力至中压区间，以edm破除钝化膜与ecm溶解修整协同作用，兼顾成型精度与表面质量，随加工深度递变线性下调目标edm占比与进液压力基准值；半精加工阶段进液压力调节至0.4~0.6 mpa，目标edm占比控制在0.45~0.78；

8、随加工深度递变下调目标edm占比与进液压力基准值的控制策略为：加工深度每增加预设步长，对应线性下调目标edm占比与进液压力基准值，同时结合实时电流反馈动态修正液压；

9、s4.精加工阶段：降低进液压力至低压区间，以电解溶解为主导去除重铸层与微裂纹，依靠液压闭环调节补偿占比漂移波动；精加工阶段进液压力调节至0.2~0.3 mpa，目标edm占比控制在0.2~0.3；

10、所述精加工阶段的闭环控制逻辑为：维持进液压力基准值恒定，通过实时电流监控占比波动，当占比异常升高或者降低时，通过微调进液压力实现闭环补偿，保障电解溶解过程均匀平缓；

11、s5.通过在线连续调节进液压力，实现粗加工、半精加工、精加工三种工艺模式的平滑切换，完成工件加工；

12、所述调控方法中，通过高压微气泡发生装置向加工间隙输送含均匀微气泡的电解液，以进液压力为主控调节变量，实现edm与ecm加工占比在0.2~0.9范围内连续切换；结合极间电压-电流同步采集，通过区间识别、滤波降噪、三次样条插值与分段电荷积分实现占比在线计算，构建目标预设、实时反馈和动态修正的闭环控制逻辑。

13、优选的，步骤s1中，固定工艺参数包括：外加电压70 v、脉冲频率2 khz、脉冲占空比50%、电解液为2% nano3水溶液。电解液可根据实际需要选择，例如nacl、cacl2、ca(no3)2等。

14、优选的，所述微气泡生成模块所产生微气泡的等效直径稳定控制在20~80μm区间；适配压力调节范围为0.2~0.8 mpa，高压环境抑制气泡聚并和破裂，保障流场与介质介电特性稳定。

15、优选的，步骤s3中，对应线性下调目标edm占比与进液压力基准值的策略为：

16、预先设定分层加工总层数，依据所述总层数，将工件总加工去除深度划分为依次排列的若干加工层，并按照加工进给顺序将全部加工层划分为粗加工区域、半精加工区域和精加工区域；

17、加工从第一层开始逐层向下进行，在粗加工区域对应的各加工层中，维持预设的目标edm占比与进液压力基准值不变；

18、进入半精加工区域后，随着加工层数的递进，目标edm占比与进液压力基准值按预设比例同步线性递减，直至加工至该区域最后一层；进入精加工区域后，锁定精加工预设的目标edm占比与进液压力基准值，并维持至加工结束；

19、每完成一层加工或到达预设深度步长时，更新目标edm占比与进液压力基准设定值，并以该设定值作为期望输入，结合实时反馈采集的edm实际加工占比，通过闭环控制对进液压力进行动态修正补偿。

20、优选的，所述进液压力与edm加工占比呈单调正相关关系：进液压力越高，气泡体积分数越大，介质等效电导率越低，电场畸变增强，edm放电击穿概率越高，edm加工占比越大；反之则ecm作用占比提升。

21、优选的，所述占比在线计算采用以下方法：在完整统计周期t内同步采集极间电压波形与极间总电流波形，所述统计周期t为脉冲周期的整数倍；对全时段时序采样数据逐点解析，当极间电压出现连续跌落波动且同步极间电流产生抬升时，将同时满足电压下降、电流上升的连续采样时段划定为edm放电加工为主区间；仅存在平稳基底电流、无明显电压压降的时段划定为ecm电解加工为主区间；对edm主导区间离散电流采样点进行中值滤波降噪处理，剔除突变异常噪点；针对降噪后的有效离散电流采样点，采用三次样条插值构建连续瞬时电流函数iedm(t)；

22、对拟合得到的edm放电电流函数进行分段定积分运算，累加得到统计周期内全部电火花放电总电荷量；再对完整统计周期内全部时刻的极间总电流做整体积分，获取周期内极间总作用电荷量；将edm放电总电荷量与周期总电荷量做比值运算，最终通过电流波形积分法在线计算当前edm实际占比系数的计算公式为：

23、；

24、式中，redm为edm加工占比系数，%；iedm(t)为瞬时edm放电电流，a；itotal(t)为瞬时极间总电流，a；t为统计周期，取脉冲周期的整数倍以保证统计准确性，s；t为时间变量，s；

25、ecm加工占比由总加工作用占比扣除edm占比求得。

26、本发明还提供一种电火花-电解复合加工占比闭环调控系统，用于实现所述闭环调控方法，包括控制器，还包括：

27、供液增压模块，用于接收工控输出信号无级调节进液压力，改变电解液内气泡含量，实现edm/ecm占比的区间切换；

28、微气泡生成模块，连接于所述供液增压模块下游，能够制备气液两相电解液，通过进液压力调节实现气泡体积分数的大范围改变；

29、极间信号采集模块，能够高频采集识别极间电压、电流波形，通过内置积分算法实时计算edm实际加工占比；

30、工控闭环控制模块，分别与所述供液增压模块、极间信号采集模块信号连接，能够接收所述极间信号采集模块反馈的edm实际加工占比，对比目标占比输出压力调节信号至所述供液增压模块，并实时采集电极加工深度，按需切换三级加工工况。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

32、（1）本发明实现了edm/ecm加工占比的宽范围、在线、连续、定量调控。采用液压主控的分级闭环调控思路。以进液压力作为主控控制手段实现0.2~0.9宽范围edm占比连续切换；能够在同一加工区域、同一工序内实现占比的连续无级调节，且无需停机改电参数、换电解液、调整极间间隙，工况切换响应快、无交叉污染，解决传统单参数调控耦合性强、滞后明显的缺陷。

33、（2）本发明构建了闭环反馈调控机制，显著提升了工艺稳定性与可复现性。通过极间信号采集模块实时高频采集电压、电流波形，采用波形特征识别与分段电荷积分算法在线计算edm实际加工占比，构建了“目标预设→实时采集→偏差比对→动态修正”的完整闭环控制逻辑。且本发明能够实时感知钝化膜生成、产物堆积、流场变化等加工状态波动，并通过自动调节进液压力进行动态补偿，有效抑制了加工过程中实际占比偏离目标值的现象，降低异常放电与杂散腐蚀的发生概率，提升加工质量一致性。

34、（3）本发明实现了高效、高质、环保的多目标协同优化。针对粗加工、半精加工、精加工三个阶段的差异化工艺目标，分别制定了高占比edm主导、中等占比协同、低占比ecm主导的分层控制策略，粗加工阶段以edm占比0.85~0.9实现大余量快速去除，避免了全程电解加工的慢速溶解，大幅缩短了加工周期；精加工阶段以ecm占比0.7~0.8为主导，有效去除edm产生的重铸层与微裂纹，获得表面完整性优异的加工表面，避免了现有技术中电火花加工后需额外增设后续处理工序的弊端；在精加工阶段启用ecm主导模式，大幅缩短强电解加工的时长，从源头减少了电解析气副反应产生的有害气体排放量，同时避免了全程强电解引发的杂散腐蚀与非目标区域受损，降低了环保处理与职业健康防护成本，突破了技术瓶颈。

35、（4）本发明首次建立了进液压力（0.2~0.8 mpa）与edm加工占比（0.2~0.9）之间的定量单调映射关系，使高压微气泡从现有技术中仅用于辅助排屑的被动角色，提升为主动、精准调控加工机理的核心控制变量。同时，本发明依靠进液压力完成全工况下占比的闭环调节，实现大范围占比切换与工况精细补偿。微气泡等效直径稳定控制在20~80μm区间，高压环境抑制气泡聚并与破裂，保障了极间流场与介质介电特性的长期稳定性。

36、（5）本发明提出了完整的edm占比在线定量表征算法流程：波形同步采集→edm/ecm区间特征识别→中值滤波降噪→三次样条插值构建连续电流函数→分段电荷积分→占比计算。该算法有效解决了高压微气泡持续扰动下电流波形毛刺噪声导致的区间划分误判与电荷量计算失真问题，三次样条插值能够完整还原电火花陡峭放电尖峰，适配粗、半精、精加工全工况下多变的放电波形，同时兼顾了计算精度与工控设备实时运算需求，为闭环调控提供了可靠的实时反馈数据支撑。

37、（6）本发明系统兼容性强，易于工程推广。调控方法可直接对接现有电火花-电解复合加工设备，无需对机床主体进行改造，仅需配套高压微气泡发生单元与电流采集模块即可实现，改造成本低，工程落地性强。