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畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
題目：油箱蓋熱鍛模電解加工工裝設(shè)計
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及自動化
班 級
姓 名
學(xué) 號
導(dǎo) 師
2012年 12 月 14 日
9
1、畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）：
1.1題目背景：
采用電解加工實現(xiàn)模具加工具有表面質(zhì)量好，使用壽命長，脫模好，成本低的優(yōu)點。通過本課題的設(shè)計，達(dá)到：（1）培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)和專業(yè)課的知識，分析解決工程技術(shù)問題的能力；（2）鞏固加深擴(kuò)大基本理論和技能；（3）受高級工程技術(shù)人員能力的訓(xùn)練，調(diào)研、查閱文獻(xiàn)，制定方案、設(shè)撰寫；（4）創(chuàng)新能力和團(tuán)隊精神。
基于電解過程中的陽極溶解原理并借助于成型的陰極，將工件按一定形狀和尺寸加工成型的一種工藝方法，稱為電解加工。
1.2研究意義
電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽極溶解的原理將工件加工成形的種特種加工方法。加工時，工件接直流電源的正極，工具接負(fù)極，兩極之間保持較小的間隙。電解液從極間間隙中流過，使兩極之間形成導(dǎo)電通路，并在電源電壓下產(chǎn)生電流，從而形成電化學(xué)陽極溶解。隨著工具相對工件不斷進(jìn)給，工件金屬不斷被電解，電解產(chǎn)物不斷被電解液走，最終兩極間各處的間隙趨于一致，工件表面形成與工具工作面基本相似的形狀。電解加工對于難加工材料、形狀復(fù)雜或薄壁零件的加工具有顯著優(yōu)勢。目前，電解加工已獲得廣泛應(yīng)用，如炮管膛線，葉片，整體葉輪，模具，異型孔及異型零件，倒角和去毛刺等加工。并且在許多零件的加工中，電解加工工藝已占有重要甚至不可替代的地位。
1.3國內(nèi)外相關(guān)研究情況
電解加工以其加工速度快、表面質(zhì)量好、凡金屬都能加工而且不怕材料硬、韌、無宏觀機械切削力、工具陰極無損耗、可用同一個成形陰極作單方向送進(jìn)而成批加工復(fù)雜型腔、型面、型孔等優(yōu)點，在20 世紀(jì)60 年代初，首先在炮管膛線和航空發(fā)動機渦輪葉片的加工中得到應(yīng)用，其后又逐漸擴(kuò)大應(yīng)用于鍛模型腔、深孔、小孔、長鍵槽、等截面葉片整體葉輪的加工以及去毛刺等領(lǐng)域，取得了顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果。但是，在70 年代以后，隨著國際市場經(jīng)濟(jì)競爭形式的變化，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，生產(chǎn)批量減小，使得電解加工的適用范圍也發(fā)生變化?？傮w看應(yīng)用范圍有所減小，但應(yīng)用要求卻越來越高。
在經(jīng)歷大約20年的低潮后，從20世紀(jì)90年代后期起，電解加工又重新煥發(fā)了生機。其研究機構(gòu)及人員逐漸壯大，應(yīng)用領(lǐng)域(尤其在航天、航空、軍工領(lǐng)域)有所擴(kuò)展，研究成果及論著數(shù)量激增，工藝技術(shù)水平及設(shè)備性能均達(dá)到了一個新的高度。
1工藝技術(shù)研究
目前，電解加工工藝技術(shù)研究涉及的方向較多，但主要集中在微秒級脈沖電流加工、微精加工、數(shù)控展成加工、陰極設(shè)計及磁場對電解加工的影響等五大領(lǐng)域。下面分別加以詳述。
1.1微秒級脈沖電流加工
自20世紀(jì)70年代初起，前蘇聯(lián)、美國、日本、法國、波蘭、瑞士、西德等相繼開始了對脈沖電流電解加工的研究。在國內(nèi)，多家單位相繼開展了毫秒級脈沖電
流電解加工的研究并成功用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著近代功率電子技術(shù)的發(fā)展，新型快速功率電子開關(guān)元件如MOSFET、IGBT等出現(xiàn)，使得有可能實現(xiàn)微秒級脈沖電流電解加工。20世紀(jì)90年代以來，微秒級脈沖電流電解加工基礎(chǔ)工藝研究取得突破性進(jìn)展。研究表明，此項新技術(shù)可以提高集中蝕除能力，并可實現(xiàn)0.05mm以下的微小間隙加工，從而可以較大幅度地提高加工精度和表面質(zhì)量，型腔最高重復(fù)精度可達(dá)0.05mm，最低表面粗糙度可達(dá)Ra0.40μｍ，有望將電解加工提高到精密
加工的水平，而且可促進(jìn)加工過程穩(wěn)定并簡化工藝，有利于電解加工的擴(kuò)大應(yīng)用。
國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)利用微秒級脈沖電流開展了模具型腔及葉片型面加工、型腔拋光、電解刻字、電解磨等工藝可行性試驗以及氣門模具生產(chǎn)加工試驗[1，3]，研究成果進(jìn)一步從工藝角度證實了上述結(jié)論。
1.2微精加工
從原理上而言，電化學(xué)加工技術(shù)可分為兩類：一類是基于陽極溶解原理的減材技術(shù)，如電解加工、電解拋光等；另一類是基于陰極沉積原理的增材技術(shù)，如電鍍、電鑄、刷鍍等。這兩類技術(shù)有一個共同點，即材料的去除或增加過程都是以離子的形式進(jìn)行的。由于金屬離子的尺寸非常微小(10-1nm級)，因此，相對于其它“微團(tuán)”去除材料方式(如微細(xì)電火花、微細(xì)機械磨削)，這種以“離子”方式去除材料的微去除方式使得電化學(xué)加工技術(shù)在微細(xì)制造領(lǐng)域、以至于納米制造領(lǐng)域存在著極大的研究探索空間。從理論上講，只要精細(xì)地控制電流密度和電化學(xué)發(fā)生區(qū)域，就能實現(xiàn)電化學(xué)微細(xì)溶解或電化學(xué)微細(xì)沉積。微細(xì)電鑄技術(shù)是電化學(xué)微細(xì)沉積的典型實例，它已經(jīng)在微細(xì)制造領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。微細(xì)電鑄是LIGA技術(shù)一個重要的、不可替代的組成部分，已經(jīng)涉足納米尺寸的微細(xì)制造中，激光防偽商標(biāo)模版和表面粗糙度樣塊是電鑄的典型應(yīng)用。但電化學(xué)溶解(成型)加工的雜散腐蝕及間隙中電場、流場的多變性嚴(yán)重制約了其加工精度，其加工的微細(xì)程度目前還不能與電化學(xué)沉積的微細(xì)電鑄相比。目前電化學(xué)微精成型加工還處于研究和試驗階段，其應(yīng)用還局限于一些特殊的場合，如電子工業(yè)中微小零件的電化學(xué)蝕刻加工(美國IBM公司)、微米級淺槽加工(荷蘭飛利浦公司)、微型軸電解拋光(日本東京大學(xué))已取得了很好的加工效果，精度已可達(dá)微米級。微細(xì)直寫加工、微細(xì)群縫加工及微孔電液束加工，以及電解與超聲、電火花、機械等方式結(jié)合形成的復(fù)合微精工藝已顯示出良好的應(yīng)用前景。
數(shù)控展成加工
傳統(tǒng)的拷貝式電解加工的陰極設(shè)計制造困難，加工精度難以保證。尤其對整體葉輪上的扭曲葉片之類通道狹窄的零件表面，由于受工具陰極剛性及加工送進(jìn)方式的限制，拷貝式電解加工更難以完成其加工任務(wù)。20世紀(jì)80年代初，以簡單形狀電極加工復(fù)雜型面的柔性電解加工——數(shù)控展成電解加工的思想開始形成，它以控制軟件的編制代替復(fù)雜的成形陰極的設(shè)計、制造，以陰極相對工件的展成運動來加工出復(fù)雜型面。這種加工方法工具陰極形狀簡單，設(shè)計制造方便，應(yīng)用范圍廣，具有很大的加工柔性，適用于小批量、多品種、甚至單件試制的生產(chǎn)中。80年代中期，前蘇聯(lián)烏法航空學(xué)院特種加工工藝及設(shè)備研究所以
過程控制為突破口，設(shè)計了一種柔性電解加工單元，應(yīng)用特殊的電流脈沖波形和高選擇性的電解液，加工精度達(dá)0.02mm，表面粗糙度達(dá)Ra0.2～0.6μm。波蘭華沙工業(yè)大學(xué)的Kozak教授于1986年率先提出了電解銑削的思想，以棒狀旋轉(zhuǎn)陰極作類似于圓柱狀側(cè)銑刀的成形運動來形成加工表面，成功地應(yīng)用于直升機旋翼座架型面的加工，加工中采用NaNO3電解液，精度可達(dá)±0.01～0.02mm，表面粗糙度達(dá)Ra0.16～0.63μm。波蘭Cracow金屬切削學(xué)院的A.Ruszaj和J.Cekaj教授利用形似球頭銑刀的工具陰極，進(jìn)行了型面光整加工的試驗研究，取得了形狀誤差小于0.01mm的加工效果
，從而證明了該工藝在模具的光整加工方面具有很好的應(yīng)用價值。美國、英國、俄羅斯都高度重視數(shù)控電解加工技術(shù)的研究并已得到應(yīng)用，在新型航空發(fā)動機及航天火箭發(fā)動機的研制中發(fā)揮了重要作用。美國GE公司的五軸數(shù)控電解加工，美國、俄羅斯仿形電解加工帶冠整體葉輪代表了數(shù)控電解加工整體葉輪的國際先進(jìn)水平。
2.本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
根據(jù)研究對象油箱蓋熱鍛模，設(shè)計一套加工該熱鍛模的電解加工工裝，包括：（1）連桿熱鍛模電解加工陰極；（2）裝夾熱鍛模加工陰極和工件的夾具裝置；（3）運用Pro/E、UG等軟件畫出油箱蓋熱鍛模電解加工工裝三維裝配圖。電解加工裝置除了應(yīng)保證工件裝夾和定位外，還應(yīng)考慮導(dǎo)電、供液、流場分布，非加工面的保護(hù)，工件和工具（即正負(fù)極、陰陽極）之間的絕緣等問題。
課題研究的主要內(nèi)容是通過對所給零件的分析，設(shè)計加工零件的陰極，以及裝夾高溫合金零件電解加工的陰極和工件的夾具裝置。
（1）在剛開始的時候工序的劃分以及定位基準(zhǔn)會比較難選擇，所以就在過程中腰認(rèn)真分析零件圖，了解電解加工工裝的結(jié)構(gòu)特點及相關(guān)的技術(shù)要求而加工工序要根據(jù)生產(chǎn)類型，零件的結(jié)構(gòu)來認(rèn)真分析。
（2）在夾具設(shè)計的時候也可能遇到問題，比如工件的定位是否正確，定位精度是否滿足要求等等，所以要調(diào)查現(xiàn)階段國內(nèi)外比較先進(jìn)的電解加工工裝結(jié)構(gòu)，從整體上把握設(shè)計的方向，了解電解加工工裝的加工工藝規(guī)程及夾具的設(shè)計原理。
（3）通過大量的資料，研究零件的結(jié)構(gòu)，選擇合適的加工方法，及選擇合理的基準(zhǔn)和工序安排。
（4）熟悉夾具的結(jié)構(gòu)選擇合理的機床及裝夾設(shè)備，確定加工余量和工序，進(jìn)行精細(xì)的準(zhǔn)確的尺寸計算，和時間的估算。
2.1 從導(dǎo)電方面考慮設(shè)計方案，有兩種選擇，一是將電纜線引入，用線鼻子直接接到工件陽極跟工件陰極，二是在工作箱外將電源線接到滑枕體及不銹鋼工作臺，電流通過陰極安裝板及工作臺傳導(dǎo)到陰極和陽極。前者線路損失小，且因工作臺、夾具均不帶電，可以采用耐蝕的非金屬材料，如采用金屬材料對不帶電的零件則加以陰極保護(hù)，防止電化學(xué)雜散腐蝕。但此方案的缺點是工作箱內(nèi)導(dǎo)線較多，走線較復(fù)雜，布局欠佳，每次裝卸工件時還要拆卸線鼻子，并要防止正負(fù)極線鼻子相碰或正極線鼻子與工作箱相碰而引起送電時短路。所以選第二種方案。
2.2從流場方面考慮設(shè)計方案，根據(jù)電解液的流動方向、加工送進(jìn)方向及加工間隙之間的幾何關(guān)系，可分為三種流動形式，即側(cè)流式、正流式和反流式。可根據(jù)加工對象的幾何形狀確定流動形式。對于型面曲率變化不大的三維型面如一般葉片型面、葉片鍛模型腔等，可采用側(cè)流式，對于圓孔、型孔可采用正流式或反流式，對于某些復(fù)雜的型腔或型面，可在陰極上設(shè)計適當(dāng)?shù)耐ㄒ翰郏祝┎捎谜魇交蚍戳魇剑蛘邇煞N流動形式都存在的復(fù)合流動形式進(jìn)行加工。針對我的零件采用復(fù)合式。在流場設(shè)計方面還應(yīng)該考慮電解液流速和進(jìn)口壓力。確定電解液流速的原則：（1）選則適當(dāng)高的流速，能從加工間隙中帶走電解產(chǎn)物，且使電解液流動處于紊流狀態(tài)，這樣有利于均勻流場并消除濃差極限，（2）選擇適當(dāng)高的流速以控制溫升。電解液壓力的確定，是指加工間隙進(jìn)口處的壓力和電解液輸出泵的出口，考慮到管道中的壓力損失，一般電解液泵出口壓力需比電解液進(jìn)口壓力高0.05-0.1pa。
2.3從陰極設(shè)計方面提出設(shè)計方案，對其陰極型管的直線度有嚴(yán)格要求。端面倒角10°，在側(cè)面間隙，約0.15~0.22mm，減去陰極單面涂層厚度約0.05mm，還有足夠的間隙空間允許電解液順暢通過；端面制成加工凸緣根據(jù)加工孔徑的大小和精度要求，確定凸緣外徑和加工刃帶的寬度。
3.本課題研究的重點及難點，前期已開展工作
電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生電化學(xué)陽極溶解的原理對工件進(jìn)行成形加工的特種加工，又稱電化學(xué)加工。電解加工的重點是針對不同的加工零件設(shè)計出加工該零件的陰極以及裝夾該零件電解加工的陰極和工件的夾具裝置。電解加工的難點是電解加工是一種復(fù)制加工, 工具陰極的輪廓形狀須根據(jù)圖紙給定的工件形狀和加工間隙的分布規(guī)律來設(shè)計，加工間隙分布的不均勻?qū)е玛帢O設(shè)計非常困難。
工作定位 陰極設(shè)計 流程設(shè)計 導(dǎo)電 Cad二維圖 圖3.1 proe三維圖 圖3.2
圖3.1油箱蓋熱鍛模cad二維圖
圖3.2油箱蓋熱鍛模proe三維圖
4.完成本課題的工作方案及進(jìn)度計劃（按周次填寫）
1～2周：熟悉課題，完成關(guān)于電解加工的2000字文獻(xiàn)綜述，翻譯外文資料；
3周：確定油箱蓋熱鍛模設(shè)計及其電解加工工裝方案，繪制其結(jié)構(gòu)草圖，準(zhǔn)備開題答辯；
4～6周：進(jìn)行油箱蓋熱鍛模設(shè)計及其電解加工陰極設(shè)計計算；
7～9周：進(jìn)行油箱蓋熱鍛模電解加工工裝設(shè)計，包括導(dǎo)電、供液方式和流場設(shè)計，準(zhǔn)備中期答辯；
10～15周：完善整個電解加工工裝設(shè)計、完成裝配圖（包括三維裝配圖）及零件圖的繪制等工作；
16～18周：對所有圖紙進(jìn)行校核，編寫設(shè)計說明書，所有資料提請指導(dǎo)教師檢查，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯；
5 指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
6 所在系審查意見：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
注：1. 正文：宋體小四號字，行距22磅。
2. 開題報告由各系集中歸檔保存。
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