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1 西安工業(yè)大學北方信息工程學院 畢業(yè)設計 論文 開題報告 題目 油箱蓋熱鍛模電解加工工裝設計 系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設計制造及自動化 班 級 B090203 姓 名 吳華龍 學 號 B09020327 導 師 賈建利 2012 年 12 月 24 日 2 1 畢業(yè)設計 論文 綜述 題目背景 研究意義及國內外相關研究情況 1 1 題目背景 采用電解加工實現(xiàn)模具加工具有表面質量好 使用壽命長 脫模好 成本低的 優(yōu)點 通過本課題的設計 達到 1 培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎課 技術基礎 和專業(yè)課的知識 分析解決工程技術問題的能力 2 鞏固加深擴大基本理論和技 能 3 受高級工程技術人員能力的訓練 調研 查閱文獻 制定方案 設撰寫 4 創(chuàng)新能力和團隊精神 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 使兩極之間形成導電通路 并在電源電壓下 產生電流 從而形成電化學陽極溶解 隨著工具相對工件不斷進給 工件金屬不斷 被電解 電解產物不斷被電解液走 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 國內外相關研究情況 電解加工以其加工速度快 表面質量好 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而成批加 工復雜型腔 型面 型孔等優(yōu)點 在20 世紀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用 其后又逐漸擴大應用于鍛模型腔 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域 取得了顯著的技術 經濟 效果 但是 在70 年代以后 隨著國際市場經濟競爭形式的變化 產品更新?lián)Q代快 生產批量減小 使得電解加工的適用范圍也發(fā)生變化 總體看應用范圍有所減小 但應用要求卻越來越高 在經歷大約20年的低潮后 從20世紀90年代后期起 電解加工又重新煥發(fā)了生 機 其研究機構及人員逐漸壯大 應用領域 尤其在航天 航空 軍工領域 有所擴展 研究成果及論著數(shù)量激增 工藝技術水平及設備性能均達到了一個新的高度 9 1工藝技術研究 目前 電解加工工藝技術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 陰極設計及磁場對電解加工的影響等五大領域 下 面分別加以詳述 1 3 1微秒級脈沖電流加工 自20世紀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 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 隨著近代功率電子技術的發(fā)展 新型快速 功率電子開關元件如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90年代以來 微秒級脈沖電流電解加工基礎工藝研究取得突破性進展 研究表明 此項新技術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量 型腔最高重復精度可達 0 05mm 最低表面粗糙度可達Ra0 40 有望將電解加工提高到精密 加工的水平 而且可促進加工過程穩(wěn)定并簡化工藝 有利于電解加工的擴大應用 國內外眾多研究機構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加工試驗 1 3 研 究成果進一步從工藝角度證實了上述結論 1 3 2微精加工 從原理上而言 電化學加工技術可分為兩類 一類是基于陽極溶解原理的減材 技術 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 如電鍍 電鑄 刷鍍等 這兩類技術有一個共同點 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 去除材料方式 如微細電火花 微細機械磨削 這種以 離子 方式去除材料的微去 除方式使得電化學加工技術在微細制造領域 以至于納米制造領域存在著極大的研 究探索空間 從理論上講 只要精細地控制電流密度和電化學發(fā)生區(qū)域 就能實現(xiàn) 電化學微細溶解或電化學微細沉積 微細電鑄技術是電化學微細沉積的典型實例 它已經在微細制造領域獲得重要應用 微細電鑄是LIGA技術一個重要的 不可替代 的組成部分 已經涉足納米尺寸的微細制造中 激光防偽商標模版和表面粗糙度樣 塊是電鑄的典型應用 但電化學溶解 成型 加工的雜散腐蝕及間隙中電場 流場的多 變性嚴重制約了其加工精度 其加工的微細程度目前還不能與電化學沉積的微細電 鑄相比 目前電化學微精成型加工還處于研究和試驗階段 其應用還局限于一些特 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 已取得了很好的加工效果 精 度已可達微米級 微細直寫加工 微細群縫加工及微孔電液束加工 以及電解與超 聲 電火花 機械等方式結合形成的復合微精工藝已顯示出良好的應用前景 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方式的限 制 拷貝式電解加工更難以完成其加工任務 20世紀80年代初 以簡單形狀電極加 10 工復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 的編制代替復雜的成形陰極的設計 制造 以陰極相對工件的展成運動來加工出復 雜型面 這種加工方法工具陰極形狀簡單 設計制造方便 應用范圍廣 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中 80年代中期 前蘇 聯(lián)烏法航空學院特種加工工藝及設備研究所以 過程控制為突破口 設計了一種柔性電解加工單元 應用特殊的電流脈沖波形和高 選擇性的電解液 加工精度達0 02mm 表面粗糙度達Ra0 2 0 6 m 波蘭華沙工業(yè) 大學的Kozak教授于1986年率先提出了電解銑削的思想 以棒狀旋轉陰極作類似于圓 柱狀側銑刀的成形運動來形成加工表面 成功地應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 0 01 0 02mm 表面粗糙度達 Ra0 16 0 63 m 波蘭Cracow 金屬切削學院的A Ruszaj和J Cekaj教授利用形似球頭 銑刀的工具陰極 進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用價值 美國 英國 俄 羅斯都高度重視數(shù)控電解加工技術的研究并已得到應用 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水平 2 本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案 研究方法或措施 2 1 研究的主要內容 根據研究對象油箱蓋熱鍛模 設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 裝置除了應保證工件裝夾和定位外 還應考慮導電 供液 流場分布 非加工面的 保護 工件和工具 即正負極 陰陽極 之間的絕緣等問題 課題研究的主要內容是通過對所給零件的分析 設計加工零件的陰極 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會比較難選擇 所以就在過程中腰認 真分析零件圖 了解電解加工工裝的結構特點及相關的技術要求而加工工序要根據 生產類型 零件的結構來認真分析 2 在夾具設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 所以要調查現(xiàn)階段國內外比較先進的電解加工工裝結構 從整體上 把握設計的方向 了解電解加工工裝的加工工藝規(guī)程及夾具的設計原理 3 通過大量的資料 研究零件的結構 選擇合適的加工方法 及選擇合理的基準 和工序安排 4 熟悉夾具的結構選擇合理的機床及裝夾設備 確定加工余量和工序 進行精細 1 的準確的尺寸計算 和時間的估算 2 2 擬采用的研究方案 2 2 1 方案一 從導電方面考慮設計方案 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 防止電化學雜散腐蝕 但此方案的缺點是工作箱內導線較 多 走線較復雜 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 2 方案二 從流場方面考慮設計方案 根據電解液的流動方向 加工送進方向 及加工間隙之間的幾何關系 可分為三種流動形式 即側流式 正流式和反流式 可根據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 可采用側流式 對于圓孔 型孔可采用正流式或反 流式 對于某些復雜的型腔或型面 可在陰極上設計適當?shù)耐ㄒ翰?孔 采用正流 式或反流式 或者兩種流動形式都存在的復合流動形式進行加工 針對我的零件采 用復合式 在流場設計方面還應該考慮電解液流速和進口壓力 確定電解液流速的 原則 1 選則適當高的流速 能從加工間隙中帶走電解產物 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 選擇適當高的流速以控制 溫升 電解液壓力的確定 是指加工間隙進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口壓力高 0 05 0 1pa 2 2 3 方案三 從陰極設計方面提出設計方案 對其陰極型管的直線度有嚴格要求 端面倒角 10 在側面間隙 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生電化學陽極溶解的原理對工件進行成形加 工的特種加工 又稱電化學加工 電解加工的重點是針對不同的加工零件設計出加 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制加工 工具陰極的輪廓形狀須根據圖紙給定的工件形狀和 加工間隙的分布規(guī)律來設計 加工間隙分布的不均勻導致陰極設計非常困難 工作定位 陰極設計 流程設計 導電 Cad 二維圖 圖 3 1 proe 三維圖 圖 3 2 1 圖 3 1 油箱蓋熱鍛模 cad 二維圖 1 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度計劃 按周次填寫 1 2 周 熟悉課題 完成關于電解加工的 2000 字文獻綜述 翻譯外文資料 3 周 確定油箱蓋熱鍛模設計及其電解加工工裝方案 繪制其結構草圖 準備開題答 辯 4 6 周 進行油箱蓋熱鍛模設計及其電解加工陰極設計計算 7 9 周 進行油箱蓋熱鍛模電解加工工裝設計 包括導電 供液方式和流場設計 準備中期答辯 10 15 周 完善整個電解加工工裝設計 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 對所有圖紙進行校核 編寫設計說明書 所有資料提請指導教師檢查 準備畢業(yè)答辯 1 參考文獻 1 沈健 張海巖 鍛模電解加工工具電極的反拷和修正方法 J 電加工與模具 2001 年 04 期 2 張春 李毅 模具型腔的數(shù)控銑削法電解加工 J 電加工與模具 2004 年 04 期 3 沈健 熱鍛模電解加工工具電極的反拷和修正 J 模具工業(yè) 2005 年 11 期 4 朱樹敏 陳淑芬 張海巖 低濃度復合電解液的性能及應用 J 電加工 1985 年 06 期 5 朱樹敏 沈光祖 鍛模的脈沖電流電解加工 J 電加工 1990 年 01 期 6 沈健 朱樹敏 陳遠龍 鍛模電解加工新技術 J 電加工 1998 年 01 期 7 朱永偉 萬勝美 朱樹敏 振動進給 脈沖電流電解加工設備及工藝的研究 J 電加工 1996 年 05 期 8 趙雪松 朱樹敏 鎳鈦合金球拍的電化學加工 J 電加工 1999 期 04 期 9 姚宏偉 盧星河 裝飾不銹鋼管材的快速電化學蝕刻 J 化學世界 2002 年 01 期 10 劉德成 夾心式復合加工表面形貌特征 J 新技術新工藝 2007 年 03 期 11 張海巖 齒輪的電化學去毛刺工藝研究 J 新技術新工藝 1996 年 04 期 12 吳蒙華 李曉偉 劉晉春 郭永豐 不銹鋼凹形字圖的快速電解蝕刻 J 新技術新 工藝 1997 年 01 期 13 趙雪松 蘇學滿 楊明 模具鋼電解機械復合拋光工藝研究 J 中國機械工程 2003 年 12 期 14 柯旭貴 基于 VBA 的參數(shù)化圖形的建立與實現(xiàn) J 安徽機電學院學報 2001 年 02 期 15 朱荻 國外電解加工的研究進展 J 電加工與模具 2000 年 01 期 16 徐家文 王建業(yè) 田繼安 21 世紀初電解加工的發(fā)展和應用 J 電加工與模具 2001 年 06 期 17 王建業(yè) 馮倩 羅干英 劉叢寬 林蘇文 羅天友 高頻 窄脈沖電流電解加工模具 試驗研究 J 電加工 1999 年 04 期 18 周茂軍 蘇鐵明 歐宗瑛 以 Solid Works 為 支撐軟件的模具標準件庫的開發(fā) J 大連輕工業(yè)學院學報 2001 年 04 期 19 D Zhu K P Ra jurkar M ode ling and Verification o f IntereletrodeGap in E lectrochem icalM ach ining w ith Passiva ting Electroly te J IMECM ASME MED 1999 10 589 596 20 R R com pany UK F in ishes b lades in one opera tion J M ach ine ry and Produc tion Eng ineering 1985 7 44 48 21 D B Ender Implementation of Deadband Reset Scheduling for the E lmi 1 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 ination of Stick slip Cycling in Contro l Valves J Journa lA 1997 38 1 11 5 指導教師意見 對課題的深度 廣度及工作量的意見 指導教師 年 月 日 6 所在系審查意見 系主管領導 年 月 日 1