聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計【含CAD圖紙、文檔打包終稿】

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確定聯(lián)接環(huán)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 進行聯(lián)接環(huán)熱鍛模設(shè)計及其電解加工陰極設(shè)計計算 7 9 周 進行聯(lián)接環(huán)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 畢業(yè)設(shè)計 論文 的工作量要求 實驗 時數(shù) 或?qū)嵙?xí) 天數(shù) 2 周 圖紙 幅面和張數(shù) A0 圖紙不少于 3 張 其他要求 論文字?jǐn)?shù) 1 5 萬字以上 外文翻譯不少于 1000 英文單詞 參考文獻中文 15 篇 英文 3 篇 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 學(xué)生簽名 年 月 日 系主任審批 年 月 日 說明 1 本表一式二份 一份由學(xué)生裝訂入附件冊 一份教師自留 2 帶 項可根據(jù)學(xué)科特點選填 1 聯(lián)接環(huán)鍛模電解加工工裝設(shè)計開題報告 一 選題的目的及意義 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 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 制定方案 設(shè)計 撰寫 4 創(chuàng)新能力和團隊精神 二 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1 電解加工原理 電解加工 Electrochemical Machining ECM 是利用陽極溶解的原理并借助于成型 陰極將工件按一定的形狀和尺寸加工成型的一種加工工藝方法 其理論基礎(chǔ)是 1834 年法拉第 發(fā)現(xiàn)的金屬陽極溶解基本定律 即法拉第定律 圖 1 1 所示為電解過程示意圖 圖中顯示金 屬鐵電解的過程 它由電解質(zhì)溶液 直流電源 連接電源正極的工件陽極 連接電源負極的 工具陰極組成 當(dāng)接通電源后 電解反應(yīng)并未開始就發(fā)生 只有當(dāng)電壓升高到臨界值 分解 電壓 后 電解過程才開始 在陰極處開始有氣泡生成 在陽極處開始有電解產(chǎn)物出現(xiàn) 圖 1 1 電解加工過程示意圖 在陰極和陽極的電極 溶液界面上發(fā)生主要電化學(xué)反應(yīng)過程為 陽極一側(cè) 2 Fe Fe2 2e 陽極溶解 Fe2 2OH O2 Fe OH 2 淡綠色絮狀物 4Fe OH 2 2H2O O2 4Fe OH 3 紅棕色絮狀物 陰極一側(cè) 2H 2e H2 逸出氫氣 如果陽極只發(fā)生陽極溶解而沒有析出其它物質(zhì) 則根據(jù)法拉第第一定律 陽極溶解的金 屬質(zhì)量為 M kQ kIt 陽極溶解的金屬體積為 V M KIt It 從電解加工的試驗中可以得出 實際加工過程陽極金屬的溶解量并不和理論的計算量相 同 通常是理論計算量會大于實際的溶解量 極少數(shù)情況也會發(fā)生實際溶解量大于理論計算 量的情況 其原因是在理論計算時 采用了 陽極只發(fā)生確定原子溶解而沒有其它物質(zhì)析出 這一假設(shè) 而實際加工情況是 1 實際溶解的原子價比計算用的原子價要高或低 2 除金屬溶解外還有一些副反應(yīng)消耗了一部分電流 3 金屬有時在電解加工過程中由于材料組織不均勻或金屬材料與電解液的匹配不當(dāng)發(fā)生 剝落而不是完全由金屬均勻溶解所致 為了表示這個實際和理論的差別 引入電流效率概念來表示實際溶解金屬所耗用的電量 和通過陽極總電量的比例關(guān)系 電流效率 定義為 理論去除量 實際去除量 影響電流效率的因素有 電流密度 電解液的種類 濃度及溫度等工藝條件 其中 作 為計算電解加工速度 分析電解成型規(guī)律的必要參數(shù)之一 電流密度對于電流效率的影響可 以通過實驗獲得兩者之間的關(guān)系曲線 即 i 曲線 1 2 電解加工的電化學(xué)基礎(chǔ) 電解加工是一種由兩類導(dǎo)體串聯(lián)形成的電化學(xué)系統(tǒng) 電子得失的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在兩類 導(dǎo)體界面 即電極的雙電層 如圖 1 2 關(guān)于電極的定義 在電解加工中習(xí)慣把它看成工具 陰極和工件陽極 而從電化學(xué)的概念來理解 電極應(yīng)當(dāng)是包括金屬電極連同其相鄰溶液的整 體 表示為電極 溶液 電解加工與普通電化學(xué)系統(tǒng)不同的是兩極間距離小 一般為 0 10 0 60mm 電流密度遠高于普通的電化學(xué)系統(tǒng) 作為電極 溶液界面金屬的工件陽極 伴 3 隨著氣體析出 金屬元素也隨之溶解 界面的溶液由于高速液體沖擊 電極表面擴散層厚度 大大減小 濃度梯度變大 雙電層結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變 流體動力因素極大地影響了電化學(xué)步驟的 液相傳質(zhì)過程 同時由于大量氣體在小間隙內(nèi)形成氣液混合體 加上溫度 蝕除產(chǎn)物的變化 使界面及極間狀態(tài)十分復(fù)雜 這也是導(dǎo)致電解加工過程不能徹底保證穩(wěn)定性和精度的重要原 因 電極反應(yīng)發(fā)生在電極和溶液界面上 在一般的電化學(xué)系統(tǒng)中 界面的性質(zhì)對反應(yīng)速度影 響很大 一方面表現(xiàn)在電極材料及其表面狀態(tài) 另一方面為界面存在電場所引起的特殊效應(yīng) 這是因為界面上存在著離子雙電層電位差 表面偶極層的電位差 吸附雙層的電位差 如圖 1 3 圖 1 2 雙電層分布示意圖 圖 1 3 電極溶液界面電勢示意圖 在一般電化學(xué)系統(tǒng)中形成的離子雙電層 電極表面只有少量剩余電荷 所產(chǎn)生的電位差 不大 但它對電極反應(yīng)的影響卻很大 如果電位差為 1V 界面上兩層電荷間距的數(shù)量級為 10 10m 則雙電層的場強為 E V L 1010V m 離子雙電層之所以能達到如此大的場強 就是因為兩 層電荷的距離太小 這樣的場強足以使一般條件下本來不能進行的化學(xué)反應(yīng)變得可以進行 4 如電解水 當(dāng)然也可使電極反應(yīng)速度發(fā)生極大變化 例如當(dāng)界面電位改變 0 1 0 2V 反應(yīng)速 度可改變 l0 倍 在場強的數(shù)量級超過 106V m 時 任何電介質(zhì)均被擊穿放電 引起電離 只不 過電化學(xué)體系中可供擊穿的粒子均在雙電層外 而電解加工系統(tǒng)的電流密度及電極表面剩余 電荷遠遠高于一般電化學(xué)系統(tǒng) 這也是電解加工能夠進行的主要因素 實際加工時 陽極溶 解形成的加工間隙很大程度上受間隙流場 電場的影響 因為工件與陰極間的幾何形狀差異 使流場不能均勻分布 氣 液和固三相流間隙的成形規(guī)律十分復(fù)雜 沿程氣泡率 電解產(chǎn)物 和溫度的變化使工件溶解速度不能恒定 雜散腐蝕引起已加工面的二次蝕除使加工間隙失控 工件陽極的電極 溶液界面是形成最終成品的表面 在其發(fā)生的電化學(xué)過程是零件成形的實質(zhì) 過程 因此電解加工間隙的核心是工件電極 溶液界面 即電極的雙電層 圖 1 4 電極反應(yīng)中電子與離子轉(zhuǎn)移過程示意圖 液相傳質(zhì)有電遷移 擴散和對流三種方式 間隙中從電極到溶液理論上可分為雙電層 擴散層和對流層三層 從擴散層向外為對流層 以對流傳質(zhì)為主 在緊靠電極表面的薄層液 體中 不管攪拌作用如何強烈 電遷移和擴散過程作為電極過程的一部分仍起著重要作用 當(dāng)電極表面溶液當(dāng)電極上有電流通過時 三種傳質(zhì)方式同時存在 各區(qū)域的傳質(zhì)方式以一種 或兩種為主 電解加工采用高壓泵強力輸液 對流速度遠遠大于擴散速度 具有實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)擴 散的條件 從所傳輸?shù)牧Ｗ忧闆r看 電遷移傳輸?shù)氖钦撾x子 擴散和對流傳輸?shù)目梢允请x 子 分子 也可以是其他微粒 在電遷移和擴散過程中 溶質(zhì)與溶劑之間存在著相對運動 在對流傳質(zhì)過程中 溶液的一部分相對于另一部分做相對運動 而運動的這部分溶液中不存 在溶質(zhì)和溶劑的相對運動 由于電解加工的工件電極本身是加工對象 兩極的形狀不是任意設(shè)計的 電極表面不可 5 能靠改變形狀獲得均勻的擴散層 雖然電解加工采用高壓泵高速輸送電解液 極大程度消除 了因擴散阻力引起的濃差極化 但是由于電解加工的對象一般形狀較復(fù)雜 在工件不同部位 的傳質(zhì)過程存在區(qū)別 復(fù)雜零件的電解加工 間隙各處流場不均勻 并且因為電遷移 擴散 對流所傳輸?shù)碾x子 粒子種類和速度的差異 必然造成電解加工電極表面各處電極過程不均 勻 三種傳質(zhì)方式在間隙中的不同分布 在電極表面附近溶液層中的不同比例對電極過程的 影響 成為間隙形成過程中間隙不能均勻分布的重要因素 即使形狀簡單 從供液孔到加工 間隙的過水面積的變化也不可避免 造成空穴 束流等 這些也是目前仍然無法找到電解加 工過程中實時檢測間隙分布規(guī)律的因素 微細電解加工時 由于工具電極直徑只有幾十微米 到幾百微米左右 高壓 高速的電解液沖刷會影響加工精度和破壞微細電極 所以通常采用 靜液或相當(dāng)于靜液電解槽內(nèi)加工 這樣就會使加工間隙中電解液供液困難 新鮮電解液很難 流入加工間隙 電解產(chǎn)物和電解產(chǎn)生的熱量也很難排除 因此 微細電解加工中必須考慮如 何改善小間隙內(nèi)電解液的充足供給和電解產(chǎn)物與電解熱的排出問題 在超純水微細電解加工 中 超純水屬于低濃度 低電導(dǎo)率的電解液 并擁有較低的粘度 可以減少流動的壓力損失 并加快熱量及產(chǎn)物的遷移 從而可運用于小間隙加工 另外 其較高的熱容可防止沸騰和空 穴的形成 有利于小間隙 高電流密度的加工 三 本課題的研究手段和預(yù)期結(jié)果 1 研究內(nèi)容 1 查閱文獻資料 詳細研究零件圖 了解零件的結(jié)構(gòu) 2 根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)選取毛坯的種類和制造方法毛坯余量的選擇 3 制定工藝規(guī)程和可行性分析 4 選擇粗精基準(zhǔn) 計算和選擇金屬切削機床的技術(shù)參數(shù) 5 根據(jù)電解加工工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計工序過程中的專用夾具 2 本課題可能遇到的問題及其研究方法 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 所以就在過程中要認(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 6 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 進行精細的準(zhǔn)確 的尺寸計算 和時間的估算 3 課題預(yù)期結(jié)果 1 了解了電解加工工裝的作用 完成對零件的結(jié)構(gòu)分析 并制作出合理的夾具及裝夾方 案 2 在保證經(jīng)濟和尺寸精度的要求下制定出合理的加工方法及加工工序 3 在老師的要求下及自己的計劃內(nèi)完成各項任務(wù) 4 完成課題所需的工作條件 在前期得做好各項準(zhǔn)備 要查閱大量的文獻了解電解加工工裝的結(jié)構(gòu) 并在 CAD PRO E 上畫出這個零件 認(rèn)真去了解他的結(jié)構(gòu) 這當(dāng)中就需要一些工具書比如機械加 工工藝手冊 夾具設(shè)計圖冊 刀具設(shè)計手冊以及有關(guān)教材及參考資料 最后如果有需要還 可以選擇去工廠調(diào)研 以上條件具備完成本課題所需的工作條件 四 研究進度 第 1 第 2 周 完成收集資料 開題報告 文獻綜述及外文翻譯等 第 3 第 5 周 根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和尺寸要求 完成工藝規(guī)程設(shè)計 第 6 第 9 周 工藝裝備設(shè)計 第 10 第 12 周 編寫設(shè)計說明書 第 13 周 畢業(yè)設(shè)計答辯 五 主要參考文獻資料 1 于勇 我國機械制造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向 J 山西焦煤科技 2010 S1 75 76 2 應(yīng)雷 淺談我國機械制造業(yè)的困境和發(fā)展戰(zhàn)略對策 J 科技資訊 2010 27 112 3 侯志楠 淺析機械制造技術(shù)的發(fā)展歷程 現(xiàn)狀及趨勢 J 2010 20 4 濮良貴 紀(jì)名剛 機械設(shè)計 M 高等教育出版社 2006 5 黎震 朱江峰 先進制造技術(shù) M 北京理工大學(xué)出版 2009 6 鄭修本 機械制造工藝學(xué) M 北京 機械工業(yè)出版社 2007 7 徐鴻本 機床夾具設(shè)計手冊 M 遼寧 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社 2004 8 聞邦椿 機械設(shè)計手冊 第 5 版 第 1 卷 機械工業(yè)出版社 2010 9 張捷 機械制造技術(shù)基礎(chǔ) M 西南交通大學(xué)出版社 2006 10 盧秉桓 機械制造基礎(chǔ) M 北京 機械工業(yè)出版社 2008 11 王先逵 機械制造工藝學(xué) M 北京 機械工業(yè)出版社 2004 12 Handbook of Machine Tools Manfred weck J 2005 13 Boyes W E Jigs and Fixture America SME J 2006 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 B090203 姓 名 宋璋璋 學(xué) 號 B09020321 導(dǎo) 師 賈建利 年 月 日 誠 信 承 諾 我謹(jǐn)在此承諾 本人所寫的畢業(yè)設(shè)計 論文 XXXXXXXX 均 系本人獨立完成 沒有抄襲行為 凡涉及其他作者的觀點和材料 均 作了注釋 若有不實 后果由本人承擔(dān) 承諾人 簽名 年 月 日 I 摘 要 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型的一 種特種加工方法 其材料的減少過程以離子的形式進行 由于金屬離子的尺寸非常微小 因此這種微溶解去除方式使得電解加工技術(shù)在微細制造領(lǐng)域有著很大的發(fā)展?jié)摿?特 別是對于難切削加工材料 形狀復(fù)雜或薄壁零件的加工具有顯著優(yōu)勢 在航空 航天 推進器以及兵器制造上得到廣泛的應(yīng)用 成為國防工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵制造技術(shù) 根據(jù)研究對象聯(lián)接環(huán)熱鍛模 設(shè)計一套加工該熱鍛模的電解加工工裝 包括 1 聯(lián)接環(huán)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 等軟件畫出聯(lián)接環(huán)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 工件和工具 即正負極 陰陽極 之間的絕緣等問題 關(guān)鍵詞 電解加工 聯(lián)接環(huán)鍛模 工裝設(shè)計 II Abstract Electrochemical machining is based on the principle of metal electrochemical anodic dissolution in the electrolyte will be a special processing method for workpiece processing The material reduction process to ionic form due to the tiny size of metal ion has great potential of development so that the micro dissolve and remove makes electrochemical machining technology in micro manufacturing field In particular has significant advantages for processing hard machining materials complex shape or thin walled parts widely used in aviation aerospace propulsion and the manufacture of weapons become the key manufacturing technology of national defense in industrial production According to the research object coupling ring of hot forging die electrolytic processing to design a set of processing the hot forging die including 1 connecting the ECM cathode ring hot forging die 2 fixture clamping device of hot forging die machining cathode and workpiece 3 the use of Pro E UG and other software to draw a connection ring of hot forging die electrochemical machining tooling 3D assembly drawing Electrolytic processing apparatus should not only ensure the workpiece clamping and positioning but also should consider conducting fluid flow field distribution not processing surface protection workpiece and tool i e positive and negative yin and Yang insulation problem between Key Words Electrochemical machining a connecting ring forging die fixture design III 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第 1 章 緒論 1 1 1 電解加工原理 1 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1 2 1 微秒級脈沖電流加工 3 1 2 2 微精加工 3 1 2 3 數(shù)控展成加工 4 1 3 課題研究內(nèi)容 6 第 2 章 電解加工理論分析 8 2 1 加工影響分析 8 2 2 電極對流場的影響分析 10 第 3 章 聯(lián)接環(huán)熱鍛模設(shè)計及其電解加工陰極設(shè)計計算 12 3 1 陰極材料的選擇 13 3 2 陰極的尺寸設(shè)計 13 第 4 章 聯(lián)接環(huán)熱鍛模電解加工工裝設(shè)計 14 4 1 聯(lián)接環(huán)熱鍛模夾具定位設(shè)計 14 4 2 聯(lián)接環(huán)熱鍛模夾具裝夾設(shè)計 15 4 3 水套設(shè)計 17 4 4 底座設(shè)計 17 4 5 聯(lián)接環(huán)熱鍛模導(dǎo)電方式 17 4 6 聯(lián)接環(huán)熱鍛模供液方式 18 4 7 聯(lián)接環(huán)電解流場的設(shè)計 19 4 7 工裝總體設(shè)計圖 21 總 結(jié) 23 參考文獻 24 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 IV 致謝 26 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 1 第 1 章 緒論 1 1 電解加工原理 電解加工 Electrochemical Machining ECM 是利用陽極溶解的原理并借助于成 型陰極將工件按一定的形狀和尺寸加工成型的一種加工工藝方法 其理論基礎(chǔ)是 1834 年 法拉第發(fā)現(xiàn)的金屬陽極溶解基本定律 即法拉第定律 圖 1 1 所示為電解過程示意圖 圖 中顯示金屬鐵電解的過程 它由電解質(zhì)溶液 直流電源 連接電源正極的工件陽極 連接 電源負極的工具陰極組成 當(dāng)接通電源后 電解反應(yīng)并未開始就發(fā)生 只有當(dāng)電壓升高到 臨界值 分解電壓 后 電解過程才開始 在陰極處開始有氣泡生成 在陽極處開始有電 解產(chǎn)物出現(xiàn) 圖 1 1 電解加工過程示意圖 在陰極和陽極的電極 溶液界面上發(fā)生主要電化學(xué)反應(yīng)過程為 陽極一側(cè) Fe Fe2 2e 陽極溶解 Fe2 2OH O2 Fe OH 2 淡綠色絮狀物 4Fe OH 2 2H2O O2 4Fe OH 3 紅棕色絮狀物 陰極一側(cè) 2H 2e H2 逸出氫氣 如果陽極只發(fā)生陽極溶解而沒有析出其它物質(zhì) 則根據(jù)法拉第第一定律 陽極溶解的 金屬質(zhì)量為 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 2 M kQ kIt 陽極溶解的金屬體積為 V M KIt It 從電解加工的試驗中可以得出 實際加工過程陽極金屬的溶解量并不和理論的計算量 相同 通常是理論計算量會大于實際的溶解量 極少數(shù)情況也會發(fā)生實際溶解量大于理論 計算量的情況 其原因是在理論計算時 采用了 陽極只發(fā)生確定原子溶解而沒有其它物 質(zhì)析出 這一假設(shè) 而實際加工情況是 1 實際溶解的原子價比計算用的原子價要高或低 2 除金屬溶解外還有一些副反應(yīng)消耗了一部分電流 3 金屬有時在電解加工過程中由于材料組織不均勻或金屬材料與電解液的匹配不當(dāng)發(fā) 生剝落而不是完全由金屬均勻溶解所致 為了表示這個實際和理論的差別 引入電流效率概念來表示實際溶解金屬所耗用的電 量和通過陽極總電量的比例關(guān)系 電流效率 定義為 理論去除量 實際去除量 影響電流效率的因素有 電流密度 電解液的種類 濃度及溫度等工藝條件 其中 作為計算電解加工速度 分析電解成型規(guī)律的必要參數(shù)之一 電流密度對于電流效率的影 響可以通過實驗獲得兩者之間的關(guān)系曲線 即 i 曲線 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 電解加工在國外是五十年代出現(xiàn)的 由于它具有效率高 質(zhì)量好 復(fù)雜型面可一次 成型 以及不受被加工材料機械性能的限制 工具耗損小等優(yōu)點 所以受到普遍重視 六 十年代 在航空發(fā)動機葉片及鍛模加工方面取得了比較顯著的成效 主要應(yīng)用于鍛模型 腔 深孔 小孔 長鍵槽等截面葉片整體葉輪以及去毛刺等 并取得了顯著的技術(shù) 經(jīng) 濟效果 因此 得到比較迅速的發(fā)展 據(jù)統(tǒng)計 自1960年到1975年 電解加工在難切削 材料加工中所占的比例增加兩倍 從1960年的15 增加到1975年的45 八九十年代在 某些領(lǐng)域得到了新的應(yīng)用 其應(yīng)用要求也越來越高 九十年代后期起 電解加工研究 機構(gòu)及人員逐漸壯大 應(yīng)用領(lǐng)域 尤其在航天 航空 兵器領(lǐng)域 進一步擴展 研究 成果及論著數(shù)量激增 工藝技術(shù)水平 設(shè)備性能及產(chǎn)業(yè)發(fā)展均達到了一個新的高度 進入新世紀(jì)以來 高速發(fā)展的高新技術(shù)和電解加工融合 使其面臨從一般加工到精密 加工的突破 目前電解加工工藝技術(shù)研究涉及的方向很多 主要集中在電解復(fù)合加工 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 3 細微加工 數(shù)控展成加工及高頻脈沖電流加工等幾大領(lǐng)域 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)備性能均達到了一個新的高度 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 2 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 0 05mm 1 2 3 最低表面粗糙度可達 Ra0 40 1 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(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 果進一步從工藝角度證實了上述結(jié)論 1 2 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(xué)加工技術(shù)在微細制造領(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 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 4 溶解或電化學(xué)微細沉積 微細電鑄技術(shù)是電化學(xué)微細沉積的典型實例 它已經(jīng)在微細 制造領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用 微細電鑄是 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 5 6 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 其加工的微細程度目前還不能與電化學(xué)沉積的微細電鑄相比 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 精度已可達微米級 5 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(jié)合形成的復(fù)合微精工藝已顯示出良好的應(yīng)用景 9 12 1 2 3 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 0 02mm 表面粗糙度達 Ra0 2 0 6 m 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 0 01 0 02mm 表 面粗糙度達 Ra0 16 0 63 m 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 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 5 進水平 南京航空航天大學(xué)從 20 世紀(jì) 80 年代中期開始進行數(shù)控展成電解加工工藝技術(shù)的 研究 已在電解加工設(shè)備研制 加工機理研究 控制軟件編制及工藝試驗等方面均取 得了重要進展 7 8 9 具體研究內(nèi)容包括以下幾方面 1 設(shè)備研制 研制了五軸數(shù)控電解加工機床及配套的多軸聯(lián)動數(shù) 控系統(tǒng) 該機床具有三個直線運動坐標(biāo)軸及二個旋轉(zhuǎn)運動坐標(biāo)軸 各軸均采用步進電 機驅(qū)動 多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)為二級數(shù)控系統(tǒng) 上位機為一臺通用計算機 用于數(shù)據(jù)處 理及生成數(shù)控加工程序 下位機為組合在一起的五臺經(jīng)濟型二軸數(shù)控單元及其驅(qū)動單 元 用于驅(qū)動機床各軸運動 2 成形規(guī)律研究 研究了棒狀外噴式陰極 三角形截面 內(nèi)噴式陰極 矩形截面內(nèi)噴式陰極三種狀況下展成電解加工間隙隨一些主要工藝參數(shù) 變化的規(guī)律 3 陰極設(shè)計 針對整體葉輪結(jié)構(gòu) 設(shè)計制造了不同結(jié)構(gòu)的開槽陰極 型 面精加工陰極 并通過工藝試驗對其結(jié)構(gòu)進行不斷改進 現(xiàn)已設(shè)計出了新穎結(jié)構(gòu)的組 合式開槽陰極及矩形截面整體式型面精加工陰極 很好地解決了加工過程中易產(chǎn)生的 陰極短路燒傷問題 4 加工軟件開發(fā) 針對整體葉輪的開槽加工及型面精加工 開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)控展 成電解加工軟件 具有葉片型面的數(shù)據(jù)處理 數(shù)控加工的展成運動軌跡計算及整體葉 輪的三維型面幾何造型等功能 5 加工工藝試驗 包括直紋面 非直紋面整體葉 渦 輪及帶冠整體葉輪的展成電解 加工 葉片型面電解拋光與五軸聯(lián)動電解磨削等 試驗表明 工藝過程穩(wěn)定可靠可以 獲得較高的加工精度和較低的表面粗糙度 陰極設(shè)計 目前的生產(chǎn)實際中 多采用迭代試驗修正法來制作陰極 這不僅浪費人力物力 而且要求操作者具備豐富的實踐經(jīng)驗和很高的技術(shù)水平 同時也大大延誤了生產(chǎn)周期 增加了制造成本 特別是對于形狀復(fù)雜和精度要求較高的零件 陰極設(shè)計問題已成為 影響電解加工應(yīng)用的一個重要原因 南京航空航天大學(xué)研究設(shè)計了陰極設(shè)計 CAD CAE CAM 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架以及開發(fā)策略 該系統(tǒng)基于專家系統(tǒng) 結(jié)合專業(yè)技術(shù) 人員和領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗來優(yōu)選工藝參數(shù) 并且采用基于自由邊界的數(shù)值算法 保證算 法的收斂性 10 南京航空航天大學(xué)還提出了一種基于正問題數(shù)值求解模擬 試驗修整 進行陰極設(shè)計的方法 該方法將生產(chǎn)實際中制造陰極的過程再現(xiàn)于計算機上 采用有 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 6 限元求解拉普拉斯方程得到加工間隙中的電位分布 通過不斷地將獲得的等位線與理 想工件邊界進行比較 將得到的差值映射到陰極端 用來指導(dǎo)陰極的修整 直到工件陽極端的差值小于所允許的值 該設(shè)計方法具有 易于處理復(fù)雜邊界 收斂性好 精度高的特點 11 合肥工業(yè)大學(xué)也提出了應(yīng)用陰極設(shè)計數(shù)據(jù)表來進行陰極設(shè)計的方法 通過合理設(shè) 計工藝試驗 獲取了特征部位的加工間隙偏差值 據(jù)此計算出各特征部位對應(yīng)陰 極處的附加修正量 在此基礎(chǔ)上 建立五種陰極設(shè)計數(shù)據(jù)表 為陰極設(shè)計提供了 豐富的修正數(shù)據(jù) 在此基礎(chǔ)上 可望建立陰極設(shè)計數(shù)據(jù)庫 12 磁場提高電解加工精度的研究這項技術(shù)早期研究較多的是磁場對電解磨削 電解 拋光的影響 近年來 國內(nèi)開展了電解成型加工疊加磁場的研究 西北工業(yè)大學(xué)的研 究發(fā)現(xiàn)當(dāng)加工對象是鈦合金或者是在 NaCl 電解液中加工 45 鋼時 磁場可以顯著減少 雜散腐蝕 提高加工精度 而在 NaNO3 電解液中加工 45 鋼則效果甚微 13 西安工業(yè) 學(xué)院進行了磁場影響電場的仿真試驗及在電解加工裝置上疊加磁場的加工工藝試驗 試驗表明 電解加工過程中疊加磁場會改變原有電場分布 進而改變間隙流場的分布 從而有利于解決以往電解加工過程中的雜散腐蝕現(xiàn)象 提高電解加工的質(zhì)量 只有在 疊加磁場方向垂直于電場方向且 N 極指向電場疊加磁場時 對電場均布有較明顯的作 用 14 此外 采取切割流線的方向疊加磁場 洛侖茲力的作用有利于成股的束流展 開 磁場可以減小電解液的粘度 改善其流動性能 有利于及時排走電解產(chǎn)物和熱量 改善加工條件 提高加工穩(wěn)定性 15 除了上述五大研究方向之外 帶冠整體葉輪加工 周期循環(huán)電解加工 數(shù)控銑床 電解加工 脈沖電解加工間隙測控方法 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電解加工精度預(yù)測模型 電解加工中管理系統(tǒng)的開發(fā)等工藝技術(shù)的研究均有所創(chuàng)新或突破 1 3 課題研究內(nèi)容 根據(jù)研究對象聯(lián)接環(huán)熱鍛模 設(shè)計一套加工該熱鍛模的電解加工工裝 包括 1 聯(lián)接環(huán)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 等軟件畫出聯(lián)接環(huán)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 工件和工具 即正負極 陰陽極 之間的絕緣等問題 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 7 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 8 第 2 章 電解加工理論分析 2 1 加工影響分析 電解加工中 加工間隙的控制對加工精度和加工過程的穩(wěn)定性都非常重要 加工 間隙是電解加工的核心工藝要素 它是決定加工精度的主要因素 因此獲得均勻 穩(wěn) 定 大小適中的間隙對電解加工至關(guān)重要 在窄縫電解加工中 若能盡可能采用小的 加工間隙進行加工 可以顯著提高加工精度和生產(chǎn)率 研究中采用未絕緣的薄片電極 進行直流電解加工工藝試驗 圖 2 3 是加工間隙示意圖 以其中某一縫為例 在窄縫 的電解加工中 其端面間隙 b D 和側(cè)面間隙 s D 如圖 圖 2 3 加工窄縫時的加工間隙示意圖 電解加工過程中 當(dāng)工件的蝕除速度與工具的進給速度相等 兩者達到動態(tài)平衡 時 端面間隙為 式中 b D 底面平衡間隙 mm h 電流效率 取決于工件材料和電解液間匹配 w 體積電化學(xué)當(dāng)量 mm A h 3 取決于工件材料 k 電導(dǎo)率 1 W mm 取決于電解液參數(shù) 成分 濃度 溫度等 R U 電解液的歐姆壓降 V 取決于電解液 陰極和工件材料 電流密度 9 u 陰極的進給速度 mm min 式 2 1 說明底面平衡間隙 b D 與電流效率 h 體積電化當(dāng)量 w 電導(dǎo)率 k 歐姆壓降 R U 成正比 而與進給速度 u 成反比 至于側(cè)面間隙 側(cè)面不絕緣 在電流效率相等的條件下有 式中 s D 側(cè)面間隙 mm h 進給量 在窄縫電解加工中 隨著加工深度的增加 側(cè)壁腐蝕一直進行 如圖 2 3 所示 不同間隙處的金屬去除速度是不同的 1 為大間隙 s D 為小間隙 這 兩處的去除速度分別為 式中 分別為大間隙電流效率 小間隙電流效率 w 為工件材料的體 積電化學(xué)當(dāng)量 k 為電導(dǎo)率 U 為電壓 1 dE 2 dE 分別為大間隙電極電位差 小間隙電極電位差 式 2 5 中 對于 NaCl 電解液 在加工條件一致的情況下 1 2 h h 不同間 隙處的去除速度約等于間隙距離比 由側(cè)面間隙公式可知側(cè)面間隙為拋物線形 加工 深度越大 加工精度越差 而對于 NaNO3 電解液 由于側(cè)壁上對應(yīng) 1 處的電流密度 小于 s D 處的電流密度 對應(yīng) 1 處的 1h 也隨之大大減小 1 2 h h 由式 2 5 知 側(cè)壁上的去除速度大大減小 從而加工精度不會隨加工深度的增加而惡化 而且由公 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 10 式可知 去除速度與電流效率有很大的關(guān)系 在窄縫電解加工中 為了盡可能減小加工間隙 提高加工精度 通常選用 NaNO3 電解液 其電流效率 h 隨著電流密度 i 的減少而減少 對于群窄縫加工 通常采用很 低的電流密度 這就意味著其電流效率 h 會比常規(guī)加工的更低 根據(jù)加工間隙公式 更低的電流效率 h 帶來了比常規(guī)加工更小的加工間隙 采用薄片狀電極進行加工時 由于電極厚度通常很薄 表面涂敷均勻絕緣層的難度較大 若群窄縫同時加工時更難 實現(xiàn)均勻絕緣 故研究中采用未絕緣金屬片電極 在端面間隙公式中 電流密度 h 和 加工用電解液對加工間隙有很大關(guān)系 通常直流電解加工常用的電解液是 NaCl 電解 液和 NaNO3 電解液 NaCl 電解液在很寬的范圍內(nèi) 其電流效率 h 幾乎保持常數(shù) 接 近 100 一般不隨陽極材料 電解液濃度和溫度 加工中電流密度大小等變化 而 3 NaNO 電解液的 電流效率 h 不僅隨加工材料 電解液濃度和溫度等變化 而且電流密度不同時 由于 鈍化現(xiàn)象會使電流效率 h 出現(xiàn)大幅度變化 圖 2 4 是 NaCl 電解液和 NaNO3 電解液 的電流效率 h 和電流密度 i 的關(guān)系曲線 圖 2 4 NaCl 和 NaNO3 的 i 曲線 2 2 電極對流場的影響分析 電解加工中 電解液的流場狀況是很重要的 它不但影響到電解加工的復(fù)制精度 和表面質(zhì)量 而且還可能由于流場分布不好而引起短路 損壞工具和工件 采用薄片 11 狀電極的電解加工中 電解液的流動屬于鈍物體繞流 有尾跡現(xiàn)象 尾跡現(xiàn)象在鈍物 體后產(chǎn)生渦流區(qū) 此渦流區(qū)內(nèi)的電解液流速慢 類似于死水 得不到迅速的更新 很 容易形成離子堆積 濃差極化嚴(yán)重 電解產(chǎn)物也不容易及時排除 造成這一局部區(qū)域 電解速度降低 影響加工成型精度 嚴(yán)重時甚至引起短路 尾跡的流動是非定常湍流 隨來流雷諾數(shù)不同而呈現(xiàn)不同的速度分布 在不同的雷諾數(shù)范圍內(nèi) 繞薄片厚度大的 產(chǎn)生的尾跡渦流區(qū)域長度比繞厚度小的情況大 在窄縫電解加工過程中 加工間隙比 常規(guī)電解更小 尾跡渦流長度很容易影響到實際加工過程 在電解液狀態(tài)不變的情況 下 通過減小薄片電極的厚度 可以使尾跡渦流區(qū)長度相應(yīng)地隨之減小 尾跡對加工 的影響也隨之減小 加工精度和加工過程穩(wěn)定性都可以得到提高 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 12 第 3 章 聯(lián)接環(huán)熱鍛模設(shè)計及其電解加工陰極設(shè)計計算 因為微細電解加工對象本身尺寸一般為 0 1 1mm 考慮到其相應(yīng)的加工精度 必 須采用小間隙加工 微細電解的加工間隙一般為 0 01 0 1mm 之間 遠小于常規(guī)電解加 工間隙的尺寸 0 1 1mm 在微細電解加工中 加工間隙的大小和穩(wěn)定程度是對加工得 以實現(xiàn)非常重要 電解加工間隙分為端面間隙 側(cè)面間隙和法向間隙 要保證高的成型精度 除了 端面間隙要維持在一個比較小的水平外 側(cè)面間隙的大小隨加工深度的變化也必須保 證在較小的范圍 這樣才能保證加工微孔的錐度和加工窄縫側(cè)壁的 垂直度 在占微細電解加工中大部分的微孔窄縫加工中 由于間隙無法直接測量 通常采 用加工孔徑和工具電極直徑之差的一半 即側(cè)面間隙大小 來間接評定加工間隙 電 極側(cè)壁的絕緣是必須的 加工間隙如圖 2 1 所示 2 1 220bbs x 微細電解中側(cè)壁絕緣的工具電極一般不保留圖 2 2 中所示的寬度為 b 的工作帶 即式 2 1 內(nèi)的參數(shù) b 趨近于 0 故加工中側(cè)面間隙 bs 微細電解時加工間隙很小 間隙內(nèi)電解液的量也很少 如果要實現(xiàn)和勻速電解加 工一樣的加工速度 間隙內(nèi)的溫升和氣泡析出將極大的影響電導(dǎo)率變化 而且排出電 解產(chǎn)物比勻速加工困難 其對穩(wěn)定加工的影響遠遠大于勻速加工 所以通常采用低速 加工或者非勻速進給方式加工 以提高加工穩(wěn)定性 但其平均進給速度將顯著低于勻 s b 絕緣層 工具電極 工件 bx 0 b 端面加工間隙 s 側(cè)面加工間隙 x0 側(cè)面加工間隙 b 工作帶寬度 圖 2 1 電解加工間隙示意圖 13 速進給電解加工 導(dǎo)致加工效率下降 在微細電解中采用有效的工具陰極復(fù)雜運動進給方案 可以維持在小間隙下穩(wěn)定 進行加工 不僅可以提高加工穩(wěn)定性 而且還可以提高加工精度 對于單軸電解加工而言 加工對象的局限性較大 只局限于獲得其表面形狀由精 確復(fù)制工具電極的表面形狀而來的加工對象 無法加工空間螺旋槽等類似結(jié)構(gòu) 另外 電解加工出的微孔的圓度 尺寸精度等在很大程度上受加工流場的影響 加工間隙內(nèi) 電解液的更新是否及時會直接影響加工流場是否均勻穩(wěn)定 由于微細電解加工的間隙 微小 電解液更新困難 因此可以考慮采取新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)更新電解液和排除 電解產(chǎn)物的功能 因此 有必要根據(jù)微細電解加工的獨特性 設(shè)計一種微細電解加工機床 其本體 結(jié)構(gòu)必須兼顧好的系統(tǒng)剛性 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小型化和方便的操作維護性 有利于加工穩(wěn)定 地維持在微小間隙下 剛度大 精度高 結(jié)構(gòu)簡單 同時盡可能擴展加工對象的多樣 性 3 1 陰極材料的選擇 陰極材料一般選黃銅或?qū)щ娦阅芎?便于補焊修理電解加工中造成的短路燒傷缺 陷的低碳鋼 陰極設(shè)計時 首先是選擇或確定加工底部的間隙值 間隙值值越小 加工的 質(zhì)量越高 但也越容易短路 造成流場設(shè)計復(fù)雜 通常 影響間隙值的因素較多 所以在 機床 電源條件允許的情況下 建議取間隙值在0 15mm 0 30mm之間 間隙的計算一般 分下列三種情況 第一種是圓弧部分的間隙計算 第二種是形鍛斜度7 位置間隙計算 第三種是有45 斜面處的間隙計算 3 2 陰極的尺寸設(shè)計 陰極的尺寸設(shè)計 其關(guān)鍵在于陰極齒頂面及兩側(cè)面的錐度齒頂角齒側(cè)角的取值錐度 的大小直接影響陰極齒的長度和銅鎢合金材料的使用量更重要的是將決定加工法向間 隙的數(shù)值最終影響加工精度加工穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率為了既能保證加工速度粗加工過程 中 法向間隙較小火花短路較多精加工段的設(shè)計 是為了去除粗加工留下的尺寸余量及 表面缺陷以基本上滿足尺寸和表面質(zhì)量的要求由于精加工段的加工過程是處于一種過 渡狀態(tài) 最終很難保證各個齒形的一致因此還需要通過拋光段的加工來對全齒進行最后 一道精整從而確保工件的尺寸精度和表面質(zhì)量通常拋光圈寬度 b 取 0 1 0 2 mm 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 14 第 4 章 聯(lián)接環(huán)熱鍛模電解加工工裝設(shè)計 4 1 聯(lián)接環(huán)熱鍛模夾具定位設(shè)計 工件的定位的基本原理 六點定則 用合理分布的六個支承點限制工件的六個自由度 使工件在夾具中的位置完全確 定 稱為 六點定位原則 簡稱 六點定則 六點定則是工件定位的基本法則 用于實際生產(chǎn)時 起支承點作用的是一定形狀 的幾何體 這些用來限制工件自由度的幾何體就是定位元件 限制工件自由度與加工要求的關(guān)系 工件定位時 影響加工要求的自由度必須限制 不影響加工要求的自由度 有時 要限制 有時可不限制 視具體情況而定 習(xí)慣上 工件的六個自由度都限制了的定 位稱為完全定位 工件限制的自由度少于六個 但能保證加工要求的定位稱為不完全 定位 在工件定位時 以下情況允許不完全定位 加工通孔或通槽時 沿貫通軸的位置自由度可不限制 毛坯 本工序加工前 是軸對稱時 繞對稱軸的角度自由度可不限制 加工貫通的平面時 除可不限制沿兩個貫通軸的位置自由度外 還可不限制繞垂 直加工面的軸的角度自由度 夾具上的定位元件重復(fù)限制工件的同一個或幾個自由度的定位稱為重復(fù)定位 重 復(fù)定位分兩種情況 當(dāng)工件的一個或幾個自由度被重復(fù)限制 并對加工產(chǎn)生有害影響 的重復(fù)定位 稱為不可用重復(fù)定位 它將造成工件定位不穩(wěn)定 降低加工精度 使工 件或定位元件產(chǎn)生變形 甚至無法安裝和加工 因此 不可用重復(fù)定位是不允許的 當(dāng)工件的一個或幾個自由度被重復(fù)限制 但仍能滿足加工要求 即不但不產(chǎn)生有害影 響 反而可增強工件裝夾剛度的定位 稱為可用重復(fù)定位 在生產(chǎn)實際中 可用重復(fù) 定位被大量采用 基準(zhǔn) 對定位元件的基本要求 定位基準(zhǔn)的選擇 15 定位基準(zhǔn)的選擇 應(yīng)盡量使工件的定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)相重合 盡量用精基準(zhǔn)作 為定位基準(zhǔn) 遵守基準(zhǔn)統(tǒng)一原則 應(yīng)使工件安裝穩(wěn)定 加工中所引起的變形最小 應(yīng) 使工件定位方便 夾緊可靠 對定位元件的基本要求 足夠的精度 足夠的強度和剛度 耐磨性好 工藝性好 便于清理切削 2 工件定位方式及其定位元件 a 工件以平面定位 工件以平面作為定位基準(zhǔn)時 所用定位元件一般可分為主要支 承和輔助支承 主要支承用來限制工件的自由度 具有獨立定位的作用 輔助支承用 來加強工件的支承剛性 不起限制工件自由度的作用 b 工件以圓柱孔定位 工件以圓柱孔為定位基準(zhǔn) 如套類 齒輪 撥叉等 此種定 位方式所用的定位元件有圓柱定位銷 定位心軸和圓錐定位銷等 c 工件以外圓柱面定位 工件以外圓柱面定位時 常用的定位元件有 V 形塊 定 位套和半圓套 4 2 聯(lián)接環(huán)熱鍛模夾具裝夾設(shè)計 1 夾緊裝置的種類繁多 綜合起來其結(jié)構(gòu)均由兩部分組成 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 16 動力裝置 產(chǎn)生夾緊力 動力裝置是產(chǎn)生原始作用力的裝置 按夾緊力的來源 夾緊分手動夾緊和機動夾緊 手動夾緊是靠人力 機動夾緊是采用動力裝置 常用的 動力裝置有液壓裝置 氣動裝置 電磁裝置 電動裝置 氣 液聯(lián)動裝置和真空裝置等 夾緊裝置 傳遞夾緊力 動力裝置所產(chǎn)生的力或人力要正確地作用到工件上 需 有適當(dāng)?shù)膫鲃訖C構(gòu) 傳遞機構(gòu)是把原動力傳遞給夾緊裝置 它由兩種構(gòu)件組成 一是 接受原始作用力的構(gòu)件 二是中間傳力機構(gòu) 2 夾緊裝置的設(shè)計要求 夾緊裝置的設(shè)計和選用是否正確 都保證工件的精度 提高生產(chǎn)率和減輕工人勞 動強度有很大的影響 因此 夾緊裝置應(yīng)滿足以下要求 夾緊過程中 不能破壞工件在定位時所處的正確位置 b 夾緊力的大小適當(dāng) 保證工件在整個加工過程中的位置穩(wěn)定不變 夾緊可靠牢固 振動小 又不超出允許的變形 c 夾緊裝置的復(fù)雜程度應(yīng)與工件的生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng) 工件生產(chǎn)批量越大 越應(yīng)設(shè)計 較復(fù)雜 效率較高的夾緊裝置 d 具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性 力求簡單 便于制造維修 操作安全方便 并且省力 夾緊力方向的確定 夾緊力應(yīng)朝向主要的定位基面 夾緊力的方向盡可能與切削力和工件重力同向 夾緊力作用點的選擇 a 夾緊力的作用點應(yīng)落在定位元件的支承范圍內(nèi) b 夾緊力的作用點應(yīng)落在工件剛性較好的部位上 這樣可以防止或減少工件變形 變形對加工精度的影響 c 夾緊力的作用點應(yīng)盡量靠近加工表面 3 夾緊力大小的估算 理論上確定夾緊力的大小 必須知道加工過程中 工件所受到的切削力 離心力 慣性力及重力等 然后利用夾緊力的作用應(yīng)與上述各力的作用平衡而計算出 但實際 上 夾緊里的大小還與工藝系統(tǒng)的剛性 夾緊機構(gòu)的傳遞效率等有關(guān) 而且 切削力 的大小在加工過程中是變化的 因此 夾緊力的計算是個很復(fù)雜的問題 只能進行粗 17 略的估算 估算的方法 一是找出對夾緊最不利的瞬時狀態(tài) 估算此狀態(tài)下所需的夾緊力 二是只考慮主要因素在力系中的影響 略去次要因素在力系中的影響 估算的步驟 a 建立理論夾緊力 FJ 理與主要最大切削力 FP 的靜平衡方程 FJ 理 FP b 實際需要的夾緊力 FJ 需 應(yīng)考慮安全系數(shù) FJ 需 KFJ 理 c 校核夾緊機構(gòu)的夾緊力 FJ 是否滿足條件 FJ FJ 需 4 3 水套設(shè)計 電解加工中應(yīng)向加工間隙內(nèi)提供具有一定壓力和較高流速的電解液水套的作用就 是對電解液加以引導(dǎo)和密封并保證加工間隙內(nèi)流場的均勻由于電解液的壓力較高 水套 內(nèi)采用全封閉流道并在水套與工件水套與導(dǎo)柱等結(jié)合面處采用可靠的密封如配置橡膠 海綿形密封圈等 4 4 底座設(shè)計 底座是工件的安裝定位基準(zhǔn)但在該工藝中它又擔(dān)當(dāng)一個重要作用就是要確保加工 過程中電解液出口的背壓這是因為電解液從加工區(qū)流出后要進入底座內(nèi)然后再從 其底 部的出液孔中噴出因此出液孔的大小就決定了電解液背壓的數(shù)值而合適的背壓有 助于加工區(qū)流場的均勻和工件表面質(zhì)量的提高經(jīng)過反復(fù)試驗出液孔的直徑選定 8 mm 對應(yīng)的電解液背壓是 0 5MPa 短陰極加工法的陰極齒很短 又省去了前引導(dǎo)部分因而可以在目前廣為應(yīng)用的立式 電解加工機床上使用顯著擴大了其應(yīng)用范圍同時輔助加工時間也大為縮短生產(chǎn)率得以 明顯提高 4 5 聯(lián)接環(huán)熱鍛模導(dǎo)電方式 電耗和電能效率是鋅電解重要的技術(shù)指標(biāo) 噸鋅直流電耗 W 用下式計算 W 實際消耗直流電量 陰極鋅產(chǎn)量 V q 1000 1 式中 W 為每噸陰極鋅直流 電單耗 kW h t V 為平均槽電壓 V q 為鋅的電化當(dāng)量 112193g A h 為 電流效率 從上式知 單位電能消耗與電流效率成反比 與槽電壓成正比 因此 降低槽電壓是降低電能消耗最重要的因素之一 槽電壓即每個電解槽內(nèi)陰陽極之間的 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 18 電壓降 它由硫酸鋅的分解電壓 陰陽極間電解液的電壓降 陽極 陰極 導(dǎo)電板 導(dǎo) 電頭 導(dǎo)電片 導(dǎo)電桿 陽極泥 接觸點等電路中的電阻電壓降所組成 接觸點的電 壓降與導(dǎo)體接觸電阻有關(guān) 而導(dǎo)體接觸電阻又與導(dǎo)電方式密切相關(guān) 導(dǎo)體接觸電阻受許 多復(fù)雜因素影響 見 2 R F n 2 式中 R 為導(dǎo)體接觸處的接觸電阻 為 經(jīng)驗常數(shù) P F 為接觸處的壓力 P n 為指數(shù) 單接觸點為 015 多接觸點近 似為 1 導(dǎo)體接觸電阻與接觸點的壓力成反比關(guān)系 導(dǎo)體相互接觸的接觸電阻除了與 其接觸的壓力有關(guān)外 還與接觸面的形狀 接觸面表面積的大小 接觸方式等有極其密 切的關(guān)系 即與導(dǎo)電方式有關(guān)系 目前 國內(nèi)電解陰極鋅的導(dǎo)電方式有兩種 一種是陰陽極板夾接導(dǎo)電方式如圖 1 另一種 是槽間導(dǎo)電板搭接導(dǎo)電方式如圖 2 槽間導(dǎo)電板搭接導(dǎo)電方式比陰陽極板夾接導(dǎo)電方 式接觸面積大 壓力大 導(dǎo)電接觸電阻小 電壓降小 電耗小 圖1 陰陽極板夾接導(dǎo)電示意圖 1 銅排 2 電解槽 3 陰極板 4 陽極板 圖2 陰陽極板搭接導(dǎo)電示意圖 1 銅排 2 電解槽 3 陰極板 4 陽極板 5 槽間導(dǎo)電板 19 4 6 聯(lián)接環(huán)熱鍛模供液方式 由于電解液揮發(fā)的存在 從降低電解液循環(huán)過程中酸霧危害 減少電解液揮發(fā)損 失 提高循環(huán)效率 實現(xiàn)清潔生產(chǎn)等方面出發(fā) 進行電解供液方式研究 是企業(yè)的一 項必然工作密閉式供液方式的經(jīng)濟性選擇在傳統(tǒng)的供液方式的基礎(chǔ)上進行改進密閉式 供液方式 必須考慮經(jīng)濟可行 必須從經(jīng)濟的角度選擇閉的區(qū)段 保留 循環(huán)槽一高 位槽一主供液管 區(qū)段不變而供液路徑和回液路徑實施全密閉改進是經(jīng)濟性選擇 文 章針對以下密閉性供液路徑進行討論 循環(huán)槽一高位槽一主供液管一閥式上酸管一槽 間供液支管一供液導(dǎo)管一電解槽一半圓管一回液盒一支回溜管一主回溜管一循環(huán)槽 液體在管道內(nèi)流動的過程中粘著物在管壁粘著沉積形成結(jié)渣或積垢的現(xiàn)象始終存在 結(jié)渣或積垢的嚴(yán)重程度一方面與液體的性質(zhì)有關(guān) 另一方面與液體在管道內(nèi)流速相關(guān) 一般來說 流速越快 管壁結(jié)渣或積垢越慢 選擇適當(dāng)?shù)墓軓胶土魉偈墙鉀Q管道堵積 的另一個途徑 槽間供液支管與上酸管連接 在進液端設(shè)置供液控制閥 在末端設(shè)置排污閥 定期進 行疏通 槽間砷闖供液支管結(jié)構(gòu)圖如圖1所示 末端供液導(dǎo)管與末端間排污閥間距不宜 長 防止囤渣 供液支管與回液支管均采用防酸的聚氯乙烯管材 控制閥采用防酸的 塑料閥門 4 7 聯(lián)接環(huán)電解流場的設(shè)計 電解加工是陽極 工件 溶解的電化學(xué)發(fā)展過程 其加工效果取決于電場 流場 溫度場等方面的綜合影響 過去對電解加工成型規(guī)律的研究 都是在假設(shè)流場均勻的 前提下 對電場分布規(guī)律所進行的研究 大量科研 生產(chǎn)實踐證明 流場設(shè)計是電解 加工陰極裝置設(shè)計中一項重要內(nèi)容 它不僅對電場分布有著顯著影響 而且決定電解 加工的成敗 廣義的流場設(shè)計應(yīng)包括液流通道設(shè)計和加工區(qū)流場設(shè)計兩個方面 液流 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 20 通道設(shè)計雖從屬于加工區(qū)流場設(shè)計 而它的合理與否對加工區(qū)流場分布也有著重要影 響 加工區(qū)流場包括穩(wěn)定區(qū)流場和進出口流場 穩(wěn)定區(qū)流場又包括主流場與輔助流場 而主流場是指加工區(qū)電解液的主要供 排方式 即電解液總的流向 它對加工區(qū)的壓 力 流速 流量 流程 溫度和產(chǎn)物均有顯著影響 而輔助流場是指為了保證主流場 穩(wěn)定均勻而進行的一些補償電解液的輔助設(shè)計 它是為了保證加工區(qū)沿程流速穩(wěn)定均 勻 而在不同過水截面上所采取逐段增液或減液的輔助措施 輔助流場的設(shè)計從屬于 主流場的流向 當(dāng)主流場的電解液從加工區(qū)小的過水截面流向大的過水截面時 輔助 流場為增液流場 以便逐段增加電解液保證沿程流速基本穩(wěn)定 反之亦然 輔助流場 電解液的增 減量取決于主流場各過水濕周的變化和間隙分布 電解液系統(tǒng)是由電解液 含NaCl水溶液 水泵 管道 經(jīng)陰極進入加工區(qū) 使正負 極之間產(chǎn)生電解作用 并不斷將電解產(chǎn)物沖刷排除掉 保證加工順利完成 此處流場的 設(shè)計 是指陰極到加工區(qū)的設(shè)計 其設(shè)計原則是 電解液順利通過并完全覆蓋陰極端面 不得有任何空區(qū) 死水區(qū)和渦流區(qū) 過去有關(guān)供液方法的分類 主要是根據(jù)型面 型腔 端面等加工的情況歸納出來 的 據(jù)此將其分為正流法 反流法和側(cè)流法 這3種供液方法都屬于單向供液方法 現(xiàn) 在看來有其局限性 不夠全面 系統(tǒng) 為了使電解液在加工區(qū)具有良好的流動特性 應(yīng)根據(jù)工件的類型和形狀特點以及加工要求和方式的不同 采用不同的供液方法 根 據(jù)目前的電解加工的應(yīng)用情況 可將供液方法分為5類 除了過去的如圖1一圖3所示以 外 本文又提出了另外3類供液方法 分別為 軸向供液類 噴射供液類和組合供液類 噴射供液是采用特殊噴頭將電解液送入加工區(qū)實施加工 根據(jù)被加工件的結(jié)構(gòu)特點和 加工要求 可采用直接噴射和間接噴射 根據(jù)電解液噴射方向又分為切向噴射法 平 行噴射法 垂直噴射法和徑向噴射法4種 分別如圖10 圖13所示 在采用上述噴射供 液方法時 為了不使小孔或窄縫復(fù)制到工件上噴射孔數(shù)宜多 孔徑宜小 且須交錯排 21 列 孔徑或縫寬應(yīng)小于加工間隙 在固定式電解加工中 以往多采用此種方法 即在整個加工過程中 電解液始終從一 端向另一端定向流動 見圖8所示 4 7 工裝總體設(shè)計圖 聯(lián)接環(huán)鍛模及其電解加工工裝設(shè)計 22 總 結(jié) 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展 電解加工技術(shù)作為實現(xiàn)其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和重要基 礎(chǔ) 得到了研究人員的廣泛關(guān)注 成為當(dāng)今世界各國研究機構(gòu)的研究熱點 本文首先簡要介紹了電解加工技術(shù)的研究和發(fā)展方向 指出伴隨著制造業(yè) 向微細化發(fā)展 微細電解加工正逐漸成為主流的加工手段之一 詳細綜述了微 細電解加工技術(shù)的原理和發(fā)展方向 并介紹了課題來源和研究的目的及意義 在 此基礎(chǔ)上 對微細電解加工系統(tǒng)進行了分析 參考文獻 1 范植堅 王天誠 電解加工技術(shù)及其研究方法 北京 國防工業(yè)出社 2004 10 2 王建業(yè) 徐家文 電解加工原理及應(yīng)用 北京 國防工業(yè)出版社 2001 1 3 徐家文 王建業(yè) 田繼安 21 世紀(jì)初電解加工的發(fā)展和應(yīng)用 電加工 與模具 2001 06 4 朱狄 國外電解加工的研究進展 電加工與模具 2000 01 5 李志永 季畫 電解加工在微細制造技術(shù)中的應(yīng)用研究 機械設(shè)計與 制造 2006 06 6 王明環(huán) 朱荻 徐惠宇 提高微細電解加工深度的研究 電加工與模 具 2005 03 7 劉紅普 劉家平 張成光 脈沖電解加工研究現(xiàn)狀及進展 裝備制造 技術(shù) 2007 04 8 王少華 朱狄 曲寧松 王昆 微細縫結(jié)構(gòu)電解加工研究 中國機械 工程 2009 08 9 陳遠龍 張正元 電解加工技術(shù)的現(xiàn)狀與展望 航空制造技術(shù) 2010 05 10 謝巖甫 劉壯 陳偉 微細電解加工技術(shù)的概況與展望 電加工與模 具 2010 06 11 徐正揚 朱狄 朱棟 發(fā)動機葉片電解加工變間隙陰極修正法 機械 工程學(xué)報 2009 09 12 張朝陽 朱狄 微細電解加工的精度及定域性研究 機械科學(xué)與技術(shù) 2006 02 13 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 14 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 15 D B Ender Implementation of Deadband Reset Scheduling for the E lmi ination of Stick slip Cycling in Contro l Valves J Journa lA 1997 38 1 11 15 致謝 畢業(yè)設(shè)計是將大學(xué)所學(xué)的知識融合在一起 綜合運用所有的相關(guān)專業(yè)知識 是課本知識在實際中的應(yīng)用 通過這次畢業(yè)設(shè)計 使我的專業(yè)知識在原有的基 礎(chǔ)上得到更加的鞏固和提高 這離不開老師和同學(xué)們的幫助 本設(shè)計分析是在 老師的指導(dǎo)下完成的 在分析的過程中 老師給了我很大的鼓勵 在設(shè)計分析 中引導(dǎo)我去思考了更多的設(shè)計思路 增強了我的學(xué)習(xí)能力 與我們一起討論問 題 使我對分析有了更清晰明確的認(rèn)識 使我受益非淺 畢業(yè)設(shè)計是我們專業(yè)知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練 這是我們邁向社會 從事 職業(yè)工作前一個必不可少的過程 千里之行始于足下 通過這次課程設(shè)計 我 深深體會到這句千古言的真正含義 我今天認(rèn)真地進行課程設(shè)計 學(xué)會腳踏實 地地邁開這一步 就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ) 說實話 畢業(yè)設(shè)計真是有點累 然而一著手清理自己的設(shè)計結(jié)果 仔細回 味畢業(yè)設(shè)計的心路歷程 一種少有的成功喜悅即刻使我倦意頓消 雖然這是我 剛學(xué)會走完的第一部 是我人生中的一點小小的勝利 然而它令我感到自己成 熟了許多 通過畢業(yè)設(shè)計 使我深深體會到 干任何事都必須耐心 細致 課程設(shè)計 過程中 許多計算有時不免令我感到有些心煩意亂 有時應(yīng)為不小心計算出錯 只能毫不留情地重做 但一想起老師平時多耐心的教導(dǎo) 想到今后自己應(yīng)當(dāng)承 擔(dān)的社會責(zé)任 想到世界上因為某些細小失誤而出現(xiàn)的令世人無比震驚的事故 我不禁時刻提醒自己 一定要養(yǎng)成一種高度負責(zé) 一絲不茍的良好習(xí)慣 經(jīng)歷了畢業(yè)設(shè)計 使我我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識是真正的貧乏 自己綜 合運用所學(xué)專業(yè)知識的能力是如此的不足 幾年來學(xué)習(xí)了那么多的課程 今天 才知道自己并不會用 想到這里 我真的有點心急了 由于畢業(yè)時間的倉促 很多本來應(yīng)該弄懂弄透的地方都沒有時間去細細追 究來源 比如網(wǎng)格劃分的控制 坐標(biāo)系的理解 求解器的選擇等 這使我明白 了大學(xué)里學(xué)的只是一個大體上的方向 離實際應(yīng)用還有太遠的距離 但我相信 方向才是最重要的 因為方向確定了 就會用最少的精力做好事情 這對于我 以后的工作至關(guān)重要 因為在實際生產(chǎn)生活中 要從事的工種是千差萬別的 只有從中找到自己最拿手 最有發(fā)展前途的崗位 個人才有更多的熱情 也最 可能在自己的崗位做出一些貢獻