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外文翻译--关于ECM工艺中对金属切削厚度的控制方法 中文版.doc

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外文翻译--关于ECM工艺中对金属切削厚度的控制方法 中文版.doc

关于ECM工艺中对金属切削厚度的控制方法埃及舍宾ElKom,姆努菲亚大学生产工艺与机械设计系,海沃迪硕士∗于2001年4月18日接收2002年3月6日修正2003年8月6日收录。摘要电化学加工(ECM)的独特优势在于对硬加工部件的处理更加精确且能使其表面保持高度完整性。新的技术采用一种可同时做推移与旋转的电极,来定量切削经预加工过的硬化钢孔与钢条样本。其中的一支电极可同时控制两种运动速度,即推移速度与旋转速度。精细的孔阵分布于电极的一个单面上,能把电解质灌入刀具与工件之间的空隙里。已有人提议为精确估算不同工作条件下工件层的厚度建立数学模型。实验的结果表明这项技术可以将表层切削厚度精确到200m,因此人们把此方法归结为超级加工工艺。最后,实验与仿真的结果相得益彰。得出的结论对增强ECM工艺的可控制性大有裨益。©2004爱思唯尔B.V.,版权所有。关键字电化学加工工孔加工电解质成形预期表面完整性1.引言电化学加工技术(ECM)在航空航天工业中的应用日渐增多,这主要得益于它能够对高硬度的材料进行复杂的成形处理1。高硬度材料的表面加工存在很多问题,首当其冲的是部件的精确度与表面完整性。当前,ECM工艺被视为一项独特的方案,它使得放电加工工艺后的工件表面处理具备更精细的准确度与高度的表面完整性2–4。另一方面,预加工成形的ECM工艺处理能力似乎还没有完全成熟,电极间隙里的电解质供给与分配仍有难题待解5,6。各种的研究报告里对工孔的电化学加工都有研究7–11。刀具外形的改进7,刀具的旋转方式8,9,电化学搪磨方法10是用来改善电解质分配的主要技术。有报告指出,在ECM工艺中电解质的压强下降通常与这些方法的使用有关联。另外,电解质导电性发生变化与其在刀具与工件间隙间的流通性有关12。这导致加工精度的可控性下降。有时,会导致表层质量变差。人们也已注意到,在电解质灌入与抽离的部位,工件加工后的表面平整度存在偏差。目前,已有人建议采用带有可同时推移与旋转的ECM工艺来切削钢孔或钢棒表面。沿其中的一支电极表面分布有精细的孔阵,能把电解质灌入工具与轧件之间的空隙里,如图1所示。图1ECM工艺的钢孔和钢条处2.理论模型为了实现ECM工艺的精确成型,考虑每个刀具元素长度的影响后,可计算得出工件表面的连续切削厚度。由图1可知,刀具与工件在单侧边的几何间距为Ysi。在ECM过程中,侧边间距初值将根据电极(刀具)的前移进度增加。每个刀具电极元素(b)都会使工件半径值产生一个增量siY。取决于工件长度(B)与ECM工艺的其他工作条件,工件的直径(Dwi)由以下关系式确定2witsiDDY(1)其中,tD是刀具直径。电解质面积(A)由以下等式计算出224witADD(2)电解质周转速率(Vsi)可由下式得出siiQVA(3)其中,Q是电解质流动速率(mm3/min)。电解质周转率因其流动横截面积的不同而不同。沿侧边间隙切削的金属厚度可由以下得出13sisiYZJt(4)其中,Z是有效金属切割率(Amm3/min),由如下公式得出ZFw(5)其中,是化学当量,W是工件密度(g/cm3),F是法拉第常量。当初始侧边间距为Ysi,工件表面Jsi处电流密度的理想值通常为13isisiKJVVY(6)其中,Ki为电解质的导电率,Ysi为侧边间距,V为外加电压,V是过压值10。连续加工时间区间(t)可由刀具着落时间区间(b)和进给率(f),根据以下等式估算btf(7)刀具元素长度b终点处的侧边间距宽度可以表达为1sisisiYYY(8)其中,siY是在侧边距为Ysi时,刀具元素长度b内的金属切削厚度。此二相介质的导电率Ki可由以下确定10011niKK(9)其中,K0是在槽罐内的电解质导电率,是在T0时的电解质导电率的温度系数,是每个电极区间的温升,是氢的空泡系数,以及可由上文提到过的等式(10)和(11)得出。刀具组件长度的温升可由以下等式(10)表示22iisisieebKVVVYc氢的空泡系数由以下等式得出101iiiiiAXAX(11)其中,asiiesisibJXVY(12)gigiPR(13)egigiaA(14)gelVV(15)其中,gi在每个区间内的氢密度(g/mm3),Rg是气体常量,i是每个区间内的温度(0C),e是电解质密度(g/mm3),g是气体的电化学当量,b是电解质流动方向上的距离(mm),P是电解质压强(Mpa)。导致温升的主要因素是焦耳热10。然而,此操作中的温升不高,是因为此过程为处理工艺而非成型工艺。目前操作的初步测试表明电解质温度的变化不超过10C。这是由于电解质的流动循环以及刀具的快速进给率。因此,假定导电率恒定是合理的7。KiK0(16)在等式(4)中代入等式(5)(7),可重写等式为0siwsiKbYVVFfY(17)在等式(10)中代入等式(17),得出01sisiwsiKbYYVVFfY(18)最终的侧边空隙间距可由以下估算得出02IjfsiiwsiKbYYVVFfY(19)根据以上的等式,每个刀具元素(b)以不同的侧边间隙长度(Ysi)进入电极间的空隙,每个刀具元素在工件表面上会产生互不相等的、特定的金属切削厚度(dg)。最终的工件直径将是所有不同金属切削厚度与工孔的直径初始值之和。对于钢材质,当K00.021mm1,外加电压为V20V,V2.3V14,进给率f20mm/min,且初始侧边间距(Ysi)0.5mm,等式(19)等于20.50.04IjfisibYY(20)以上等式的第二项表示对金属切削厚度最终值的求和。对于路德级别上的ECM加工工艺,用同样的方法,几乎无需改动,钢条(阳极)直径(Dtf)最终精确值即可估算2tftjDDdg(21)其中,Dtf是钢条直径的初始值,dg是最终的金属切削厚度,可由以下表达式给出图2金属切削厚度计算图3不同进给率下,外加电压对dg的影响0wsiKLdgVVFfY(22)其中,L是阴极区间值。以上等式是从主径向间隙架构中简化而来。这些等式是基于平行平面间隙架构的,其合理性在类似的案例中已得到证明。对于用ECM处理的工孔加工工艺,人们提出一种计算机模型,用以对切削工件表层的精准计算(图2)。图3展示了不同进给率下,合成工件直径上的电压效应。进给率在合成孔径上的显著效应由图4可见。我们已知当间隙的初始值增加时,金属切削厚度会减小。这是由于当侧边间隙值较大时,电流密度值会下降。图5告诉我们当刀具冲数增加时,累积的切削厚度会加厚。

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