联接环锻模及其电解加工工装设计（含全套CAD图纸）
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关于 埃及舍宾 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（ 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 2004 爱思唯尔 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（ 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， 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 24 。另一方面，预加工成形的 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 711。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 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 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 1 2 理论模型 为 了实现 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 在 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取决于工件长度（ B）与 工件的直径（ D 以下关系式确定： 2w i t Y （ 1） 其中 ， 电解质面积（ A）由以下等式计算出： 224 w i D （ 2） 电解质周转速率（ 由下式得出： si （ 3） 其中， 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13： si J t （ 4） 其中， A ，由如下公式得出： （ 5） 其中， 是化学当量，W是工件密度（ g/ 初始侧边间距为 工件表面 流密度的理想值通常为 13： V Y （ 6） 其中， 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： （ 7） 刀具元素长度 b 终点处的侧边间距宽度可以表达为： 1s i s i s Y （ 8） 其中， 在侧边距为 具元素长度 b 内的金属切削厚度。 此二相介质的导电率 10： 0 11 （ 9） 其中， 是 在 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： 2 2i s i e c 氢的空泡系数由以下等式得出 10： *1 （ 11） 其中， * a s s i s （ 12） gi （ 13） （ 14） （ 15） 其中，每个区间内的氢密度（ g/ i是每个区间内的温度（ 0C ），e是电解质密度（ g/g是气体的电化学当量， b 是电解质流动方向上的距离（ 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。 0 （ 16） 在等式（ 4）中代入等式（ 5） -（ 7），可重写等式为 : 0s iK VF f Y （ 17） 在等式（ 10）中代入等式（ 17），得出： 01s i s iw s iK V VF f Y （ 18） 最终的侧边空隙间距可由以下估算得出： 02s i iw s iK V VF f Y （ 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（ 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（ ）。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 ，外加电压为 V=20V， V =14，进给率 f =20mm/初始侧边间距（ =式（ 19）等于： 20 . 5 0 . 0 4 （ 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 用同样的方法，几乎无需改动，钢条（阳极）直径（ 最终 精确值即可估算： 2tf d g （ 21） 其中， 钢条直径的初始值， 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 0w s d g V VF f Y （ 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 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。 图 4 不同进给率下，侧边间隙初值对 图 5 不同进给率下，加工冲数对 这是意料之中的事。然而，人们还是更乐见能通过增加刀具冲数而不是增加其长度实现预定的切削厚度，因后者有时会导致 图 6 电化学加工单元 3. 实验性作业 一种专门的测试装备已被设计用于整合 6展示了此加工单元用于钢 孔与钢条表面处理工艺。此单元具备的优势是可控制电解质进给率以及刀具可进行旋转移动，被应用于一台径向钻孔设备。电解质是一种钠 氯化物（ 200g/l）， 它从一个塑料槽（ 1被转筒式气泵抽取出来，再被灌入到此加工单元中。 此测试样本用横截面为环形的硬化钢做成的。如图 1。预处理过的 图 7 外加电压对金属切削厚度的影响 工孔是通过一个精车制程而来，以便获得不同的侧边间值。精细孔（直径 安装于刀具表面，把电解质灌入电极之间的空隙。加工单元的外部框架是用透明的塑胶管做成的。表 1概述了在这次工作过程适用的工作条件。为了让此单元适应钢条的外部表面加工，契合此工艺方法的特征，尤其是契合刀具固定装置的特征，在组装它时，已引进了一些改进措施。这些结果只涉及钢孔的处理工艺。 4. 结果与讨论 带有旋转电极的 精确性与加工效率，不仅受到电解质平均流速的影响，也受到整个电极间间隙的横截面积大小的影响。对于钢孔处理，为在高质量的表面处理和最低限度的金属厚度切削方面达到最优化的加工效果，系列研究已采用带有排孔的精细电极展开。实验结论表明为了保持无电火花化加工，有必要使电解质流动速度维持在 3l/观察得知，电极上穿孔过密有产生放电的风险。 图 7展示了外加电压对金属切削厚度的影响。 经观察，随外加电压的加大，最终的金属切削厚度也增加。这种现象是因为电流密度随 外加电压增加而增加。 图 8示出了初始侧边间隙值变化的工作条件下，进给率对金属切削厚度的显著影响。注意到随着初始间隙值的加大，金属切削厚度减小。这是由于电流密度值在初始侧边间隙值增大时会下降。 图 9示出了加工冲数对金属切削厚度的影响。已测算出一些样本在不同的工作条件下的表面粗糙度。可以考虑把电流密度（等式（ 3）作为恰当衡量表面加工质量优劣的测算方法。当的外加电压为 24V，且 0.5 流密度的估算值超过了 86A/外加电压为 12V，K 0 = ，且 1 流密度大约是 24A/得的表面加工厚度为 m。也不难发现，随着金属切削厚度的增加，表面粗糙度减小。 5. 结语 当前的技术已证实了其在内、外表面处理中的精确性，并以一种低成本操作提供给人们高质量的表面处理工艺。 目前的作业过程中，已实现通过增加进给率以使得表面切削厚度精确到 种方法增强了 理论模型与计算机测算使得用不同组合的 电解质供给上的推荐方法可以扩展到处理复杂模型 和模具的成型工 艺。 表一 工作条件概述 图 8 侧边间隙对金属切削厚度的影响 参数 数值 工件材料 45 工件外直径 20 工件高度 20 刀具材料 工件直径 912 刀具旋转速度 10 电解质类型 电解质导电率 1 电解质压强 1 kg/外加电压 12进给率 1030 mm/加工时间 40 s 图 9 加工冲数对金属切削厚度的影响 鸣谢 作者为艾因夏姆斯大学的 伊拜德教授以及 姆努菲亚大学的 麦阿博德教授给予的有益帮助表示感谢。他也对为本报告提供友好支持的 姆努菲亚大学的 赛弗提博士表示感谢。 参考文献 1 of J. 61 (1996) 130. 2 T. S. by a 5 (1987) 123. 3 1988) 8. 4 A. on of of 01992, p. 568. 5 B. 1990, p. 33. 6 J
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