机械毕业设计（论文）-联接环锻模及其电解加工工装设计.pdf

i 本科毕业设计本科毕业设计(论文论文) 题目题目：联接环锻模及其电解加工工装设计联接环锻模及其电解加工工装设计 系系 别：别： 机电信息系 专专 业：业：机械设计制造及其自动化 班班 级：级： 学学 生：生： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 2013 年 05 月 ii 联接环锻模及其电解加工工装设计联接环锻模及其电解加工工装设计 摘摘 要要 电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成 型的一种特种加工方法。 其材料的减少过程以离子的形式进行,由于金属离子的 尺寸非常微小，因此这种微溶解去除方式使得电解加工技术在微细制造领域有 着很大的发展潜力。特别是对于难切削加工材料、形状复杂或薄壁零件的加工 具有显著优势，在航空、航天推进器以及兵器制造上得到广泛的应用，成为国 防工业生产中的关键制造技术。 根据研究对象联接环热锻模，设计一套加工该热锻模的电解加工工装，包 括： （1）联接环热锻模电解加工阴极； （2）装夹热锻模加工阴极和工件的夹具装 置； （3）运用 pro/e、ug 等软件画出联接环热锻模电解加工工装三维装配图。 电解加工装置除了应保证工件装夹和定位外，还应考虑导电、供液、流场分布， 非加工面的保护，工件和工具（即正负极、阴阳极）之间的绝缘等问题。 关键词关键词：电解加工；联接环锻模；工装设计 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 iii connecting ring forging devoted its electrochemical machining tooling design 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 iv 目目 录录 1 绪论绪论 . 1 1.1 电解加工的原理 1 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 微秒级脉冲电流加工. 3 1.2.2 微精加工. 3 1.2.3 数控展成加工. 4 1.3 电解加工的分类及应用 6 1.4 课题研究内容 6 2 电解加工理论分析电解加工理论分析 . 8 2.1 加工影响分析 8 2.2 电极对流场的影响分析 . 10 3 联接环热锻模电解加工阴极设计计算联接环热锻模电解加工阴极设计计算 11 3.1 阴极材料的选择 11 3.2 阴极尺寸的计算 11 4 电解液的选择电解液的选择 . 18 4.1 电解液的作用 18 4.2 电解液的分类 18 5 联接环热锻模电解加工工装设计联接环热锻模电解加工工装设计 . 20 5.1 电解加工所受到的影响和误差 20 5.2 联接环热锻模夹具设计 21 5.3 联接环热锻模夹具装夹设计 21 5.4 联接环电解流场的设计 22 5.5 联接环热锻模导电方式 23 5.6 提高电解加工的质量 24 5.6.1 表面缺陷及防治措施 24 5.7 电解加工的供液系统 25 5.8 工装总体设计图 25 结结 论论 27 参考文献参考文献 . 28 毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 毕业设计（论文）独创性声明毕业设计（论文）独创性声明 30 1 绪论 1 1 绪论绪论 电解加工自 20 世纪 50 年代问世以来，到 60 年代迅速在众多的机械领域得 到开拓和应用。通过科研和生产实践，70 年代电解加工在技术上走向成熟、定 型； 在应用领域走向定向。 由于电解加工能解决机械加工难以解决的难切削材料、 复杂形状零件加工问题。 而且高效、 高表面质量， 较好的适应了军工产品的需要， 因而在军事工业中，特别是航天、航空推进器的制造上得到了广泛的应用，成为 国防工业生产中的关键制造技术，获得了显著的技术经济效果，促进了军工新产 品的发展和性能的提高。在民用的经济重要部门，例如汽车、能源等制造业中叶 得到一定的开拓和应用，获得较好的成效。如今电解加工已经成为机械加工制造 业中的一个不可缺少的组成部分。 采用电解加工制造热锻模具有表面质量好，模具寿命长，脱模好，成本低的 优点。 电解加工的设备主要包括机床、电源和电解液系统 3 个主要实体以及相应 的控制系统。 电解加工既具有高速加工大而复杂零件的能力，电化学蚀除微细加工的潜 质，向精密、微细加工进军也是电解加工的发展方向。电解加工高速去除金属的 加工方法的发展将会有深远的发展。 1.1 电解加工的原理电解加工的原理 电解加工（electrochemical machining（ecm） ） ，是利用阳极溶解的原理并 借助于成型阴极将工件按一定的形状和尺寸加工成型的一种加工工艺方法。 其理 论基础是 1834 年法拉第发现的金属阳极溶解基本定律，即法拉第定律。图 1.1 所示为电解过程示意图，图中显示金属铁电解的过程，它由电解质溶液、直流电 源、连接电源正极的工件阳极、连接电源负极的工具阴极组成。当接通电源后， 电解反应并未开始就发生，只有当电压升高到临界值（分解电压）后，电解过程 才开始，在阴极处开始有气泡生成，在阳极处开始有电解产物出现。 在阴极和阳极的电极/溶液界面上发生主要电化学反应过程为： 阳极一侧： fe=fe2+2e(阳极溶解) fe2+2oh-+o2=fe(oh)2(淡绿色絮状物) 4fe(oh)2+2h2o+o2=4fe(oh)3(红棕色絮状物) 阴极一侧： 毕业设计(论文) 2 图 1.1 电解过程示意图 2h+2e=h2（逸出氢气） 如果阳极只发生阳极溶解而没有析出其它物质，则根据法拉第第一定律，阳 极溶解的金属质量为: m=kq=kit、 阳极溶解的金属体积为: v=m/=kit/=it 从电解加工的试验中可以得出， 实际加工过程阳极金属的溶解量并不和理论 的计算量相同，通常是理论计算量会大于实际的溶解量，极少数情况也会发生实 际溶解量大于理论计算量的情况。其原因是在理论计算时，采用了“阳极只发生 确定原子溶解而没有其它物质析出”这一假设，而实际加工情况是： 一：实际溶解的原子价比计算用的原子价要高或低； 二：除金属溶解外还有一些副反应消耗了一部分电流； 三： 金属有时在电解加工过程中由于材料组织不均匀或金属材料与电解液的 匹配不当发生剥落而不是完全由金属均匀溶解所致。 为了表示这个实际和理论的差别， 引入电流效率概念来表示实际溶解金属所 耗用的电量和通过阳极总电量的比例关系。电流效率 定义为： =理论去除量/实际去除量 影响电流效率的因素有： 电流密度， 电解液的种类、 浓度及温度等工艺条件。 其中，作为计算电解加工速度、分析电解成型规律的必要参数之一，电流密度对 于电流效率的影响可以通过实验获得两者之间的关系曲线，即 - i 曲线。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 电解加工在国外是五十年代出现的。由于它具有效率高、质量好,复杂型面 毕业设计(论文) 3 可一次成型,以及不受被加工材料机械性能的限制,工具耗损小等优点,所以受到 普遍重视。六十年代,在航空发动机叶片及锻模加工方面取得了比较显著的成效, 主要应用于锻模型腔、深孔、小孔、长键槽等截面叶片整体叶轮以及去毛刺等, 并取得了显著的技术、经济效果，因此,得到比较迅速的发展。据统计，自1960 年到1975年，电解加工在难切削材料加工中所占的比例增加两倍，从1960年的 15%增加到1975年的45%。八九十年代在某些领域得到了新的应用，其应用要求 也越来越高。 九十年代后期起， 电解加工研究机构及人员逐渐壮大， 应用领域 （尤 其在航天、航空、兵器领域）进一步扩展，研究成果及论著数量激增，工艺技术 水平、设备性能及产业发展均达到了一个新的高度。进入新世纪以来，高速发展 的高新技术和电解加工融合，使其面临从一般加工到精密加工的突破。目前电解 加工工艺技术研究涉及的方向很多，主要集中在电解复合加工、细微加工、数控 展成加工及高频脉冲电流加工等几大领域。在经历大约20年的低潮后，从20世纪 90年代后期起，电解加工又重新焕发了生机。其研究机构及人员逐渐壮大，应用 领域(尤其在航天、航空、军工领域)有所扩展，研究成果及论著数量激增，工艺 技术水平及设备性能均达到了一个新的高度。目前，电解加工工艺技术研究涉及 的方向较多，但主要集中在微秒级脉冲电流加工、微精加工、数控展成加工、阴 极设计及磁场对电解加工的影响等五大领域。下面分别加以详述。 1.2.1 微秒级脉冲电流加工微秒级脉冲电流加工 自 20 世纪 70 年代初起，前苏联、美国、日本、法国、波兰、瑞士、西德等 相继开始了对脉冲电流电解加工的研究。在国内，多家单位相继开展了毫秒级脉 冲电流电解加工的研究并成功用于工业生产。随着近代功率电子技术的发展，新 型快速功率电子开关元件如 mosfet、igbt 等出现，使得有可能实现微秒级脉 冲电流电解加工。20 世纪 90 年代以来，微秒级脉冲电流电解加工基础工艺研究 取得突破性进展。研究表明，此项新技术可以提高集中蚀除能力，并可实现 0.05mm 以下的微小间隙加工，从而可以较大幅度地提高加工精度和表面质量， 型腔最高重复精度可达 0.05mm， 最低表面粗糙度可达 ra0.40m， 有望将电解加 工提高到精密加工的水平，而且可促进加工过程稳定并简化工艺，有利于电解加 工的扩大应用。 国内外众多研究机构利用微秒级脉冲电流开展了模具型腔及叶片 型面加工、型腔抛光、电解刻字、电解磨等工艺可行性试验以及气门模具生产加 工试验，研究成果进一步从工艺角度证实了上述结论。 1.2.2 微精加工微精加工 从原理上而言，电化学加工技术可分为两类：一类是基于阳极溶解原理的减 材技术，如电解加工、电解抛光等；另一类是基于阴极沉积原理的增材技术，如 毕业设计(论文) 4 电镀、电铸、刷镀等。这两类技术有一个共同点，即材料的去除或增加过程都是 以离子的形式进行的。由于金属离子的尺寸非常微小(10- 1nm 级)，因此，相对于 其它“微团”去除材料方式(如微细电火花、微细机械磨削)，这种以“离子”方式去 除材料的微去除方式使得电化学加工技术在微细制造领域、 以至于纳米制造领域 存在着极大的研究探索空间。从理论上讲，只要精细地控制电流密度和电化学发 生区域，就能实现电化学微细溶解或电化学微细沉积。微细电铸技术是电化学微 细沉积的典型实例，它已经在微细制造领域获得重要应用。微细电铸是 liga 技 术一个重要的、不可替代的组成部分，已经涉足纳米尺寸的微细制造中，激光防 伪商标模版和表面粗糙度样块是电铸的典型应用。但电化学溶解(成型)加工的杂 散腐蚀及间隙中电场、流场的多变性严重制约了其加工精度，其加工的微细程度 目前还不能与电化学沉积的微细电铸相比。 目前电化学微精成型加工还处于研究 和试验阶段，其应用还局限于一些特殊的场合，如电子工业中微小零件的电化学 蚀刻加工(美国 ibm 公司)、微米级浅槽加工(荷兰飞利浦公司)、微型轴电解抛光 (日本东京大学)已取得了很好的加工效果，精度已可达微米级。微细直写加工、 微细群缝加工及微孔电液束加工，以及电解与超声、电火花、机械等方式结合形 成的复合微精工艺已显示出良好的应用景。 1.2.3 数控展成加工数控展成加工 传统的拷贝式电解加工的阴极设计制造困难，加工精度难以保证。尤其对整 体叶轮上的扭曲叶片之类通道狭窄的零件表面， 由于受工具阴极刚性及加工送进 方式的限制，拷贝式电解加工更难以完成其加工任务。20 世纪 80 年代初，以简 单形状电极加工复杂型面的柔性电解加工数控展成电解加工的思想开始形 成，它以控制软件的编制代替复杂的成形阴极的设计、制造，以阴极相对工件的 展成运动来加工出复杂型面。这种加工方法工具阴极形状简单，设计制造方便， 应用范围广，具有很大的加工柔性，适用于小批量、多品种、甚至单件试制的生 产中。80 年代中期，前苏联乌法航空学院特种加工工艺及设备研究所以过程控 制为突破口，设计了一种柔性电解加工单元，应用特殊的电流脉冲波形和高选择 性的电解液，加工精度达 0.02mm，表面粗糙度达 ra0.20.6m。波兰华沙工业 大学的 kozak 教授于 1986 年率先提出了电解铣削的思想，以棒状旋转阴极作类 似于圆柱状侧铣刀的成形运动来形成加工表面， 成功地应用于直升机旋翼座架型 面的加工，加工中采用 nano3 电解液，精度可达0.010.02mm，表面粗糙度 达 ra0.160.63m 。 波兰 cracow 金属切削学院的 a.ruszaj 和 j.cekaj 教授利用 形似球头铣刀的工具阴极，进行了型面光整加工的试验研究，取得了形状误差小 于 0.01mm 的加工效果，从而证明了该工艺在模具的光整加工方面具有很好的应 用价值。 美国、 英国、 俄罗斯都高度重视数控电解加工技术的研究并已得到应用， 毕业设计(论文) 5 在新型航空发动机及航天火箭发动机的研制中发挥了重要作用。 美国 ge 公司的 五轴数控电解加工，美国、俄罗斯仿形电解加工带冠整体叶轮代表了数控电解加 工整体叶轮的国际先进水平。 南京航空航天大学从20世纪80年代中期开始进行数控展成电解加工工艺技 术的研究，已在电解加工设备研制、加工机理研究、控制软件编制及工艺试验等 方面均取得了重要进展。具体研究内容包括以下几方面： 设备研制：研制了五轴数控电解加工机床及配套的多轴联动数控系统。该机 床具有三个直线运动坐标轴及二个旋转运动坐标轴，各轴均采用步进电机驱动。 多轴联动数控系统为二级数控系统，上位机为一台通用计算机，用于数据处理及 生成数控加工程序， 下位机为组合在一起的五台经济型二轴数控单元及其驱动单 元，用于驱动机床各轴运动。 成形规律研究：研究了棒状外喷式阴极、三角形截面内喷式阴极、矩形截面 内喷式阴极三种状况下展成电解加工间隙随一些主要工艺参数变化的规律。 阴极设计：针对整体叶轮结构，设计制造了不同结构的开槽阴极、型面精加 工阴极，并通过工艺试验对其结构进行不断改进，现已设计出了新颖结构的组合 式开槽阴极及矩形截面整体式型面精加工阴极， 很好地解决了加工过程中易产生 的阴极短路烧伤问题。 加工软件开发：针对整体叶轮的开槽加工及型面精加工，开发了相应的数控 展成电解加工软件，具有叶片型面的数据处理、数控加工的展成运动轨迹计算及 整体叶轮的三维型面几何造型等功能。 加工工艺试验：包括直纹面、非直纹面整体叶(涡)轮及带冠整体叶轮的展成 电解加工、叶片型面电解抛光与五轴联动电解磨削等。试验表明，工艺过程稳定 可靠可以获得较高的加工精度和较低的表面粗糙度。 阴极设计： 目前的生产实际中，多采用迭代试验修正法来制作阴极，这不仅浪费人力物 力， 而且要求操作者具备丰富的实践经验和很高的技术水平，同时也大大延误了 生产周期，增加了制造成本。特别是对于形状复杂和精度要求较高的零件，阴极 设计问题已成为影响电解加工应用的一个重要原因。 南京航空航天大学研究设计 了阴极设计 cad/cae/cam 系统的结构框架以及开发策略。该系统基于专家系 统， 结合专业技术人员和领域专家的经验来优选工艺参数，并且采用基于自由边 界的数值算法，保证算法的收敛性。南京航空航天大学还提出了一种基于正问题 数值求解模拟“试验修整”进行阴极设计的方法。 该方法将生产实际中制造阴极的 过程再现于计算机上。采用有限元求解拉普拉斯方程得到加工间隙中的电位分 布， 通过不断地将获得的等位线与理想工件边界进行比较，将得到的差值映射到 毕业设计(论文) 6 阴极端用来指导阴极的修整，直到工件阳极端的差值小于所允许的值。该设计方 法具有易于处理复杂边界、收敛性好、精度高的特点。合肥工业大学也提出了应 用阴极设计数据表来进行阴极设计的方法，通过合理设计工艺试验，获取了特征 部位的加工间隙偏差值，据此计算出各特征部位对应阴极处的附加修正量。在此 基础上，建立五种阴极设计数据表，为阴极设计提供了丰富的修正数据。在此基 础上， 可望建立阴极设计数据库。磁场提高电解加工精度的研究这项技术早期研 究较多的是磁场对电解磨削、电解抛光的影响。近年来，国内开展了电解成型加 工叠加磁场的研究。西北工业大学的研究发现当加工对象是钛合金或者是在 nacl 电解液中加工 45 钢时，磁场可以显著减少杂散腐蚀，提高加工精度，而在 nano3 电解液中加工 45 钢则效果甚微。 西安工业学院进行了磁场影响电场的仿 真试验及在电解加工装置上叠加磁场的加工工艺试验。试验表明，电解加工过程 中叠加磁场会改变原有电场分布，进而改变间隙流场的分布，从而有利于解决以 往电解加工过程中的杂散腐蚀现象，提高电解加工的质量。只有在叠加磁场方向 垂直于电场方向且 n 极指向电场叠加磁场时，对电场均布有较明显的作用。此 外，采取切割流线的方向叠加磁场，洛仑兹力的作用有利于成股的束流展开；磁 场可以减小电解液的粘度，改善其流动性能，有利于及时排走电解产物和热量， 改善加工条件，提高加工稳定性。除了上述五大研究方向之外，带冠整体叶轮加 工、周期循环电解加工、数控铣床电解加工、脉冲电解加工间隙测控方法、基于 bp 神经网络的电解加工精度预测模型、电解加工中管理系统的开发等工艺技术 的研究均有所创新或突破。 1.3 电解加工的分类及应用电解加工的分类及应用 电解加工主要用于成批生产时对难加工材料和复杂型面、型腔、异形孔和薄 壁零件的加工。例如加工炮管镗线、透平叶片型面、整体叶轮、锻模、航空发动 机机匣、异形深小孔、内齿轮和花键孔等；还可用于去毛刺、刻印和电解扩孔。 1.4 课题研究内容课题研究内容 根据研究对象联接环热锻模， 设计一套加工该热锻模的电解加工工装， 包括： （1）联接环热锻模电解加工阴极； （2）装夹热锻模加工阴极和工件的夹具装置； （3）运用 pro/e、ug 等软件画出联接环热锻模电解加工工装三维装配图。电解 加工装置除了应保证工件装夹和定位外，还应考虑导电、供液、流场分布，非加 工面的保护，工件和工具（即正负极、阴阳极）之间的绝缘等问题。 毕业设计(论文) 7 图 1.2 联接环的二维图 图 1.3 联接环的三维图 2 电解加工理论分析 8 2 电解加工理论分析电解加工理论分析 2.1 加工加工影响影响分析分析 电解加工中，加工间隙的控制对加工精度和加工过程的稳定性都非常重要。 加工间隙是电解加工的核心工艺要素，它是决定加工精度的主要因素，因此获得 均匀、稳定、大小适中的间隙对电解加工至关重要。在窄缝电解加工中，若能尽 可能采用小的加工间隙进行加工，可以显著提高加工精度和生产率。研究中采用 未绝缘的薄片电极进行直流电解加工工艺试验， 图 2- 3 是加工间隙示意图 （以其 中某一缝为例） 。在窄缝的电解加工中，其端面间隙 b d 和侧面间隙 s d 如图。 图 2.1 加工窄缝时的加工间隙示意图 电解加工过程中，当工件的蚀除速度与工具的进给速度相等，两者达到动态 平衡时，端面间隙为 r b wku v h d = （2.1） 式中 b d 底面平衡间隙（mm） h 电流效率（取决于工件材料和电解液间匹配） w 体积电化学当量mm /(a h) 3 （取决于工件材料） k 电导率（1/wmm） （取决于电解液参数：成分、浓度、温度等） r u 电解液的欧姆压降（v） (取决于电解液、阴极和工件材料、 电流密度) u 阴极的进给速度（mm/min） 式（2.1）说明底面平衡间隙 b d 与电流效率 h 、体积电化当量 w 、电导 毕业设计(论文) 9 率 k,欧姆压降 r u 成正比，而与进给速度 u 成反比。 至于侧面间隙（侧面不绝缘） ，在电流效率相等的条件下有 2 1sb b h d=d+ d （2.2） 式中 s d 侧面间隙（mm） h进给量在窄缝电解加工中，随着加工深度的增加，侧壁腐蚀一直 进行。不同间隙处的金属去除速度是不同的，1 为大间隙，s d 为小间隙，这两 处的去除速度分别为： 1 11 1 ue vwk d h - = d 22 s s ue vwk d h - = d 式中，分别为大间隙电流效率、小间隙电流效率；w 为工件材料的体积电化 学当量，k 为电导率，u 为电压，1 de,2 de 分别为大间隙电极电位差、小间隙 电极电位差。 12ueuedd- 11 221 sv v h h d d 对于 nacl 电解液，在加工条件一致的情况下，1 2 h h，不同间隙处的去除 速度约等于间隙距离比。由侧面间隙公式可知侧面间隙为抛物线形，加工深度越 大，加工精度越差。而对于 nano3 电解液，由于侧壁上对应 1 处的电流密度小 于 s d 处的电流密度，对应 1 处的 1h 也随之大大减小，侧壁上的去除速度大大 减小，从而加工精度不会随加工深度的增加而恶化，而且由公式可知，去除速度 与电流效率有很大的关系。 在窄缝电解加工中，为了尽可能减小加工间隙，提高加工精度，通常选用 nano3 电解液，其电流效率 随着电流密度 i 的减少而减少。对于群窄缝加工， 通常采用很低的电流密度，这就意味着其电流效率 会比常规加工的更低，根据 加工间隙公式，更低的电流效率 带来了比常规加工更小的加工间隙。采用薄片 状电极进行加工时，由于电极厚度通常很薄，表面涂敷均匀绝缘层的难度较大， 若群窄缝同时加工时更难实现均匀绝缘，故研究中采用未绝缘金属片电极。在端 面间隙公式中，电流密度 和加工用电解液对加工间隙有很大关系。通常直流电 解加工常用的电解液是 nacl 电解液和 nano3 电解液。nacl 电解液在很宽的范 围内，其电流效率 几乎保持常数，接近 100%，一般不随阳极材料、电解液浓 度和温度、加工中电流密度大小等变化；而 3 nano 电解液的电流效率 不仅随 加工材料、电解液浓度和温度等变化，而且电流密度不同时，由于钝化现象会使 毕业设计(论文) 10 电流效率 出现大幅度变化。图 2.2 是 nacl 电解液和 nano3 电解液的电流效 率 和电流密度 i 的关系曲线。 图 2.2 nacl 和 nano3 的- i关系曲线 2.2 电极对流场的影响分析电极对流场的影响分析 电解加工中，电解液的流场状况是很重要的，它不但影响到电解加工的复制 精度和表面质量，而且还可能由于流场分布不好而引起短路，损坏工具和工件。 采用薄片状电极的电解加工中，电解液的流动属于钝物体绕流，有尾迹现象。尾 迹现象在钝物体后产生涡流区，此涡流区内的电解液流速慢，类似于死水，得不 到迅速的更新，很容易形成离子堆积，浓差极化严重，电解产物也不容易及时排 除， 造成这一局部区域电解速度降低， 影响加工成型精度， 严重时甚至引起短路。 尾迹的流动是非定常湍流，随来流雷诺数不同而呈现不同的速度分布，在不同的 雷诺数范围内，绕薄片厚度大的产生的尾迹涡流区域长度比绕厚度小的情况大。 在窄缝电解加工过程中，加工间隙比常规电解更小，尾迹涡流长度很容易影响到 实际加工过程。在电解液状态不变的情况下，通过减小薄片电极的厚度，可以使 尾迹涡流区长度相应地随之减小，尾迹对加工的影响也随之减小，加工精度和加 工过程稳定性都可以得到提高。 3 联接环热锻模电解加工阴极设计计算 11 3 联接环热锻模电解加工阴极设计计算联接环热锻模电解加工阴极设计计算 由于工件较为复杂，采用机械加工难度较大，采用机械加工加工困难，生产 效率较为低下，而且不适合去除不规整凹槽，采用常规加工方法费时费力，而且 工序繁多，所以不建议采用传统加工方法。 采用电解加工电解加工的方法比传统的机械加工的优点有： 加工中不存在机械切削力，所以加工后零件表面无残余应力，加工后不会产 生由于切削力所引起的残余应力和变形，没有飞边和毛刺。 表面粗糙度可达模锻型腔为0.050.20 毫米和0.1 毫米左右的平均加工 精度。 可加工高硬度、高强度和高韧性的难加工金属材料。 加工过程中阴极工具电极在理论上不会存在损耗，可以长期使用。 电解加工的加工效率高，大约为电火花加工的 5- 10 倍，在一些加工情况下， 比切削加工的生产效率还高， 而且加工效率不直接受加工精度和表面粗糙度的限 制，一次成型，工序简单。 无接触加工，从根本上解决工件因加工产生的变形。 电解加工间隙分为端面间隙、侧面间隙和法向间隙。要保证高的成型精度， 除了端面间隙要维持在一个比较小的水平外， 侧面间隙的大小随加工深度的变化 也必须保证在较小的范围， 这样才能保证加工微孔的锥度和加工窄缝侧壁的垂直 度。 3.1 阴极阴极材料材料的选择的选择 阴极材料一般选黄铜或导电性能好、 便于补焊修理电解加工中造成的短路烧 伤缺陷的低碳钢。阴极设计时,首先是选择或确定加工底部的间隙值,间隙值值越 小,加工的质量越高,但也越容易短路,造成流场设计复杂。 通常,影响间隙值的因素 较多,所以在机床、电源条件允许的情况下,建议取间隙值在0.15mm0.30mm之 间。间隙的计算一般分下列三种情况。第一种是圆弧部分的间隙计算，第二种是 形锻斜度7位置间隙计算，第三种是有45斜面处的间隙计算。 3.2 阴极阴极尺寸尺寸的计算的计算 在电解加工应用和研究的初期，甚至当今在实际生产中，还大都采用上述近 似的研究方法，最典型的是 cos 法。它是基于如下简化电场的假设条件下进行 研究的。 毕业设计(论文) 12 第一： 沿电流线方向， 电位梯度不变； 在同一电流线上， 有相同的电场强度。 第二：从阳极等位面（a=u）开始，到阴极等位面（c=0）止，电位逐渐减 小，等位面与电流线正交，电流线有阳极指向阴极。 第三：取电流效率 为常数（对 nacl 电解液电解液在任何电流密度条件下 可取为常数； 对nano3电解液在高于一定的电流密度条件下可近似为常数） ； 在同一电流线上取电解液导电率 相同。 基于以上假设，则可认为：在同一电流线上，电流密度相同；又因为先前已 约定加工出于平衡状态，且电解加工间隙很小（0.11mm） ，则在工件被加工表 面法向与工具阴极表面法向间夹角不大的情况下， 近似认为电流线同时垂直工件 及阴极表面，取电力线的直线长度替代实际呈弧线形状的电力线。如此，求解电 解加工之间隙长度问题就转化为求解相应处电力线长度的问题， 可才用欧姆定律 建立起近似电流线长度与加工电压的关系； 再基于法拉第电解定律导出阳极表面 电解速度的大小以及最终阴、阳极型面相互之间的几何关系。其有关成型规律的 方程组可写作： ruue=-d r u i= d avih w= 在加工平衡状态： r b u v h w k= d coscos bru v q h w k qq = d d 上式中 u阴、阳极之间的电压（v） ； e电解加工阴、阳极电极电位值总和； ur间隙电解液中的电压降（v） ； i电流密度（a/cm2） ； 电解液导电率（1/cm） ； 电解加工间隙（cm） ； 阴极送进速度 v 与工件阳极表面法向之间的夹角； 对应上述 =0 处的平衡加工间隙（cm） ； h对应 =0 处的平衡加工间隙，通常又称端面平衡间隙（cm） ； va阳极被加工表面的法向蚀除速度，通常简称为工件加工速（cm/s） ； v工具阴极送进速度（cm/s） ； 毕业设计(论文) 13 电流效率； 体积电化当量（cm3/as） 。 图 3.1 基于简化电场的成型规律描述cos 以上方程组就是基于简化电场进行成型规律计算和阴极设计的实用计算式， 也就是常用的 cos 法。 电解加工阴极的设计除了最常用的 cos 法外，对于一些加工性状简单的工 件， 可以采用等间隙分布的原则进行阴极的设计。等间隙分布的原则是指在工件 原有的尺寸上进行同等间隙的缩放，缩放后得到阴极的形状尺寸。 设计时首先将几何形状的复杂的型腔分为几个简单的部分，然后分别决个 个部分的阴极尺寸。 a. 主阴极设计主阴极设计 根据查阅参考的资料以及试验的经验， 进给速度的快慢对阴极设计有很大的 关系，进给的速度快，加工的间隙小。反之，进给的速度慢，加工的间隙大。 根据查阅参考资料以及试验的经验的初步找出部分进给速度与斜度的关系。 连接环主型腔阴极的设计根据给定的模型获得的零件图可的， 电解加工在工 件与阴极之间间隙大于等与一个毫米则不发生电解加工反应， 故阴极的设计应该 遵循电解加工的原理， 加工锻模材料为合金钢材， 所设计的阴极材料采用金属铜， 采用黄铜可以增加电解加工的效率和提高加工成型零件的表面质量。 阴极的尺寸的确定，阴极的尺寸应当小于零件的尺寸大约为一个毫米，考虑 加工中的误差以及加工间隙的流场问题，加工过程防治电解液成为死水，导致电 解加工的短路而烧伤阴极等情况，所设计的阴极应该比原零件小 0.1 个毫米。 毕业设计(论文) 14 图 3.2 主形腔阴极图 主型腔阴极的尺寸为： l=120.5- 20.55=120.39 毫米 a=101.1- 20.55=100 毫米 b=54.8- 20.55=53.7 毫米 因为考虑加工锻模型腔的深度，阴极的加工深度应当为 29 毫米，在阴极中 要加入喷液芯子所以还要进行芯子的设计。 毕业设计(论文) 15 喷液芯子是放在主型腔的阴极之中的， 所以喷液芯子的尺寸可根据阴极的尺 寸来决定，由此可得，芯子的高度应当小于主型腔阴极的高度，根据住型腔阴极 的尺寸得到喷液芯子的尺寸应当如图所示。 喷液芯子上与主型腔阴极接触的部分要开喷液孔，方便电解液的流出。喷液 芯子的材料为有机玻璃。对喷液芯子的要求是：在阴极体中间形槽中间能自由滑 动。他的外形尺寸等于阴极体中间的形槽尺寸减去 0.15 毫米左右的间隙的值。 在 245倒角处，开设小斜孔 2- 3，数量根据实验结果而定。孔的位置和方向 要对准首先进入加工区的部位，以便有较高的电解液流速通过加工区，使得加工 能够顺利进行。 图 3.3 喷液芯子图 b. 阴极内外腔的加工间隙阴极内外腔的加工间隙 当进给速度为 2 毫米/分；阴极的侧面为不绝缘直边。 根据实际的加工结果可以得知： 圆弧外形尺寸 a 两端单边间隙为 0.55 毫米， 所以 a=101.1- 20.55=100 毫米 圆弧内形尺寸 b 单边间隙为 0.95 毫米， 所以 b=64.36+20.95=66.24 毫米 毕业设计(论文) 16 图 3.4 飞边阴极图 侧槽斜度为: 当进给速度为 2 毫米时，加工斜度大约为 7 度。 c. 芯子阴极芯子阴极 外形下口尺寸单边间隙为 0.61 毫米 则 x=tg717=2.1 毫米 所以 b=54.82（2.10.61）=49.4 毫米 内形下口尺寸单边间隙为 0.625 毫米，高度为 10 的下口尺寸（545处） ； a=64.36+20.95=66.24 毫米 芯子阴极是在主型腔阴极加工完毕之后，加工锻模中间代加工的位置，图示 中可以看做为黄色虚线画的的位置， 因为锻模已经被主型腔阴极以及飞边阴极加 工过得到加工后的槽，所以加工芯子的阴极设计应当大于被加工的面积，使得整 个被加工面全被阴极覆盖，不会产生加工不到或者无法加工的情况。 毕业设计(论文) 17 图 3.5 芯子阴极图 圆弧部分的成型可按照图 3.6 确定：如图所示。 图 3.6 圆弧部分成型 4 电解液的选择 18 4 电解液的选择电解液的选择 4.1 电解液的电解液的作用作用 电解液是产生电解加工阳极溶解的载体： 使得阴极与阳极之间组成的电化学反应的体系，实现电化学加工，同时也是 电流传送的媒介。 使得电解蚀除产物的顺利排出，控制极化，使得阳极溶解能够正常连续的进 行。 产生的热量被电解液带走，工件基本上没有温升，适合于加工热敏性材料的 零件。 4.2 电解液的分电解液的分类类 常用的电解液可以分为中性电解液、酸性电解液与碱性电解液三大类。中性 电解液的腐蚀性小，使用较为安全，故应用最为广泛。 ，最常用的电解液有三种， 分别是：nacl, 3 nano , 3 naclo 。 酸性电解液加工精度低，腐蚀性强，表面质量差。加工效率高，过程稳定， 组分及性能基本不变，加工相对成本低，安全，无毒。适合大批量生产加工。加 工精度高，腐蚀性较弱。便面质量高。加工效率低，生产过程中要调节 ph 值或 追加电解液，补充电解质。强氧化剂一般都可以助燃，危险性较高。使用于精加 工范畴。 其中 ph 呈中性电解液为nacl, 3 nano , 3 naclo 。该设计采用nacl为电解 液，nacl主要腐蚀性好，加工效高，加工成本低，安全无毒，导电性能优良等 优点。 电解液选择nacl溶液，浓度参数选择 10- 12%，温度 40- 50。 电解加工速度为： va = st v = s i w=wi va=hwi va=hws d ur 公式中 电导率（1mm） va阳极工件金属被加工法线方向的溶解速度，即电解加工速 度（mmmin） 毕业设计(论文) 19 i电流 ur电解液的欧姆电压降（v） 加工间隙（mm） 表 2.1 电解液比较 项目 nacl 3 nano 3 naclo 常用浓度 250g/l 以内 400g/l 以内 450g/l 以内 表面粗糙度 与电流密度，流速及 加工材料有关一般为 ra=0.8- 6.3mm 在同样条件下低于电 解液nacl 低于nacl和 3 nano 加工精度 较低 较高 高 表面质量 加工镍基合金易产生 晶界腐蚀，加工钛合 金易产生点蚀 一般不产生晶界腐蚀 但电流密度低时会产 生点蚀 杂散腐蚀最小，一般 也不会产生点蚀，已 经加工耐腐蚀性好 腐蚀性 强 较弱 弱 安全性 安全、无毒 助燃（氧化剂） 助燃（强氧化剂） 阳极溶解特性 线性 非线性（浓度小于 30%） 非线性 循环使用性能 加工中损耗小，仅需 要过滤或者补充水分 即可 加工中有少量的nh3 气体析出，有消耗， 需要定时补充 加工中含有分解产生 的 - cl一价负离子， 逐渐改变非线性本 质，需要定时补充 稳定性 加工过程比较稳定， 组成及性能基本不变 加工过程中 ph 值缓 慢增加，应该需要调 整 ph 值小于 9 cl 离子增加或者减 少，加工一段时间要 补充电解质 相对成本 nacl： 3 nano： 3 naclo=2:5:12 5 联接环热锻模电解加工工装设计 20 5 联接环热锻模电解加工工装设计联接环热锻模电解加工工装设计 5.1 电解加工电解加工所受到所受到的的影响和影响和误误差差 电解加工的生产率，是以单位时间内去除的金属量来衡量的，用 mmmin 或者 gmin 表示。 他首先决定于工件材料的电化学当量，其次与电流密度有关。此外，电解液 及其参数也有很大的影响。 表 4.1 一些常见金属的电化学当量 金属名称 密度/gcm k/gah /ah /amin） 铁 7.86 1.042二价 0.696三价 133 89 2.22 1.48 镍 8.80 1.095 124 2.07 铜 8.93 1.188 133 2.22 钴 8.73 1.099 126 2.10 铬 6.9 0.648三价 0.324六价 94 47 1.56 0.78 铝 2.64 0.335 124 2.07 一 个 电 子 所 带 的 电 量 为 1.61019-c 摩 尔 电 子 电 量 为 - 96485 1.61019-c6.0210 23-. 电解时电极上溶解的或者析出的物质的量（质量 m 或者体积 v） ，与电解电 流的 i 和电解的时间成正比，及与电量成正比 q。用公式符号表示如下： 用质量来计算： m=kit 用体积来计算： v=it 公式中 m电极上溶解的或者析出的物质的质量（g）; v电极上溶解的或者析出的物质的体积（mm）; k被电解的物质的质量化学当量g/ah; 被电解的物质的体积电化学当量 ah ; i电解电流（a） ； t电解时间（h）. 不过的在实际的电解加工中，一些情况下阳极还可能出现其他反应，如氧气 或者氯气的析出，或者有部分的金属离子以及高价离子的溶解，从而额外的多消 耗一些电荷量，所以金属的被电解量有时会小于所计算的理论值，为此，实际加 5 联接环热锻模电解加工工装设计 21 工中需要考虑电流效率 =h 理论计算蚀除量 实际金属蚀除量 100% 公式： itvt hwh= kim 5.2 联接环热锻模联接环热锻模夹具夹具设计设计 外压板的的材料为玻璃钢，安装位置在外压套的下面，外压板与工件平面用 胶圈密封。其中间的孔型与阴极外形相似，他的周边与阴极的外形有 0.5- 0.8 毫 米的间隙，孔型各处间隙值的大小不相等，在电解液难以通过的地方（如死角或 者流程较长的部位）间隙开的就大一些，相反的情况之下的部分间隙就开的小一 些。 5.3 联接环热锻模联接环热锻模夹具夹具装装夹夹设计设计 (1) 夹紧夹紧装装置置的的种类繁多种类繁多，综合起来综合起来其结其结构均由两部构均由两部分分组成组成。 动力装置 产生夹紧力。动力装置是产生原始作用力的装置。按夹紧力的来 源， 夹紧分手动夹紧和机动夹紧。 手动夹紧是靠人力； 机动夹紧是采用动力装置。 常用的动力装置有液压装置、气动装置、电磁装置、电动装置、气- 液联动装置 和真空装置等。 夹紧装置 传递夹紧力。动力装置所产生的力或人力要正确地作用到工件 上，需有适当的传动机构。传递机构是把原动力传递给夹紧装置。它由两种构件 组成，一是接受原始作用力的构件，二是中间传力机构。 (2) 夹紧夹紧装装置置的设计要的设计要求求。 夹紧装置的设计和选用是否正确，都保证工件的精度、提高生产率和减轻工 人劳动强度有很大的影响。因此，夹紧装置应满足以下要求： 夹紧过程中，不能破坏工件在定位时所处的正确位置。 1） 夹紧力夹紧力的的大小适当大小适当。保证工件在整个加工过程中的位置稳定不变，夹紧 可靠牢固，振动小，又不超出允许的变形。 2） 夹紧夹紧装装置置的的复杂程度应与复杂程度应与工工件件的生产的生产纲领相适应纲领相适应。工件生产批量越大， 越应设计较复杂、效率较高的夹紧装置。 3） 具有良好具有良好的结的结构构工工艺艺性。性。力求简单，便于制造维修，操作安全方便，并 且省力。 夹紧力方向的确定 夹紧力应朝向主要的定位基面。 毕业设计(论文) 22 夹紧力的方向尽可能与切削力和工件重力同向。 夹紧力作用点的选择 1） 夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内。夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内。 2） 夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位上，这样可以防止或减少 工件变形变形对加工精度的影响。 夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位上，这样可以防止或减少 工件变形变形对加工精度的影响。 3） 夹紧力的作用点应尽量靠近加工表面。夹紧力的作用点应尽量靠近加工表面。 (3) 夹紧力大小的估算夹紧力大小的估算 理论上确定夹紧力的大小，必须知道加工过程中，工件所受到的切削力、离 心力、 惯性力及重力等，然后利用夹紧力的作用应与上述各力的作用平衡而计算 出。 但实际上， 夹紧里的大小还与工艺系统的刚性、 夹紧机构的传递效率等有关。 而且，切削力的大小在加工过程中是变化的，因此，夹紧力的计算是个很复杂的 问题，只能进行粗略的估算。 估算的方法：一是找出对夹紧最不利的瞬时状态，估算此状态下所需的夹紧 力；二是只考虑主要因素在力系中的影响，略去次要因素在力系中的影响。 估算的步骤： 第一：建立理论夹紧