毕业论文-航空锻件【变速叉】的热锻模及其电解加工工装设计 (2)-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 本科毕业设计本科毕业设计( (论文论文) ) 题目：油箱盖锻模电解加工工装设计题目：油箱盖锻模电解加工工装设计 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013 年 5 月 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 油箱油箱盖热锻模电解加工工装设计盖热锻模电解加工工装设计 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。 根据研究对象油箱盖热锻模， 设计一套加工该热锻模的电解加工工装， 包括： （1）油箱盖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 等软件画出油箱盖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，油箱盖锻模，工装设计 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 Forging die and its oil electrochemical machining tooling 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 目录 目目 录录 摘摘 要要.II Abstract. .II I 1 绪论绪论1 1.1 电解加工基本原理 1 1.2 电解加工的工艺特点 6 1.3 电解加工的应用 .8 1.4 电解加工技术的研究现状 .8 1.5 课题研究内容 9 2 2 油箱盖热锻模电解加工阴极设计油箱盖热锻模电解加工阴极设计.12 2.1 阴极材料的选择 .16 2.2 阴极的尺寸设计 .16 3 3 油箱盖热锻模电解加工工装夹具设计油箱盖热锻模电解加工工装夹具设计 .19 3.1 油箱盖热锻模夹具定位设计 19 3.2 油箱盖热锻模夹具装夹设计 .20 3.3 底座设计 .23 3.4 油箱盖热锻模导电方式 .23 3.5 油箱盖热锻模供液方式 .25 3.6 油箱盖电解流场的设计 .25 3.7 工装的绝缘密封 27 3.8 工装总体设计图 .27 4 4 油箱盖热锻模电解加工工装工作原理油箱盖热锻模电解加工工装工作原理. 29 总总 结结 30 参考文献参考文献 .31 目录 致致 谢谢 .33 毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明 错错 误！未定义书签。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 35 毕业设计（论文） 1 1 绪论绪论 1.1 电解加工基本原理电解加工基本原理 电解加工（Electrochemical machining, 简称 ECM）是利用金属在电解液中可 以发生阳极溶解的原理，将零件加工成形的，加工过程中工具阴极和工件阳极不接 触，具有加工不受材料强度和硬度限制、工具阴极无损耗、不会产生加工变形和应 力以及加工质量好、生产率高等优点。因此自电解加工问世以来，就受到制造业的 广泛重视，被应用于加工机械加工困难的整体叶轮、叶片、炮管膛线等零件以及难 加工材料成分的零件，还在锻模、齿轮和各种型孔以及去毛刺等方面取得广泛的应 用。随着整个制造业向精密化、化发展，工业产品设计中大量的结构对其制造精度 和制造工艺提出了越来越严格的要求，电解加工技术面临新的发展机遇和挑战，在 扩展新的应用领域、提高加工精度和稳定性、与其它加工技术的复合应用等方面。 图 1.1 电解加工过程示意图 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 业设计（论文） 2 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，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： 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： 1) 实际溶解的原子价比计算用的原子价要高或低； 2) 除金属溶解外还有一些副反应消耗了一部分电流； 3) 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。 电解加工是一种由两类导体串联形成的电化学系统，电子得失的电化学反应发 生在两类导体界面，即电极的双电层（如图 1.2） 。关于电极的定义，在电解加工中 习惯把它看成工具阴极和工件阳极，而从电化学的概念来理解，电极应当是包括金 毕业设计（论文） 3 属电极连同其相邻溶液的整体，表示为电极/溶液。电解加工与普通电化学系统不同 的是两极间距离小，一般为 0.100.60mm，电流密度远高于普通的电化学系统，作 为电极/溶液界面金属的工件阳极，伴随着气体析出，金属元素也随之溶解。界面的 溶液由于高速液体冲击，电极表面扩散层厚度大大减小，浓度梯度变大，双电层结 构发生畸变，流体动力因素极大地影响了电化学步骤的液相传质过程。同时由于大 量气体在小间隙内形成气液混合体，加上温度、蚀除产物的变化，使界面及极间状 态十分复杂，这也是导致电解加工过程不能彻底保证稳定性和精度的重要原因。 电极反应发生在电极和溶液界面上，在一般的电化学系统中，界面的性质对反 应速度影响很大，一方面表现在电极材料及其表面状态，另一方面为界面存在电场 所引起的特殊效应，这是因为界面上存在着离子双电层电位差、表面偶极层的电位 差、吸附双层的电位差（如图 1.3） 。 在一般电化学系统中形成的离子双电层，电极表面只有少量剩余电荷，所产生 的电位差不大，但它对电极反应的影响却很大，如果电位差为 1V，界面上两层电 荷间距的数量级为 10-10m，则双电层的场强为 E=V/L=1010V/m。离子双电层之所以 能达到如此大的场强，就是因为两层电荷的距离太小，这样的场强足以使一般条件 下本来不能进行的化学反应变得可以进行，如电解水。当然也可使电极反应速度发 生极大变化，例如当界面电位改变 0.10.2V，反应速度可改变 l0 倍。在场强的数 量级超过 106V/m 时，任何电介质均被击穿放电，引起电离，只不过电化学体系中 可供击穿的粒子均在双电层外。而电解加工系统的电流密度及电极表面剩余电荷远 远高于一般电化学系统，这也是电解加工能够进行的主要因素。实际加工时，阳极 溶解形成的加工间隙很大程度上受间隙流场、电场的影响，因为工件与阴极间的几 何形状差异使流场不能均匀分布，气、液和固三相流间隙的成形规律十分复杂，沿 程气泡率、电解产物和温度的变化使工件溶解速度不能恒定，杂散腐蚀引起已加工 面的二次蚀除使加工间隙失控。工件阳极的电极/溶液界面是形成最终成品的表面， 在其发生的电化学过程是零件成形的实质过程，因此电解加工间隙的核心是工件电 极/溶液界面，即电极的双电层。 图 1.2 双电层分布示意图 毕业设计（论文） 4 图 1.3 电极溶液界面电势示意图 液相传质有电迁移、扩散和对流三种方式。间隙中从电极到溶液理论上可分 为双电层、扩散层和对流层三层，从扩散层向外为对流层，以对流传质为主。在 紧靠电极表面的薄层液体中，不管搅拌作用如何强烈，电迁移和扩散过程作为电 极过程的一部分仍起着重要作用。当电极表面溶液当电极上有电流通过时，三种 传质方式同时存在，各区域的传质方式以一种或两种为主。电解加工采用高压泵 强力输液，对流速度远远大于扩散速度，具有实现稳态扩散的条件。从所传输的 粒子情况看，电迁移传输的是正负离子，扩散和对流传输的可以是离子、分子， 也可以是其他微粒。在电迁移和扩散过程中，溶质与溶剂之间存在着相对运动； 在对流传质过程中，溶液的一部分相对于另一部分做相对运动，而运动的这部分 溶液中不存在溶质和溶剂的相对运动。阳极处开始有电解产物出现。1 由于电解加工的工件电极本身是加工对象，两极的形状不是任意设计的，电极 表面不可能靠改变形状获得均匀的扩散层。虽然电解加工采用高压泵高速输送电解 液，极大程度消除了因扩散阻力引起的浓差极化，但是由于电解加工的对象一般形 状较复杂，在工件不同部位的传质过程存在区别。复杂零件的电解加工，间隙各处 流场不均匀，并且因为电迁移、扩散、对流所传输的离子、粒子种类和速度的差异， 必然造成电解加工电极表面各处电极过程不均匀。三种传质方式在间隙中的不同分 布、在电极表面附近溶液层中的不同比例对电极过程的影响，成为间隙形成过程中 间隙不能均匀分布的重要因素。即使形状简单，从供液孔到加工间隙的过水面积的 变化也不可避免，造成空穴、束流等。这些也是目前仍然无法找到电解加工过程中 实时检测间隙分布规律的因素。微细电解加工时，由于工具电极直径只有几十微米 到几百微米左右，高压、高速的电解液冲刷会影响加工精度和破坏微细电极，所以 通常采用静液或相当于静液电解槽内加工，这样就会使加工间隙中电解液供液困 难，新鲜电解液很难流入加工间隙，电解产物和电解产生的热量也很难排除，因此， 微细电解加工中必须考虑如何改善小间隙内电解液的充足供给和电解产物与电解 毕业设计（论文） 5 热的排出问题。在超纯水微细电解加工中，超纯水属于低浓度、低电导率的电解液， 并拥有较低的粘度，可以减少流动的压力损失并加快热量及产物的迁移，从而可运 用于小间隙加工；另外，其较高的热容可防止沸腾和空穴的形成，有利于小间隙、 高电流密度的加工。 电解加工以其加工速度快、表面质量好、凡金属都能加工而且不怕材料硬、 韧、无宏观机械切削力、工具阴极无损耗、可用同一个成形阴极作单方向送进而 成批加工复杂型腔、型面、型孔等优点，在20世纪60年代初，首先在炮管膛线和 航空发动机涡轮叶片的加工中得到应用， 其后又逐渐扩大应用于锻模型腔、 深孔、 小孔、长键槽、等截面叶片整体叶轮的加工以及去毛刺等领域，取得了显著的技 术、经济效果。但是，在70年代以后，随着国际市场经济竞争形式的变化，产品 更新换代快，生产批量减小，使得电解加工的适用范围也发生变化。总体看应用 范围有所减小，但应用要求却越来越高。 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。 电解加工的基本原理是电化学阳极溶解， 如图 1.1 所示。 此种加工技术要求 被加工的工件必须为导电材料，工具通常为紫铜、黄铜或不锈钢材料。加工时， 工件接电源正极，工具接电源负极，电源电压通常为 520V，加工电流密度为 20200A/cm2。工具电极向工件低速进给，使阴极和阳极之间保持较小的加工 间隙（0.10.8mm） ，同时，使具有一定压力（0.52MPa）的电解液从间隙中 流过， 这时阳极工件的金属材料被逐渐溶解， 电解产物被高速流动的电解液带走， 从而将工件加工成型。2 图 1.4 电极反应中电子与离子转移过程示意图 毕业设计（论文） 6 根据法拉第第二定律， 推导出电解加工中阳极工件成型规律的方程组， 可写 作： R a R R U iv U i EUU （1-1） 上式中 R U间隙电解液中的欧姆压降（V） ； U阴、阳极之间的电压（V） ； E电解加工的阴、阳极电极电位值总和（V） ； i电流密度（ 2 /cmA） ； 电解液的电导率（cm/1） ； 电解加工间隙（cm） ； a v工件的加工速度（scm/） ； 电流效率； 被电解物质的体积电化学当量（ sAcm/ 3 ） ； 一般情况下，采用钻削加工的孔具有良好的几何精度和形位精度，并且其加 工经济性较好， 所以一直是主要的孔缝加工手段。 但钻削小孔存在的主要问题有： 钻头刚性较差，扭矩及轴向力大，工作时易弯曲、折断，刀具寿命短，切屑不易 排出，钻头冷却困难，入钻时难以定心，加工生产率低等。 为达到一定的钻削速度，多采用每分钟万转以上的钻头转速，配合很小的进 给量，故对整台机床主轴系统的精度要求很高。近年来发展的振动切削加工通过 使工件相对于钻头作一定频率和振幅的轴向振动， 可解决入钻时难以定心、 钻偏、 排屑和断屑等问题，在加工精度和表面质量均有明显改善，但生产效率降低。此 外，采用微小的立铣刀铣削加工可以获得很高的加工速度和良好的断屑排屑，且 通过控制走刀轨迹可以加工几何形状复杂的孔缝结构， 不过钻削加工无法加工比 刀具更硬的材料，且存在加工应力和毛刺。 1.2 电解加工的工艺特点电解加工的工艺特点 与常规的切削加工方法相比， 切削加工是依靠硬的工具挤压软的工件， 使工 件上多余的金属脱离工件基体到达成型目的。然而，在电解加工中，阴、阳极是 不接触的， 在阳极上发生电化学溶解反应， 阳极的金属原子一个一个地脱离阳极 表面，在阴极上发生析氢反应。因此，电解加工具有如下特点： 毕业设计（论文） 7 （1）加工范围广。电解加工是一种非接触式加工，工具材料可以是较软的 易加工的金属材料，电解加工不受被加工材料的强度、硬度、韧性的限制，几乎 可以加工所有的导电材料，加工后工件材料的金相组织基本不发生变化。因此， 它常用于加工硬质合金、 高温合金、 淬火钢、 不锈钢等难切削加工材料以及薄壁、 易变形工件。 （2） 加工效率高。 常规的切削加工需要多次切削才能达到零件的尺寸精度， 然而，电解加工通过简单的进给运动，一次进给加工出复杂的型面、型腔等，而 且加工速度可以随电流密度成比例地增加。 据统计， 电解加工的加工效率是电火 花加工的 510 倍。美国 Sermatech 公司使用电解加工工艺加工发动机部件，提 高了生产效率， 使得加工时间降低为传统切削加工时间的一半。 而且电解加工速 度不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。 （3）加工质量好。型面和型腔的加工精度可达0.050.20mm；型孔和套 料的加工精度可达0.030.05mm；对于一般中、高碳钢和合金钢，可稳定地达 到 Ra1.60.4。 （4）无工具阴极损耗。在电解加工过程中，工具阴极上只发生析氢反应， 而不发生金属溶解反应。 （5）进给运动简单。电解加工的进给运动通常是直线运动，而没有复杂的 曲线运动。 （6）对难加工材料复杂形状工件的批量生产，电解加工是一种低成本的工 艺。 尽管电解加工具有诸多的优点，但是也存在一些局限性，主要表现为： （1）加工精度和加工稳定性不高。电解加工中，影响加工精度和稳定性的 因素较多，包括电解液流场、加工间隙电场、加工电源电压、进给速度等 10 多 个因素。 () ( + ) 1 vf (a) 加工开始 (b) 加工终止 () ( + ) vf 2 3 4 1电解加工电源；2工具阴极；3工件阳极； 图 1.5 电解加工原理简图 毕业设计（论文） 8 （2）工具阴极的设计和修正比较麻烦，周期长，因而电解加工只适合大批 量生产。对于单件小批量生成，成本较高。 （3）电解加工所需的附属设备较多，占地面积较大，而且机床需要足够的 刚性和防腐蚀性能，造价较高。电解产物需进行妥善处理，否则将污染环境。 综上所述，电解加工对难加工材料、复杂形状零件的批量生产是一种高效、 高表面质量、 经济的工艺方法， 只要加工对象选择得当， 发挥出电解加工的优势， 就能收到良好效果。 1.3 1.3 电解加工的应用电解加工的应用 20 世纪 60 年代初，电解加工工艺首先在炮管膛线和航空发动机涡轮叶片的 加工中得到应用，其后又逐渐扩大应用于锻模型腔、深孔、小孔、长键槽、等截 面叶片整体叶轮的加工以及去毛刺等领域，取得了显著的经济效果，电解加工已 成为制造业中一种重要的加工工艺之一。70 年代以后，虽然其应用范围有所减 小，但应用要求更高，且在某些新的领域又得到新的应用。现在国内外已广泛用 于叶片、机匣、深细小孔、膛线、花键等重要零件的加工。近二十年在民用工业 如汽车、拖拉机、煤机等的锻模加工及去除毛刺中也得到了广泛应用。 为适应高新技术的发展、新型军工型号研制的需要，以及提高电解加工自身 的水平，近二十余年，国内外在提高电解加工精度及扩大电解加工的应用等方面 进行了大量的研究工作。新型电解液、脉冲电流电解加工、复合电解加工、数控 展成电解加工等新兴工艺方法以及 CNC 自动生产线、CNC 自动机床等新兴电解加 工设备的出现，为实现上述战略目标展现了广阔的前景。 1.4 电解加工技术的研究现状电解加工技术的研究现状 随着越来越多的结构出现在工业应用中，加工的研究得到越来越广泛的重 视。近几年来由于许多其它领域的新技术、新工艺的引入以及对电解加工过程机 理的更深入研究，电解加工一改原来加工精度不高的特点，被应用于高精度结构 的加工中，在电解技术方面的研究也迅速发展起来。 微纳米加工的尺寸多在几微米以下，而普通小型加工尺寸为毫米级，中间的 这段范围（几微米至几百微米）称为 meso scale，随着现代工业向精密化、化发 展，微电子、航空航天、精密仪器和精密模具等领域中出现了越来越多的金属结 构，而其中大部分的尺寸都是 meso scale，它们的加工精度、加工质量、加工效 毕业设计（论文） 9 率等对产品的性能、质量和成本有很大的影响，由于上述原因，国外近年来越来 越重视 meso machining 的研究， 因此研究这一经济、 高效和实用的加工技术显得 很有意义。 目前电解加工发展方向主要有两方面： 一是不断追求电解加工的极限加工能 力，探求微纳米尺度上的加工；二是针对目前工业制造中大量存在的 meso scale(尺寸从几微米至几百微米)的结构，研究如何采用电解加工经济、高效地进 行加工。目前，国内外开展这方面的研究主要包括针对硅材料的半导体加工技术 和针对金属等非硅基材料的加工技术，前者研究比较系统、成熟；而针对金属材 料，目前发展了许多不同的加工技术（如 LIGA 技术、电火花加工技术、激光加 工技术等） ，虽然加工精度和加工尺寸均能达到较高的水平，但是存在加工效率 低、成本昂贵、加工范围有限等缺点。 近年来电解加工技术在整个制造领域， 尤其是在 meso machining 研究中正受 到越来越广泛的重视，美国、德国、日本等发达国家的科研机构相继开展了这方 面的研究，并在加工机理、加工精度等关键问题上取得了一定的进展。作为一种 新的很有应用前景的微型机械加工技术，电解加工在国内的研究才刚刚起步，需 要迎头赶上。 1.5 课题研究内容课题研究内容 根据研究对象油箱盖热锻模， 设计一套加工该热锻模的电解加工工装， 包括： （1）油箱盖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 等软件画出油箱盖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） 10 图 1.6 油箱盖热锻模二维图主视图 图 1.7 油箱盖热锻模二维图俯视图 毕业设计（论文） 11 图 1.7 油箱盖热锻模三维 2 油箱盖热锻模电解加工阴极设计 12 2 油箱盖热锻模电解加工阴极设计油箱盖热锻模电解加工阴极设计 因为电解加工对象本身尺寸一般为 0.1-1mm，考虑到其相应的加工精度，必 须采用小间隙加工。电解的加工间隙一般为 0.01-0.1mm 之间，远小于常规电解 加工间隙的尺寸 0.1-1mm。在电解加工中，加工间隙的大小和稳定程度是对加工 得以实现非常重要。 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。 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。 （1）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。 （2）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。 （3）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。参照 图 3.1，其有关成型规律的方程组可写作： 毕业设计（论文） 13 UR=U-E （2.1） UR i （2.2） va=i （2. 3） 在加工平衡状态： R U b v （2.4） coscos RbU v （2.5） 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度 （cm/s） ； v工具阴极送进速度（cm/s） ； 电流效率； 体积电化当量（cm3/As） 。 图 2.1 基于简化电场的成型规律描述cos 毕业设计（论文） 14 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。 这种设计方法 较简单，但是却有局限性，对于那些型腔复杂的工件不能够使用，只适合形状简 单的工件。 以上两种方法都是基于简化电场分布的阴极设计方法， 对于实际电场分布的 阴极设计方法，这里介绍一种有限元法。如图 2.2 给出了一组工具阴极族的求解 结果。其依据是已知的工件阳极形状和约定的工艺条件：阳极边界电位 a=U， 电解液的电导率和电流效率均为常数。有图 2.2 可以看出，所求解的阴极不只是 一个，而是一“族” ，即图中除阳极边界外的等位面都可以作为阴极边界，不同 的只是阴极边界电位，或者说阴、阳极之间的电位差不同，加工间隙值不同，但 都能加工出同样的阳极型面。7 图 2.2 求解的工具阴极族 在占电解加工中大部分的微孔窄缝加工中，由于间隙无法直接测量，通常采 用加工孔径和工具电极直径之差的一半 （即侧面间隙大小） 来间接评定加工间隙。 电极侧壁的绝缘是必须的，加工间隙如图 2-1 所示 毕业设计（论文） 15 22 0 22 bbbs bxb （2-1） 电解中侧壁绝缘的工具电极一般不保留图 2-2 中所示的宽度为 b 的工作带， 即式（2-1）内的参数 b 趋近于 0，故加工中侧面间隙 bs 。 电解时加工间隙很小，间隙内电解液的量也很少，如果要实现和匀速电解加 工一样的加工速度，间隙内的温升和气泡析出将极大的影响电导率变化，而且排 出电解产物比匀速加工困难，其对稳定加工的影响远远大于匀速加工，所以通常 采用低速加工或者非匀速进给方式加工，以提高加工稳定性，但其平均进给速度 将显著低于匀速进给电解加工，导致加工效率下降。 在电解中采用有效的工具阴极复杂运动进给方案， 可以维持在小间隙下稳定 进行加工，不仅可以提高加工稳定性，而且还可以提高加工精度。 对于单轴电解加工而言，加工对象的局限性较大，只局限于获得其表面形状 由精确复制工具电极的表面形状而来的加工对象， 无法加工空间螺旋槽等类似结 构。另外，电解加工出的微孔的圆度、尺寸精度等在很大程度上受加工流场的影 响。加工间隙内电解液的更新是否及时会直接影响加工流场是否均匀稳定。由于 电解加工的间隙微小，电解液更新困难，因此可以考虑采取新颖的结构设计来实 现更新电解液和排除电解产物的功能。 因此，有必要根据电解加工的独特性，设计一种电解加工机床，其本体结构 必须兼顾好的系统刚性、系统结构小型化和方便的操作维护性，有利于加工稳定 地维持在微小间隙下，刚度大，精度高，结构简单，同时尽可能扩展加工对象的 多样性。 s b 绝缘层 工具电极 工 件 b x0 b-端面加工间隙； s-侧面加工间隙； x0-侧面加工间隙； b-工作带宽度； 图 2-3 电解加工间隙示意图 毕业设计（论文） 16 2.1 阴极材料的选择阴极材料的选择 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。 2.2 阴极的尺寸设计阴极的尺寸设计 阴极的尺寸设计 其关键在于阴极齿顶面及两侧面的锥度齿顶角齿側角的取 值锥度的大小直接影响阴极齿的长度和铜钨合金材料的使用量更重要的是将决 定加工法向间隙的数值最终影响加工精度加工稳定性和生产效率为了既能保证 加工速度粗加工过程中， 法向间隙较小火花短路较多精加工段的设计， 是为了 去除粗加工留下的尺寸余量及表面缺陷以基本上满足尺寸和表面质量的要求由 于精加工段的加工过程是处于一种过渡状态最终很难保证各个齿形的一致。 因此 还需要通过抛光段的加工来对全齿进行最后一道精整从而确保工件的尺寸精度 和表面质量通常抛光圈宽度 b 取 0.1-0.2 mm。如表 3.1 及表 3.2 所示，总和了在 各种加工条件下当前采用的间隙值范围，可以作为选用的参考。 表 2.1 不同电解加工方式的加工间隙范围 加工方式 间隙范围/mm 活性电解液 0.200.50 直流电流 惰性电解液非线性加工，混气加工 0.100.20 连续进给 0.030.10 脉冲电流 振动进给 00.05 周期循环多次对刀 00.05 毕业设计（论文） 17 表 2.2 不同工序的平均间隙范围 工序种类 间隙值/mm 极限范围 常用范围 孔及型腔加工： 小孔（直径在 8mm 以下） 0.020.3 0.10.2 小型腔（型面长度 340mm） 0.080.3 0.150.3 大型腔（型面长度 40mm 以上） 0.31.0 0.30.5 叶片型面加工 叶型长度 100mm 以下 0.080.3 0.20.25 100200mm 0.150.5 0.250.3 200300mm 0.30.8 0.30.5 电解车： 预钻通孔（直径在 10mm 以下） 0.20.3 0.2 外表面 0.20.8 0.30.5 电解磨：金属阴极 0.10.8 0.20.3 导电磨轮 0.010.08 0.02 电解切削： 盘形阴极（直径在 100mm 以下） 0.10.5 0.20.3 线电极（厚度在 30mm 以下） 0.10.6 0.20.3 根据表 3.1 和表 3.2 选择油箱盖热锻模电解加工的加工间隙为 0.5mm。则 根据等间隙分布的原则可设计出油箱盖热锻模电解加工的阴极的形状与尺寸， 如 图 2.3 所示。 进液孔与出液孔的大小。在计算进出液孔大小之前，首先要计算过液面积，然后 根据所计算的过液面积计算进出液孔的大小。 进液孔的计算： 如图 2.4 所示，加工初始时刻的进液处的过液面的形状与尺寸，根据图可计 算出过液面积 S0为 S0=L h=97.4 0.5=48.7（mm2） 实际进液面积应取其 1.5 倍，则实际进液面积为 S=1.5S0=1.5 48.7=73.5（mm2） 根据以上可设计进液孔为 3 孔 6。进液孔直径的选用，应使它的截面积大 于起始间隙截面积， 为了适应加和延伸的增液槽的需要， 进液孔的截面积应予以 加大。 毕业设计（论文） 18 图 2.4 进液孔处的过液面的外形与尺寸 出液孔的计算： 如图 2.5 所示，加工初始时刻的出液处的过液面的形状与尺寸，根据图可算 出过液面积 S0为 S0=L h=69 0.5=34.5（mm2） 图 2.5 出液孔处的过液面的外形与尺寸 实际出液面积应与其相等，则实际出液面计为 S=S0=34.5（mm2） 根据以上可设计出液孔为 3 孔 4。 图 2.6 阴极二维 3 油箱盖热锻模电解加工工装夹具设计 19 3 油箱盖热锻模电解加工工装夹具设计油箱盖热锻模电解加工工装夹具设计 3.1 油箱盖热锻模夹具定位设计油箱盖热锻模夹具定位设计 （1）工件的定位的基本原理 a 六点定则： 用合理分布的六个支承点限制工件的六个自由度，使工件在夹具中的位置完 全确定，称为“六点定位原则”，简称“六点定则”。 六点定则是工件定位的基本法则，用于实际生产时，起支承点作用的是一定 形状的几何体，这些用来限制工件自由度的几何体就是定位元件。 b 限制工件自由度与加工要求的关系： 工件定位时，影响加工要求的自由度必须限制；不影响加工要求的自由度， 有时要限制，有时可不限制，视具体情况而定。习惯上，工件的六个自由度都限 制了的定位称为完全定位，工件限制的自由度少于六个，但能保证加工要求的定 位称为不完全定位。 c 在工件定位时，以下情况允许不完全定位： 加工通孔或通槽时，沿贯通轴的位置自由度可不限制。 毛坯（本工序加工前）是轴对称时，绕对称轴的角度自由度可不限制。 加工贯通的平面时，除可不限制沿两个贯通轴的位置自由度外，还可不限制 绕垂直加工面的轴的角度自由度。 夹具上的定位元件重复限制工件的同一个或几个自由度的定位称为重复定 位。重复定位分两种情况：当工件的一个或几个自由度被重复限制，并对加工产 生有害影响的重复定位，称为不可用重复定位。它将造成工件定位不稳定，降低 加工精度，使工件或定位元件产生变形，甚至无法安装和加工。因此，不可用重 复定位是不允许的。 当工件的一个或几个自由度被重复限制，但仍能满足加工 要求，即不但不产生有害影响，反而可增强工件装夹刚度的定位，称为可用重复 定位。在生产实际中，可用重复定位被大量采用。 d 基准、对定位元件的基本要求： 定位基准的选择，应尽量使工件的定位基准与工序基准相重合；尽量用精基 准作为定位基准；遵守基准统一原则；应使工件安装稳定，加工中所引起的变形 最小；应使工件定位方便，夹紧可靠。 毕业设计（论文） 20 e 对定位元件的基本要求 足够的精度、足够的强度和刚度、耐磨性好、工艺性好、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。工件以平面作为定位基准时，所用定位元件一般可分为主 要支承和辅助支承。主要支承用来限制工件的自由度，具有独立定位的作用。辅 助支承用来加强工件的支承刚性，不起限制工件自由度的作用。 b 工件以圆柱孔定位。工件以圆柱孔为定位基准，如套类、齿轮、拨叉等。此 种定位方式所用的定位元件有圆柱定位销、定位心轴和圆锥定位销等。 c 工件以外圆柱面定位。 工件以外圆柱面定位时， 常用的定位元件有： V 形块、 定位套和半圆套。 图 3.1 工装夹具 3.2 油箱盖热锻模夹具装夹设计油箱盖热锻模夹具装夹设计 (1)夹紧装置的种类繁多，综合起来其结构均由两部分组成。 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。 毕业设计（论文） 21 (2)夹紧装置的设计要求 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： a 夹紧过程中，不能破坏工件在定位时所处的正确位置。 b 夹紧力的大小适当。 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。 c 夹紧装置的复杂程度应与工件的生产纲领相适应。工件生产批量越大，越应 设计较复杂、效率较高的夹紧装置。 d 具有良好的结构工艺性。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。 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 a 夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内。 b 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。 c 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 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： a 建立理论夹紧力 FJ 理与主要最大切削力 FP 的静平衡方程：FJ 理= (FP)。 b 实际需要的夹紧力 FJ 需，应考虑安全系数，FJ 需=KFJ 理。 c 校核夹紧机构的夹紧力 FJ 是否满足条件：FJFJ 需。 (2)夹紧装置的设计 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： a 夹紧过程中，不能破坏工件在定位时所处的正确位置。 毕业设计（论文） 22 b 夹紧力的大小适当。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。 c 夹紧装置的复杂程度应与工件的生产纲领相适应。工件生产批量越大，越应 设计较复杂、效率较高的夹紧装置。 d 具有良好的结构工艺性。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。 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 a 夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内。 b 夹紧力的作用点应落在