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-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 XX 学院 毕业设计(论文) 航空锻件【变速叉】的热锻模 及其电解加工工装设计 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 年 月 日 摘 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形的一 种特种加工方法。加工时，工件接直流电源的正极，工具接负极，两极之间保持较小的 间隙。 电解液从极间间隙中流过， 使两极之间形成导电通路， 并在电源电压下产生电流， 从而形成电化学阳极溶解。随着工具相对工件不断进给，工件金属不断被电解，电解产 物不断被电解液冲走，最终两极间各处的间隙趋于一致，工件表面形成与工具工作面基 本相似的形状。 根据研究对象航空锻件 【变速叉】 热锻模， 设计一套加工该热锻模的电解加工工装， 包括： （1）航空锻件【变速叉】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 等软件画出航空锻件【变速叉】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：电解加工，航空锻件【变速叉】锻模，工装设计 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 Abstract Electrochemical machining is based on the principle of electrochemical anodic dissolution occurs in the electrolyte will be a special processing method for workpiece machining. Processing, workpiece is connected to the positive DC power supply, tool is connected with the negative pole, keep a small gap between the poles. The electrolyte flow from the inter electrode gap, so that the formation of a conductive path between the poles, and generates a current in the power supply voltage, thereby forming an electrochemical anodic dissolution. With continuous feed of the tool relative to the workpiece, the workpiece metal continuous electrolysis, electrolysis products have been washed away the gap between the two poles of electrolyte, ultimately all converge, forming the basic similarity and tool face shape workpiece surface. According to the research object coupling ring of hot forging die shift fork, electrolytic processing to design a set of processing the shift fork hot forging die, including: ( 1 ) connecting the ECM cathode ring shift fork 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 shift fork 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, shift fork forging die, fixture design IV 目 录 摘 要 . II Abstract. III 目 录 IV 第 1 章 绪论 6 1.1 电解加工原理 6 1.2 国内外研究现状 7 1.2.1 微秒级脉冲电流加工 . 7 1.2.2 微精加工 . 8 1.2.3 数控展成加工 9 1.3 课题研究内容 . 11 第 2 章 电解加工理论分析 11 2.1 加工影响分析 11 2.2 电极对流场的影响分析 . 14 第 3 章 航空锻件【变速叉】热锻模设计及其电解加工阴极设计计算 15 3.1 阴极材料的选择 . 16 3.2 阴极的尺寸设计 . 16 第 4 章 航空锻件【变速叉】热锻模电解加工工装设计 17 4.1 航空锻件【变速叉】热锻模夹具定位设计 . 17 4.2 航空锻件【变速叉】热锻模夹具装夹设计 . 19 4.3 水套设计 . 24 4.4 底座设计 . 24 4.5 航空锻件【变速叉】热锻模导电方式 . 25 4.6 航空锻件【变速叉】热锻模供液方式 . 26 4.7 航空锻件【变速叉】电解流场的设计 . 26 4.7 工装总体设计图 . 28 总 结 29 参考文献 30 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 致谢 32 6 第 1 章 绪论 1.1 电解加工原理 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=Fe 2+2e(阳极溶解) Fe 2+2OH-+O 2=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=H 2（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 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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 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 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 8 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 0.05mm1,2,3， 最低 表面粗糙度可达 Ra0.401，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1，3，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 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5,6。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5。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912。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1.2.3 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 Ra0.20.6 m 。 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 Ra0.160.63 m 。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，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7,8,9。具体研究内容包括以下几方面： (1)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。(2)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。(3)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 10 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。 (4)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。 (5)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10。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11。 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12。 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 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 蚀，提高加工精度，而在 NaNO3 电解液中加工 45 钢则效果甚微13。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 14。 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15。 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 课题研究内容 根据研究对象航空锻件【变速叉】热锻模，设计一套加工该热锻模的电解加工工装， 包括： （1）航空锻件【变速叉】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 等软件画出航空锻件【变速叉】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。 第 2 章 电解加工理论分析 2.1 加工影响分析 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。 12 图 2-3 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 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 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。如图 2-3 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 所示，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： 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。 式（2-5）中，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，1 2 h h ，由式（2-5）知侧壁上的 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 h 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 h 会比常规加工的更低，根据加工间隙公式，更低的 电流效率 h 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 h 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 h 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 h 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 14 化现象会使电流效率 h 出现大幅度变化。 图 2-4 是 NaCl 电解液和 NaNO3 电解液的电 流效率 h 和电流密度 i 的关系曲线。 图 2-4 NaCl 和NaNO3 的-i 曲线 2.2 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。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 3 章 航空锻件【变速叉】热锻模设计及其电解加工阴极设计计 算 因为微细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。微细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。在微细电解加工中，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。 在占微细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。 22 0 22 bbbs bxb （2-1） 微细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 。 微细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 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 2-1 电解加工间隙示意图 16 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。 在微细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。由于微细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，有必要根据微细电解加工的独特性，设计一种微细电解加工机床，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。 3.1 阴极材料的选择 阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一 个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避 免或减弱腐蚀的发生。阴极 以金属或合金作为阴极时，由于在比较负的电位下工作， 往往可以起到阴极保护作用，腐蚀性小，所以阴极材料比较容易选择。在水溶液电解槽 中，阴极一般产生析氢反应，过电位较高。因此阴极材料的主要改进方向是降低析氢过 电位。除用硫酸作为电解液时必须采用铅或石墨作阴极外，低碳钢是常用的阴极材料。 为降低电耗，目前采用各种方法制备高比表面积，并具有催化活性的阴极，如多孔镍镀 层阴极。 3.2 阴极的尺寸设计 阴极是根据电解槽的槽型确定的，尺寸多种多样。 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 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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。 第 4 章 航空锻件【变速叉】热锻模电解加工工装设计 4.1 航空锻件【变速叉】热锻模夹具定位设计 定位基准的选择 1、在定位时，每个工件在夹具中的位置是不确定的，对同一批工件来说，各件的 位置也将是不一致的。工件位置的这种不确定性，可用空间直角坐标轴分为以下 6 个方面，工件有 6 个自由度，沿三坐标轴的移动自由度和绕三坐标轴的转动自由度。 末定位前的工件相当于自由刚体，是无法进行加工的，因此，为了使工件在夹具 中有一个正确位置，必须对影响工件加工表面位置精度的自由度加以限制。 要使工件在夹具中的位置完全确定，其充分必要条件是将工件靠置在按一定要求布 置的 6 个支承面上，使工件的 6 个自由度全部被限制，其中每个支承点相应地限制一个 自由度。这就是六点定位规则，又称“六点定律” 。 6 个支承点的分布方式，与工件的形状有关。 前减震器是由前减震器冒和前减震器座构成，为盘类工件的六点定位。底面为第一 定位基准，用 3 个支承点限制 3 个自由度；圆周表面为第二个定位基准，用两个支承点 限制两个自由度；用一个支承点限制一个自由度。这样工件的位置被完全确定。根据工 件的形状的不同，以及定位基准的不同，支承点的分布还会有其它形式，但六点定位规 则却反映了工件定位的共同本质。运用六点定位规则，可以分析和解决任何一种定位方 式和定位问题。 理论上的支承点在实际夹具中都是具体的定位元件。底面 3 个支承点在实际夹具中 就可能是一个平面定位元件，或是 3 个小平面支承块；圆周面的两个支承点，在实际夹 具中就可能是一个 V 型块等。因此六点定位规则来分析和设计工件的定位时，并不是明 显直观，必须从定位元件实际上能够限制几个自由度来分析来判断。 2、限制工件的自由度与加工要求有关 工件在夹具中定位，并非所有情况都必须完全定位，设计工件的定位方案时，应首 先分析必须限制哪些自由度，然后在夹具中配置相应的定位元件。工件所需限制的自由 18 度，主要取决于本工序的加工要求。在这里我们要加工的是减震器冒与减震器座焊接在 一起，首先应确定一个面，限制减震器冒与减震器座的自由度，其次要考虑设计的方便 和节约材料，又要充分利用工件本身的特点，所以我初步设计一个圆柱面作为它的定位 面， 这样就限制了 3 个自由度， 又圆柱面与工件设为过量配合， 所以限制了两个自由度， 还有一个自由度没有确定，还可以上下移动，我们在设计时就要考虑这点，夹具必须要 限制一个自由度。 3、工件以平面定位 工件以平面作为定位基准，是生产中常见的定位方式，在分析和设计定位时，应 根据基准平面与定位元件工作表面接触面积的大小、长短或接触形式。确定定位元件所 相当的支承点数目及基所限制工件的自由度。当接触面积较大时，相当于 3 个支承点， 限制工件 3 个自由度； 4、工件以圆柱孔定位 1） 定位销 当工作部分直径 D 大于 3 到 10MM 时，为增加刚度，避免销子因撞而折断，或热 处理时淬裂，通常把根部加工成圆角 R。在夹具体上应有沉孔，使定位销圆角部分沉入 孔内而不影响定位。大批量生产时，为了便于更换定位销，可设计配有衬的结构，便于 更换。为了便于工件顺利安装，定位销的头部应有 15 度倒角。 定位销工作部分的直径，可根据工件的加工要求和安装方便，按 g5g6f6f7 精度等 级制造.定位销可用 H7/r6 或 H7/n6 配合压入夹具体孔内.定位销的材料一般选用工具钢 T7,热处理淬火 HRC5358,或用普通结构钢 20,渗碳淬火,渗碳深 0.81.2,淬火硬度 HRC5358.定位销结构已标准公,也可设计特殊定位销. 工件以单个圆柱销定位时容易歪,一般应和其它定位元件结合定位. 定位销在夹具中常与其它定位元件组合成定位系统. “一面两孔”组合定位,就是生 产中常见的一种定位方式,常用于箱体等零件的加工.相应定位元件常采用平面支承与定 位销组合.但是应该注意,当工件上两定位孔与销的配合间隙不大,而中必距误差较大时, 就可使装卸工件发生干涉.在这种情况下,就需对 “一面两孔”定位方式进行必要的验算. 以确定削边销的宽度. 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.2 航空锻件【变速叉】热锻模夹具装夹设计 1、 工件夹紧原理 为使工件在定位件上所占有的规定位置在加工过程中保持不变，就要用夹紧装置 将工件夹紧。才能保证工件的定位基准与夹具上的定位表面可靠地接触，防止在加工过 程中移动、振动或变形。 由于工件的夹紧装置是和定位紧密联系的，因此，夹紧方法 的选择应与定位方法的选择一起考虑。 在设计夹紧装置时，应考虑夹紧力的选择，夹紧机构的合理设计及其传动方法的 确定。关于夹紧力的选择应包括方向、作用点及大小这三个要素的确定。 夹紧装置选择合适，不仅可以显著地缩短辅助时间，保证产品质量，提高劳动生 产率，而且还可以方便工人操作，减轻体力劳动。 2、 夹紧装置的设计要求 设计夹紧装置时，必须注意夹紧力对工件加工厂表面所产生的紧态和松态问题，以 保证工件加工表面的精度和光洁度。 所谓加工厂表面的紧态夹紧，是指夹紧力的作用线能够通过加工表面的周围，使加 工表面的材料处在压紧应力之下。 20 所谓加工表面的松态夹紧，是指夹紧力的作用线不通过加工表面的周围，使加工表 面的材料处在自由状态之下。 在设计夹紧装置时，应根据工件的形状、材料、加工表面的位置、定位情况及加工 表面的精度和光洁度要求，来确定采取“紧态”或“松态”的夹紧方法。 采用“紧态”夹紧方法可以使加工表面比较稳固，加工过程中不易引起工件的振动， 有利于提高表面光洁度，但加工表面的几何形状精度将会受到一定的影响，特别是当夹 紧处的壁厚较薄时，这种影响就愈显著。因为此时加工表面受到夹紧力，而且愈靠近夹 紧点受力愈大，材料产生弹性变形也愈大。当加工完毕，取下工件后，夹紧力解除，加 工表面发生局部回弹，使几何形状精度受到一定的影响，所以对于精加工的表面，如果 几何形状精度要求较高，就不宜采用“紧态”夹紧方法 ，而应另外 选择 夹紧部位 ，使 加工表面处于“松态”之下，以避免夹紧变形。 但是在某些精加工工序中，如果工件的夹紧部位不能选在另外的地方，仍需使加工 表面处于“紧态”进行加工时，就应对夹紧力的在大小进行适当的控制。 “松态”夹紧方法，一般适用刚度较好的工件，由于工件的夹紧是与工件的精度要 求及其在夹具中的定位密切联系的，所以夹紧装置还有着保证工件的加工精度和良好的 技术经济效果的要求。因此，在设计夹紧装置时应满足以下一些基本要求： 1） 注意夹紧的大小，方向和作用点的选择 夹紧力的大小应适当，以保证工件夹紧的可靠性，但也不应过大，以免压伤工件 或使工件产生不允许的变形。 夹紧力的方向与加工和工件重力的方向一致；另外，还应注意朝向工件的主要定 位面。 夹紧力的作用点与工件的定位情况相适应， 不应破坏工件在定位 时所得的位置； 另外还应注意，夹紧后应使工件的变形和加工中的振动最小。一般来说，夹紧力的作用 点尽量靠近工件的加工面，并力求作用在夹具支承面的几何中心。 2） 夹紧装置与生产规模和生产率的要求相适应 夹紧装置设计得好坏，对生产率影响甚大。设计时应注意操作迅速方便，以缩短 辅助时间，并应与生产规模和生产率的要求相适应。 若产量较大，应尽量采用机动夹紧装置。 在产量不大的成批和小批量生产中，一般多采用手动夹紧装置 ，但在设计时也应尽 量采取措施，使夹紧动作迅速方便，以缩短辅助时间。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3） 结构紧凑简单，制造维修方便 4） 使用安全可靠 5） 尽量减少夹紧时夹具基体所受的弯曲力矩 3 夹紧力的选择 1） 夹紧力方向的选择 夹紧力的方向与夹具上定位表面的位置、工件重力方向及作用力方向有关。夹紧力 的方向一般应朝着主要定位件上的一个表面，这一表面应该是承受负荷最好的表面以防 止工件变形，并且这一表面也应对于重力与作用力的方向最好重合，使加工所需的夹紧 力最小， 并使工件安装正确， 夹紧方便。 在选择夹紧力的方向时， 一般应考虑下列问题： a )夹紧方向与工件加工表面位置精度的关系 夹紧力方向应垂直于主要定位基准,以保证工件的定位精度 . 一般来说,工件上被选取作主要定位基准的面积,都是比较大的,以求定位稳定可靠. 夹紧方向若垂直于工件主要定位基准,这样既能使工件更好地保持与定位件接触,又可使 夹紧力引起的工件变形最小. b)夹紧方向与工件变形 变形会影响加工精度。变形的大小取决于工件 或夹具上支承件的材料，接触表面的 状态以及夹紧力的大小等几个因素。一般两平面接触总比两曲面接触所引起的变形小 些， 另外， 在夹紧力一定的时候 ， 接触面积愈大， 单位压力就愈小， 因而变形也愈小。 根 据以上分析，为避免工件的变形，夹紧力的方向最好是： i) 使承受负荷的表面为定位件 上与基准面接触面积较大的表面 ii) 在工件刚度最大的方向上将工件夹紧.在加工薄壁工 件时,工件的变形问题 c)方便工件装卸 以定位方便的观点出发,主要定位件最合适的位置,应当能利用工件本身的重量,将 其保持在规定的位置上。这样，工人的双手可以空出来，操纵夹紧件。工件愈重，则定 位件位置对于定位方便所起的影响也愈大。为了方便定位，应力求使夹紧力的方向与重 力的方向相重合即主要定位面处于水平位置，而且向上。 d)夹紧方向对所需夹紧力 的大小的影响 夹紧力方向应使所需夹紧力尽可能的小。因为减小工所需夹紧力，就可减轻工人的 劳动强度，提高劳动效率，简化夹紧机构，使其轻便紧凑，以及使工件的压伤和变形减 小。 总上所述，夹紧力的方向选择可从以下几个方面考虑： （1） 为了保证安装的正确 22 可靠，夹紧方向应朝向对保证工件精度影响最大的定 位面； （2） 为减少工件的变形，夹紧方向应当垂直于主要定位件上与工件接触面积较 大的那个表面，并在工件刚度最大的方向上夹紧； （3） 为了定位方便，承受重力的定位表面最好是水平向上； （4） 当夹紧方向与 工件重力方向和加工方向都重合时，就可减少所需夹紧力的 大小。 3、 夹紧力作用点的选择 所谓夹紧力的作用点是指一小块面积。在实际上，夹紧件与工件接触处并非一点， 而是有一定面积的。 选择夹紧力作用点的问题是指在夹紧方向已定的情况下，确定夹紧力作用点的位 置和数目。它应符合下列三项要求： 1） 夹紧力作用点的选择应不破坏工件在定位时已经获得的位置，要达到这项 要求，夹紧时应避免使工件产生翻转或回转的力矩，以及使工件发生移动的外力。 2） 工件在夹紧时的变形应该最小。 要达到这项要求，夹紧力作用点应有足够的数目和面积，并应作用于工件上刚度较 大的部分。 对于一些薄壁零件如果必须夹在刚性较差的部位 而别无他处可压时， 则应采取防止 变形的措施。可在压板下面加一厚度较大的锥面垫圈，使夹紧力通过垫圈均匀地作用在 薄壁上，防止使工件局部压陷。 3） 工件受加工力而产生的变形和振动应最小。 为了减小加工过程中工件因受加工力、离心力、惯性力等所形成的力矩而产生的变 形和振动，必要时应在工件刚度较差的部位增加辅助支承并施加夹紧力。由于加工表面 远离夹紧处，而且这部分 的刚度较差，应施加附加夹紧力，以防止加工时因加工力而引 起的变形和振动。 夹紧力作用在具体选择时还应注意以下几点： （1） 夹紧力合力的作用点一般应靠近支承表面的几何中心，也既作用于支撑三角 形的中心。这 样可使夹紧力较均匀地分布在接触表面上。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 （2） 夹紧力作用点应尽可能靠近加工面，使加工力对于夹紧力作用点的力矩变小， 这样可减少 工件的转动趋势或振动。 （3） 夹紧力作用点的数目增多，能使工件夹紧均匀，提高夹紧的可靠性，减少夹 紧力的变形。 4 夹紧力大小的确定 为了选择夹紧机构及适当的传动装置， 需要知道所用夹紧力的大小。 夹紧力的大小， 不仅与加工力大小及工件的重量有关，也和这些力的方向和作用点有关。因加工过程中 加工力的大小、方向、作用点都可能改变，所以确定 夹紧力的大小有一定的困难。但从 夹紧可靠的观点出发，可根据工序的进行情况，确定 加工最不利的瞬时，然后将相当于 此时的加工力、重力组成一个作用于工件上的力系与力矩系。使工件在这些力的作用下 处于平衡状态，这就是确定所需夹紧力大小的原始条件。 在确定夹紧力时，碰到一些 困难： （1） 工件的加工量并非固定不变； （2） 工件材料各部分的硬度不一致，特别是在加工表面硬皮时变化更大； （3） 焊 钳的状态及电极冒的修磨程度不一样 （4） 电极与工件间断的接触或其它原因，在加工时引起的碰撞或振动等现象，而 使压力发生变 化 实际夹紧力的大小取决于原始力的大小及中间传力机构。在计算时也会遇到下列的 困难： （1） 与夹紧件相接触的工件表面的变形，将影响实际夹紧力的大小； （2） 接 触表面的状态变化光滑的或粗糙的，干燥的与有油的，也会影响实际夹紧力的大 小； （3） 夹紧装置、 定位件与夹具本体的弹性变形， 将会影响实际夹紧力大小的变化。 对于从静平衡力第图中求出的理论夹紧力 q 紧装置的结构、工件的定位情况、工件 的加工情况，以及安全要求等具体条件 ，估计最不利的情况，或根据经验将其增大，由 此即可求得所需的实际夹紧力 Q. 如用公式表示,则可写与下面的形式:Q=Kq 式中 K 为具体条件系数,一般可按下式来 确定: K=K0*K1*K2*K3*K4 式中 K0-基本安全么数 K0=1.