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联接环锻模及其电解加工工装设计【全套CAD图纸】【原创毕业设计】

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关键词：: 联接锻模及其电解加工工装设计全套 cad 图纸原创毕业设计

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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：电解加工，联接环锻模，工装设计
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
摘要 I
Abstract II
目录 III
第1章绪论 1
1.1电解加工原理 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 课题研究内容 6
第2章电解加工理论分析 8
2.1加工影响分析 8
2.2 电极对流场的影响分析 10
第3章联接环热锻模设计及其电解加工阴极设计计算 12
3.1 阴极材料的选择 13
3.2 阴极的尺寸设计 13
第4章联接环热锻模电解加工工装设计 14
4.1 联接环热锻模夹具定位设计 14
4.2 联接环热锻模夹具装夹设计 15
4.3 水套设计 17
4.4 底座设计 17
4.5 联接环热锻模导电方式 17
4.6 联接环热锻模供液方式 18
4.7 联接环电解流场的设计 19
4.7 工装总体设计图 21
总结 23
参考文献 24
致谢 26

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。

图1.1电解加工过程示意图
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/ρ=KIt/ρ=ωIt
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η定义为：
η=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η-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

内容简介：: 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 联接环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 B090203 姓名宋璋璋学号 B09020321 导师贾建利年月日诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业设计（论文）XXXXXXXX均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）：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：电解加工，联接环锻模，工装设计21AbstractElectrochemical 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目录摘要IAbstractII目录III第1章绪论11.1电解加工原理11.2国内外研究现状21.2.1微秒级脉冲电流加工31.2.2微精加工31.2.3 数控展成加工41.3 课题研究内容6第2章电解加工理论分析82.1加工影响分析82.2 电极对流场的影响分析10第3章联接环热锻模设计及其电解加工阴极设计计算123.1 阴极材料的选择133.2 阴极的尺寸设计13第4章联接环热锻模电解加工工装设计144.1 联接环热锻模夹具定位设计144.2 联接环热锻模夹具装夹设计154.3 水套设计174.4 底座设计174.5 联接环热锻模导电方式174.6 联接环热锻模供液方式184.7 联接环电解流场的设计194.7 工装总体设计图21总结23参考文献24致谢26 联接环锻模及其电解加工工装设计第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。图1.1电解加工过程示意图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。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。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Ra0.20.6m。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，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。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。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h -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。第3章联接环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。sb绝缘层工具电极工件bx0b-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（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。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。第4章联接环热锻模电解加工工装设计4.1 联接环热锻模夹具定位设计工件的定位的基本原理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。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。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。基准、对定位元件的基本要求定位基准的选择定位基准的选择，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。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。4.2 联接环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。(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：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。4.3 水套设计电解加工中应向加工间隙内提供具有一定压力和较高流速的电解液水套的作用就是对电解液加以引导和密封并保证加工间隙内流场的均匀由于电解液的压力较高水套内采用全封闭流道并在水套与工件水套与导柱等结合面处采用可靠的密封如配置橡胶海绵形密封圈等4.4 底座设计底座是工件的安装定位基准但在该工艺中它又担当一个重要作用就是要确保加工过程中电解液出口的背压这是因为电解液从加工区流出后要进入底座内然后再从其底部的出液孔中喷出因此出液孔的大小就决定了电解液背压的数值而合适的背压有助于加工区流场的均匀和工件表面质量的提高经过反复试验出液孔的直径选定8 mm对应的电解液背压是0.5MPa短阴极加工法的阴极齿很短又省去了前引导部分因而可以在目前广为应用的立式电解加工机床上使用显著扩大了其应用范围同时辅助加工时间也大为缩短生产率得以明显提高。4.5 联接环热锻模导电方式电耗和电能效率是锌电解重要的技术指标,吨锌直流电耗W 用下式计算:W = 实际消耗直流电量/ 阴极锌产量= V/ q1000 (1)式中:W 为每吨阴极锌直流电单耗(kWh / t) ;V 为平均槽电压(V) ;q 为锌的电化当量(112193g/ Ah) ;为电流效率( %) 。从上式知,单位电能消耗与电流效率成反比,与槽电压成正比。因此,降低槽电压是降低电能消耗最重要的因素之一。槽电压即每个电解槽内阴阳极之间的电压降。它由硫酸锌的分解电压,阴阳极间电解液的电压降,阳极、阴极、导电板、导电头、导电片、导电杆、阳极泥、接触点等电路中的电阻电压降所组成。接触点的电压降与导体接触电阻有关,而导体接触电阻又与导电方式密切相关。导体接触电阻受许多复杂因素影响,见(2)R =/ Fn (2)式中:R 为导体接触处的接触电阻() ;为经验常数(P) ;F 为接触处的压力( P) ; n 为指数,单接触点为015 ,多接触点近似为1 。导体接触电阻与接触点的压力成反比关系。导体相互接触的接触电阻除了与其接触的压力有关外,还与接触面的形状、接触面表面积的大小、接触方式等有极其密切的关系,即与导电方式有关系。目前,国内电解阴极锌的导电方式有两种:一种是阴阳极板夹接导电方式如图1 ,另一种是槽间导电板搭接导电方式如图2 。槽间导电板搭接导电方式比阴阳极板夹接导电方式接触面积大,压力大,导电接触电阻小,电压降小,电耗小。图1 阴阳极板夹接导电示意图1. 铜排2. 电解槽3. 阴极板4. 阳极板图2 阴阳极板搭接导电示意图1. 铜排2. 电解槽3. 阴极板4. 阳极板5. 槽间导电板4.6 联接环热锻模供液方式由于电解液挥发的存在，从降低电解液循环过程中酸雾危害、减少电解液挥发损失、提高循环效率、实现清洁生产等方面出发，进行电解供液方式研究，是企业的一项必然工作密闭式供液方式的经济性选择在传统的供液方式的基础上进行改进密闭式供液方式，必须考虑经济可行，必须从经济的角度选择闭的区段。保留“循环槽一高位槽一主供液管”区段不变而供液路径和回液路径实施全密闭改进是经济性选择。文章针对以下密闭性供液路径进行讨论：循环槽一高位槽一主供液管一阀式上酸管一槽间供液支管一供液导管一电解槽一半圆管一回液盒一支回溜管一主回溜管一循环槽。液体在管道内流动的过程中粘着物在管壁粘着沉积形成结渣或积垢的现象始终存在，结渣或积垢的严重程度一方面与液体的性质有关，另一方面与液体在管道内流速相关。一般来说，流速越快，管壁结渣或积垢越慢。选择适当的管径和流速是解决管道堵积的另一个途径。槽间供液支管与上酸管连接，在进液端设置供液控制阀，在末端设置排污阀，定期进行疏通，槽间砷闯供液支管结构图如图1所示。末端供液导管与末端间排污阀间距不宜长，防止囤渣。供液支管与回液支管均采用防酸的聚氯乙烯管材，控制阀采用防酸的塑料阀门4.7 联接环电解流场的设计电解加工是阳极(工件)溶解的电化学发展过程。其加工效果取决于电场、流场、温度场等方面的综合影响。过去对电解加工成型规律的研究，都是在假设流场均匀的前提下，对电场分布规律所进行的研究。大量科研、生产实践证明：流场设计是电解加工阴极装置设计中一项重要内容，它不仅对电场分布有着显著影响，而且决定电解加工的成败。广义的流场设计应包括液流通道设计和加工区流场设计两个方面，液流通道设计虽从属于加工区流场设计，而它的合理与否对加工区流场分布也有着重要影响。加工区流场包括稳定区流场和进出口流场，稳定区流场又包括主流场与辅助流场。而主流场是指加工区电解液的主要供、排方式，即电解液总的流向。它对加工区的压力、流速、流量、流程、温度和产物均有显著影响。而辅助流场是指为了保证主流场稳定均匀而进行的一些补偿电解液的辅助设计。它是为了保证加工区沿程流速稳定均匀，而在不同过水截面上所采取逐段增液或减液的辅助措施。辅助流场的设计从属于主流场的流向。当主流场的电解液从加工区小的过水截面流向大的过水截面时。辅助流场为增液流场，以便逐段增加电解液保证沿程流速基本稳定。反之亦然。辅助流场电解液的增、减量取决于主流场各过水湿周的变化和间隙分布。电解液系统是由电解液(含NaCl水溶液)、水泵、管道、经阴极进入加工区,使正负极之间产生电解作用,并不断将电解产物冲刷排除掉,保证加工顺利完成。此处流场的设计,是指阴极到加工区的设计。其设计原则是:电解液顺利通过并完全覆盖阴极端面,不得有任何空区、死水区和涡流区。过去有关供液方法的分类，主要是根据型面、型腔、端面等加工的情况归纳出来的，据此将其分为正流法、反流法和侧流法。这3种供液方法都属于单向供液方法，现在看来有其局限性，不够全面，系统。为了使电解液在加工区具有良好的流动特性，应根据工件的类型和形状特点以及加工要求和方式的不同，采用不同的供液方法。根据目前的电解加工的应用情况，可将供液方法分为5类，除了过去的如图1一图3所示以外，本文又提出了另外3类供液方法。分别为：轴向供液类、喷射供液类和组合供液类。喷射供液是采用特殊喷头将电解液送入加工区实施加工。根据被加工件的结构特点和加工要求，可采用直接喷射和间接喷射。根据电解液喷射方向又分为切向喷射法、平行喷射法、垂直喷射法和径向喷射法4种。分别如图10图13所示。在采用上述喷射供液方法时，为了不使小孔或窄缝复制到工件上喷射孔数宜多，孔径宜小，且须交错排列，孔径或缝宽应小于加工间隙。在固定式电解加工中，以往多采用此种方法。即在整个加工过程中，电解液始终从一端向另一端定向流动。见图8所示。4.7 工装总体设计图总结随着技术的不断发展，电解加工技术作为实现其应用的关键技术和重要基础，得到了研究人员的广泛关注，成为当今世界各国研究机构的研究热点。本文首先简要介绍了电解加工技术的研究和发展方向，指出伴随着制造业向微细化发展，微细电解加工正逐渐成为主流的加工手段之一，详细综述了微细电解加工技术的原理和发展方向，并介绍了课题来源和研究的目的及意义,在此基础上，对微细电解加工系统进行了分析。参考文献1 范植坚，王天诚. 电解加工技术及其研究方法. 北京：国防工业出社.2004.102 王建业，徐家文. 电解加工原理及应用. 北京：国防工业出版社.2001.13 徐家文，王建业，田继安. 21世纪初电解加工的发展和应用.

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