脉冲电解射流加工喷射装置设计

目 次1 绪论 11.1 微细加工技术 11.2 电解加工 12 微尺度电解加工 32.1 电液束加工工艺研究 32.2 电解射流加工 43 电解射流加工的系统装置设计 73.1 总体系统设计73.2 喷射装置设计 83.3 工装夹具的设计 173.4 防护装置设计 193.5 电解液的选择及循环系统设计 193.6 电源选择及参数 203.7 装置挡板设计实物 214 可行性试验研究 214.1 射流破碎长度与哪些因素有关 214.2 材料强度的可行性分析 234.3 喷射系统试验及参数测试 24总结 29致谢 31参考文献 321 绪论11 微细加工技术1.1.1 微细加工技术简介微细加工指加工范围在 (1m1 mm) 1之间的加工。微细加工技术结合了超精增亮和超精抛光两项革新技术，能够有选择性地保留表面的微观结构以提高表面的摩擦和滑动性能(表面技术)，以机械化和自动化取代传统的手工抛光，提高表面的美学功能。这种微细加工技术应用于切削刀具、冲压和锻造工具，航空、汽车、医疗器械、塑料注射模具等机械零件的表面处理，能够极大地改善零件表面的性能。微细加工技术采用全自动方式对金属零件表面进行超精加工，通过一种机械化学作用来清除金属零件表面上1m-40m的材料。实现被加工表面粗糙度达到或者好于ISO标准的N1级的表面质量。微细加工技术主要应用于超精抛光和超精增亮这两个领域。超精抛光使传统的手工抛光工艺自动化：而超精增亮则生成新的表面拓扑结构。微细加工技术的一个突出优点是能够赋予零件表面新的微观结构。这些微观结构能提高零件表面对特定应用功能的适应性。如减小摩擦和机械差异、提高抗磨损性能、改善涂镀前后表面的沉积性能等。1. 2 电解加工随着科学技术的不断提高，电解加工已经发展成为高精度、微小尺寸零件的加工方法。在许多场合，电解加工有着独特的优势，如高的加工效率，良好的成形精度，容易对材料的去除进行控制，适合加工的材料范围广，不需考虑工件材料的强度、硬度等机械特性，加工过程工具无磨损，工件上不产生应力等优点 。由于这些优势，电解加工有望得到更好的发展。1.2.1 电解加工的原理电 解 加 工 时 利 用 金 属 在 电 解 液 只 能 够 的 电 化 学 阳 极 溶 解 。 电 解 加 工 是 在 电 解抛 光 的 基 础 上 发 展 起 来 的 ， 图 1-1 为电解加工过程的示意图。加工时，工件接电源正极，工具向工件缓慢进给，使得两电极之间保持较小的间隙（0.1mm-01mm） ，具有一定压力（0.5-2MPa）电解液从间隙中流过，这时阳极工件的金属被逐渐电解腐蚀，电解产物被高速（5-20m/s）的电解液带走 2。 图 1-1 电解加工成形原理 图 1-2 电解加工原理图电解加工成型原理如图 1-2 所示，图中的细竖线表示通过阴极（工具）与阳极（工件）间的电流，竖线的疏密程度表示电流密度大小。在加工刚开始时，阴极与阳极距离较近的地方通过的电流密度较高，阳极溶解速度也较快，见图，由于工具相对工件不断进给工件表面就不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，直至工件表面形成与阴极工作表面相似的形状为止。1.2.2 电解加工的特点传统电解加工有如下特点：加工速度仅与阳极金属的原子量、原子价、通过的加工电流及电流通过的时间有关，与金属的强度、硬度等机械特性无关。在阴极只有氢气产生。因此，在加工过程中，阴极的形状不会发生变化。易与机械加工及其他特种加工方法相结合形成复合加工，如电解磨削、电解抛光、超声电解等。与传统电解加工相比，现代微细电解加工除拥有上述特点外还有自身的工艺特点，如电解液的浓度低、加工电压低、阴阳极间的间隙小、加工零件尺寸小、精度要求高等。虽然目前实现微细加工的方法很多，但各种加工方法又有其各自的局限性，如微细电火花加工和激光束加工属于热加工，容易在工件材料上产生热影响层和热变形区；聚焦离子束加工需在真空中进行，设备成本高；超声加工只适合加工硬脆材料，加工面太窄效率又低。与这些加工方法相比，微细电解加工不仅不产生热应力和机械应力，还具有高的加工效率。直流电流工具阳极电解液泵电解液工具阴极1.2.3 电解加工国内外研究状况早在 20 世纪 50 年代之前，苏联科学家就开始了“以金属局部高速溶解为基础的电化学加工”的试验研究，1956 年在美国芝加哥工业博览会上展出了第一台电解加工机床，之后电解加工再英国、德国、我国以及日本也得到了发展。20 世界 70 年代进入“爬坡”阶段，为了解决加工精度问题，国内外先后提出混气电解加工、钝性电解液、工频脉冲电流、震动进给等工艺措施，进入 80 年代，计算机技术开始向电解加工渗透，电解加工在我国的发展经历了大起大落的过程 3。南京航空航天大学的展成法电解加工、大连理工大学的电解与机械的复合、西北工业大学的电解与电火花加工的复合研究也在这一时期开展起来。90 年代后期，华南理工大学在近代功率电子技术发展基础上研究高频窄脉冲电流电解电源，进一步强化了电解加工系统的“非线性” 。西安昆仑机械厂西安工业学院联合研制的 CNC 同步控制电解加工参数和阴极运动轨迹解决了打缠角混合膛线的加工难问题。从国外电解加工发展看，英国 R.R 公司电解加工叶片全自动生产线、荷兰飞利浦公司电解加工电动剃须刀的自动生产、美国 GE 公司的五轴数控电解加工机床 4代表了当今电解设备的水平，目前，电解加工已经成为国防和部分民用工业的关键工序的定型工艺。但是由于加工间隙中的电场、流场、磁场及阳极溶解动力学因素的交互影响，电解加工过程十分复杂，阻碍着该技术向纵向发展。2 微尺度电解加工2. 1 电液束加工工艺研究电液束加工原是国外比较了激光打孔、电子束打孔、电火花小孔加工和电解小孔加工方法存在的优缺点后，在金属型管电极小孔加工基础上发展起来的一种小孔加工方法。电液束加工见示意图2-1 。图 2-1 电液束加工示意图电液束加工小孔时，被加工件接正极,在呈收敛形状的绝缘玻璃管喷嘴中有一金属丝或金属管接负极，在正、负极间加100V1 000V高压直流电，小流量耐酸高压泵将净化了的电解质溶液压入导电密封头进入玻璃管电极中， 被压入玻璃管内的液体(压力一般为0.6MPa左右)以高速流的形式高速通过高压电场射向加工工件的待加工部位，进行“切削”加工。电液束加工过程中，高速流动的电解质溶液经过高压直流电的作用，在电极和工件间产生“辉光现象” 5。据国外资料报道，这种加工方法的机理尚不十分清楚，但肯定加工中既有阳极金属溶解的过程，又有化学加工的作用。在实际加工中，去掉的金属量远远大于计算的电化学作用去除的金属量加上化学作用对金属去除量的总和。与此相应,电流密度也大于在普通电解情况下气泡稳定发生时的电流密度,所以加工效率较高。可以认为:在高电压、大电流密度下,材料去除是电化学作用和强烈的化学溶解作用的结果。但电液束加工存在玻璃管电极易碰碎等缺点。因此我们在电液束加工的基础上提出了电解射流加工，以解决玻璃管电极易破碎而且制造工艺极其复杂等不利因素。2. 2 电解射流加工目前对于航空航天、精密仪器、化纤、电子等领域广泛存在的尺寸在 10m-1.0mm 之间的微细孔、型槽、摩擦副表面微凹坑、表面纹理刻线等的加工，已经发展了多种加工方法，主要有微细切削加工技术和微细特种加工技术，其中微细特种加工技术占据主导地位，微细特种加工包括电火花加工、微细电化学加工、微细激光加工、微细电子束加工、微细离子束加工、微细等离子弧加工、超声加工、化学加工、快速成形 。并且能处理高强度、高韧性、高耐磨、耐高温、耐冲击、抗疲劳等高性能的材料 6。电子束加工、离子束加工以及它们的复合、组合加工等。而微尺度电解射流加工就是微细电解加工的一种，电射流加工是实现无再铸层、进出口光滑、表面粗糙度值低、特殊位置深小孔加工的好方法。2.2.1 电解射流加工的原理电射流加工工艺是高压液束小孔加工方法之一，在金属型管电极小孔加工方法基础上发展起来的一种小孔加工方法。在正、负极之间加上高压电。小流量的电解液压入导电密封头进入喷射装置中，被压入喷射装置的液体以高速流的形式，通过高压电场的作用，射向加工工件的待加工部位，进行“切削”加工。由于玻璃管电极是电液束加工的主要工具，但其玻璃管喷嘴的设计制造极其复杂，无形中增加了工业应用的技术成本，而且由于喷嘴直径太小而容易在加工过程中破碎，加工过程不够稳定。因此，我们在电液束加工技术的基础上提出了电解射流加工，其用金属作为喷头、喷嘴的制作材料，省去了金属丝或金属管的阴极，其电场效果更好，易于加工，且不会在加工过程中由于喷嘴的破碎而影响加工过程的稳定性，加工表面可达到无微裂纹、无变质层、无残余应力的“三无”效果，其工艺技术具有可达性好、表面不产生金相缺陷、深径比大。但其加工时定域性较差，且与激光打孔相比加工效率较低，加工出的孔锥度较大等特点。2.2.2 电解射流加工的参数分析（1）电射流加工过程中，加工速度的计算公式 7为: 式(1) inFAiva式(2)EUkiR（1）Va 为阳极金属(工件)金属溶解速度(mm /min); 为电流效率 ; i为电流密度 ;为体积电化当量(mm 3 /Amin);A为金属原子量 ; n为金属化合价 ; F为法拉第常数 ;E为阴阳极电极电位总和 ;为加工间隙 ;为金属的密度( g/mm 3 );K为电解液导电率 ; UR 为极间欧姆压降 ;U为两极间的电压。式 (1)可看出 ,影响加工速度的主要因素有电流效率和电流密度,而电流密度与电压密切相关:电流密度越大,加工的速度也就越大,也就是说金属的去除量也就越大。具有一定压力的电解液将电解产物及时清除,并带走加工时产生的热量,使阳极表面的离子浓度达不到饱和极限,极间电解产物就不会在阳极表面形成一层薄膜,以保证试验的顺利进行。（2）占空比对金属去除量的影响。占空比是指单位脉冲下,正电平持续加工时间与单位脉冲周期之比。依照推断占空比越大,反应时间越长,去除的金属越多,因此加工出来的孔径越大。（3）加工间隙对金属去除量的影响。根据计算结果除了电压对去除量影响最大外,另一重要因素是加工间隙对金属去除量的影响。式(2)可看出,加工间隙越小,电流密度就越大,加工速度也越大,金属去除量就越大。但加工间隙不能太小,否则电解液流动不畅,不能保证试验的顺利进行。在后面的试验将会有体现。2.2.3 电解射流加工的特点电射流加工工艺具有可达性好、表面完整性好、深径比大的特点，可加工其他工艺难加工的结构复杂、表面质量要求高的特殊位置深小孔。因此被国外宇航公司称为“当代航空先进制造技术之一”。电射流加工有下述几个特点: (1)生产率高，约为电火花加工的5到10陪，在一定条件下，比切削加工的生产率还高，如复杂型孔，型面和型腔一次成型。且加工生产率与加工精度和表面粗超度没有相互制约的关系。这样，就有可能使上述三项工艺指标同时得到提高。(2)电射流加工方法可达性好。它可以实现其他加工方法不能实现或难以实现的特殊角度位置的小孔加工。(3)加工范围广，不受金属材料本身材硬度、强度、和韧性的限制，没有残余应力，可以加工薄壁、弹性等零件。(4)表面质量好，因为没有切削力，不会产生冷作硬化层；因为是常温下电化学溶解，不会产生表面变质层，没有显微裂纹；没有飞边毛刺；表面粗糙度好。(5) 与传统电解加工工艺相比,可加工出直径更小的孔。应用电射流送进法加工的小孔直径可达0.125mm ,采用不送进法可加工出直径0.025mm 的小孔。(6)工具阴极理论上不消耗 8。在工艺参数控制得当、设备条件良好的情况下可重复使用。2.2.4 电解射流加工国内外研究以及运用现状电射流加工技术主要应用于液体火箭发动机整体涡轮转子叶片的加工 9。深小孔、孔轴线与表面夹角很小的斜孔和群孔加工,电射流加工孔径一般为0. 13mm1. 3mm。据国外报道,可加工最小孔径为0. 025mm ,加工斜面时小孔轴心线与表面夹角最小为10。20世纪90年代以来，微尺度电射流电解加工工艺研究取得突破性进展。研究表明，此项新技术可并可实现0.05mm以下的微小间隙加工。型腔最高精度可达0.05mm，最低表面粗糙度可达Ra0.40m 10。国外电解液射流法可以加工出直径为0.076mm-0.76 mm的微小孔，该方法已成功用于涡轮叶片上大量冷却孔的加工，深径比达几十，加工速度达3mm/min 11，12 。在一些特殊的应用场合，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 13。美国、英国、俄罗斯都高度重视数控电解射流细微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、俄罗斯仿形电解加工带冠整体叶轮代表了数控细微电解加工整体叶轮的国际先进水平。经过30多年的发展，电射流加工已成为一种定型工艺。我国在过去研究基础上，对发达国家的先进制造技术应用情况进一步分析，结合研制不断改进创造性地发展具有我国特点的加工工艺，改称电液束并加紧对机床设备的研究制造。在此期间我们研制了CNC三坐标数控电液束加工机床。运用电液束法加工出了无再铸层、无微裂纹、无热影响区的气动性能好的新机全型叶片。并且已通过装机试车。并且研究制造了各种玻璃管电极，对各种金属材料和高温合金材料进行电射流加工工艺试验，进行了电解液选择试验，对电射流加工孔径与加工参数、电解液参数、进给速度和玻璃管电极尺寸的影响规律进行了研究。3 电解射流加工的系统装置设计3. 1 总体系统设计图 3-1 系统总体设计示意图3. 2 喷射装置设计3.2.1 整体喷射装置设计1喷射装置设计示意图电源压力表溢流阀柱塞泵过滤器喷射装置喷嘴夹具工件图 3-2 腔体设计示意图垫圈 螺钉 壳体 金属柱塞 端盖 喷嘴 堵头 缓冲网 进液连接件如图 3-2 的喷射装置是主要是由 6 部分组成，分别是喷嘴、金属柱塞、端盖、堵头、壳体、进液转接件。其装配方式是先把金属柱塞装入壳体，将堵头旋入金属柱塞，使得金属柱塞上端面被封闭住。在由 6 只螺钉把金属柱塞与壳体紧固，形成一个腔体，上图中的 3 与 4，然后喷嘴与金属柱塞下端装配，确定喷嘴与金属柱塞装配无间隙后，上端盖拧紧后，3 者便固定一起形成一体了（见图 3-2 的零件 4、5、6） 。最后进液装接件由壳体的右侧向内拧紧。这样除了进液口和喷口处，装置便形成了一个拆装都相当方便的密闭腔体。当加工开始时，水泵开始工作，电解液经进液转接件进入腔体，在由腔体流进喷嘴，由于电解液具有一定的压力并加上流经特殊设计的喷嘴，电解液就会形成较理想的射流。此系统的喷射系统是由上而下竖直喷射的。避免了电解射流加工时由于受到自重的影响。孔加工的越深同轴度越不好的情况。接通电源后，电解液先从进液转接件进入金属柱塞与壳体之间的间隙，由于柱塞泵可能会存在进液不稳定等状况，为了使其不影响喷嘴喷射的稳定性，在金属柱塞与壳体之间加装了一层过滤网，这样可以防止电解液直接进入金属柱塞，而会以很稳定的渐进渗透的方式进入金属柱塞进行工作。当电解液通过过滤网后，为了进一步的缓冲、稳定压力，控制流量。电解液可以在回形槽内循环流动，有效的控制了电解液的流动。为更好的加工做基础。下面介绍喷射装置中的重要元件的设计及作用。3.2.2 喷嘴设计喷嘴的设计对加工精度，加工质量，破碎长度等一些因素的影响是很重要的。因此设计喷嘴时要考虑以下要素：喷嘴内部流道型线对射流流场的影响为研究喷嘴内部流道型线对射流流场的气体动特性参数的影响, 对不同内部流道型线的喷嘴自由射流进行数值模拟。对于轴对称等直径圆管喷嘴,进口处的流道型线对射流流道参数的分布有较大的影响;轴对称收缩喷嘴的收缩角大小主要影响射流出口附近的流动,对流动具有不同的阻滞效果。国内外学者对喷嘴内部流道型线影响的研究多着眼于收缩-扩张型的超音速喷嘴以及不可压的低速射流状况(100m/s 以下) 。Vasi1evO.A.、MininS.N. 、ShipovskikhA。从理论和实验两个方面分析了在收缩-扩张型喷嘴中喉部长度对流动参数的影响。YangGeunyoung 、ChoiMansoo 、LeeJoonSik以及V.W.R.Quinn、J.Militzer 曾经分别运用实验和计算的方法对不可压的低速射流下不同流道型线的喷嘴进行了研究,指出射流初始段截面上速度的衰减以及轴心速度的衰减与喷嘴内部流道型线有关 14。本文选用通过对不同流道型线的喷嘴射流的数值模拟,根据射流速度和压力分布计算结果的比较,研究喷嘴内部流道型线对射流流场的气体动特性参数的影响,根据清华大学何枫、谢峻石、杨京龙教授数值计算及模拟研究。选取两组不同形状的喷嘴进行数值模拟,研究喷嘴内部流道型线对射流流场的气体动特性参数的影响。图3-3显示的一组等直径平直圆管喷嘴，上游管半径D = 36mm,喷嘴出口直径d = 6mm,在进口截面处，喷嘴(b) 与喷嘴(a) 的不同之处在于进口处有1mm45倒角。（a） (b)图 3-3 平直圆管喷嘴 喷嘴(a) 和(b)的条件一致,计算域的入流边界取在喷嘴的上游，上游来流总压为01145MPa,计算域的入口采用入流条件,给定总压、总温和速度的方向 ,出口采用出流条件, 给定环境压力，对称轴处采用轴对称条件，人工边界用无反射边界条件，固壁处采用无滑移边界条件。图 3-4 喷嘴出口截面上的速度分布 图 3-5 轴线上的速度分布喷嘴(a)的直角过渡直接导致产生的局部损失比喷嘴(b) 大，因此喷嘴(a)出口截面上的速度剖面衰减较快，流量损失大(见图3-4)。从图3-5 轴线上的速度分布可以看出，喷嘴(a)射流的轴线速度衰减快，等速核区短，约为3d ,而喷嘴(a)射流核心区约为6d 。在来流条件相同的情况下,喷嘴(b)流场的气体动特性参数优于喷嘴(a)。对于平直圆喷嘴，喷嘴进口截面处的流道形状对外流场射流的影响是不可忽视的。（c） （d） （e）图3-6 收缩喷嘴及非结构网格示意图图3-6所示的收缩喷嘴示意图，上游直径D = 9mm,喷嘴出口直径d = 3mm。其中喷嘴(c)、(d)内部流道为锥状收缩，其内锥半夹角分别为30、60 ;喷嘴(e) 内流道满足维多辛斯基曲线计算公式。 32210lxRR式中R 0 、R 1 是喷管进口和出口截面的半径, l为喷管进口到喷管出口的距离，x 为壁面上任一点至喷管进口的轴向距离。具体的维多辛斯基曲线图像说明如图6。图3-7 维多辛斯基曲线图3-8 喷嘴出口同上的速度分布 图3-9 喷嘴出口界面上的静压分布对于收缩喷嘴(c) 、(d) ，射流在管道内部并没有完全膨胀，出口截面静压大于环境压力；内部锥角越大，管内膨胀得越不充分,出口截面静压越高，而且出口截面上的速度越小。在相同的来流条件下，锥角越大对射流的阻滞效果越明显。内部流道为维多辛斯基曲线的喷嘴(e)，气流在喷管中逐渐趋于完全膨胀，气流在进口截面产生的径向分速度逐渐减小，并在出口之前趋于零，从而获得均匀的出流速度场。图3-10 喷嘴轴线上的速度分布 图3-11 轴线上的速度分布（试验与计算比较） 图3-12 截面上的速度分布（实验与计算比较）从图3-9和图3-10喷嘴(c)、(d)、(e)轴线上的速度和总压分布可以看出，对于锥状的收缩喷嘴(c)、(d)气流在射出喷嘴后还要继续膨胀，轴线上的速度加速至完全膨胀。当气流完全膨胀后，三个喷嘴轴线上的速度最大值基本相同。但维多辛斯基曲线的喷嘴(e) 等速核心区略长于锥状喷嘴，轴线上的速度衰减慢。对于收缩喷嘴，在出口附近的速度和压力分布差异较大，若内部流道型线设计为维多辛斯基曲线可以获得更好的流场动特性参数，有利于提高喷嘴的工作效率。利用热线测速仪测量了喷嘴(e) 轴线及截面上的速度分布。图3-11是轴线速度分布比较，图3-12是轴向x/ d = 1、4、12、16处速度剖面的实验测量与计算结果的比对，两者吻合基本一致。从以上理论知识基础上可得到结论：（1) 对于等直径平直圆管喷嘴，射流流场对进口处的几何形状非常敏感；（2) 对于内部流道为锥状的收缩喷嘴，锥角越大，对射流的阻滞效果越明显，内部型线的不同主要影响喷嘴出口附近的速度和压力分布；（3) 对于收缩喷嘴，内部流道型线设计为维多辛斯基曲线可以获得更好的流场动特性参数，有利于提高喷嘴的工作效率。2.喷嘴射流流道的设计喷嘴是射流设备的重要元件,它最终形成了射流工况,同时又制约着系统的各个部件。对于喷嘴的设计要求对流过来的水流进行加速，所以对其设计基本要求是：流体从金属柱塞流过喷嘴的时候，流速要单调递增，出口处的液体流分布均匀且稳定。当然由于喷嘴的内流道比较复杂而且要加工的孔直径非常的小，从加工工艺方面考虑，喷嘴不宜做的过长，过长的话不仅建造成本高，能量损耗也大。喷嘴的进出口的面积比称为收缩比，必须选择合适的收缩比，一般而言，收缩比越大，则收缩流体的出口速度分布就越均匀，流体的湍流度也越小，但收缩比过大，则会导致洞身也会变长。根据科学家的反复验算及实际的运用经验，一般收缩比取4-10之间也可适当的调整，平滑段一般取0.4R 0。喷嘴曲线流道长度一般取L=（1.2-2.4）R 1。喷嘴的曲线对流体分布的均匀程度有较大的影响，靠近出口端的曲线变化应该放缓些，以稳定流体。图3-13 喷嘴内流道示意图喷嘴出口孔径的大小是由工件需要加工多少孔径决定的，然后以这为依据进行喷嘴出口孔径大小的设计。现设计：R 0=0.6mm R1/R0=3.5 L=5 得到R 1=2.1。 L/R1=5/2.1=2.38， 其在L=（1.2-2.4）R 1 其在这个设计参数范围内。所以符合设计要求。根据上述可以设计出理想的喷嘴 表3-1 喷嘴内流道设计参数喷 嘴 内 流 道 参 数 喷 嘴 入 口 直 径 4.2 MM喷 嘴 出 口 直 径 1.2 MM内 流 道 长 度 5 MM平 滑 段 长 度 0.24MM喷 嘴 总 长 5.24MM 由公式 32210lxRR借助office中的Excel软件，计算出R的值，然后转换成相应的坐标点，导入CAD中，画出满足维多辛斯基曲线。具体的喷嘴设计如下图图 3-14 喷嘴示意图3.2.3 金属柱塞的设计图 3-15 金属柱塞示意图金属柱塞腔体设计直径为 30mm，表面分布许多直径在 5-10mm 的圆孔，这样设计的目的及优势就是当外界的液体由柱塞泵经进液转接件进入金属柱塞腔体的时候，由于柱塞泵不能保证液体都处于一个稳压状态，假如进液不稳定，直接导致经喷嘴射的电解液也会出现不稳定的射流，当然就不能保证更好的加工，所以当液体经这些细微的小孔进入腔体时就会有个很好的缓冲的过程，确保了液体很稳定的流入喷嘴，也使得电解液处于稳定喷射状态，而且当加工开始的时候，阴极上会不断的析出氢气，上面的细孔也能保证气泡及时的排出型腔，使型腔内的电解液很快恢复均匀。有利于电解液短时间内恢复均匀的电导率。另外金属柱塞腔体结构是一个圆柱型的回型结构，液体可以在里面回转，在加上壳体和金属柱塞之间有一层缓冲过滤网。保证了电解液很稳定的进入喷嘴。为更准确的加工做了必要的前提条件。金属柱塞下端流道宽度与喷嘴的进口处直径是一致的。直径为 12mm 的圆孔刚好也是喷嘴液体进口处外圆的大径，这样的设计使得喷嘴进口外圆可以装配到金属柱塞中，两者的设计是过渡配合。这样使得结构更紧密，能更好的防止出现漏水等不利因素。当绝缘盖板通过螺纹和金属柱塞拧紧时，正好对喷嘴有个轴向的限制。保证了在喷嘴加工时不会受液体压力的影响出现移位、抖动等情况。3.2.4 端盖绝缘盖板设计图 3-16 绝缘盖板示意图当接上电源加工开始后，电解液也带电，整个喷射装置内部都带电。为了有效的做好喷射装置的绝缘为题，在金属柱塞下方做一个绝缘盖板如图 3-16。绝缘材料是有机玻璃，有效的控制了绝缘问题。并且液体不可避免的出现散射现象，假如该处没有绝缘板的保护作用，喷射装置也会被腐蚀。它也是一个端盖，而且他里面有螺纹设计为细牙螺纹，能固定喷嘴与金属柱塞相对位置，并且保证在电解射流加工的时候不发生透水等问题。为系统的试验的安全性、可靠性奠定了基础。3. 3 工装夹具体的设计3.3.1 工装夹具设计和实现方法夹具要求具有定位和加紧的功能，此次夹具设计中一方面保证加工工件的加紧和定位外，另一方面要考虑工件和喷嘴之间的加工间隙，以便有效的控制工件与喷嘴之间的距离。总体设计见图 3-17。 图 3-17 夹具整体设计示意图丝杆 滚动轴承 轴承座 丝杆固定面 导轨固定面 导轨 夹具 升降台座该工装的设计包含了 8 个部分，在加工前可以实现 3 轴方向上的移动，为加工提供方便。夹具 7 在升降台 8 上可以在竖直方向上移动，以控制加工间隙，升降台8 在导轨 6 纵向的移动这样的设计有利于把工件往外滑移靠近前板，方便工件的拆装。对与横向的移动可以通过丝杆的旋转带动，丝杆由滚动轴承和轴承座对其定位。横向的移动以喷射喷嘴中心为基准，可以向两边滑移 20mm。 3.3.2 夹具设计图 3-18 夹具示意图该工装设计材料是为机玻璃。由于该装置离喷射口很近，为了防止被电解射流腐蚀，所以采用了绝缘材料。工件的装夹方式就是工件薄片插入如图标记的工件装夹处，然后由下而上旋入两个螺钉。由于电射流加工不像传统加工那样，不存在切削力，而且水射流是由上而下喷射的。理论上水射流和工件是相互垂直的，工件在经向和轴向是不受任何力的，所以只要有一定的加紧力不需要太大就能避免工件在加工过程中的径向和轴向的滑移。装夹的时候，两边细牙螺钉轻微拧入，托起工件工件装夹处使其碰到工件装夹上表面，工件表面与工装上表面贴平。以工件装夹上表面和螺钉限制工件上下移动工件定位，使工件能水平浮空，这样可以不仅能加工通孔。并且保证了工件与喷嘴之间的高要求垂直度，为更好的加工打好基础。因为电射流加工初始加工间隙一般要保证在 1mm15甚至更小的距离，所以对工装的设计要求能上下控制距离，距离过大加工效率过低，当然加工间隙也不能太小，实际加工过程中就会出现短路现象，所以图 3-18 的工件装夹的上表面还留了 0.5mm厚的台阶就是保证至少有一定的加工间隙。图 3-18 的工装下方是一段细牙的螺纹，只要旋动工装就能使装夹的工件能上下的升降。螺纹的设计高度是 15mm，因为螺纹不能保证竖直升降，所以螺纹上方设计了一段相对较长的光滑圆柱面使其在升降的过程中有个竖直导向的作用，就不会出现向一边倾斜。3. 4 防护装置设计3.4.1 电解液产生的危害及如何避免因为在高温加工状态下，电解液是带电的并且具有很高的速度。若没有处理好会对系统装置甚至人的安全问题都有很大影响。因此在喷射装置下面设计一个绝缘盖板，有效的控制了电解液的导电问题。3.4.2 如何保证绝缘及用电安全在整个系统装置外面设计了一个有机玻璃材料的绝缘壳体，通过壳体和夹具的螺钉与电源的阴阳极相连。这样就可以通过螺钉和电源的正负极相连来保证系统的导电问题。保证了用电的安全。3. 5 电解液的选择及循环系统设计3.5.1 电解液的选择在电解射流加工加工过程中，电解液的主要作用是：(1)作为导电介质传递电流；(2)在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解能顺利而有控制地进行；(3)及时地把加工间隙内产生的电解产物及热量带走，起跟新与冷却作用。因此选择电解液的时候要符合以下要求：(1)具有足够的腐蚀作用，即生产率要高，这要求电解质在溶液中有较高的溶解度和离解度，具有很高的电导率。(2)具有较高的加工精度和表面质量，电解液中的金属阳离子不应再阴极上产生放电反应而沉积到阴极工具上，以避免改变工具的形状尺寸。(3)阳极反应的最终产物应是不溶性的化合物。这主要是便于处理，且不会使阳极溶解下来的金属阳离子在阴极上沉积。电解液可分为中性盐，酸性盐，与碱性盐 3 大类，一般常见的有NaCL、NaNO 3、NaCLO 3，NaCL 电解液有活性氯离子，阳极工件表面不容易生成钝化膜具有较高的腐蚀速度，但其杂散腐蚀也很严重，故精度较差。NaCLO 3 的腐蚀能力小，加工精度比较高，但考虑到其的价格成本比较高，由于他它是一种强氧化剂，在加工中药注意安全防火，因此，经过综合考虑，选取浓度为 18%的 NaNO3 溶液为电解液，NaNO 3 在 30%以下的时候，有比较好的非线性性能，成形精度高，而且对机床设备的腐蚀性较小，使用安全，而且价格也合适。而且在加工过程中，工件的加工区处于超钝化状态，而飞加工区由于阳极点位较低，处于钝化状态而受到钝化膜的保护，就可以减少杂散腐蚀，提高加工精度 3。3.5.2 电解液的循环系统设计为了使电解液能够循环利用，本次装置中设计了一套进液系统。如图 3.1 总体系统设计示意图所示，直流电源负极与喷射装置相连，正极与工件相连。电解池内的电解液由柱塞泵吸出，经过过滤器洁净、溢流阀控制流量后进入喷射腔体开始工作。由喷嘴处喷射出来的电解射流对工件进行加工。加工后，通过工件喷射出来的电解液进入工作箱，再由回液管把电解液送进电解液池。做到循环利用。3. 6 电源选择及参数由于后面将进行对喷射装置的试验，探索电源电压变化在试验中的影响。所以本次加工过程中选用的是10V1000V可调直流电源，采用脉冲电流电解加工是近年来发展起来的新方法，可以明显地提高加工精度，在生产中已实际应用并正日益得到推广。采用脉冲电流电解加工能够提高加工精度主要原因是：（1）消除加工间隙内电解液电导率的不均匀化。加工区内阳极溶解速度不均匀时产生加工误差的根源由于阴极析出氢的结果，在阴极附近将产生一层含有氢气气泡的电解液层，由于电解液的流动，氢气气泡在电解液入口处的阴极附近，电解液中含有氢气气泡将非常多。其结果将对电解液电导率的变化上，造成工件各处电化学阳极溶解不均匀，从而形成加工误差。采用脉冲电流电解加工就可以在两个脉冲间隔时间内，通过电解液的流动与冲刷，使间隙内电解液的电导率分布均匀。 （2）脉冲电流电解加工使阴极在电化学反应中析出的氢气是断续的，呈脉冲状。可以对电解液有个搅拌作用，有利于电解产物的去除，提高电解加工的精度。3. 7 装置挡板设计实物 实物图如下 图 3-19 夹具示意图4 可行性试验研究4. 1 射流破碎长度与哪些因素有关射流破碎长度指射流发生破碎点到喷嘴出口之间的长度。（1）射流破碎长度与喷口直径d之间的关系。图4-1，研究当喷嘴出口直径 d变化时射流流场的变化。图4-1为喷嘴出口直径与轴线速度的关系图，在其他条件均一致的前提下。由图可以看出，高压水经过喷嘴加速后出口直径较小的喷嘴轴心速度衰减较快，而出口直径较大的喷嘴速度衰减比较平缓，能量损失较小;且在同等的入口压力条件下，较大出口直径的喷嘴在连接段即可获得较高的速度，喷嘴出口直径越大，在喷嘴内部的速度越高16。图4-1 射流破碎长度与喷口直径之间的关系图4-2给出了射流破碎长度与射流流量之间的关系,从中我们可以看出,对于不同直径的喷嘴,射流破碎长度与流量呈抛物线关系。拟和后得到射流破碎长度与射流流量间的关系为L = 183.8 + 2.4 x 0.00173 x 2 适用范围: (24 l/ h x 684 l/ h)图4-2 射流破碎长度与射流流量之间的关系(2) 射流破碎长度与喷口长径比之间的关系图4-3在其余条件一致的试验前提下，喷嘴长度分别为10 mm、20 mm、40mm的轴线速度分布曲线图。图4-3 射流破碎长度与喷口长径比之间的关系从上述图中可以看出，喷嘴长度的增加对喷嘴外部流场的轴线速度的影响不是很大。因此从以上内容可得出结论：(1) 低速射流时,射流破碎长度随射流速度的增加而增加。(2) 喷口直径是影响射流破碎长度的主要因素,相同流速下,喷口直径越大,射流破碎长度也越长。(3) 喷口的长径比对射流破碎长度的影响不明显,但流道内部不宜过长不然能量损失比较大。4. 2 材料强度的可行性分析本实验喷射装置的设计中，由于考虑到在电解射流加工时，电解液会带点，所以从安全的角度，壳体与进液转接件材料均采用有机玻璃，具体采用的是聚 甲 基 丙烯 酸 甲 酯 ， 一 般 而 言 ， 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 的 拉 伸 强 度 达 到 50-77MPa 水 平 。 其余 为 不 锈 钢 牌号是 1Cr17Ni7，其抗拉强度520。4.2.1 进 液 转 接 件 的 强 度 校 核进液体转接件的内径设计值为 8mm,管壁厚度最薄处为 2mm。由管厚公式：T = k PD/2S 式（3）式中：P管内水压强；D管内径，mm；S管材的允许抗拉强度，MPa；k安全系数取 1.11.3由公式（3）可得: P=T2S / kD 式(4) T=2mm S=50MPa k=1.3 D=8mm 代入公式（4）得：P=19.2MPa 而该喷射装置试验最大液压不会超过 1MPa。所以设计的进液转接件满足要求。4.2.2 壳 体 的 强 度 校 核壳体的最薄处为 5mm,即 T=5mm k=1.3 D=50mm 代入公式（ 4）得：P=7.7MPa1MPa，而由液体本身的重力影响几乎可以忽略不计。 所以所设计的客体也符合强度要求。4.2.3 金属柱塞的强度校核因为金属柱塞式采用不锈钢，抗拉强度大于 520，其厚度还大于壳体的最薄处，所以一定能满足强度要求。4. 3 喷射系统试验及参数测试4.3.1 电解射流加工试验及观察参数对射流影响为了能验证设计的喷射装置的可行性，以及能实现更好的掌握加工参数，所以也做了相应的试验。试验材料为镍基高温合金试验 1：控制初始加工间隙观察加工速度。液压控制还是在 0.2MPa，分别加工电解电压在 50V、100V、150V 成 3 组，每组试验加工 5 次（在不同的初始加工间隙上），经数据处理后得到如图 4-4。图4-4 电压变化平均打通时间图从图中可以看出，载液压 0.2MPa 下，随着初始间隙的减少，其平均打通时间逐渐缩短，体现加工效率逐步上升。这个实验也验证了前面所提到的，由于当加工间隙过小时电解液流动不流畅，而且在实际加工过程中容易出现短路现象。所以试验时初始加工间隙为 1mm 为起点，从图中可以得出加工间隙控制的越小加工效率越高。试验 2：加工间隙对打孔精度的影响。在液压为 0.1MPa 下，电解电压在 400V 的前提下，对不锈钢材料进行试验，分别对初始加工间隙不一样的不锈钢材料进行试验，见下图 4-5。直 流 电 解 加 工 试 验 （ 2）0501001502002503003503 4 5 6加 工 间 隙 /mm通孔时间s/锥度通 孔 时 间锥 度图 4-5 初始加工间隙对精度的影响从图中可以看出，随着初始间隙的变大，其打通时间逐渐变长，体现加工效率逐步下降，锥度随加工间隙的增大有变大的趋势。在该实验过程中，还可以观察到入口圆度随加工间隙的增大而增大。试验 3：喷射压力对脉冲电解射流加工的影响。电解电压在 600V，加工间隙为 3mm，材料为不锈钢 前提下，进行试验分析得到见图 4-6。脉 冲 电 解 射 流 加 工 （ 3）0204060801001200.1 0.5 0.7 0.9 1.2液 压 /MPa平均打通时间s/锥度平 均 打 通 时 间锥 度图 4-6 液压对脉冲电解射流加工的影响由图 4-6 可看出，液压对脉冲电解射流加工小孔的平均打通时间与锥度影响不大，平均打通时间与锥度基本不变；分析数据可知，成孔入口直径变化不大，可知在脉冲电解射流加工中，液压不是一个显著因素。试验 4：改变电压对精度的影响试验条件：加工间隙 4mm，液压 0.6MPa，材料为不锈钢。对 4 组不锈钢材料分别在不同的电压下进行试验。得到的如图 4-7脉 冲 电 解 射 流 加 工 （ 6）050100150200300 400 500 600电 压 /V平均打通时间s/锥度平 均 打 通 时 间锥 度图 4-7 电压对脉冲电解射流加工的影响由图 4-7 可知，脉冲电解射流加工过程中随电压的升高，平均打通时间下降；脉冲电压对锥度影响不明显，通孔后锥度基本不变。由于在自主设计的喷射装置进行了可行性的试验，在这个试验基础的平台上和有关资料的查询总结如下：（1）在电解射流加工过程中电压的变化是最重要的因素之一，随着电压的增大，平均加工速率就越大，也就是说电解射流加工电压增大加工效率加大。但加工电压增大对脉冲电解射流加工的锥度影响并不明显。（2）电解加工过程中，加工间隙也是最重要因素之一，随着加工间隙的增大，加工速率会有逐步的下降。而且圆孔锥度会随初始加工间隙的增大有变大的趋势。在该实验过程中，还可以观察到入口圆度随加工间隙的增大而增大。但当初始加工间隙小于 1mm 时，反而不利于加工。（3）液压对脉冲电解射流加工小孔的平均打通时间与锥度影响不大，平均打通时间与锥度基本不变，分析数据可知，成孔入口直径变化不大，可知在脉冲电解射流加工中，液压不是一个显著因素。以上对试验取得的宝贵数据为以后进一步优化该喷射装置有非常突出的作用。根据本次喷射装置的试验结果看出加工出来的孔还是比较理想的，也从而验证了喷嘴的设计是比较精确的。图 4-8 和 4-9 是加工出来的小孔的实物图如下：图4-8 小孔的实物图图4-9 小孔的实物图结 论本 课 题 通 过 了 解 喷 嘴 内 部 流 道 型 线 对 射 流 流 场 的 影 响 ， 研 究 高 压 喷 射 电 解液 束 的 射 流 结 构 ， 设 计 出 用 于 工 艺 试 验 的 喷 射 装 置 ， 利 用 AutoCAD 绘图软件画出 整 套 装 置 的 工 程 图 ， 为 后 续 试 验 探 讨 射 流 破 碎 长 度 与喷口的入口角、喷口直径、喷口长径、射流速度等因素的影响，以及进一步验证喷嘴设计在整套喷射装置设计中的重要影响奠定了基础。根据喷 嘴 内 部 流 道 型 线 对 射 流 流 场 影 响 的 理论知识基础上可得到结论：(1) 对于等直径平直圆管喷嘴,射流流场对进口处的几何形状非常敏感;(3) 对于收缩喷嘴,内部流道型线设计为维多辛斯基曲线可以获得更好的流场动特性参数,有利于提高喷嘴的工作效率;根据可行性试验研究射流破碎长度与哪些因素有关得出结论：(1) 低速射流时,射流破碎长度随射流速度的增加而增加。(2) 喷口直径是影响射流破碎长度的主要因素,相同流速下,喷口直径越大,射流破碎长度也越长。(3) 喷口的长径比对射流破碎长度的影响不明显,但是内流道不宜做的过长