【工装夹具类】高温合金零件电解加工工装设计【全套CAD图纸+毕业论文】【答辩通过】
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毕业设计 (论文 )外文资料翻译 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： 外文出处： 日本陶瓷学会期 刊 2007年 10期 附 件： 1. 原文 ； 2. 译文 2013年 03月 固体电解加工使用的是涂上一种聚合物电解质的钨微电极 冈西区 元冈 744，九州 工学院 应用化学系 819解加工的金属板采 用一个固体聚合物电解质。 基本的电解系统是由一个金属板 (阳极 )和聚合物电解质钨针 (阴极 )组成 ，在接触的金属聚合物的接口非常小(几微米 )。 金属基质是电化学氧化然后锰离子迁移到聚合物电解质形成的。 比起我们之前的结果使用 由于连续应用直流电压到电池 ,细分辨率微加工 ( 10m)实现室温下操作。此外 ,目前的技术适用于许 多不同种类的金属基板。 2007年 7月 3日收到 ; 2007年 8月 24日接受 关键词 :电化学微加工 ,固 体聚合 物电解质 ,阳极溶解 ,阳极氧化 ,微电极 1、介绍 采用固体表面微加工 ,为制造各种微系统 ,如嶶传感器 ,微反应器 ,微电极阵列。1)信一个更有效、更精细的分辨率加工技术将需要密集的集成的微零件在最先进的微系统上。固体表面微加工的一般进行位置选择性腐蚀的原子 使用机械、物理和化学技术。化学技术包括浸的工件 ,部分覆盖着一层 ,在一个表面掩盖蚀刻溶液 ,经表面接触的解决方案是有选择地解散。根据类型的基质 ,有图案层是解决方案的优先蚀刻。例如 ,部分成品二氧化硅层在硅基质溶解在水高频的解决方案。事实上 ,没有表面变形或压力引起 的加工工件在湿化学过程看作一个明显的优势在机械或物理溅射、激光烧蚀等技术。 作为一个扩展的化学腐蚀、 电化学微加工研究广泛的导电基体金属和半导体等。 4)这个技术中解散的蒙面工件电极是加速通过应用一个电偏压的电解质溶液。相比传统的化学腐蚀，电化学技术可以更快速溶解和控制 ,并且不需要激进的电解质，比如酸。 从电解加工使用了电解 质溶液中 ,屏蔽强制性的位置选择性腐蚀和过程需要多步骤。电解加工后很难控制凹槽的长宽和大小，因为侧面腐蚀的结果使液体渗入到面具的下面。为了克服这些问题 ,坚实的电化学方法提出 ,7) 用固态离子导体作为电解质 ,而不是溶液剂。即 ,电解加工由固态电解质取代了液体电解质。我们的团体有报告， 相关的固态技术包括一个阳极电化学反应在金属基体之间的微触和离子导体。 9)本地的金属基体纳入离子导体在金属离子的形式通过微触直流偏压下。 可以实现嶶加工，由于仅在嶶触点消耗金属。该方法有许多优点比其他常规电解加工技术 :(1)没有液体电解质 ,这是很难处理的 ,而且都是必需的 , (2)直接构建离不开任何预处理，如屏蔽或涂层。 当然 ,传统技术的优点 ,包括简单的装置 ,可调性的腐蚀速率和 /或大小通过对电化学参数进行优 化设计 ,对于固体系统都是有效的。在我们之前的报告中 ,9)个锥体 化铝烧结多晶体被切割、抛光 ,用作离子导体与一个锋利的顶端 . 然而 ,可再生制造的 因为 化铝是很硬的陶瓷材料。因此，固体电解加工的分辨率非常小（ 101仅仅在高温下（ 873k），氧化铝获得高离子电导率，在这个温度范围内嶶加工才能进行。 在这项研究中 ,固体电解加工都使用一个离子导电聚合物 (涂上钨针微电极 )代替 化铝棱锥。 众所周知 ,电解质具有较高的 质子电导率在室温和没有 非均质的热传导。 此外 ,各种金属离子可以 代替质子穿行在电解质中。 11)这允许固体电解加工在温和条件下 (室温 )加工各类金属下。 图 1显示了固体电解加工系统原理图在前面的论文 7),8) (a)的和目前的研究 (b)报告过的。 巴德和同事记录过选择性腐蚀的金属板 (铜、银、金 )涂上一种聚合物电解质膜 (图 1(a)。 然而 ,蚀刻大小将取决于电 位分布产生的薄膜。侵蚀的分辨率似乎较低（ 102在尖端和聚合物电解质膜之间的点接触，而且长宽比的控制是困难的。 相比之下 ,目前的研究使用 了一个钨 (W)微电极涂上 一层聚合物电解质，同图 1(b)中描述的一样。离子导体的顶端的形状 可以直接转移到金属表面，因为固体电化学反应收益仅在固相固相微触的聚合物和目标的金属板上。 换句话说 ,长宽比的加工表面可能更容易有聚合物层的尖端外形设计。 在目前的研究中通过使用各种金属作为目标，研究了可行性和电流效率的固体电化学微加工各类金属。它已经证明了许多不同种类的金属基板可以加工 ,而且在室温下亚微米分辨率可以完成。 图 1，固体电解加工原理系统图使用聚合物电解质 (a)别的团队提出的和 （ b）现在的研究 图 2。 微电极 (a)和 (b)后全氟磺酸涂料。 量色散谱 ( 2、 实验过程 实验模型在图 1(b)中表示。一个外面覆盖 全氟磺酸 的 W(电解质 W) 微电极制 备了电泳沉积的电解质顶端 , 在 8大规模溶胶溶液的电解质 ,制备了稀释 20质量解决方案 (杜邦 酸容量 : g)与乙醇。因为电解质具有负面电荷，根据动电位的测量值一个正偏置应用 于 2显示了 微电极在 (a)和 (b)后全氟磺酸涂层。 各种金属板(银、铜、锌、 镁、铁、铝、钛、厚度 : )作为目标的固体电化学微加工。 这个电解质 附属于一个三维的机械手， ,联系与水平放置的金属板。典型的金属 |电解质接触直径 几微米。这个值稍微改变电解质层的尖端外形和接触压力 固体电解加工是由施加恒定电流或电压在室温和环境湿度 (297 对湿度 :25 - 55%)下进行的。这个轻微的转变温度和湿 度不影响实验结果。 在微加工 ,金属表面 元素分布在电解质层测量了能量色散谱 ( 3、 结果与讨论 解加工期间， 图 1(b)系统化表示 离子迁移的机理过程在固体电解加工使用全氟磺酸 所周知 ,电解质由疏水性 氟碳链矩阵和亲水性质子传导渠道包含子迁移的传导渠道可以通过格罗图斯和 /或车辆机制。当一个直流电场应用于单元，当地局部的金属阳极在嶶触点是电化学氧化锰，进而 图 3 (a)极化曲线 (阳 极 )解质 )阴极 )(扫描速率 :)。 (b)的典型变化电池电压在恒定电流电解 被 注入到全氟磺酸通过固相固相界面。作为锰在一个连续的电场 ,金属阳极正逐渐消耗。 考虑到小接触尺寸的金属电解 质界面 (订单上几微米 ),位置选择性溶蚀发生在微触 ,因此固体电化学微加工完成。 在阴极接口的全氟磺酸、质子或锰离子分别被分解成 。 图 4，在 1表面轮廓沿虚线估算通过激光显微镜显示在 30分钟 . 银 固体电解加工的一个 行。图 3(a)显示了极化曲线的 电解质 |s)。 当前的非常小的低电压和迅速增长高于 。应用每分钟 1 鉴于低过电压 的钨阴极 产生 实际的电场在 解质 )接口也许是微不足道的由于电阻压降在电解质层 。 7)相比之下，一个凹槽成型于嶶触点由于阳极电化学反应在每分钟 5这些结果符合极化行为显示 在图 3(a)。 另一方面 ,应用程序的一个大型恒流 ( 1A)引起了全氟磺酸层爆炸通过在阴极 (电解质 |W)接口产生气 这种情况下 ,电流密度在 解质界面估计从圆接触 (直径 :5 m)是 它被认为是这样的一个高电 流密度可能会导致温度上升在微触和分解的电解质。 因此 ,一个最大的几十 在以下部分中 ,所有的实验 条件下进行了恒电流 ,以确定当前的效率很容易。 图 3(b)显示的时间演化电池电压在 加工低于 1 情况。电池电压迅速增加到 10 1分钟 )，接触面随着时间的推移明显增加由于在 即 减少电流密度 )正嵌入电解质会减少过电压。图 4显示了 有的 0坡度对垂直电子束轴。该中心的显微图对应于 解质微触。 机械应力引起的微电极可以忽视电解质 图 4表明 地蚀刻根据先端形式的电解质层 ,即 ,一个准半球不到 10毫米直径。微小的预测出现在表面可能是由于不均匀分布的亲水通道在疏水基质中。事实上尖锐的边缘时清晰可见的，表 明固体电化学反应发生仅在 解质微触。因此 ,没有侧腐蚀发生在微加工 ,这是目前技术的一个优点。自然地 , 直径的准半球随电解时间增加。 图 5(a)显示了一个 1 0分钟 ),那里的虚线表示这个位置的 （ a）存在于图 5（ b）中。 了来自电解质的 表明电化学扩散的 g+板到电解质引起直流偏压。因此，在电解中离子迁移原理提出了以上正确的过程。 X 射线强度的特点，显示 度，距离的增 加而增加嶶触。（ abcde） 这个 散通过电解质层是减少和累积在阴极电解质 10)在 针之间的短路形成通过 图 5（ a）电解质层在 1加工 30 分钟的 像，（ b） 谱的点显示在（ a）中 作用沉积 在电解质层或者用薄的电解质。总之，这证明涂上 W 的电解质微电极使固体电化 学嶶加工成为可能，在相对温和的室温条件下而且有较好的精度（ 10m） 化铝。在前面的图 a（ 1）中描述金属沉淀产生在聚合物顶端，阴极界面增加了刻蚀的尺寸。在目前的研究中 ,没有 扩张 的加工尺寸是观察使用电解质 w 微电极 ,先端配置的电解质层直接转移到工件的表面。即，加工精度和长宽比只取决于电解质层的尖端大小。 加工尺寸似乎可调的通过调整应用电流，这与恒电流条件下的电解时间有关。电解时间演化的加工尺寸是研究在 1 6（ a）显示了加工量的时间依赖性，预计通过激光显微镜获得表面轮廓的依据。凹陷是假定为球面的一部分，然后，他们的容量是计算出直径和深度。电流效率估计从工量，应用电流和银的密度使用法拉第定律也绘制在图 6（ a）中。随着时间的进展凹陷的体积不断增加。 因此 ,加工尺寸可以很容易控制在大约 100 102 m 3通过改变电化学参数如电解时间和 /或电流。当前，效率也提高了电解时间，达到了每分钟68%。预计的泄漏电流消耗质子传导在电解质层中。在图 6（ b）中所述，电解水在空气中可能引起产生 H+，在初始阶段通过三相边界。在长时间的电 解后，电解质层嵌入在 且 此，溶解 且电流效率增强。最大的电流效率在目前的研究中比使用 化铝（大约 40%）更高。这是电解质 温和条件下。 图 6（ a）电解时间依赖于 b）变化的主要载体在电解质层。 、锌、镁和铁的固体电解加工 电解质是一个独特的材料 ,因为许多类型的金属离子可以被纳入亲水性传导渠道而不是质子。即 ,各种不同种类的金属基 板可以大概被用作工件 。因此，固体电解加工对各类金属板进行了尝试。一般来说，金属可以很容易的在有氧、高温条件下被氧化，即一个厚的氧化膜在表面形成。对于嶶加工在高温下使用 成的氧化膜阻止了阳极溶解金属，而且惰性气体也能防止表面氧化。同时，金属有低熔点温度不能作为嶶加工的目标。 由于高离子电导率的电解质即使在室温下 ,各种金属可以用来作为目标而且没有上面提到的限制。图 7显示固体电解加工后铜、锌、镁板表面的 些图像显示凹槽通过电解制造用相似的方式到 解后每个金属元素在电解质层中存在。因此 ,固体 电解加工这些金属可能也是可能的。图 7所示表面凹槽是粗糙的比 报道，交换电流在 子溶入电解质和铜板表面变得粗糙之间。 7)在电池电压变化对于铜、锌、镁和铁很不同于在 且随着时间的增长而增加。根据 属的表面发现少量的氧。 氧化物 (氢氧化物、水合氧化物 )表面形成了联合阳极。表 1总结了固体电解加工给定恒流值的结果。铜和铁被认为分别以 解。 15)铜，锌，镁和铁当前的效率比 报道，在电解质中替换了少量的金属离子 ( 30%)对于质子 不妨碍离子传导。 11)因此表面氧化物将作为屏障阻止阳极溶解。这被认为是低效率的主要 图 7，在不同条件下金属表面腐蚀 60分钟的 原因。表 1中还表明，使用一个更大的恒流降低效率，因此 ,一个较小的电流更适合有效的微加工。 表 1，固体电解加工 60分钟的加工量和电流效率 目标 I/工体积 /流效率（ %） u g l 1 3 1 3 10 20 5 20 5 260 8， 0分钟 20微电极 对于 有本地阳极溶解被发现，在他们表面形成了一层氧化层。图 8是一个在 200分钟后采取附近 然，金属表面在嶶触点周围已经升起。 8所示，沿着嶶触点的周围在电解质和 此，氧化物生长在三相边界被促进。它被证实， 以在电介质膜中交换，通过浸在水中的 目前的研究中没有证据表明阳极能溶解 i。 对于铝、钛、金属离子迁移 通过氧化膜的反应很容易与水和诱导生长的厚被动层。尽管， 似于i，固体电解加工是成功的，见图 7所示。众所周知， 密的）氧化膜的阳极处理，因为金属氧化物的体积比比单一的更小。部分溶解的 能继续通过在被动氧化层的缺陷。 中性到酸性的溶解剂中高的溶解度也可能的原因之一是当使用电解质 时部分溶解的 此，金属形成了一个浓密的、化学稳定的氧化层通过现在的技术很难被嶶加工。然而，使用电解质 过观察电解质 固体电解加工只发生在 固相固相界面之间的电解质和金属基体之间。因此，嶶加工使金属表面图案的制造成为可能，如果在电解时电解质 凹槽的 解质 个 1m)被用来实现高分辨率。图 9是 微电极（ 50nm/s）在 1如预期的那样，一个轨道沿着微电极的途径被制造。 因此 ,扫描的电解质 轨迹在亚微米规模下（宽度： 度： 此外 ,这是确定的 ,那就是增加了恒流扩大了线 ,宽度在任何给定的电流是成反比的扫描速率成正比。即 ,轨道的大小依赖在当 前应用的单位时间单位面积。基本嶶加工原理同固定的微电极时一样的，各种金属基板可以通过操作离子导体形成图形。自从电解质 种模式，不仅包含单一的线或点，页有更多复杂的结构，通过设 计准则能被制造。 图 9， 1扫描后电解质 10m/s）的 4、结论 目前的研究表明，使用一个涂上钨电解质的微电极在高分辨率的环境条件下使固体电解加工金属基板成为可能。金属基板被溶解的局部和阳极体在嶶触点始终以离子导体电解质。嶶加工的精度提高比我们先前报道的使用的 化铝，而且在室温操作下能完成。 目前的技术被应用于各种金属基板 (银、铜、锌等 )。通过给电解质涂上一层 解质层的尖端可直接转移到金属层没有任何可检测侧腐蚀和膨胀的加工尺寸。 形成表面氧化物引起了 电流的损失 ,这表明 ,较低的应用电流或电场更适合高效微加工。电化学蚀刻在亚微米规模已经通过固体和液体系统完成。因此，控制电解质 化学技术使没有任何机械应力和变形的嶶加工基板成为可能。因此，该工艺可有效的局部稀释 不久的将来 ,目前的技 术预计将成长为一个新应用程序的许多高分子固体电解质 ,比如作动器和传感器。 感谢 目前的工作是部分支持朝日玻璃基金会、日本和补助金为青年科学家 (A)第 17685022,在点领域 39)第 17041014号从教育部、文化、体育、科学、技术、日本。 参考文献 1 J. W. V. 44, 3605999 . 2 D. L. G. Y. A. Yu . , 93, 87001 3 Y. S. S. J. L. H. A. . L. 42, 157001 . 4 , 112, 36004 . 5 P. . 211,113003 . 6 P. D. 4, 001 . 7 O. E. D. H. A. J. J. B, 6, 1873988 . 8 O. E. D. H. . J. J. 136, 3222989 . 9 K. K. Y. S. J. Y. 17,1930005 ; 18, 1713 2006 . 10 K. M. N. J. 52, 3739007 . 11 N. T. A. M. 43, 3749998 . 12 J. S. 99,14995 . 13 S. . 85, 247996 . 14 J. E. W. . J. B,109,3252005 . 15 M. I. H. T. J. R. . M. 197, 63002 . 16 M. 13917 S. . Y. J. 87, 3321. 18 J. W. K. J. . , 118,135005 . 19 S. O. 560, 184. 20 T. 421, 83. 毕业设计（论文）中期报告 题目： 高温合金零件电解加工工装设计 系 别 机电系信息 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013 年 3 月 14 日 文）进展状况 通过学院在网 上发布的论文题目，我选择了贾建利老师的毕业设计论文 高温合金零件电解加工工装设计。题目确定后，我在网上查阅了一些关于电解加工及其工装设计的知识，了解到电解加工的工装其实就是要设计工件的夹具。之后，在老师的介绍下，在学校图书馆借 取 了 范植坚 等 老师 编著 的电解加工技术及其研究方法和王建业等编著的电解加工原理及应用。通过看书和做读书笔记，对电解加工有了更进一步的了解。 对老师所给的零件图进行 分析 ， 通过和同学及老师的讨论、研究，确定了零件的形状和尺寸。运用 件完成了零件的二维图的绘制，运用 软件 完成了零件的三维图的绘制。 通过所绘制的零件图的特点，分别从阴极设计、流场设计及导电三个方面研究加工该零件的三种工装方案，并选择其中一种最优方案。 完成开题报告， 参加学校组织的开题报告答辩， 并通过指导老师和 论文开题答辩小组的审查 。 查找与毕业设计论文相关的外文文献，通过使用相关的英语单词翻译软件，翻译了一篇外文题目为 a a 献 。题目的中文翻译为“ 固体电解加工使用的是涂上一种聚合物电解质的钨微电极 ” 文章主要讲解了固体电解加工使用钨作为微电极的 特 点。 通过对三种工装方案的比较，选 择 其中一种较好的方案，通过对其 进一步的研究，同时查阅相关电解加工工装设计知识， 绘制其方案草图。 在老师的指导和帮助下完善整个草图。 到目前为止，在毕业设计的设计过程中主要存在以下几个问题： 命题的探讨不够深入。 极外形尺寸的确定还不太准确。 配图的具体尺寸还没确定。 导致上述问题主要有两个原因，一是研究不够深入，二是撰写不够严密。针对这两个原因，解决方法有： 这个基础上才能得到有深度的结论。 内容、结构及用语等方面给予调整。 难题及时找辅导老师 讨论，通过讨论来完善整个设计 多参照一些前人 的优秀论文，同时多 和 辅导老师讨论，来完成说明书的编写。 10 15 周 ： 完善整个电解加工工装设计 、 完成 装配图 （包括三维装配图） 及零件图的绘制等工作 ； 16 18 周 ：对所有图纸进行校核，编写设计说明书，所有资料提请指导教师检查，准备毕业答辩 ； 指导教师签字： 年 月 日 毕业设计 (论文 )开题报告 题目： 高温合金零件电解加工工装设计 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 2012 年 12 月 17 日 1、 毕业设计（论文）综述（ 题目背景、研究意义及国内外相关研究 情况） ： 目背景 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。 研究对象 是 加工精度难以保证、工件材料硬度高，难切削，工序冗长、良品率低；加工后零件存在残余变形，即使在生产过程中采取校形、时效措施，但合格品在库存时由于残余应力的释放又会造成零件再次变形而成为非合格产品，不能与其它零件进行装配。采用电解 加工需要设计一套工装，通过工艺试验修正曲面阴极的形状。 究意义 通过本课题的设计，达到：（ 1） 能够充分了解到电解加工原理及应用； （ 2）培养学生综合运用所学的基础课、技术基础和专业课的知识，分析解决工程技术问题的能力；巩固加深扩大基本理论和技能；（ 3）受高级工程技术人员能力的训练；调研、查阅文献，制定方案、设计、撰写。（ 4）创新能力和团队精神。 电解加工在 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。 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。电解加工现已成为航空航天制造业中一种关键技术 , 被广泛地应用在发动机叶片等零部件的生产中 ，而且 电解加工在兵器、汽车、医疗器材、电子、模具等行业中得到了许多应用 。 国外很多研究机构对电解加工进行了大量的研究投入 , 并且在多方面取得了显著进展。 2、 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施： 究的主要内容 研究的主要内容 是 高温合金零件 如图 1 和图 2 所示 ，设计一套加工该零件的电解加工工装，包括：（ 1）高温合金零件电解加工阴极；（ 2）装夹高温合金零件电解加工的阴极和工件的夹具装置；（ 3）运用 、 软件 画出高温合金零件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。 图 1 高温合金零件二维图 图 2 高温合金零件三维图 究方法或措施 针对对这次毕业设计可以从阴极设计方面、流场设计和导电三个方面设计方案。阴极的设计可根据加工零件的形状设计，在流场方面根据电解液的流动方向、加工送进方向及加工间隙之间的几 何关系，可分为三种流动形式，即侧流式、正流式和反流式。可根据加工对象的几何形状确定流动形式。对于型面曲率变化不大的三维型面如一般叶片型面、叶片锻模型腔等，可采用侧流式，对于圆孔、型孔可采用正流式或反流式，对于某些复杂的型腔或型面，可在阴极上设计适当的通液槽（孔）采 用正流式或反流式，或者两种流动形式都存在的复合流动形式进行加工。在导电方面导流结构主要取决于电解液的流动方式，正流式加工的导流段置于阴极本体内，反流式要设计专门的水套，与阴极体共同构成进水的导流腔，侧流式的导流段则置于夹具本体或阴极导向装置中。导电回路有两类结构：一是引入导线，将其终端的线鼻子直接压紧到工件及阴极的导电面上，；另一类是通过工作台将电流传输到夹具定位快上，通过阴极安装板传输到工具阴极上。另外夹具与机床应可靠地绝缘，严格防止漏电。 方案一：在阴极设计方面，针对加工零件的几何形状采用两个预先成型的 阴极双面同步加工、 同步到达终点的控制方案。加工过程中叶片毛坯竖直或水平装夹，阴极平行于缘板进给。在流场设 计 方面，根据加工对象的几何形状确定流动形式为侧流式。在导电方面，由流动形式为侧流式可设导流段置于夹具本体或阴极导向装置中，导电形式采用引入导线，将其终端的线鼻子直接压紧到工件及阴极的导电面上的方式。 方案二：针对加工零件的几何形状采用两个预先成型的阴极双面同步加工、同步到达终点的控制方案。加工过程中叶片毛坯竖直或水平装夹，阴极平行于缘板进给。在流场设计方面，根据加工对象的几何形状确定流动形式为侧流式。在导 电方面，由流动形式为侧流式可设导流段置于夹具本体或阴极导向装置中，导电形式采用通过工作台将电流传输到夹具定位快上，通过阴极安装板传输到工具阴极上的方式。 方案三：在阴极设计方面，针对加工零件的几何形状采用全方位加工（ 360式 阴极相对叶身轴线呈 45或 60方向进给。在流场设计方面，根据加工对象的几何形状确定流动形式为侧流式。在导电方面，由流动形式为侧流式可设导流段置于夹具本体或阴极导向装置中，导电形式采用引入导线，将其终端的线鼻子直接压紧到工件及阴极的导电面上的方式。 根据以上三种方案，进行比较选择出其中一种较好的方案进行设计。经过选择，从 以上三种方案 中 初步确定采用方案 一 。 3、 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作： 电解加工是 利用金属在电解液中产生电化学阳极溶解的原理对工件进行成形加工的特种加工，又称电化学加工 。电解加工的重点是针对不同的加工零件设计出加工该零件的阴极以及 装夹该零件电解加工的阴极和工件的夹具装置 。电解加工的难点是电解加工是 一种复制加工 , 工具阴极的轮廓形状须根据图纸给定的工件形状和加工间隙的分布规律来设计，加工间隙分布的不均匀 导致阴极设计非常困难。 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 另外，流场的设计也是 电解加工研究的重点 和难点。 流场形式的选择以及流场均匀性的设计，对电解加工质量的影响非常重要。所以要设计好电解加工的流场。 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。 而且，流场设计要均匀。流畅均匀性是指加工面上各处流量充足、均匀，不发生流线相交和其他流场缺陷 如空穴现象、分离现象等。 开展工作 前期工作 主要有认真阅读课程设计任务书，了解课程设计任务书中的要求。 并上网查阅相关电解加工的知识，初步了解什么是电解加工以及为何要进行电解加工。 到校图书馆借阅书籍电解加工技术及其研究方法和电解加工技术及其研究方法查看书籍中关于电解加工的 介绍和有关叶片电解加工的知识的介绍。 并且读书时做读书笔记， 把重要的知识和不理解的知识记录在本上，并和老师进行讨论，在老师的帮助下解决问题。 上网查阅关于电解加工的期刊及文献，进一步了解什么是电解加工，电解加工过程是如何进行的。另外认真分析老师所给高温合金零件的结构以及尺寸，用 完成高温和及零件的三维图 。 4、 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写） ： 1 2 周 ：熟悉课题， 完成关于电解加工的 2000 字文献综述， 翻译外文资料 ； 3 周 ：确定 高温合金零件的电解加工工装方案 ，绘制 其 结构草图，准备开题答辩 ； 4 6 周 ： 进行高温合金零件电解加工阴极 设计计算 ； 7 9 周 ： 进行高温合金零件电解加工工装设计 ， 包括导电、供液方式和流场设计，准备中期答辩 ； 10 15 周 ： 完善整个电解加工工装设计 、 完成 装配图 （包括三维装配图） 及零件 图的绘制等工作 ； 16 18周 ：对所有图纸进行校核，编写设计说明书，所有资料提请指导教师检查，准备毕业答辩 ： 5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 6 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日 参考文献 1 王建业，徐家文 . 电解加工原理及应用 . 北京：国防工业出版社 2 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 0 3 夏劲武 . 高温合金 究 . 2008.（ 01） 4 韩桂海 . 三维微细电解加工技术研 究 . 2005.（ 06） 5 朱荻 . 国外电解加工的研究进展 . 电加工与磨具 . 2000.（ 01） 6 徐家文 , 王建业 , 田继安 纪电解加工的发展和应用 . 电加工与磨具 . 2001.(06) 7 贾志华 . 基于 卧式电解加工机床控制系统的设计与实现 11） 8 张正元 . 立式电解加工机床 制系统的设计 与实现 . 2010.（ 05） 9 王建业 ,张永俊 ,余艳青 等 . 脉冲电解加工技术在精微加工领域中的 新发展 . 中国机械工程 . 2007.（ 01） 10 徐家文 , 王建业 . 电解加工在航空制造中的 应用及发展 . 航空制造技术 . 2002. （ 04） 11 韩桂海 . 三维微细电解加工技术研 究 . 2005.（ 06） 12 李志勇，季画 . 电解加工在微细制造技术中的应用研究 . 机械设计与制造 06） 13 D K P. Ra M o f w J. 1999, 10: 58914 R R F in b in J .M ry ng 1985 ( 7) : 4415 D B l J1997, 38 (1): 11- 15 本科毕业设计 (论文 ) 题目 ： 高温合金零件电解加工工装设计 系 别 ： 机电信息系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2013 年 05 月 I 高温合金零件电解加工工装设计 摘 要 电解加工又称电化学加工，是金属工件在电解液中发生阳极溶解的一种加工过程。电解加工对难 加工材料可以以柔克刚，对形状复杂的零件可以一次成型，并以表面质量好、生产率高、无工具损耗、无切削应力等优点，在制造业中发挥着重要作用。论文通过对高温合金零件进行分析，设计出一套电解加工工装。电解加工工装包括阴极的设计计算、流场的设计计算以及零件的定位等。阴极的设计采用等间隙分布的原则，在零件原有尺寸上缩小一定的间隙，来设计阴极。根据不同的加工方式可以有不同的加工间隙，这里取加工间隙为 于流场的设计，根据零件的特点采用侧流式加工，在流场设计时还要确定电解液流速和进口压力。另外，流场的设计要均匀，均 匀性是指加工面上各处流量充足、均匀，不发生流线相交和其他流场缺陷 如空穴现象、分离现象等。另外，工装的设计要保证良好的密封性。通过设计电解加工工装加工高温合金零件比机械切削加工省时省力，与机械切削加工相比电解加工的表面质量好，且加工范围广，没有切削应力。 关键词： 电解加工 ;阴极设计 ;流场；工装 is in is an of of be a an in of a of of on of of a on in to to .5 To of to of in to In of to to as In to is is no 录 1 绪论 . 1 解加工的原理 . 1 解加工的特点及分类 . 3 解加工的应用及研究现状 . 5 课题主要研究的目的、意义以及重点和难点 . 6 解加工的研究方法以及电解加工新技术 . 8 解加工的设备以及工艺发展 . 8 2 高温合金零件电解加工阴极的设计与计算 . 10 解加工成型规律的研究 . 10 解加工阴极设计的方法 . 10 温合金零件阴极的设计与计算 . 12 极设计的二维图与三维图 . 15 3 高温合金零件电解加工的流场设计 . 17 解液的流动形式 . 17 解液流速和进口压力的确定 . 18 解液流速的确定 . 18 解液压力的确定 . 20 场均匀性的设计 . 21 4 高温合金零件电解加工工装的设计以及总体工装夹具 . 23 解加工工装的功能及特殊要求 . 23 温合金零件阴极的定位与连接 . 24 温合金零件电解加工底座的设计 . 24 极连接杆的设计 . 25 解加工工装 的特殊技术要求 . 26 解加工的导流和导电方式 . 26 温合金零件电解加工的总体设计及工作过程 . 27 5 结论 . 30 结 . 30 会 . 31 参考文献 . 32 致 谢 . 33 毕业设计（论文）知识产权声明 . 34 业设计（论文）独创性声明 . 35 1 绪论 1 1 绪论 解加工的原理 电解加工（ 为机械加工的的补充手段走过了半个世纪。电解加工的基本原理是电化学阳极溶解，而这一电化学过程又是建立在电解加工间隙中特定的电场、流场分布的基础上的，故电场理论、流场理论以及电化学阳极溶解理论构成了研究电解加工工艺的三大基础理论。 2电解加工以其在难切削材料、复杂形状的零件加工中体现出的特殊优点，较好的适应了军事工业中若干重要关键产品的特殊需要，首先成为军工生产中不可缺少的重要手段和关键技术，在工业发达国家中获得了较好的应用效果，而我国则是世界上应用电解加工最多 的国家只一。 电解加工又称电化学加工，是金属工件在电解液中发生阳极溶解的一种加工过程。电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解原理，目的是获得具有一定尺寸精度的零件。电解加工是一种在高压力、高流速条件下进行的电化学过程。电解加工区别于一般电化学加工的关键就在于电解液的高速流动，加工时，工件接电源的正负，工具接电源的负极，按照一般电化学过程，在电解液不流动或流速也很小时，电流也很小，只有当极简距小于 高速流动（流速大于 5m/s）的电解液中电流才会随间隙的减小显著增加。 1 电解 加工的基本原理是电化学阳极溶解，如图 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， （ a） 加工开始 （ b）加工终了 1电解加工电源； 2工具阴极； 3工件阳极； 4电解液 图 解加工原理简图 工件接电源正极，工具接电源负极，电源电压通常为 5V 20V，加工电流密度为 10A/500A/具电极向工件低速进给，使阴极和阳极之间保持较小毕业设计（论文） 2 的加工间隙 同时，使具有一定压力 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。 1 电解加工作为一种加工工艺方法，我们不仅要关心其加工原理，而且在实践上更关心其加工过程中工件尺寸、形状以及被加工表面质量的变化规律。而既能够定性分析、又能够定量计算，可以深刻揭示电解加工工艺规律的基本定律就是法拉第定律。法拉第定律包含以下两项内容：（ 1）在电极的两项界面处（如金属/溶液界面上）发生电化学反应的物质质量与通过其界面上的电量成正比。此称法拉 第第一定律。（ 2）在电极上溶解或析出一克当量任何物质所需的电量是一样的，与该物质的本性无关。此称法拉第第二定律。根据电极上溶解或析出一克当量物质在两相界面上电子得失量的计算，对任何物质这一特定的电量均视为常数，称为法拉第常数，记为 F。 F96500（ As/ 对于电解加工如果阳极只发生确定原子价的金属溶解而没有其他物质析出。则根据法拉第第一定律，阳极溶解的金属质量为 M=kQ= （ 式中 M阳极溶解的金属质量（ g）； K单位电量溶解的元素质量，称为元素的质量电化当量（ g/As或 g/A Q通过两相界面的电量（ As 或 A I电流强度（ A）； t电流通过的时间（ s 或 电解加工的成型过程及相关要求： 基于电解过程中的阳极溶解原理并借助于成型的阴极，将工件按一定形状和尺寸加工成型的一种工艺方法称为电解加工。其加工系统如图 示，基本够成与电解池相同。但为了能实现尺寸、形状加工，还 必须具备下列特定工艺条件： （ 1）工件阳极和工具阴极（大多为成型工具阴极）间保持很小的间隙（称作加工间隙），一般在 1围内。 （ 2）电解液从加工间隙中不断高速（ 6 30m/s）流过，以保证带走阳极溶解产物和电解电流通过电解液时所产生的热量，并去极化。 （ 3）工件阳极与工具阴极分别和直流电源（一般为 10 24V）连接，在上述两项工艺条件下，则通过两级加工间隙的电流密度很高，高达 10 102A/ 在上述特定工艺条件下，则工件阳极被加工表面的金属按照工具阴极形状被高速溶解，而且随着工具阴极向工 件进给，保持很小的加工间隙，使工件被加表面不毕业设计（论文） 3 断高速溶解，如图 示，直到达到所要求的加工形状和尺寸为止。 图 解加工系统图 1直流电源； 2工具阴极； 3工件阳极； 4电解液泵； 5电解液 （ a） （ b） 图 解加工成型过程示意图 （ a）加工开始；（ b）加工终止 解加工的特点及分类 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。电解加工是一种优点和缺点都十分明显的工艺，其独到的又是表现在： 毕业设计（论文） 4 （ 1）高速。在加工难切削材料、复杂形状工件时，其加工效率比传统的切削加工可高出 510 倍。这是由于它是全型一次加工，且其蚀除速度不受加工材料的硬度、强度、韧性的影响。由于一次成型，因而制造周期短。 （ 2）加工表面质量好。由于材料以离子状态去除，且为冷态加工，因而无冷作硬化层、热再铸层以及由此而引起的表面显微裂纹。表面光整、无加工 纹路，一般粗糙度为 毛刺。由于无切削力和表层内应力，因而加工变形小。 （ 3）工具无损耗。由于工具阴极上的电化学行为只是析氢而无溶解，且不与工件接触，故正常加工条件下（无短路烧伤时）工具阴极不损耗。 （ 4）可成型范围宽。从简单的圆孔、型孔到复杂的三维空间的型面、型腔均可加工。 （ 5）对难加工材料。复杂形状工件的批量加工，电解加工是一种低成本的工艺 （ 6）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 5 10 倍。美国 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。 （ 7）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。 除此而外，电解加工还有如下所列的局限性，所以在选用时应特别注意 （ 1）加工精度和加工稳定性较差。一般三维表面成型精度为 加工为 是由于极间间隙受电化场、流场、电场诸多因素的影响，目前尚无法直接采样控制，因而极间间隙不够均匀、稳定。且直流加工的散蚀能力较强，集中蚀除能力较弱，成型加工中需要有整形过程，且整平比不够高。 （ 2） 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。工具阴极设计、制造工作量大成本较高。电解产物需进行妥善处理，否则将污染环境。 （ 3）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。 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，毕业设计（论文） 5 就能收到良好效果。 电解加工可根据不同的形式有以下几种分类方式。 电解加工按加工形式可分为立式加工和卧式加工，因此相应的设备有立式电解加工机床和卧式电解加工机床；按照阴极与工件的相对位置可分固定式加工和移动式加工；按照加工对象可分为深孔（含异形深孔）、膛线、花键（含深槽双键、四键）、型孔、小孔、型腔（主要用于模具）、型面（例如叶片）、套料、去毛刺、抛光、刻蚀加工等。 2 电解加工与其他能量复合，或与其他加 工方法复合，衍生出一系列新的加工方法，可归为复合电解加工一类，如电解成型磨削、电解机械复合抛光、电解磁力研磨（磁场辅助电化学抛光）、电解 电火花 机械磨削（ 电解 机械 超声三合一抛光、电解 电火花复合加工（ 磁场复合电解加工等。 复合电解加工集电解加工和其他各种加工方法的优势，针对加工对象进行组合，取长补短，较容易达到有效提高加工指标的目的，是目前电解加工的发展方向之一。 解加工的应用及研究现状 电解加工在 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。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。电解加工现已成为航空航天制造业中一种关键技术 , 被广泛地应用在发动机叶片等零部件的生产中，而且电解加工在兵器、汽车、医疗器材、电子、模具等行业中得到了许多应用。 5国外很多研究机构对电解加工进行了大量的研究投入 , 并且在多方面取得了显著进展。 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 动生产线、 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。 5 随着 21 世纪信息、生物、嶶纳技术的发展及其对制造技术不断增长的需要，微细加工将成为制造相应设备的重要手段，电解加工进行材料去除是以离子溶解的形式进行的，这种去除方式使得电解加工具有 微细加工的可能。目前国内外制造业均十分关注微细电化学加工 发展，将电解加工高速去除金属的理念用到传毕业设计（论文） 6 统电化学过程中，是促进该项技术进步的有效途径，微细电化学加工就不仅仅指静态条件下的掩膜电化学刻蚀了。 1利用电化学刻蚀技术，使其与超短脉冲电流电源、间隙控制调节系统等技术集成，为实现亚微米级微细电化学加工提供一条途径。此外，利用电解原理，在磨削过程中了，不断对粘结金属的砂轮中的结合剂进行电解在线修形技术可以有效实现对硬脆材料的纳米表面加工。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 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 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。 课题主要研究的目的、意义以及重点和难点 研 究对象加工精度难以保证、工件材料硬度高，难切削，工序冗长、良品率低；加工后零件存在残余变形，即使在生产过程中采取校形、时效措施，但合格品在库存时由于残余应力的释放又会造成零件再次变形而成为非合格产品，不能与其它零件进行装配。采用电解加工需要设计一套工装，通过工艺试验修正曲面阴极的形状。通过本课题的设计，达到：（ 1）培养学生综合运用所学的基础课、技术基础和专业课的知识，分析解决工程技术问题的能力；（ 2）巩固加深扩大基本理论和技能；（ 3）受高级工程技术人员能力的训练；调研、查阅文献，制定方案、设计、撰写。（ 4） 创新能力和团队精神。 课题研究的内容是根据研究对象高温合金零件如图 示，设计一套加工该零件的电解加工工装，包括：（ 1）高温合金零件电解加工阴极；（ 2）装夹高温合金零件电解加工的阴极和工件的夹具装置；（ 3）运用 、 软件画出高温合金零件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。 电解加工是 利用金属在电解液中产生电化学阳极溶解的原理对工件进行成形加工的特种加工，又称电化 学加工。电解加工的重点是针对不同的加工零件设计出加工该零件的阴极以及 装夹该零件电解加工的阴极和工件的夹具装置 。电解加工的难点是电解加工是 一种复制加工 , 工具阴极的轮廓形状须根据图纸给定 毕业设计（论文） 7 图 温合金零件二维图 图 温合金零件三维图 毕业设计（论文） 8 的工件形状和加工间隙的分布规律来设计，加工间隙分布的不均匀导致阴极设计非常困难。 解加工的研究方法以及电解加工新技术 基于离子蚀除原理的电解加工可望成为一种超精密加工技术，但目前电解加工却与精密、微细相距甚远。作为特种加工中的一种高效率、无应力的加 工技术，有必要深入研究电解加工的机理，特别是对加工精度和表面质量有显著影响的有关因素，比如电极 /溶液界面性质和间隙电场分布，探讨合适的工艺措施或测控技术。于是，电解加工的研究方法。测试和实验手段已经成为一种迫切的课题提到桌面上来。电解加工是一个复杂的非线性时变系统，迄今为止，对电解加工过程的研究，包含对成型过程和加工间隙的研究、对加工中的现象和机理的研究、以及电解加工新技术措施的研制过程的研究都缺乏测试手段的配合，或者测试手段过于繁复。在目前条件下由于测试条件的限制，主要通过对系统宏观效应的测试和分析来认识 系统，根据加工结果达到的技术指标来认可新的技术措施或确定某些参数，如认可新的阴极结构、新的控制方法、确定电源的频率、电解液的配方等。 1目前新的电解加工技术有脉冲电流电解加工、数控展成电解加工、混气电解加工、电解 电火花复合加工、小孔电液束加工和电解擦削等。 解加工的设备以及工艺发展 电解加工的全套设备由机床、电源、电解液系统三个主要实体以及相应的操作、控制系统及其软件组成，工艺设备也可以作为机床的独立附件。全套设备方框图，如图 示。 图 解加工设备的组成框架 机床（含工艺设备 ）是设备的主体、进行电解加工的场域，其主要功能除安毕业设计（论文） 9 装、定位工件、工具电极并按需要送进工具电极外，还必须将加工电流和电解液输送到加工区；电源以一定的方式提供工件发生阳极溶解需要的电能；电解液系统存储电解液，以一定的温度、压力和流量将电解液泵打到加工区并对电解液进行净化以及三废处理；操作、控制系统对加工过程进行程序及参数的控制，保证各组成部分之间程序的协调，并按预选的参数提供所要求的阳极溶解的条件，或按工艺的需要进行参数的自适应控制，使加工过程始终保持最佳的阳极溶解状态。 1 工艺的变革是新型加工技术发展的基 础和最终成果的表现。虽然 20 世纪 80年代以来电解加工的扩大应用不多，但为了解决应用中存在的问题，特别是围绕提高加工精度而创新电解加工工艺技术的研究仍在不断深入的进行，也出现了一些新颖的电解加工方法。如早在 70 年代初就出现的混气电解加工， 80 年代在加工叶片、模具中又得到了更广泛的应用，工艺上也有所创新；小孔电液束加工技术在某些先进工业国家一直稳定用于解决诸如航空发动机叶片冷却孔，特别是深经比大、呈空间角度分布的小孔加工中；随着新型大功率电子器件的发展，在低频、宽脉冲电解加工的基础上， 90 年代出现了高频、窄脉冲 电流电解加工，有望将电解加工工艺提高到一个新的水平；电解与其他能量复合的加工技术，都有其独特的加工效果和应用范围； 80 年代开始研究的数控展成电解加工技术，综合了数控和电解两大技术的特点，扬长避短，相得益彰，其研究已由基础原理性进入实际应用阶段，开始在加工扭曲叶片型面的整体叶轮中得到应用。 2 2 高温合金零件电解加工阴极的设计与计算 10 2 高温合金零件电解加工阴极的设计与计算 解加工成型规律的研究 电解加工成型规律的研究，目的是为了求解加工间隙 随加工时间 不同几何位置（ x、 y、 z）的分布，以函数 形式可写作 （ x、 y、 z、 t）。如果加工已进入平衡加工状态，则参数不随时间而变化，间隙也只是位置的函数，记作 （ x、 y、 z）。基于加工间隙的分布，则可以根据所要电解加工的零件图而设计工具阴极；或反之，可根据工具阴极的几何形状预测被加工工件阳极的形状。由于成型规律，即加工间隙的时、空分布受多种因素的影响了，特别是对于那些形状复杂的型面加工，其加工间隙分布规律则更难求解。为了使问题简化而又不失其求解精度，可以在简化的基础上再逐项考虑多种因素的影响。在成型规律研究中，首先抓住主要矛盾，即基于电场分布而分析电解加工 成型规律问题，这是在电解加工领域研究成型规律、设计工具阴极的主要处理方法。 解加工阴极设计的方法 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 。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 解液电解液在任何电流密度条 件下可取 为常数；对 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（ 1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。 1参照图 有关成型规律的方程组可写作： 毕业设计（论文） 11 （ （ i （ 2. 3） 在加工平衡状态： v （ c o s c o s R （ 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； 隙电解液中的电压降（ V）； i电流密度（ A/ 电解液导电率（ 1/ 电解加工间隙（ 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（ h对应 =0 处的平衡加工间隙，通常又称端面平衡间隙（ 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（ s）。 图 于简化电场的成型规律描述 业设计（论文） 12 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 。 电解加工阴极的设计除了最常用的 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 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 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。 1 图 解的工具阴极族 温合金零件阴极的设计与计算 针对这次研究的高温合金的零件如图 示，采用等间隙分布的原则设计阴极的形状与尺寸。等间隙分布的原则就是在所加工的工件的实际尺寸得基础上进行同等的间隙的缩放，从而获得阴极的形状和尺寸。这里所缩放的间隙即电解毕业设计（论文） 13 加工的加工间隙，有上述可得知电解加工的加工间隙范围是 不同的电解加工方式有不同的电解加工间隙范围，如表 表 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 同电解加工方式的加工间隙范围 加工方式 间隙范围 /流电流 活性电解液 性电解液非线性加工，混气加工 冲电流 连续进给 动进给 0 期 循环多次对刀 0 同工序的平均间隙范围 工序种类 间隙值 /限范围 常用范围 孔及型腔加 工： 小孔（直径在 8下） 小型腔（型面长度 3 40 大型腔（型面长度 40上） 叶片型面加工 叶型长度 100下 100 20000 300解车： 预钻通孔（直径在 10下） 外表面 解 磨：金属阴极 导电磨轮 电解切削： 盘形阴极（直径在 100下） 线电极（厚度在 30下） 据表 表 择高温合金零件电解加工的加工间隙为 根据等间隙分布的原则可设计出高温合金零件电解加工的阴极的形状与尺寸，示。 在阴极的设计中，同时还要设计与计算高温合金零件电解加工工装的进液毕业设计（论文） 14 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。 图 温合金零件阴极的形状与尺寸 进液孔的计算： 如图 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 图 液孔处的过液面的外形与尺寸 实际进液面积应取其 ，则实际进液面积为 毕业设计（论文） 15 S= 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。 出液孔的计算： 如图 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 h=69 图 液孔处的过液面的外形与尺寸 实际出液面计应与其相等，则实际出液面计为 S= 根据以上可设计出液孔为 3 孔 4。 极设计的二维图与三维图 如图 示，阴极结构的二维图和三维图。 图 极二维图 毕业设计（论文） 16 图 极三维图 3 高温合金零件电解加工的流 场设计 17 3 高温合金零件电解加工的流场设计 解液的流动形式 电解加工前的工艺准备，首先必须设计工具阴极和工件阳极的相对位置及相对运动，同时还必须设计电解液流经加工间隙的流动形式，它对于保证电解加工过程的稳定性及加工精度均有着重要作用。 电解液的流动形式依据电解液的流动方向、加工送进方向机加工间隙之间的几何关系，可以分为三种典型流动形式，即侧流式、正流式和反流式，或者在某些较为复杂的型面加工中，还可能构成既有正流、又有反流这样两种流动形式都存在的复合流动形式如图 示。 1所谓电解加工的 流动形式是指电解液流向加工间隙、流经加工间隙及流出加工间隙的流通路径、流动方向的几何结构。 图 流式 图 流式 图 流式 对以上三种流动形式中加工间隙流道横截面积，即对垂直于流动方向的加工间隙截面积进行粗略分析，估算后就容易发现：侧流式加工间隙中的流道截面积沿流动方向大致保持不变，严格的考察，变化很小；而正流式流道横截面积沿流动方向呈扩张状态，或者说其电解液流动为扩散流；反流式的流道横截面积变化则相反，流道横截面积沿流动方 向呈收敛状，具有收敛流动特点。一般讲，收敛流动更利于提高电解加工的稳定性和加工精度。考察各种流动形式还可发现，不同流动形式的选择对于电解加工夹具和工具阴极的设计制造、对于加工间隙中流场均匀性也都有影响。 对于流动形式的确定有以下几个原则： （ 1）根据加工对象的几何形状确定 对于型面曲率变化不大的三维型面如一般叶片型面、叶片锻模型腔等，可采用侧流式。 毕业设计（论文） 18 对于圆孔、型孔类可采用正流式或反流式。 对于某些复杂的型腔或型面，可在阴极上设计适当的通液槽（孔），采用正流式或反流式，或者两种流动形式都存在的复合流动形式进 行加工。但对应通液槽（孔）口的加工面上，会残留加工凸起，给随后型面光整加工带来一些麻烦。 （ 2）根据加工精度的要求确定 一般讲，形状复杂且精度要求高的工件可选用反流式或复合流动形式，但其夹具或阴极的设计制造比较困难。 1 根据以上综述，结合高温合金零件的二维图和三维图，确定本次设计的电解加工工装的流动形式为侧流式，如图 示。 图 解液在工件上的流动方向 解液流速和进口压力的确定 流速是保证电解加工过程得以稳定进行的主要流场参数，而进口压力则是则是保证电解液流速的必要条件。对于某些材料的电解加工，如钛合金电解加工，其加工精度、表面质量受电解液流速的影响特别敏感，对于流速的选取更要注意，一般要选取更高一些的流速；相应的输送压力也应更高以下对进口流速和进口压力的确定原则分别加以分析。 解液流速的确定 一定流速的电解液通过加工间隙，这是电解加工的必要基本条件。确定电解液流速的原则，就是要满足下述两点主要功能要求。 毕业设计（论文） 19 （ 1）选择适当高的流速，能从加工间隙中带走电解产物，且使电解液流速处于紊流状态，这样有利于均匀流场并消除浓差极化。 确定流态的 判别准则为雷诺数 e （ 2（ 式中 诺数 u电解液流速 力直径 =电解液的运动粘性系数 a=过水截面的长 b=过水截面的高 当 紊流。故对应紊流状态的流速 该满足下式，即 2300 （ 2）选择适当高的流速以控制温升。大量生产实践表明，一般宜控制液槽中电解液温度不超过 45 ，至多也不能超过 50 ，通常以不超过 35 为宜。 一般而言，在上述两项要求中，控制温升所对应的流速比保证紊流状态所需要的流速更高，故确定流速的步骤是先从控制温升出发的，然后在验算是否保证紊流状态，如果不能达到紊流状态，则需要调整流速。 图 隙通道 中的流态发展过程（进口前无导流段） 毕业设计（论文） 20 根据上述抑制温升及保证紊流状态的原则确定了流速，但在夹具设计中还 必须注意在间隙进口前安排适当长度的导流段以确保从加工间隙进口开始的间隙全长均处于紊流状态。如果没有进口前的导流段，则尽管有雷诺数判据确定流态以处于紊流，而由于阴、阳极及夹具壁面对电解液的粘滞作用，使间隙中的流态分布有进口段的层流而逐渐发展到经过一定流程后的紊流状态（故此，设置进口段的导流段很有必要，而对混气加工则更需要特别注意 。 解液压力的确定 电解液的压力是指加工间隙进口处 的压力 称进口压力）和电解液输送泵的出口压力，考虑到管道中的压力损失，一般电解液泵出口压力需比电解液进口压力高 下介绍确定电解液进口压力的方法。
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