航空锻件的热锻模及其电解加工工装设计毕业论文.doc

本科毕业设计（论文）题目：航空锻件的热锻模及其电解加工 工装设计航空锻件的热锻模及其电解加工工装设计摘 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。根据研究对象航空锻件变速叉的热锻模，设计一套加工该热锻模的电解加工工装，包括：航空锻件变速叉热锻模电解加工阴极；锻件变速叉热锻模的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（正负极、阴阳极）之间的绝缘等问题。关键词：电解加工；航空锻件变速叉热锻模；工装设计Aviation Forging Die Forgings and Electrochemical Machining Tooling DesignAbstract Electrochemical machining is based on the principle of electrochemical anodic dissolution occurs in the electrolyte will be a special processing method for workpiece machining. 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:connecting the ECM cathode ring shift fork hot forging die;fixture clamping device of hot forging die machining cathode and workpiece; 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 ( positive and negative, yin and Yang ) insulation problem between.Key Words: Electrochemical machining; Shift fork forging die; Fixture design 本文由闰土服务机械外文文献翻译成品淘宝店整理主要符号表 I 电流 (A) Va 电解加工速度(m/min) 电导率（ 1 mm） Ur 欧姆电压降(V) 加工间隙(mm) M 物质的质量(g) V 物质的体积(s) K 质量化学当量g/Ah 体积电化学当量mmAh t 电解时间(h) S 面积(mm) L 长度(mm) D 孔径(mm) V目 录1 绪论1 1.1概述1 1.2电解加工基本原理1 1.3电解加工的工艺特点2 1.4电解加工的应用3 1.5电解加工技术的研究现状3 1.6课题研究内容4 1.7航天锻件的热锻模及其电解加工工装设计方案的确定42 电解加工理论分析7 2.1电解液7 2.2电解液的作用7 2.3电解液的分类7 2.4电解液的选择7 2.5 供液方式的选择7 2.6电解加工的速度8 2.7电解加工间隙分析9 2.8电极对流场的影响103 航空锻件变速叉的热锻模设计12 3.1绘制锻件变速叉12 3.2确定分模面13 3.2.1确定分模面的原则13 3.2.2分模面与分模线13 3.3锻件变速叉的基本参数计算14 3.4变速叉热模锻件公差14 3.5加工余量的确定15 3.6圆角半径16 3.6.1外圆角半径16 3.6.2内圆角半径16 3.7变速叉热锻模斜度16 3.8飞边槽结构的确定16 3.9钳口设计17 3.10热锻模压力机吨位选择17 3.11锻件毛坯尺寸的确定17 3.12预锻模膛设计18 3.13终锻模膛设计184 航空锻件变速叉的热锻模电解加工阴极的设计20 4.1阴极设计的方法20 4.2阴极材料的选择20 4.3阴极的尺寸设计21 4.4阴极的连接225 航空锻件变速叉热锻模的电解加工工装设计23 5.1航空锻件变速叉热锻模电解加工工装导电方式23 5.2航空锻件变速叉热锻模电解加工工装供液方式23 5.3航空锻件变速叉热锻模电解加工工装流场的设计24 5.4工件的定位的基本原理25 5.4.1六点定位：25 5.4.2限制工件自由度与加工要求的关系：25 5.4.3基准、对定位元件的基本要求：25 5.5工件定位方式及其定位元件25 5.6航空锻件变速叉热锻模夹具装夹设计26 5.6.1工件夹紧原理26 5.6.2夹紧装置的设计要求26 5.7夹紧力作用点的选择27 5.8夹紧力大小的确定28 5.9水套设计29 5.10底座设计29 5.11航空锻件变速叉热锻模的电解加工工装图29总 结32参考文献33致 谢34毕业设计（论文）知识产权声明35毕业设计（论文）独创性声明361 绪论1.1概述 电解加工作为正在推广的新工艺、新技术，得到了迅速发展与普及。对于形状不规则、加工困难的零件采用电解加工新工艺，可以缩短生产周期，减少劳动，提高生产率和产品质量，具有较高的经济效益与实用价值。 电解加工几乎可以加工所有的导电材料，且不受材料的强度、硬度、韧性等机械、物理性能的限制，加工后材料的金相组织基本上不发生变化。加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制，能以简单的直线进给运动一次加工出复杂的型腔、型面和型孔，而且加工速度可以和电流密度成比例地增加。电解加工加工薄壁和易变形零件过程中工具和工件不接触，不存在机械切削力，不产生残余应力和变形，没有飞边毛刺，可获得一定的加工精度和较低的表面粗糙度。1.2电解加工基本原理 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。图1.1所示为电解加工过程示意图，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。电解液从两极间隙（0.1-0.8mm）中高速（5-60m/s）流过。当工具阴极向工件阳极进给并保持一定间隙时产生电化学反应，在相对于阴极的工件表面上，金属材料对应与工具阴极型面的形状不断的被溶解到电解液中，电解产物被高速电解液流带走，于是在工件的相应表面上就加工出于阴极型面相对应的形状。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产生，在工件阳极处有电解产物产生。 图1.1 电解加工过程示意图38 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：实际溶解的原子价比计算用的原子价要高或低；除金属溶解外还有一些副反应消耗了一部分电流；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。 1.3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表面，在阴极上发生析氢反应，图1.2电解加工原理简图。 图1.2 电解加工原理简图电解加工具有如下特点： 加工范围广。电解加工是一种非接触式加工，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。 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，而且电解加工速度不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。 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。 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，不发生金属溶解反应。 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。 对难加工材料复杂形状工件的大批量生产，电解加工是一种低成本的特种加工工艺。 尽管电解加工具有诸多的优点，但是也存在一些局限性，我们在设计电解加工时要考虑到它的不足之处，利用它的优越特性，这样才能加工出更为合格的锻件，其不足主要表现为： 加工精度的稳定性不高。电解加工中，影响加工精度稳定性的因素较多，包括电解液流场、加工间隙电场、加工电源电压、进给速度等多个因素。 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。 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。1.4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，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，为实现上述战略目标展现了广阔的前景。1.5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。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(尺寸从几微米至几百微米)结构，研究如何采用电解加工经济、高效地进行加工。现在，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材料的加工，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，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。欧洲在汽车工业中已采用多工位连续自动加工机床，电解加工及清洗等工作可连续地在机床上自动完成。美国还有多头、多阴极、多工件及具有回转工作台的机床等，多用于加工一个工件的几个工序，或者同时加工几个工件，并且已有组合式结构即用标准的电解加工头组成的专用机床。作为一种新的很有应用前景的微型机械加工技术，电解加工在国内发展迅猛。1.6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：航空锻件变速叉热锻模电解加工阴极；装夹热锻模加工阴极和工件的夹具装置；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。1.7航天锻件的热锻模及其电解加工工装设计方案的确定锻件变速叉采用常规的机械加工加工困难，生产效率较为低下，而且不易加工不规则的棱角，采用常规加工方法费时费力，工序繁多，加工精度不高，纯靠操作者的经验加工，加工出的每个工件在形状和尺寸都有所差别，不能满足高精度的使用要求，所以我们不采用传统机械加工方法，选择电解加工这种特种加工方法，力求达到加工准确，形状相同，尺寸相对的高精准要求。电解加工对象选定后需要考虑电解加工的方案。我们可以从这几方面设计，电解液的选择；进水方式的确定；工件的装夹以及工具电极的设计。方案一：在阴极设计方面，针对加工工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法。加工过程中工件水平装夹，阴极平行于绝缘板进给。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，电解液选择导电能力强的溶液。在导电方面设计，由于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：在阴极设计方面，针对加工工件的几何形状采用全方位加工方式，该方式使阴极斜向进给，是阴极相对工件轴线成45度方向进给。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，电解液选择腐蚀性高溶液。在导电方面设计，由于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块上，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，针对加工工件的几何形状采用预先成型的阴极面加工，加工过程中工件阳极水平装夹，阴极平行于绝缘板进给。直到电解加工完成，由绝缘板阻断电解加工间隙电流的形成，工件阳极不会发生溶解，从而停止了电解加工。在流场设计方面，电解液选择导电能力强的溶液，由于加工间隙很小，在电解加工过程中电解产物容易阻断电流，出现短路现象，所以根据加工对象的几何形状确定流动形式为反向供液方式。在导电方面设计，由于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块上，通过阴极安装板传输到工具阴极上的方式。 综上确定方案：在阴极设计方面，在电解加工的过程中,由于成形规律受阴阳两极之间的电场，流场电极反应动力过程等因素的影响,因而其加工并非处处相等，而是依某种规律呈不均匀分布。因此生产实践中常通过多次试验和反复地手工修正来制造工具阴极。而且随着计算机技术的应用,对电解加工的阴极设计进行数值仿真,采用模拟加工的方式进行阴极设计。本设计采用等间隙的实验修正法来设计阴极，加工工件的几何形状借助于预先成型的阴极面加工而成，加工过程中工件阳极水平装夹，工具阴极平行于绝缘板向工件阳极进给。直到电解加工完成，由绝缘板阻断电解加工间隙电流的形成，工件阳极不会发生溶解，从而停止了电解加工。在流场设计方面，由于加工间隙很小，在电解加工过程中电解产很物容易阻断电流，出现短路现象，所以根据加工对象的几何形状确定具有强导电能力的电解液，供液方式为反向供液，这种供液方式能及时把电解产物带走，而不会出现空穴，短路现象，还可以保证新鲜电解液充满电解加工间隙。在导电方面设计，由于电解液采用反向供液方式，可设导流段置于电解加工主轴，电解加工阴极通过吊钩与主轴相连接，一起向工件阳极进给运动。电解加工工装通过夹具固定在工作台上，导电形式采用通过工作箱将电流传输到夹具定位块上，通过夹具定位块传输到工件阳极上的方式。这样工件阳极与工具阴极都带有一定电量，由高速流动的电解液导通两极，如此电解加工系统就可以正常工作，借助成形阴极将工件加工成形，达到我们要求的高精度，高效率，成形好的特点。2 电解加工理论分析2.1电解液 电解液是化学电池、电解电容等使用的介质，为他们的正常工作提供离子。并保证工作中发生的化学反应是可逆的。2.2电解液的作用 电解液是产生电解加工阳极溶解的载体，使得阴极于阳极之间组成电化学反应的体系，实现电化学加工，同时也是电流传送的媒介。 使得点解产物顺利排除，控制极化，使得阳极溶解能够正常连续的进行。产生的热量被电解液带走，工件基本没有温升，适合加工热敏性材料的零件。2.3电解液的分类 常用的电解液可以分为中性电解液，酸性电解液，碱性电解液三大类，中性电解液的腐蚀性小，使用较为安全，最常用的电解液有三种。酸性电解液加工精度低，腐蚀性强，表面质量差。中性电解液加工效率高，过程稳定，组分及性能基本不变，加工成本相对低，安全。适合大批量生产加工，加工精度高，腐蚀性较弱。碱性电解液氧化性强，危险性高，使用与精加工范畴。2.4电解液的选择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，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一个有效途径。2.5 供液方式的选择 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。据此将其分为正流法、反流法和侧流法如图2.1所示的3种基本供液方法。 图2.1 供液方式 同一电极当采取不同的进液方式时（正水，反水，侧水）加工间隙内的流动状态是不同的，即间隙内流速，压力，导电率，电流密度的分布不一。则加工的结果必然各自存异，到底取哪种进水适合，就应该考虑加工对象的形状，特点，工具电极和夹具的结构以及加工的稳定性等有关因素。电解加工的实验和理论表明，取反水或侧水的进液方式要比正水来的稳定且加工精度高，正水加工时出口处间隙小，含气量大，流速低，和反水相比底面精度差，易发生短路，加工稳定性不好。进水方式还得根据工件，电极，夹具的特点总体情况确定。2.6电解加工的速度 电解加工的速度是衡量电解加工速率的一个重要指标，我们需要根据实际需要的欧姆电压降，电流计算，不能一味追求速度，不顾电解加工安全可靠的进行。电解加工速度由公式2.1计算得出。 (2.1) 公式中：电导率（mm），Va阳极工件金属被加工法线方向的溶解速度，即电解加工速度(mm/min)，欧姆电压降(v)，加工间隙（mm）设电流的效率=100%，查表得知钢材的体积电化学当量为=2.22 mm ,电导率=0.02,=15-2=13v, =142=12v,=152=13,=132=11,=152=13。开始的蚀除速度： (mm/min) (mm/min) (mm/min) (mm/min) (mm/min) 解的： = 3.175(mm/min) = 2.939(mm/min)(2.886mm/min) = 2.4429(mm/min)2.886(mm/min) 电解加工中蚀除速度Va 与电流效率 、体积电化学当量 、电导率 、欧姆电压 Ur 成正比，而与电极间隙 成反比，即电极间隙愈小，工件被腐蚀去除的速度将愈大。但间隙过小将引起火花放电或者电解产物特别是氢气排泄不畅，反而降低腐蚀去除速度或易被脏物堵塞而引起短路。当电解液参数、工件材料、电压等均保持不变时，即 Ur=C（常数）。2.7电解加工间隙分析电解加工中大部分的微孔窄缝加工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2.2所示。 图2.2 电解加工间隙示意图 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。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，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，表2.1是不同工序的平均间隙范围，表2.2是不同电解加工方式的加工间隙范围。表2.1 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 0.20.25100200mm 0.150.5 0.250.3200300mm 0.30.8 0.30.5电解车削预钻通孔（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表2.2 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 00.052.8电极对流场的影响电解加工中，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。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。3 航空锻件变速叉的热锻模设计3.1绘制锻件变速叉 根据设计要求选取变速叉作为研究对象，按尺寸画出变速叉锻件图如图3.1，3.2所示。图3.1 变速叉锻件二维图 图3.2 变速叉锻件三维图3.2确定分模面3.2.1确定分模面的原则 容易脱模必须保证锻件沿打击方向从锻模中能顺利取出，是确定分模面的最根本原则。通常把分模面选在最大水平投影面位置。 成形良好坯料在锻模模膛受压后，充填水平方向比较容易，充填模膛深度方向比较困，即压成形不易获得成形良好的锻件。使上下模模膛深度大致相等，锻件头部尖角处才能成形饱满。 平衡侧压力为防止锻模在侧压力作用下错移，应避免落差不对称分模应尽量采用同一平面，或两件对接以平衡侧压力。 保证承力面强度锻件主要承受剪切应力的面，不宜作分模面。分模面周围设计有飞边槽，坯料流线呈水平分布，加上切除飞边时造成的微裂纹都会降低锻件强度。 简化锻模制造对于倒度小于直径的圆盘类锻件，一般采用径向分模，径向分模使锻模模膛及切边模均为圆形，便于加工。锻件分模位置合适与否关系到锻件成形，锻件出模，材料利用等一系列问题。该设计对象属于长轴对称件，选择表面投影最大的面作为分模面如图3.3所示。图3.3 分模面位置如图中线3.2.2分模面与分模线锻模的分模面是指上下模的分接面。分模轮廓线是指终锻模膛分模面与锻件轮廓的交线。分模轮廓线在视图平面上的投影称为分模线，锻件图上分模面是用分模线来表示的，变速叉的形状是上下对称，选择正投影面积最大的面作为分模位置。3.3锻件变速叉的基本参数计算 (1) 锻件在分模面上的投影面积 S= =1984.3544+706.5+506.24 =3197.0944mm cm (2) 锻件的周边长度 (3) 锻件的体积 （4）锻件的质量 (5) 锻件的复杂系数 简单件C1级 0.63C=1 一般件C2级 0.32C=0.63 较复杂件C3级 0.16C=0.32 复杂件C4级 0C=0.16 所以变速叉的复杂系数是C3级。工件较为复杂，采用机械加工加工困难，生产效率较为低下，而且不易加工不规则的棱角，采用常规加工方法费时费力，而且工序繁多，加工精度不高，所以不采用传统加工方法。选择采用电解加工，加工中不存在机械切削力，所以加工后零件表面无残余应力，不会产生由于切削力所引起的残余应力和变形，没有飞边和毛刺，表面粗糙度可达模锻型腔为0.050.20 毫米的加工精度。一次成型，工序简单，无接触加工，从根本上解决工件因加工产生的变形。3.4变速叉热模锻件公差 在模锻过程中由于毛坯料体积及终锻温度的波动、模膛磨损及上下模运动误差都会导致锻件尺寸出现偏差。模锻件公差主要由锻件质量m、锻件形状复杂系数s、材质系数M和分模面形状确定，同时要考虑锻造工艺、锻造设备和加热方法等。锻件长度、宽度和高度公差是指在分模面一侧同一模块上的公差。错差是锻件在分模线上下两部分对应点偏移距离。残留飞边公差是指锻件在四边后其横向残留边或切人锻件深度。图3.4是锻件的长度、宽度、高度及错差残留飞边公差。图3.4 锻件的长度、宽度、高度及错差残留飞边公差 变速叉模锻件的长度公差为，宽度公差为，高度公差为。3.5加工余量的确定加工余量的确定与锻件形状的复杂程度、零件的精度要求、锻件的材质、模锻设备、工艺条件、热处理的变形量、校正的难易程度、机械加工的工序设计等许多因索有关。机械加工余量也并不是越小越好，为了将锻件的脱碳层(约0. 5mm)和表面的细小裂纹去掉，留有一定的加工余量是必要的。加工余量主要由图3.5锻件质量、零件机加工精度和锻件复杂程度确定。 图3.5 锻件质量、零件机加工精度和锻件复杂程度 变速叉锻件表面粗糙度为Ra=1.6um，加工精度为F1，厚度尺寸的单边余量为1.5-2.0mm，水平方向尺寸单边余量为1.5-2mm，均取2mm。3.6圆角半径锻件上的圆角可以使金属容易充满模膛、起模方便和延长模具使用寿命。圆角半径太小会使锻模在热处理或使用中产生裂纹或压塌变形，在锻件上也容易产生折纹。所以在制件公差允许条件下圆角半径应尽可能大。3.6.1外圆角半径 锻件上的凸角圆角半径称为外圆角半径r，它与模膛内凹处的圆角半径相呼应。r太小，会使锻件成形困难，导致锻模因应力集中开裂。一般情况下r取值按r=余量+a确定，其中a是零件上的圆角半径或倒角。r=0.05H+0.5=1.5mm，为便于模具制造，采用标准刀具，圆角半径按下列数值选用(单位mm)：2.0，2. 53.0，4.0，5.0，6.0，8.0，10.0，12.0，16.0，20.0，25.0，30.0，40. 0，50.0，60.080.0，100.0。取r=2mm。3.6.2内圆角半径 锻件上的凹角圆角半径称内圆角半径R，它与模膛内凸处的圆角半径相呼应。R太小，会使脱模困难，还会造成模锻时金属流动形成的纤维被割断甚至产生折叠。一般情况下R值按 R=（1.52.5）r 确定，R=2.5r+0.5+4.25mm，取R=5mm。3.7变速叉热锻模斜度 为了使锻件易于从模膛中取出，一般锻件与模膛侧壁接触部分需带一定的斜度，这斜度称为模锻斜度。锻件在冷缩时趋向离开模壁的部分为外模锻斜度，用“表示：反之为内模赧斜度，用表示，模锻锤、锻压机和螺旋压力机上锻件的外模锻斜度a，按锻件各部分的高度H与宽度B以及长度L与宽度B的比值H/B、L/B确定，内模锻斜度按外模锻斜度值加大23度 (15度除外)。当模锻设备具有顶料机构时，外模斜度可缩小23度，但一般不宜小于3度.在同一锻模上不宜选用过多种模锻斜度，我们研究的变速叉模锻斜度为7度。3.8飞边槽结构的确定开式模锻的终锻型槽周边必须设有飞边槽，根据不同锻件对各项工艺参数的不同要求，选取适当的飞边槽，其尺寸参考10MN热锻模压力机的数值，选定：桥部高度h=1.6mm；宽度b=8mm；=25mm；入口半径=1mm；=2mm；=2mm；=2mm；飞边A=144。3.9钳口设计钳口位于预锻模模膛和终锻模樘的前方。由夹钳口和钳口颈两部分组成，夹钳口在模锻时放置棒料及夹钳。钳口颈是用于加强夹钳料与锻件之间的连接，便于锻件起模如图3.6所示。图3.6 钳口3.10热锻模压力机吨位选择为了算出总变形面积A=A+L，参考实用锻模设计与制造，取飞边桥部的平均宽度为b=10mm。这样可以算出总变形面积A=3200+43010=7500mm。冷态时材料强度为600-700MPa。按公式P=KA，确定吨位为10MN。因此选用现有的10MN热锻模压力机。3.11锻件毛坯尺寸的确定 由热锻件图可知，该锻件具有较大的弯曲，对于弯曲轴线类锻件应先将轴线展开成直线，然后在确定毛坯的尺寸如图3.7和表3.1所示。 毛坯的长度L=125mm 毛坯的体积 毛坯的平均截面积 毛坯的平均截面直径图3.7 计算毛坯图表3.1 某些截面面积参数 1 2 3 4 5 6 7 8 1068 580 1204 540 420 630 685 120 216 216 216 216 216 216 216 216 1284 796 1420 756 636 846 701 336 39.5 31.6 41.8 29.8 27.2 32.1 30.2 20.3 根据锻件的形状特点选取8个截面，绘出变速叉的截面图，计算毛坯 图用热锻件尺寸计算，这样有利于型槽的设计。3.12预锻模膛设计 预锻模膛仅用来减少终锻模膛的磨损这种情况下，预锻模膛设计和终锻模樘基本一样，只有外圆角半径比终锻模膛相应处大1-2mm，分模面处的圆角也应大些。预锻模膛主要用来改善终锻模膛的成形条件，这种情况下预锻模膛设计与终锻模膛的区别，从三方面考虑其设计：模膛的宽和高；为保证锻件成形饱满，毛料在预锻模膛高度要比终锻模膛高2-5mm；一般情况下，预锻模膛倾斜与终锻模膛相同，对于难充满部分增大2-3度，外圆角半径增大2-3度。3.13终锻模膛设计终锻模膛是模锻时最后成形用的模膛，其尺寸和形状应与热锻件图上相应的部分形状尺寸一致。终锻模膛的设计主要是根据热锻件图增加冷缩值并考虑生产的实际因素而绘制。变速叉的冷缩率是1.5%，终锻模见图3.8所示。 1 上模 2钳口 3下模 4飞边图3.8 变速叉终锻模4 航空锻件变速叉的热锻模电解加工阴极的设计4.1阴极设计的方法 电解加工以其加工效率高，表面质量好，无工具磨损，无残余应力等优点广泛地应用于航空航天汽车医疗及电子工业等领域。然而由于电解加工过程的复杂性及众多因素的影响使得电解加工在现代高精密制造业发展中裹足不前其中一个极为重要的问题就是阴极工具的设计，设计阴极工具的形状精度和尺寸精度直接影响到工件的表面加工精度。电解加工阴极工具设计是成形规律理论的直接应用。在电解加工的过程中,由于成形规律受阴阳两极之间的电场，流场电极反应动力过程等因素的影响,因而其加工并非处处相等，而是依某种规律呈不均匀分布。因此生产实践中常通过多次试验和反复地手工修正来制造工具阴极。而且随着计算机技术的应用,对电解加工的阴极设计进行数值仿真,采用模拟加工的方式进行阴极设计。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，并且采用自由边界的数值算法，保证算法的收敛性。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。4.2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。4.3阴极的尺寸设计 我们在研究变速叉热锻模电解加工的时候才有等间隙修正法，变速叉主型腔阴极的设计根据给定的模型获得的零件图可的，电解加工在工件与阴极之间间隙大于等与一个毫米则不发生电解加工反应，故阴极的设计应该遵循电解加工的原理，加工锻模材料为合金钢材，所设计的阴极材料采用金属铜，采用黄铜可以增加电解加工的效率和提高加工成型零件的表面质量。阴极的尺寸的确定，阴极的尺寸应当小于零件的尺寸大约为一个毫米，考虑加工中的误差以及加工间隙的流场问题，加工过程防止电解液成为死水，导致电解加工的短路而烧伤阴极等情况，所设计的阴极应该比原零件小 0.1 个毫米。 阴极的尺寸：长 面积 体积 重量 进液孔的直径是6mm，其截面面积，变速叉热锻模的电解加工工装有2个进液孔，。阴极中有流出电解液的小孔，每个小孔流出的电解液相同，小孔的面积为，我们可以计算出整个阴极中有N个小孔。 （个）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。进液孔过液面积，根据电解加工要求，加工间隙要充满电解液，且在电解加工间隙内具有一定压力，所以进液孔面积是初夜孔面积的1.5倍。出液孔面积就因该为：，所以出液孔的直径选用直径为8mm的孔。根据查阅参考的资料以及试验的经验，进给速度的快慢对阴极设计有很大的关系，进给的速度快，加工的间隙小。反之，进给的速度慢，加工的间隙大。变速叉热锻模电解加工的加工间隙为0.1mm主型腔阴极的尺寸： ， 各个部位的尺寸都减小0.1mm，则根据等间隙分布的原则可设计出变速叉热锻模电解加工的阴极的形状与尺寸，如图4.2所示。所设计的阴极应该比原零件小 0.1mm。图4.1 电解加工阴极4.4阴极的连接 电解加工工装的工作过程中，首先固定阴极，如图4.2阴极与阴极安装板之间的连接图所示，螺栓M5是为了固定并与连接板相连。而吊钩与电解加工主轴相连，主轴移动引导整个阴极部件上下移动加工工件。对于工件，必须准确放入加区域，用螺钉通过固定圈连接，在于外压套共同作用压紧工件，定位圈通过螺栓固定在底板上，为了防止螺栓松动，增加弹簧垫圈。然后，把底板与电解加工的工作箱连接导通电，阴极与电解加工主轴相连，给主轴箱导电，阴极自然会导通，再把整个工装固定在机床上进行加工。加工时，先通电解液，之后再连接电源进行加工，加工完毕，停止供电，供液。把固定螺栓解开，把工件取出。这样就可以完全的达到要电解的目的。1 工具阴极 2 聚液板3连接板图4.2 阴极的连接5 航空锻件变速叉热锻模的电解加工工装设计5.1航空锻件变速叉热锻模电解加工工装导电方式电解阴极的导电方式分以下二种:一种是槽间导电板搭接导电方式,另一种是阴阳极板夹接导电方式。槽间导电板搭接导电方式比阴阳极板夹接导电方式,导电接触电阻小, 电耗小，电压降小，接触面积大,压力大。1. 铜排2. 电解槽3. 阴极板4. 阳极板图5.1 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5. 槽间导电板 图5.2 槽间导电板搭接导电示意图 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,本次设计选择槽间导电板搭接导电方式。5.2航空锻件变速叉热锻模电解加工工装供液方式 由于加工间隙很小，在电解加工过程中电解产物很容易阻断电流，出现