4333数控电解机床电解液输送装置系统设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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4333数控电解机床电解液输送装置系统设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,数控,电解,机床,电解液,输送,装置,系统,设计,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
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南京理工大学 紫金学院 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 吴文俊 学 号： 060104206 系 ： 机械系 专 业 : 机械工程及自动化 题 目 : 数控电解机床电解液输送装置系统设计 指导者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 2010 年 5 月 赵建社 副 教授 毕业设计说明书（论文）中文摘要 本课题主要是为了推广电解加工技术， 对现有数控电解机床 及其电解液循环过滤系统 进行改造。电解加工由于加工效率高、无工具损耗等显著优点， 在难切削材料复杂型面、型腔加工方面 获得了越来越广泛的应用，而多轴联动数控机床一般都是针对具体加工对象进行设计，且进口设备价格昂贵，因此， 基于实验室现有设备进行改造设计，并对电解液输送系统在保证现有循环过滤的基础上，增加恒温及压力控制装置，使得加工过程中电解液参数易于精确控制，从而提高电解加工精度，对于电解加工工程应用具有重要 意义。 本课题中，设计了电解液槽的方案，电解液的 过滤 ，搅拌，增加了温度控制系统，用电子程序对温度进行控制，选择了合适的泵，可以保证电解加工对电解液的要求。加入了搅拌系统可以控制电解液的浓度，以保证加工质量。 关键词 电解加工 电解液 过滤 温度控制 电解液槽 毕业设计说明书（论文）外文摘要 is to to C to CM no in of C of is to on in in CM is in of is to of of in to 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页 目 次 1 引言 . 1 2 电解液输送装置的总体设计思路 . 3 解液输送装置总体方案论证 . 3 3 电解液槽总体结构设计 . 6 计基础及分析 . 6 解液槽材料的选择 . 6 解液槽结构设计 . 6 3 4 电解液过滤器的设计和选择 . 7 4 电解液搅拌装置设计 . 9 拌叶轮的选用 . 10 拌系统传动方案设计 . 12 拌支架的结构设计 . 14 5 温度控制系统设计 . 18 度控制硬件电路的设计 . 18 度控制的算法 . 21 度控制程序设计 . 22 结论 . 33 致谢 . 34 参考文献 . 35 of it is to in to D D be to In of 2001 in of of in of is 13. In to of 1. be be to to be at 5 in in to it is to a of of is is 2 . is in is by is a is (1):)of of an on t be q. (2):t )1,4, is q. (3):s Bt )(2) 3) of of of 1)(3), (4) ) 2 E is of Z of 09 (2001) 333338*1/$ 2001 S 09240)00816of k U E of to of b in s t 2 it in c b of be a In be )of of 4), n of ;c )F of in a it of of of of at is in is 1. of 2. of E: 1 P:C6 4 2: of in so 1,23. CM of 1:2: 3: of s: t; b: . M. 09 (2001) 333338of of is of of of by of of is of it is to on 2,3 it is be so of be in a be 2 . In of of in of 9 mm=U 8 20 1:3c 0 5mm=of on of b 5 u; or of in to In it is to of of a, D (of in to 4 . of 64 c 4, c to of in of As a is In 5 c of in as a of is in 4. of on of vp(6)6 on of of of . is an 7 be a as it in of be 912). k 0:13 0. In j f U;r. M. 09 (2001) 333338 335911 of of 9)of 12). In of is to is be of 4. in to U 17 V, mm= c 3:75 mm=71 D 0:109 03 D 0:169 5. in to U 17 V, mm= c 1:25 mm=99 D 0:008 04 D 0 6. f U; mm c 1:25 mm=to D 0). M. 09 (2001) 333338be 4). it is in is in 5) on of is of of 13it is to it is to in of is 7. ;:25 mm=8. ;:25 mm=9. . 1: 2: c 2:5mm=U 14 V, mm=10. 1: 2: c 2:5mm=U 14 V, mm=11. c . 1: 2: U 14 V, mm=12. 1: 2: c 2:5mm=U 14 V, M. 09 (2001) 333338 337It 12)1is of of of in of is in of of is by of in be in of of on is b/c is an is as of in in of is as a of in of be to In to be to o. 8 8534 9102), of J. A. R. L. DaD of 1021, 1995,205210.2 A. i zof in 76,1989, 157 s.3 A. i z BN i ( (of of (, 1994.4 A. J. . M. 09 (2001) 333338 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 吴文俊 学 号： 060104206 专 业 ： 机械工程及自动化 设计 (论文 )题目 ： 数控电解机床电解液输送装置系统设 计 指 导 教 师 : 赵建社 2010 年 3 月 19 日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 特种加工技术属于机械制造学科的科研 前沿。电解加工是特种加工技术中应用最广泛的技术之一尤其适合于难加工材料、形状复杂或薄壁零件的加工。 加工时，工件为阳极，接电源正极；工具为阴极，接电源负极，极间通以 524时保持一定的加工间隙，间隙内流过具有一定压力（ 电解液 (一般为中性盐的水溶液，常用的为 ，阳极逐渐溶解，电解产物被高速（ 550m/s）电解液带走。如果工件初始形状与工具阴极形状不同，则工件上各点距离工具阴极型面的距离不同，相应地，各点的电流密度（一般为 10500A/不 同。距离近的位置，相应的电流密度相对较大，阳极溶解速度快；反之，距离远的位置，电流密度小，相应的电流密度相对较小，阳极溶解速度慢。经过一段时间的电化学溶解，工件表面形成与阴极工作面基本相似的形状 2。 电解加工以其加工速度快，表面质量好，不怕材料强、硬、韧，无宏观机械切削力，工具阴极无损耗，可用同一个成型阴极作单方向送进而成批加工复杂型腔、型面、型孔等优点 15， 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加工锻模型腔、深孔、小孔、长键槽、等截面叶片整体叶 轮以及去毛刺等，取得了显著的技术经济效果 5。 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 6。 电解加工设备是一个完整的配套系统，由机床、电源、输液系统、以及控制系统四大部分组成 1。 在国内 ,南京航空学院、西北工业大学，航天航空工艺研究所和首都机械厂等单位相继开展了脉冲电流电解加工的研究。尤其是在 1987年 流两用电源 (脉冲电流峰值达 5000安培 )12。近几年来华南理工大学等又开展了高振窄脉冲 电解加工的研究，最小加工间隙 加工精度显著提高 13。可以预见，高频窄脉冲加工将成为提高电解加工精度的最重要手段之一。 近年来我国生产企业的数控机床拥有率率逐年上升，在大中型企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用 14。在这些数控机床中，除少量机床以都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态 3。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主 4。 电解液的研究和改进方面， 七十年代初，除了传统的 际上也开展了以 国是较早研究非线性电解液的国家之一，在八十年代初，合肥工业大学通过对电流效率曲线的试验研究，证明低浓度 7。在此基 础上，又对非线性复合电解液进行了深入研究，获得一系列适合不同加工材料的电解液配方，从而在满足提高加工精度要求的同时，又克服了低浓度非线性电解液的电流效率和电导率低的缺点，因而更适合于实际生产 8。 正确使用电解 液是电解加工的重要条件电解液在电 般其反应能力对于铁、铬、镍等金属以卤素族作电解质能力最强，而以 解液还要有利于避免正离子沉附于负极，以这点来说， 解液的溶剂要求有较高的导电率外，还要有较低的粘度，以利于离子的流动，以水溶液为佳 12。常用的电解液有 12 18的氯化钠溶液和 14 20硝酸钠溶液，一般由于氯化钠溶液腐蚀速度比硝酸钠溶液快，所以常用于去除大量材料的加工，如电解针阀体盛油槽，泵体内孔去毛刺等。相反，硝酸钠溶液的 加工精度比氯化钠溶液要高14。 电解液的各种参数对电解加工过程有显著影响的是浓度和温度一般在其它条件相同时，电解液浓度低，表面粗糙度就好，加工精度就较高 18。另外，实践证明，当电解液的温度高于 4O 5O时，加工部位表而质量明显破坏，精度下降，为了不影响生产效率 温度下限也不宜过低，一般控制在 3o 35 以保证加工尺寸的一致性 16。 电解液系统还必须有足够的流速，藉以清理正极表面，带走沉淀物，并冷却加工反应区，因此，电解液系统应实现较高的压力一般为 5至 15个大气压与较大的流速 5 m s10 m s15。另外，电解 液 必须经过过滤，把腐蚀物和杂质过滤出，不但加工质量好，而且不容易短路。目前过滤的方法有沉淀过滤，离心过滤，陶瓷芯 (纸芯 )过滤三种 17。 本课题中，设计要求 电解液输送系统在保证现有循环过滤的基础上，增加恒温及压 力控制装置，使得加工过程中电解液参数易于精确控制，从而提高电解加工精度 。 即包括电解液输送装置设计和电解液温度控制系统设计两部分，其输送装置是为了满足电解加工过程中对电解液的过滤、输送、压力、流量控制等要求，其温度控制系统是为了满足对电解液温度实现智能控制的要求，这一设 计可以提高电解加工机床的智能化、数字化程度，可以提高生产效率、减小工人劳动强度、提高经济效益。 电解液的温度控制系统的设计是本次设计的关键，电解液的温度是影响电解加工的重要因素 ，为了精确的方便的对电解液温度进行控制，我将选用 80后同过编制汇编程序以达到温度恒定控制的要求，这套系统可达到对电解液温度的精确智能控制。 本课题还要求设计电解液液压控制系统，可以选用合理的液压元件和动力元件构成整个装置可满足方案要求，以达到对电解液的流速和压力的控制。 参考文献 ： 1 王建业 , 徐家文 . 电解加工原理及应用 M. 北京 : 国防工业出版社 , 2 刘晋春，赵家齐，赵万生 . 特种加工 M. 机械工业出版社， 83 3 北京市金属切削理论与实践编委会 . 电解加工 J. 北京 : 北京出版社， 1981 4 朱荻 M. 南京航空学院博士论文 , 1985 5 洛阳拖拉机厂等 . 锻模混气电解加工总结 (一 )M. 电加工， 1977(3) 6 余承业等编著 . 特种加工新技术 M. 北京 : 国防工业出版社， 1995 7 朱树敏 . 低浓度硝酸钠电解液的特性和应用电加工 M. 1983(4). 8 朱树敏 , 陈淑芬 , 张海岩 . 低浓度复合电解液的性能及应用 J. 电加工， 1985(6) 9 K DM of 1995). 10 钱军 . 精密电解加工及大功率脉冲斩波器的研究 . 南京航空航天大学博士 论文J， 1996 11 金庆同 , 余承业 . 探讨赶上国际先进水平的途径 . 全国电加工学术年会论文集 M. 1993. 12 朱树敏，沈光祖锻模的脉冲电流电解加工 J. 电加工， 1990(1). 13 王建业电解加工技术的新发展 高版窄脉冲电流电解加工 J. 电加工， 1998(2) 14 张永俊数控展成法电解加工扭曲叶片整体叶轮的研究南京航空航天大学博士论文J， 1994. 15 电解加工编译组编译电解加工一根据国外资料编译 M. 北京 : 国防工业出版社 , 1977. 16 朱荻 . 国外电解加工的研究进展 J. 电加工与棋具， 2000(1). 17 徐锦康机械设计 M北京：机械工业出版社， 2001 18 章成军 . 电解加工原理及应用 . 上海浦东依维燃油喷射有限公司 J. 2003. 19 丁苏赤 , 陈远龙 , 万胜美 . 基于可编程控制器技术的新型数控电解加工机床 J2004,(1)： 29 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 一 要求解决的问题： （ 1） 根据电解加工机床的设计要求 ,设计电解液槽的结构。 （ 2） 电解液的恒温 控制，系统要求对电解液的温度有精确的控制，以达到更高的电解加工精 度。 （ 3） 电解液的液压输送系统，要求能精确控制电解液输送的流速和压力。 二 解决的方法： （ 1） 学习电解加工的基本原理， 要严格按照毕业设计任务书的要求及安排的进度 ， 在综合运用机械工程及自动化专业知识的基础上，设计合理的符合任务要求的系统装置。 （ 2）采用 80片机及相关硬件组成微机基本系统 采用汇编语言进行单片机编程，以实现温度控制 ，并采 用 热电耦、键盘、显示管等硬件与上述硬件设备共同构成温度控制模块 ,安装加热和冷却装置，以调节温度。 （ 3） 液压输送系统选取液压泵，电动机，和 溢流阀 ， 节流阀 ， 单向阀 等液压元件来组成。 （ 4） 电解槽选用玻璃钢来制造，安装过虑网，采用 4 级逐级过虑方法，设计 4 个电解槽，使电解液流经自然沉淀。 （ 5） 使用 二维工具，完成液压控制输送系统及电解槽的结构、零部件和总体设计等。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 指导教师意见 ： 1对“文献综述”的评语： 从文献综述可看出已经查阅了较多资料， 对电解加工原理、设备及电解液系统有了初步认识，对国内外研究情况进行了较详细的介绍。但有总体思维逻辑顺序有点混乱，希望更进一步阅读资料进行整理分析，以利于在后续设计工作中借鉴和参考。 2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 本课题是在研省部级研究项目中的一项重要研究内容，需要学生参与实质性的科研设计工作，对电解加工设备有个总体认识的基础上，设计电解液循环过滤系统，涉及知识面比较广泛，工作量较大，但已经有较好研究基础，开题报告表明学生对需解决的问题明确，拟采用的研究方法可行，通过学 生的努力，能够完成预计工作，达到预期效果，同意开题。 指导教师： 年 月 日 所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 系： 机械 工程 系 专 业： 机械工程及自动 化 姓 名： 吴文俊 学 号： 060104206 外文出处： 附 件： 指导教师评语： 译文基本能够的表答出原文意思，专业术语翻译基本准确，语句基本通顺，但个别专业术语还需进行修改，对译文还需要进一步认真整理，消除不符合汉语习惯的一些用法和句法。 签名： (用外文写 ) 在电解加工中应用 平头 通用电极的数学建模 械加工学院 克拉科夫 波兰 摘要： 研究已证明在 电化学沉没 中应用通用电极可能 比传统方法更为精确。使用球端的通用电极时，大部分的成型表面可通过 三维 电极位移控制系统加工 ， 而使用平头 通用电极 加工成型表面时，通常必须使用 五维 电极位移控制系统 ，而且可能获取更高金属切削率 。 本篇论文将 介绍 有关应用平头矩形通用电极的早期研究成果。 关键词： 数学建模； 通用电极 ； 加工 前人 关于 在电加工中使用 球端电极 的研究已证明此种加工方法十分有用，尤其在成型表面的精加工方面。 在加工中 使用 球端电极的主要劣势在于其低金属切削率 1正是为了提高金属率，才进行关于 平头 电极 的研究。图 1 中是分别用 球端电极和 平头矩形 电极 进行定型表面加工的图解。平头 电极 应满足的条件是：电极的对称轴要垂直于加工的定型表面。 要满足上述条件，电极的位移应控制在 4使用 球端电极，则电极位移应为 3个坐标。 为了给 建造配置有 5个 位移控制单位 的试验台 提供依据 ，需要进行 加工平整表面的初步研究 。首先建立了数学模型，然 后开始进行试验，如图 2所示。 2. 数学模型 图 2和图 3中展示了 加工流程的分析 。矩形通用电极被置于加工的表面之上，电解加工反应只在电极下方区域发生。电解液通过特殊的输送管到达加工 件 反应区域，电极正是位于输送管之内。一个电子过程 内， 消耗材料为 a（等式 1） （ 1） 一个电子过程 内，加工表面上任一点的加工时间 得出： （ 2） 相应地，间隙宽度可通过等式 3求出： （ 3） 通过等式 2和等式 3可以看出，一个电极反应时间后，间隙宽度随电极位移速度的增加而减少 ，随加工时间的减少而减少。 将等式 1可得出等式 4： （ 4） 在等式 4中， 电解溶解过程的 电流 效率 ，是被加工材料的电化当量，是电解液的导电率，是极间差压，是一个电极反应时间内所消耗材料的密度， 电极面与被加工材料之间的距离，即连续电极反应时间内最初的间隙宽度， s 是任一电极反应时间后的间隙宽度， t 是连续电极反应时间内的加工时间。 图 1中是分别用 球端电极和 平头矩形 电极 进行定型表面加工的图解。 图 2 中反应后的结果是， cb 的时候，加工相同领域可在数个电极反应时间内完成。这样，所有消耗的材料可以如此得出： （ 5） 这个关系式中， 消耗 材料的总厚度 ， 从第四个关系式得出的第 间中消耗材料的 厚度 ， 图 ，（ 2）机械加工表面以上移动通用矩形电极电化学加工的方案。 电极 1铜制成 ， 工件由 （硬度 64 制成 的， 2：电极定位在第一阶段（东 1），第二阶段（ 材料消耗率： （ 6） 上述关系式中， 金属切削率， F 垂直与电极位移的横截面上的材料消耗 图（ 3） 图（ 3） 方案的 形通用电极的加工， 机械加工表面上移位。 电极位移速度 ； 1： 工件； 2：电极 工具 ； 3：电解质供应到喷嘴间隙的差距 ； 厚度的初始间隙间隙 ； s：厚度时间 ； b： 电极长度。 上述关系式的结果为： 随着电极位移的速度加快，消耗材料的密度降低，因为一个电极反应时间内的加工时间也减少； 金属切削率随电极位移速度的加快而升高，然而，消耗材料的密度也同时降低，也就是说，当电极位移的速度高于最佳值，金属切削率随电极位移速度的增加而降低； 随极间电压的增加，消耗材料的密度和金属切削率也上升，因为电解强度也增大； 随着最初间隙宽度值的降低，电解的密度和强度增大，这正是消耗材料密度和金属切削率增加的原因； 然而，对于低间隙宽度值来说，水动力条件变坏，就会引起氢浓度和电解液温度的升高，从而限制电解的强度； 消耗材料的 厚度 和金属切削率随电极尺寸 的增大而上升；然而，电极尺寸总因加工区域不断恶化的水动力条件而受到限制； 随着 电极横向进给的 增加，加工时间相反减少，这正是消耗材料密度降低和金属切削率上升的原因。 从上述例子中很难推算出表面波度（连续电极反应时间中边缘的形状误差）； 若将前人有关球状尾端电极的研究考虑在内，那么可以说波度应该随 电极的 横向进给 增加而增加； 电极的 横向进给 应该谨慎选定 ， 从而使 被加工表面任一区域的加工总时间恒定； 波度也将由加工材料的电极端再生决定；等试验测试结果分析完成后才可能给出更详细的解释。 图 2与图 3中所展示的内容已落实于试验。而在对间隙中现象的分析结果中，以下几个因素被特别列出。 输入因素： 极位移的速度 , 极间电压 ,U=8o 最初间隙宽度 ,一个电子过程 内 横向进给 ,c=0出因素： 工时消耗材料的总密度 D 加工表面波度（连续电极反应时间中边缘的形状误差 ） 属切削率 恒定因素： 入电解压 , 电极尺寸， b=5极材料为铜 工材料为硬化钢 e 硝酸钠溶液的浓度 ,5% 为展示试验测试结果，应用了神经网络。与回归方程式相比，神经网络大大减少了近似化得错误。在已介绍的研究中，应用了三层的神经网络。这些网络的应用，使尽快找到加工 过程中各参数值的指标变得极为方便 。加工过程中的主要技术指标有： A， D 和 F（求金属切削率的必要条件），这些指标都是从为加工表面垂直于电极位移的横截面所作的轮廓图中得出。这些轮廓图的具体例 子，请参考图 4和图 5。神经网络得到的其他实验结果则显示在图 6 从图 4和图 5 中可以得出，对于 向进给 步解释是正确的。在图 4所示例中，与电极尺寸相比， 因此，被加工的表面上，不同区域会有不同的总加工时间，这样就导致波度 5所示例子 中， 横向进给 加工时间也大体保持稳定。这时，波度 中的 极端再生很大程度上是由极间电压 定的。（见图 6） 从图 6中可得出，被加工材料中的电极端再生是由消耗材料的厚度 决定的，波度 D 随着电极位移速度的降低而增大，随极间电压 U 的上升而增大。然而， 最小。图 7与图 8中展示的关系可通过一个数学模型解释。 下面将比较实验测试结果和理论计算 ,如图 9理论计算以如下假设为条件： 。事实上，上述详细说明的系数并不是恒量，总随过程中参数的变化而变化（尤其是当前密度）。 图（ 4） 机械 加工表面断面方向垂直于电极位移的工艺参数： U=17V, o=c=实验测试 );=论计算 ) 图（ 5） 机械加工表面断面方向垂直于电极位移的工艺参数：U=17V,o=c=验测试 );=0论计算 ) 图（ 6） 关系式： D=f(U,Vp)c=据数学模型 ,D=0) 从图 9结果中可以看出，通常情况下，试验计算和理论计算的结果差异并不大，但也有例外的情况。例如，极间电压和极间位移速度的微小值。在这 种例子中，由于高电极的 极化作用和负化现象，现实中的程序就被同样的极间差值所阻止了，然而依据上述数学模型所实施的理论过程并未考虑在内。 这就解释了理论测量和实验测量 U和 微小值为何有如此大的差距。 数学模型同样适用于波浪形的计算。但只能计算从机器表面不同部位的机械时间差得来的波浪形。使用这种模型有可能计算出机械区域里电极边缘复制得来的波浪。但如果机器表面任意一点的机械时间是固定的，这种波形的成分就在分析案例中（如表 5 和 6）不是 很重要了。 图（ 7） 图（ 8） 图（ 9）关系式 曲线 1：实验测试结果，曲线 2：当使用上述呈现的数学模型，计算其他参数的结果： c=14V,p=30mm/ 图（ 10） 关系式 。曲线 1：实验测试结果，曲线 2：当使用上述呈现的数学模型，计算其他参数的结果 :c=14V,0mm/图（ 11） 关系式 。曲线 1：实验测试结果，曲线 2：当使用上述呈现的数学模型，计算其他参数的结果 :U=14V,p=30mm/ 图（ 12） 关系式 。曲线 1：实验测试结果，曲线 2：当使用上述呈现的数学模型，计算其他参数的结果 :c=14V,4 将以前的调查结果及上述考虑包括在内，我们就可以说在平端面电极的运作下就有可能达到与圆头形电极运作相比更高的金属切削率和更小的机械加工面波形。对于有着相同机械加工面的电极来说，这种陈述是正确的。 也就意味着满足了以下的条件： （ 7） 上述关系式中， 电极的表面， 在加工中使用平头电极，间隙宽度要比使用球端电极时高，这一事实，也造成了使用平头电极 会增高 金属切削率的结果 。但平头电极的应用还受到极间区域水动力条件和加工表面曲率半径的限制。若电极表面比上述实验中的高，那么电解液应通过电极上的洞口进入极间区域。 当被加工表面任一点的加工时间恒定时，表面波度值会降低。要满足此条件，b/工表面的波度也只是电极端再生的后果。用球端电极进行加工时，波形等同于电极形状的复制。 上述结论仍只是得出最后结论的条件，计算和试验表 明 ：定型表面的加工中， 使用平头电极 与 使用球端电极 相比，能得到更高的金属切削率和更低的表面波度值。要证明最后的结论，还需要进行更多研究。 参考文献 : 1 J. A. R. L. D of 1021, 1995, 205210. 2 A. i w of in 76, 1989, 157 s. 3 A. i z BN i ( (of BN of (, 1994. 4 A. J. 1990. 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 34 页 1 引言 特种加工技术属于机械制造学科的科研前沿。电解加工是特种加工技术中应用最广泛的技术之一尤其适合于难加工材料、形状复杂或薄壁零件的加工。 加工时，工件为阳极，接电源正极；工具为阴极，接电源负极，极间通以 524时保持一定的加工间隙，间隙内流过具有一定压力（ 电解液 (一般为中性盐的水溶液，常用的为 ，阳极逐渐溶解，电解产物被高速（ 550m/s）电解液带走。如果工件初始形状与工具阴极形状不同，则工件上各点距离工具阴极型面的距离不同，相应地，各点 的电流密度（一般为 10500A/不同。距离近的位置，相应的电流密度相对较大，阳极溶解速度快；反之，距离远的位置，电流密度小，相应的电流密度相对较小，阳极溶解速度慢。经过一段时间的电化学溶解，工件表面形成与阴极工作面基本相似的形状。 电解加工以其加工速度快，表面质量好，不怕材料强、硬、韧，无宏观机械切削力，工具阴极无损耗，可用同一个成型阴极作单方向送进而成批加工复杂型腔、型面、型孔等优点， 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加工锻模型腔、深孔 、小孔、长键槽、等截面叶片整体叶轮以及去毛刺等，取得了显著的技术经济效果。 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。 电解加工设备是一个完整的配套系统，由机床、电源、输液系统、以及控制系统四大部分组成。 本文主要介绍 ：数控机床电解液输送装置设计，即包括电解液输送装置设计和电解液温度控制系统设计两部分，其输送装置是为了满足电解加工过程中对电解液的过滤、输送、压力、流量控制等要求，其温度控制系统是为了满足对电解液温度实现智能控制的要求，这一设计可以提高电解加工机床的智能 化、数字化程度，可以提高生产效率、减小工人劳动强度、提高经济效益。课题来源于南京某高校特种加工技术研究所，结合生产实际和工程建设，结合课程和实验室建设。设计中电解液的温度要求控制在 内，采用多点测量； 电解液槽的容积约为 510解液的加工温度区间一般为 1050设计合理 的电解加工机床可以实现五坐标的数控移动，运动过程要求平稳，运动顺 利，进给速度可按要求调节。系统的进给由简单的数控系统控制。本文的主要设计工作包括设计五坐标数控电解加工机床电解液槽、电解液输送装置 及 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 34 页 及其温 度控制 ,电解液的 过滤 和搅拌系统 。 近年来我国生产企业的数控机床拥有率率逐年上升，在大中型企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。 电解加工以其加工速度快，表面质量好，不怕材料强、硬、韧，无宏观机械切削力，工具阴极无损耗，可用同一个成型阴极作单方向送进而成批加工复杂型腔、型 面、型孔等优点， 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加工锻模型腔、深孔、小孔、长键槽、等截面叶片整体叶轮以及去毛刺等，取得了显著的技术经济效果。 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。 在今后 20年内，电解加工将在新工艺技术的开发研究，包括高频、窄脉冲电流电解加工、柔性电解加工、小间隙电解加工、复合加工等方面得到发展和应用；计算机控制技术将在电解加工设备与过程、参数的控制中得到不断的发展与扩大应用；在微精加工 领域，电解加工将展现新的应用前景。在发展电解加工技术的同时，必须重视并解决电解加工过程中的环境保护问题，以达到“绿色制造”、持续发展的目的。 按照系统工程的观点，加大对待特种加工的基本原理、加工机理、工艺规律、加工稳定性等深入研究的力度。同时，充分融合以现代电子技术、计算机技术、信息技术和精密制造技术为基础的高新技术，使加工设备向自动化、柔性化方向发展。从实际出发，大力开发特种加工领域中的新方法，包括微细加工和复合加工，尤其是质量高、效率高、经济型的复合加工，并与适宜的制造模式相匹配，以充分发挥其特点。污染问 题是影响和限制有些特种加工应用、发展的严重障碍，必须化大力气利用废气、费液、废渣，向“绿色”加工的方向发展。可以预见，随着科学技术和现代工业的发展，特种加工必将不断完善和迅速发展，反过来又必将推动科学技术和现代工业的发展，并发挥愈来愈重要的作用。 总体设计思路如下： （ 1） （ 2） 步计算各机械部分结构参数； （ 3） 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 34 页 （ 4） 查其装配工艺性； （ 5） 的接口合理； （ 6） 正设计参数； （ 7） （ 8） （ 9） 预期设计好的 数控机床电解液输送装置可达到本课题要求。本设计具有很大的实用价值和经济价值，因为采用了单片机对电解液温度进行智能控制，提高了控制以及加工精度，且单片机成本比较低，减少了人工劳动，可进行连续加工，从而提高了经济效益。 2 电解液输送装置的总体设计思路 解液输送装置总体方案 论证 根据客户要求设计一台 数控机床。要求设计的机床要满足电解加工的要求，能够进行五坐标联动以加工出复杂几何形状的零件。在该设计中主要承担设计机床的电解液输送装置（包括电解液槽、电解液液压控制系统）及其温度控制系统。该电解液槽完成电解液的配制功能 ,其控制系统实现电解液的温度控制。 根据设计课题的要求，温度控制系统要能实现对电解液的温度进行智能调节，以满足加工要求；电解液槽能够实现电解液的装载配置、过滤、搅拌功能；电解液液压控制系统能实现电解液的压力和流速控制。上述电解液槽及电解液液压控制系统组成电解 液的输送装置，其可以达到对电解液的过滤、压力、流量控制功能，构成一个循环利用电解液的总系统（如图 2 解液槽结构方案设计 按照设计课题的要求， 电解液槽要能完成电解液的配制功能。为达到较高强度以及防止电解液对工件的腐蚀，采用 玻璃纤维增强塑料 材料（玻璃钢）作为电解液槽的材料，并采用沉淀的方法对电解液进行过滤。 解液搅拌装置设计 为满足电解液体温度均匀、密度均匀的要求，需对电解液槽内液体进行搅拌。为 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 34 页 达到较好的搅拌效果，需采用能达到较低转速的电动机驱动系统。为减轻搅拌装置重量、 简化结构，采用变频电机可达到较好效果。 解液温度控制系统方案设计 电解液温度控制系统的设计是这次设计的主要内容之一。为能精确、方便的对电解液温度进行控制，选用 80编制汇编程序以满足温度控制的要求，这套系统可达到对电解液温度的精确、智能控制。 图 2解液输送装置工作示意图 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 34 页 压控制输送系统方案设计 按照设计课题的要求，电解液液压控制系统要能满足对电解液的流速和压力的控制，选用合理的液压元件、动力元件构成整个装置可 满足要求。 3 电解液槽总体结构设计 计基础及分析 数控电解机床 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。 其电解液槽承担着装载、过滤电解液的作用。电解液是一种强腐蚀性的液体，常用的有： ，其对普通钢铁材料具有腐蚀作用，所以需要选用一种高强度、耐腐蚀性能好的材料来制造电解液槽，并按照课题要求设计出可靠的结构。 解液槽材料的选择 因为电解液的强腐蚀性，用做电解液槽一般的金属材料无法胜任，同时，设计任务书给出电解液槽的容积 为 5 10立方米，所以需要一种强度高、质量轻、耐腐蚀的材料用来制造电解液槽。 玻璃钢，学名为玻璃纤维增强塑料，国外称 为 璃纤维增强塑料 。它是以玻璃纤维及其制品（玻璃 布 、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料 。玻璃钢的主要特点是：质量轻 、 强度高 、防 腐蚀 、保温、绝缘、隔音、寿命长等，它的密度为 1500 2000千克每立方米 ，比钢轻 3强度却比钢高 使用寿命可达 50年以上，可设计性好 ， 可以根据需要，灵活 地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性 ， 因此，机械性能和物理性能好， 用做电解液槽非常合适，国内外许多电解加工的电解液容器也都选择玻璃钢作为材料。 解液槽结构设计 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 34 页 图 3解槽结构示意图 电解液或多或少的含有杂质，对电解加工的精度会造成影响，所以我们在设计机床时要考虑对电解液进行过滤。由于一台电解加工机床所需要的电解液量比较大，普通的过滤网等常规过滤方法效率和效果较差，所以考虑在电解液槽中对电解液进行过滤。这可以设计大小 两个电解槽并将每个电解槽中间用挡板隔开从而形成四个小的电解液槽让电解液顺序通过四个电解液槽（如图 3于电解液在加工过程不间断的流进和流出电解槽，所有电解液槽中电解液的体积 样会使电解液的流动呈现平流状态，这种流动状态下液体的流动速度较慢，电解液中的杂质会随液体流动而一级一级的沉淀到电解槽底部，达到过滤的效果。 另外，为方便排出废电解液及杂质，在每个小槽的底部设计有法兰密封的排水管道。大槽的总容积为： 2=槽的总容积为： 2=解液槽的总容积为： 3 4 电解液过滤器 的设计和选择 3 4 1 电解液 过滤器 的相关计算 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 34 页 由于电解液在工作循环的过程中会带回杂质，如果不进行过滤会对加工精度造成重要影响。电解加工是高精度的加工方法，因此传统的过滤方法（如：过滤网等）已经不能满足要求。本方案将选择过滤机来进行过滤，以达到加工要求。 过滤机是利用多孔性过滤介质，截留液体与固体颗粒混合物中的固体颗粒，而实现固、液分离的设备。过滤机广泛应用于化工、石油、制药、轻工、食品、选矿、煤炭和 水处理等部门。 本设计假设选择 电解液进行过滤机型号的计算选择：在常压 1 个大气压下进行过滤，查资料得过滤常数 K=h，单位过滤面积上的当量滤液体积设每个操作循环处理时间为 30 计算过滤面积： 以 表示过滤时间，则恒压过滤方程为： 式（ 3 式中， K=h, =入上式可解得 q=m) 式（ 3 过滤面积为： A=43= 式（ 3 3 4 2 选择型号 （ 1） 确定类型 由于 毒性，无挥发性。故采用明流式手动板框压滤机（ 。这中板框压滤机的技术规格列于下表 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 34 页 表 3型 号 5 5 5 5 过滤 面积 /0 30 40 50 框内尺寸 /35 635 810 810 滤 框厚度 /5 滤 框数（片） 26 38 50 38 滤 板数（片） 25 37 49 37 框内总容积 /L 260 380 500 615 工作压力 / 105 6 105 螺杆压紧力 /N 5 105 板再大位移 /00 400 外行尺寸/ 3170 5200 6680 8050 宽 1260 1780 高 1200 1450 机器总质量 /720 5200 6680 8050 (2)选择规格 按计算知所需过滤面积为 表中有过滤面积为 30型号为 5，它的板框厚度为 23框数为 39块，框内边为 635 4 电解液搅拌装置设计 电解液在电解液槽中时需要对其进行搅拌，这是因为： 会影响到工件的加工精度，对机床设备也会造成一定的损害。通过缓慢的搅拌可以将各处液体搅拌均匀、减小密度差异。 至还会存在较大的温度差异，这对生产加工也是很不 利的。通过缓慢的搅拌可以帮助均匀其温度，减小温度差。 电解液的搅拌可直接采用电机带动合适的搅拌叶轮伸入电解液槽中旋转对其进行搅拌，转速选用 13R/ 拌叶轮的选用 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 34 页 本课题中的液体搅拌主要作用是使液体密度均匀、各处温度均匀，这主要考虑电解液槽内液体流动状态既可。对于工业上的立式圆桶搅拌机顶插式中心安装，搅拌将产生三种基本流型（如图 4 体的流动方向垂直与搅拌轴，沿径向流动碰到容器壁面分成两个循环流动。 体的流动方向平行与搅拌轴，流体由浆叶推动，使流体向下 流动，碰到器底再翻上，形成上下循环流。 挡板的切向容器内，流体绕轴作旋转运动，流动速度高的时候，流体边面会形成旋涡。此时，流体从浆叶周围周向卷吸至浆叶区的流量很小，混合效果比较差。 上述三种流动状态可能共同存在，轴向流、径向流对混合起主要作用，切向流动应加以抑制。 在本课题中，由于电解液槽底会存在杂质，液体的流动状态应该以径向流动为主，这样才不至于将槽底的杂质翻上。本课题中的电解液是低粘度液体。 选用不同形状、尺寸的搅拌器（叶轮），其产生的搅拌效果尤其是液体流动形态是有很大差异的。而搅拌器的选 型到目前尚无完善的客观尺度，一般可以从以下几个方面考虑：搅拌目的、物料黏度、搅拌容器容积大小和经济性。 本课题中，搅拌的目的类型是：互溶性液体的混合及在其中进行化学反应；物料黏度属于中低黏度类型；搅拌容器容积大小约为 3于中型。通过查阅手册，选用推进式涡轮式中的四折叶浆式搅拌器（如图 4较适合本课题。 此叶轮在以低转速对中低黏度的液体进行搅拌时会使液体呈现以径向流动为主的流动状态。其技术参数如下： 斜入式， D/， H/;旁入式，D/（小 于 1/12的亦有） d/D= b/d= Z=3 3、 4、 6、 8居多 ) 注：式中 n=10 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 34 页 v=4s 注：式中 5 ；清上次越限标志 A， 43H， ；若 ) ；若温度不越限，则令绿灯亮 ；调用计算 程序 A， 2 ； 送 A 保护现场 （ 5 5 本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 34 页 A ； A ； ；令 出高电平脉冲 A ； # ； ； 优先级中断 ；启动 ；允许 断 ；调用标度转换程序 ；显示温度 ；等待 断 对 求补，作为 初值 本科毕业设计说明书（论文） 第 25 页 共 34 页 保 护 现 场采 样 液 温数 字 滤 波U i ( k ) = U m a x ?U i ( k ) U m a x ?清 上 次 越 限 标 志U i ( k ) = U m a x ?计 算 P I 从 P 1 . 3 输 出初 始 化 T 1温 度 标 度 转 换温 度 显 示（ D 5 H ） = 1 ？恢 复 现 场返 回U i ( k ) U m i n ?下 限 报 警取 最 大 P I D 值 输 出求 补置 本 次 越 限 标 志上 次 越 限越 限 计 数 器 1越 限 N 次 ？上 限 报 警清 越 限 标 志本 次 越 限 标 志 送5 F H 清 零 5 E H 单 元上 限 处 理恢 复 现 场 返 回0中断服务程序流程图 本科毕业设计说明书（论文） 第 26 页 共 34 页 ； ； ； ；中断返回 ；若 ) ；否则，越下限声光报警 A， 45H ；取 大值输出 A ； A ； ；转 行 5 ；若 ) 5元置位 5 ；若赏赐未越限，则转 44H ；越限计数器加“ 1” A， 44H C A， #N ；越限 N 次吗？ ；越限小于 N 次，则 ；否则，越上限声光报警 5 ； 5 ； ； ； ； ；中断返回 断服务程序： 001 ；清标志 ；令 为低电平 ；中断返回 恢复现场 对 大值求补，作为 越限标志 恢复现场 本科毕业设计说明书（论文） 第 27 页 共 34 页 程序流程图如图 5示，子程序清单如下： O,#2 ；采样值始址送 2,#03H ；采样次数初值送 08H ；启动 A/D 转换 3,#20H 3, ；延时 , ；读 态 ；等待 A/D 完成 00H ；舍去 10 位数字量中低 2 位 , ；高 8 位数字量送存 ；若采样未完成，则 ；若采样已完成，则返回 采 样 值 始 址 送 R 0 采样 次 数 送 R 2选 通 I N 0 启 动 A D A / D 完 成 ？返 回所 有 采 样 结 束 ？样子程序流程图 数字滤波程序用与滤去来自控制现场对采样值的干扰。数字滤波程序算法颇多， 本科毕业设计说明书（论文） 第 28 页 共 34 页 本课题选用中值滤波方法。 中值滤波原理简单，只需对 22 2三次采样值进行比较，取中间值存放到 2元内，以作为温度标度转换时使用。图 5出了中 值滤波程序框图。 相应程序请参看附录中程序清单。 式（ 5改写成： P（ K） =P（ +E（ K） +E（ K） +E（ K） +E（ =P（ +I+ （ 5 序框图如图 5示，相应详细程序见附录。 此程序目的是把实际采样的二进制 值转换成 式的温度值，然后存放到显示缓冲区 78H 到 7一般先行仪表来说，标度转换公式为： 0+（ 0（ 5 式子中， 次测量仪表的下限； 一次测量仪表的上限； 实际测量值（工程量）； 仪表下限所对应的数字量； 仪表上限所对应的数字量； 测量所得数字量。所以根据以上算法，只要设定热电偶的量程，即可编出相应温度转换子程序 据上式的编 程，相应程序框图如图 5细程序清单见附录。 本科毕业设计说明书（论文） 第 29 页 共 34 页 ( 2 C H ) 送 A( 2 C H ) 、 （ 2 D H ） 交 换（ 2 C H ） （ 2 D H ） ？（ 2 C H
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