中期报告-喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的试验研究

基于项目学习的毕业设计项目进展报告题目喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的实验研究院（系）机电工程学院专业飞行器制造工程学生丁烨学号1100801020班号1008301班指导教师杨立军副教授填报日期2014年4月18日哈尔滨工业大学机电工程学院2014年4月说明一、进展报告应包括下列主要内容1阶段计划要点和调整情况；2研究工作主要进展和阶段性成果；3下一阶段工作计划；4经费使用情况与下一阶段经费预算；5项目执行过程中存在的问题、建议。二、报告的电子版请通过机电学院本科毕业设计管理系统上传，由指导教师在线评阅。三、报告需用A4纸双面打印，左侧装订，统一交所在院（系）保存，以备检查。四、此说明页不得删除。目录一阶段计划要点和调整情况1二研究工作主要进展和阶段性成果121喷射电解射流装置的研制1211喷射装置的设计2212关键零部件的校核5213工作台的设计6214滚珠丝杠的选择822喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的实验研究9221实验目的9222实验原理9223试探性实验10224发现问题及改进实验11225改进实验结果及分析14三下一阶段工作计划17四经费使用情况与下一阶段经费预算17五项目执行过程中存在的问题和建议18一阶段计划要点和调整情况从立项开题到中期检查的时间一共是三个半月，根据毕业设计任务书，应当完成的任务有201312201401喷射电解射流装置的研制研制涵盖射流发生压力系统、射流喷嘴系统在内的喷射电解射流装置；201401201403喷射电解脉冲电源的研制针对激光加工后表面喷射电解射流加工研制喷射电解电源。201404喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的试验研究获得喷射电解射流压力、流速、电解电压、电解电流等参数对热影响区的去除规律。在和老师讨论之后，决定先进行第三项任务，之后再进行第二项任务。原因是通过进行试验可以获得较为合理的电源参数，从而在现有电源的基础上进行改进。此外，压力系统不需要研制，因为实验室已经购买了SISTEM喷雾系统，解决了这一问题。本人实际阶段进程如下201312201401完成喷射装置CAD图设计及校核；201401201402完成喷射电解射流装置三维图设计；201403201404完成喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的正交试验研究。二研究工作主要进展和阶段性成果本人毕业设计分为三大部分，截至中期为止已经完成设计部分和正交试验部分，下面将分别针对各部分的进展和成果进行说明21喷射电解射流装置的研制截至中期检查为止，喷射电解射流装置的研制已经完成，整体装配图如图21所示图21喷射电解射流装置装配图FIG21ASSEMBLYDRAWINGOFELECTROLYTEJETEQUIPMENTOFEJM整体的装配图主要由三部分构成喷射装置，工作台和滚珠丝杠，下面将逐个进行说明211喷射装置的设计如图22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，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。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。图22喷射装置CAD图FIG22CADOFEJECTORDEVICE壳体螺钉垫圈金属柱塞端盖喷嘴堵头缓冲网进液连接件当加工开始时，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。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，为了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。设计三维图如图23所示图23喷射装置三维图FIG23THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFEJECTORDEVICE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，从加工工艺方面考虑，喷嘴不宜做的过长。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。内流道如图24所示图24喷嘴内流道示意图FIG24THEDIAGRAMOFINNERRUNNEROFSPRAYNOZZLE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R004MMR1/R0525L5MM得到R121MM喷嘴设计图如图14、图15所示图25喷嘴CAD图图26喷嘴三维图FIG25CADOFSPRAYNOZZLEFIG26THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFSPRAYNOZZLE金属柱塞的设计金属柱塞腔体设计直径为30MM，表面分布许多直径在510MM的圆孔，这样设计的目的及优势就是当外界的液体经进液转接件进入金属柱塞腔体的时候，保证当液体经这些细微的小孔进入腔体时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，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。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。金属柱塞设计图如图27、图28所示图27金属柱塞CAD图图28金属柱塞三维图FIG27CADOFMETALTRUNKPISTONFIG28THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFMETALTRUNKPISTON端盖绝缘盖板设计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。绝缘材料是有机玻璃，有效的控制了绝缘问题。它也是一个端盖，能固定喷嘴与金属柱塞相对位置。端盖绝缘盖板设计图如图29、210所示图29绝缘盖板CAD图图210绝缘盖板三维图FIG29CADOFINSULATINGCOVERPLATEFIG210THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFINSULATINGCOVERPLATE212关键零部件的校核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TKPD/2S式（1）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1113由公式（1）可得PT2S/KD式2T2MMS50MPAK13D8MM代入公式（2）得P192MPA而该喷射装置试验最大液压不会超过5MPA。所以设计的进液转接件满足要求。壳体的强度校核壳体的最薄处为5MM,即T5MMK13D50MM代入公式（2）得P77MPA1MPA，而由液体本身的重力影响几乎可以忽略不计。所以所设计的壳体也符合强度要求。金属柱塞的强度校核因为金属柱塞采用不锈钢，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。213工作台的设计钩型压板设计考虑到工件大小为300MM300MM2MM，并且要求工件能够倾斜一定角度进行加工，决定采用改进型钩型压板进行装夹。根据JB/T801211999可知，钩型压板A型如图211所示图211A型钩型压板FIG211AFORMHOOKCLAMPPLATE为了能够实现工件在一定角度上进行加工，现对其做一定改动，将压板前端改为半圆柱，改进之后三维图如图212所示图212改进钩型压板三维图FIG212THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFIMPROVEDVERSIONOFHOOKCLAMPPLATE支撑件设计设计支撑件时，需要考虑三方面因素，其一是如何配合钩型压板进行工件的装夹，其二是如何使电解液能够顺利电解液槽，其三是如何保证和T型槽绝缘的问题。设计三维图如图213所示图213支撑件三维图FIG213THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFSTRUTTINGPIECE支撑件由两部分组成，上半部分可上下移动，并在特定部位通过螺栓固定到下半部分上，下半部分通过T型槽螺栓固定到T型槽上。因素一的解决方案为在上半部分前端加上圆柱凸起，并且通过上下移动来实现工件在一定角度下进行电解加工；因素二的解决方案为将上半部分的右端改为倾斜，在两端各设置一个阻拦装置，在中间设置两个导液槽，从而使得工件上的电解液能够顺利进入电解液槽。整体的工作台三维图如图27所示12图214工作台三维图FIG214THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFOPERATINGPLATFORM214滚珠丝杠的选择丝杠与电机型号的选择考虑到工件大小及工作台大小，决定选择LINTECH公司的100SERIES丝杠，在对行程余量进行分析后，确定X轴丝杠型号为LINTECH102430CP01S005M05C000L00E00B01_100，行程为760MM；Y轴丝杠型号为LINTECH102420CP01S005M04C000L00E00B01_100；行程605MM，Z轴丝杠型号为LINTECH102406CP01S001M03C000L00E00B00_100，行程300MM。查阅该公司给出的100SERIES丝杠产品说明书，确定电机选用DANAHERMOTION公司AKM电机中240VAC，320VDC母线的电机系列，其中，X轴丝杠电机型号为AKM73P，具体参数如表21所示,Y轴丝杠电机型号为AKM72P，具体参数如表22所示。Z轴丝杠电机型号为AKM64P，具体参数如表23所示表21AKM73P电机参数TAB21PARAMETEROFELECTRICMACHINEOFAKM73P峰值失速794NM额定速度1300RPM伺服驱动器型号S62000最高速度1610RPM连续失速转矩416NM连续失速电流195ARMS连续额定转矩347NM峰值转矩时的电流40ARMS拐点速度1250RPM惯量921KGCM2表22AKM72P电机参数TAB22PARAMETEROFELECTRICMACHINEOFAKM72P峰值失速584NM额定速度1800RPM伺服驱动器型号S62000最高速度2170RPM连续失速转矩294NM连续失速电流187ARMS连续额定转矩238NM峰值转矩时的电流40ARMS拐点速度1590RPM惯量645KGCM2表23AKM64P电机参数TAB23PARAMETEROFELECTRICMACHINEOFAKM64P峰值失速412NM额定速度2500RPM伺服驱动器型号S62000最高速度3120RPM连续失速转矩204NM连续失速电流186ARMS连续额定转矩160NM峰值转矩时的电流40ARMS拐点速度2490RPM惯量316KGCM2丝杠与电机的安装X轴丝杠通过螺栓固定在底座上，Y轴丝杠底座通过X轴丝杠载物台进行螺栓连接，而工作台底座通过Y轴丝杠的载物台进行螺栓连接。为了保证X轴、Y轴丝杠移动的直线精度，在X轴、Y轴底座上分别设置了两条导轨，同时导轨也起到辅助支撑的作用。Z轴丝杠独立通过螺栓连接在横梁上，喷射装置通过连接板连接到Z轴丝杠载物台上。横梁上设置有导轨，从而方便工件的更换。22喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的实验研究目前已经完成正交试验，单因素试验有待下一步进行。下面阐述正交试验的过程221实验目的通过实验获得喷射电解射流压力、占空比、电解电压、加工间隙等参数对激光加工热影响区的去除规律。222实验原理喷射电解射流加工是在高电压和大电流密度下特殊的电化学阳极溶解、强烈的化学腐蚀共同实现材料去除的。加工原理如图215所示,将工件接电源正极,喷嘴接电源负极,过滤后的电解液经SISTEM喷雾系统抽取进入电解液束喷射装置,并使电解液充分极化而带负电,最后经过喷嘴形成一条具有稳定长度、一定直径及稳定流速的电解液射液束,并喷射向工件待加工部位,在孔壁上产生电化学阳极溶解，从而能够去除热影响区和微裂纹。图215加工原理图FIG215PRINCIPLEOFPROCESSING223试探性试验初始试验条件如下工件材料不锈钢；电解溶液10NACL和10NANO3混合溶液；工件大小20MM20MM05MM；喷嘴直径015MM激光打孔时间58S；电解加工时间23MIN激光打孔参数能量125J，脉宽12MS，频率30HZ。设计试验流程如下1先将一个试件作为激光加工对比件，在其上打6个孔；2选择一个试件，先用相同激光参数打6个孔，再将激光器抬高，安装喷射电解射流装置，设置好参数后进行电解试验；3重复步骤2，直到完成所有试验；4利用扫描电镜观察激光所打的孔和经过电解加工的孔的质量，对比后得出最佳电解参数及合理的参数设置范围。试验使用装置如图216219所示图216喷射装置图217脉冲发生器FIG216THEEJECTORDEVICEFIG217THEPULSEGENERATOR图218直流电源图219激光发射装置FIG218DIRECTCURRENTMAINFIG219LASEREMITTER在查阅相关资料后，首先设计了五因素四水平正交试验，五因素分别为射流压力，电解电压，占空比，频率和占空比，设计正交试验表如表24所示表24五因素四水平正交试验表TAB24TABLEOFFIVEFACTORSANDFOURLEVELSOFORTHOGONALTEST224发现问题及改进试验在对每组数据进行单个试验过后发现了一下几个问题由于激光器的Z轴电机损坏，只能通过手动来控制激光器上下移动，这导致了Z轴高度的不精确，继而对试验因素加工距离的准确度产生了很大影响；还有一些试验因素的某个水平相对不合理，加工效果不理想。初始试验的简易夹具如图220所示图220简易夹具图FIG220SIMPLECLAMP但是在试验过程中发现，在电解射流的冲击下，试件会发生较为明显的位移和振动，这就严重影响了电解加工的质量。并且，由于固定试件的是铜片，在电解试验的过程中铜片也会发生电解，极大的降低了电解效率。这次试验是在工件中心部分进行激光打孔，继而进行电解加工。由于中间过程需要安装喷射装置，这就对喷嘴和孔的对正提出了较高要求。在将加工完的试验用扫描电镜进行观测后，却发现电解射流的中心和激光所打的孔对正度并不是很理想，极个别孔甚至发生了严重偏移,并且扩孔现象比较严重，如图221所示图221不同孔电解加工结果FIG221PROCESSRESULTOFDIFFERENTHOLES在对上述问题进行分析后，提出了一些解决方案如下针对问题一，决定放弃加工距离这个因素，同意采用较为合理的25MM，并舍弃一些不合理的水平，进行四因素三水平正交试验，如表25所示表25四因素三水平正交试验表TAB25TABLEOFFOURFACTORSANDTHREELEVELSOFORTHOGONALTEST针对问题二，我改进了装夹方式，用宽胶布将工件固定在有机玻璃底板上，连接电源的铜片压在工件下面，并与工件一样宽，防止工件不平，铜片也被胶布固定在有机玻璃底板上。这样的话，工件在电解射流的冲击下就不会发生位移，如图222所示。用宽胶布的原因为黏合能力强，即便在电解液的浸泡下也不会出现松动，并且宽胶布本身绝缘绝缘，可以防止工件与工作台导通。图222改进装夹示意图FIG222IMPROVEDWAYOFCLAMPING针对问题三，在和老师交流后，决定采用在工件边缘先打磨再打孔继而电解的方式进行试验。这种情况下，方便从工件侧面观察电解液束的情况，倘若孔和液束没有对正，那么先不接通电源，通过软件控制工件位置，对正之后再接通电源进行电解加工。每组试验加工三个孔，可以排除因操作不当造成的错误结果。225改进实验结果及分析经过扫描电镜观测，部分孔的观测结果如下图223激光孔FIG223HOLEDRILLEDBYLASER（A）评分9（B）评分5（C）评分1（A）GRADED9（B）GRADED5（C）GRADED1图224电解加工后的孔FIG224HOLEPROCESSEDBYELECTROLYTE通过对27个电解加工后的孔和激光孔的质量进行对比，将电解加工后的孔消除热影响区的效果划分为9个层次，代号19，其中9代表去除效果最佳，1代表去除效果最差。得出效应曲线图如图225所示图225效应曲线图FIG225PHOTOEFFECTCURVE直观分析表如表26所示表26直观分析表TAB26CHARTOFVISUALANALYSIS交互作用表如表27所示表27交互作用表TAB26CHARTOFINTERACTION123456通过对试验结果的分析后，得出以下结论射流压力对电解加工质量的影响当射流压力稳定在15MPA附近时，电解效果较好。这样的原因是，一定范围内随着射流压力增加，电液束的流速增加，电解液能顺畅的通过孔，电解产物能更迅速的排出，从而保证了电解的连续性；当超出这个流速时，电解液会堆积在工件表面，阻碍了电解加工过程，从而影响电解效率。电解电压对电解加工质量的影响由效应曲线图可以看出，当电解电压在150V附近时，电解效果较好，超过150V后加工质量有较为明显的下降，这样的原因是在一定范围内，随着电压的增大，电流密度增大，材料的蚀除量增加，但是当电压过大时，加工精度显著降低，试验中表现为扩孔现象严重。如图226所示，此图为试验7参数下加工的一个孔，尽管实际电解效果很好，但是扩孔现象很严重。图226试验7加工孔FIG226HOLEPROCESSEDINEXPERIMENT7占空比对电解加工质量的影响由效应曲线图可以看出，占空比越小，电解加工质量越好，这样的原因是占空比越小，脉冲停歇时间越长，从而在相同的脉宽加工时间内,间隙通道中的电解产物，析热，析气可以在相对较长的脉冲间歇时间内得以充分排出,间隙内的流场和温度场得到更好的改善,减小加工区域因流场恶劣，温度过高而造成的空穴和沸腾导致的局部钝化和短路。频率对电解加工质量的影响随着频率的增加，电解效果越来越好，这样的原因是随着频率增加，电解射流加工定域性上升。由加工后的扫面电镜图也可以看