航空锻件变速叉的热锻模及其电解加工工装设计.doc
【变速叉】航空锻件的热锻模及其电解加工工装设计（全套含CAD图纸）
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11 of an d to a to to In to of to by of GA)to of In y be as is to an d A 3of s of As in to Of is to an d of to as in in in by to i Ti 12 to an of en is a of It is to to to it by as 994， a be to of f a to as on Lu a to of to of e a on of 16s 。 5。 a a to reof to nc 006 an on 0 of on it on is 13 He on of of a to N on of GA)2 2 1 s 1， of in of is to be to be be by it is s as 2 is 1 2 of to is to In of to of a In to s to SE)is as is of of of ts 14 (=1， 2， ， P)is of P is of of it h on (=1， 2， ， )is of of ， hi of on hb of of on is be dto d is Oof be j to Tj ， or is 2 2 GA A is an in to to it of be as a a be as 15 2 is of by is of A It be is a of be of of of an in of A 40 0 99； 000 0101 of 0 200 be so in A 2 3 of EA be to A EA In of of by be 3 16 3 of 2 4 A in a to In to A， be to of of in A of 3It of GA 3 of by is as of is be 17 4 5 A 4 A 5 ， it be of SE is 352 8 13 is 049 3 18 6 of 6 of 0 N mm 1 389 7 mm on It be a if is in f 0 5 N As N is to 19 is on in to an is to of a is As 7 8， in 4 97mm 4 50is 7 EA 8 EA n a is by to of of mm In is to be 1 389 7mm 46 N 9 is 3。 3to If a 1 3897mm is on 4 796 of is a 20 9 by to is in a of in is no of It of EA be by A EA up A 1 符合尾随边缘形态变化的优化设计 摘要： 自适应机翼一直使用柔和的技术指导变形的后缘，以改善他们的气动性能，本文介绍了一种在分布压力下，符合形状变化的结构设计的系统化方法。为了使需要的形状与目标形状偏差尽量最小，这种方法使用 方式来优化标准分布机制。这种方式通过局部优化和遗传算法来获得。在优化过程中，许多因素应该考虑在内，例如：空气载荷、输出位移量和几何非线性。直接搜索法适用于局部优化和 化后的输入位移量。由此产生的结构可以做出他们在 0 到 90。 型试验已经确认了这种方 法的可行性。 关键词： 自适应机翼，伺服顺从机构，遗传算法，拓扑最优化，分布压力载荷，几何非线性 1说明 由于传统的机翼轮廓通常是按照特定的上升系数和马赫数设计的。他们不能随着环境的变化而变化。 出可变的后缘曲面将会产生比传统的固定倾角机翼少 60%左右的阻力。 有三种去设计可变的曲面机翼的方法。他们中的一种是传统的铰链机构，然而，他会导致机翼表面的不连续性和早期气流分流与阻力的增加。其它的则是智能材料和顺从机构，他们能实现平稳的形状变化。尽管如此，与顺从机构相比较，由智能材料制成的 传动装置有许多不足之处。例如：能量不足；反应缓慢；强烈的滞后性；受温度的限制；控制太多装置的难度大。由来自柏林工业大学的用镍钛记忆合金作出的自适应可变拱形的机翼可以快速改变他的形状，但他不能执行高频繁的变化，因为他的弹性依赖于与外部环境进行的热量交换。 顺从机构是一种单件灵活的机构。他可以通过弹性变形传送运动和能量。他不仅具有足够的变形性，而且具有足够的刚度来抵御外部的载荷。由于他的连接自由性，他没有传统所面临的棘手问题，例如：摩擦、润滑、噪声、反冲。因此可以获得平稳的形状变化。 1994 年，一位来自密歇根 大学的名叫 授首先提出顺从机构能够使用在一项由美国空军科学研究院办公室提供赞助的控制静态形状的科学研究之中。 出了一种设计顺从机构的新方法，他们能够使优化目标函数曲线中的形状变化和目标曲线的形状误差最小，基于他们的研究成果， 出了 2 一种载荷路径代表方法。然而，他的研究仅限于节点情况下的线性分析。来自于福尼亚州立学院的 用顺从机构和运动渐近法来设计机翼的尾部，保证误差在尖端最大偏差范围之内。基于 数据， 2004 年时间设计顺从轨迹边缘，他 能在 0。 到 15。 之间变化并且获得了专利证书。来自德国航空航天中心的 指出今后的研究应将空气载荷和几何非线性考虑在内。来自工业能源部实验室的 用 和几何非线性有限元法来设计顺从轨迹边缘。 2006 年生产的自适应兼容机翼。经过了在怀特骑士飞机上的实验。结果表明，风和标准的能在（ 10。 ）变化。在中国，适应性机翼研究一直集中在智能材料和常规机构上，几乎没有人在从事带有顺从机构的机翼研究上。杨是个例外，他 分析了基于伺服弹性技术的活跃航空弹性机翼，陈和黄分别调查了兼容的离散和连续性的前沿变化。 本文介绍了一种基于局部优化和 遗传算法形状可变机构的设计方法，通过使用 计，同时将外部载荷和 几何非线性考虑在内。 2优化步骤 定后缘模型和目标函数 如图一所示，两条曲线代表不同飞行状态的轨迹边缘。其中一边（ A 点）的结构形状是固定的，另一边（ B 点）将水平滑动。 图一 图二 首先设计领域应该由最初曲线形状所定义，包括输出位置和边界状态，然后如图二所示的被光线分成的微量网格模仿鸟的羽毛部分，这就是被称为局部表面结构方法。 最简单也是最有效的方法制造出平面兼容机是使用线切割技术。在优化过程 3 中，所有的元素使用同样的宽度等于其厚度的梁。其中每个梁的高度是一个设计变量。 为了使结构的变形接近于目标曲线形状，在变形曲线和目标曲线间的最小平方差是被定义的客观职能。 定义是沿曲线上各个点位置数字的平方和，他的表达式是 其中 i（ i=1,2, ， p）是沿曲线上点的数量， p 是点的总数。 和是目标和边界曲线变形坐标的第 i 个节点。约束条件是： 其中 j（ j=1,2, ， m）是元素的数量的总和， 尺寸变量， 所有元素的下界与上界， 边界元素的极点， 党边界曲线上输入无效节点时的最大弯曲，必须小于 d 以保证结构的刚度， d是当输入处于无效时所允许的最大弯曲变形，拓扑量 于 1，否则当元素被淘汰时为 0。 A 优化 遗传算法是一种在自然界上模拟选择的优化方法。合适的生物能最大可能性存活下来，但是劣质品种也有机会存在。不同于连续的优化方法，他不要求梯度的目标函数信息。 每一个元素可以表示为一个拓扑量和一个尺寸变量。因此，每个个体科编码如下： 其中 n 是除边界元素之外元素的数量。有着同样的高度，在整个优化过程中的边界元素只有一个变量代表 适应性是遗传算法优化的评价标准。他可以从目标函数转化为： 4 其中 是一个只包括双方较差的个体参数。他的数值越小越有价值，两个个体的适应性会有更多的不同，因此增加了双方选择的高度适应性。 选择控制参数在遗传算法的收敛中扮演一个重要的角色。总的来讲，交叉概率的范围为 变的概率为 体的数量为 10 该变量将会通过交叉和变异发生更新，因此，这个设计可能产生遗传过程。 应性元素的分析 由于设计变量和目标函数是有限元的，有限元分析法优化模型是不能被用于设计符合变形的机构中，因此，本文在 的遗传算法和在 的有限元分析法。在有限元分析法中，仅只考虑几何非线性和材料的弹性，解决节点位移和元素压力，通过删去低应力的元素，良好的结果能被推算出来。图三显示了详细的过程。 图三 整个的优化过程 次优化 5 尽管遗传算法可以优化大型解空间和拓扑结构尺寸。尺寸通常不能直接集中于优化中，为了解决这个问题，遗传算法优化后，直接搜索法应该被用来在遗传算法结果中去寻找。 通过参考文献 5可以得出，最初的小径边缘尺寸减少 36%，表一列出了设计参 数的大小。 表一 设计参数的大小 由于位移作为输入的使用，非线性分析难以解决和厨师压力非常大，但他必须在三十代以后考虑。 图四 遗传优化的结果 图五 二次优化的结果 6 图四和图五说明了遗传算法优化结果和二次优化结果。 表二 两次优化的比较 从表格中可以发现，通过输入位移和尺寸优化， 少了 改善了 变更角度增加 。 图六 外部载荷的分布 7 图六表示的是外部分布压力从 0到 10N/变输入位移量在最初结构上保持 果载荷保持在 0化结构看起来有良好的稳定性。当外部载荷超过 5N/大压力可能超过屈服压力，因为这个优化方法是基于 了证明结果，尝试去通过将分析结果分别输入到 后是他们之间的比较。 如图七和图八所示，二者的变更有很大的共同点；在 4097 们的不同之处来自个体上。 图七 在 图八 在 另一方面，一个使用线切割技术的模型来证实分析法的结果。模型的材料同设计的一样，都为 5试验中，假设分布压力载荷为零，输入 146入位移量为 九表示的是模型和测量的结果。变更的温度为 。尖端为一位 53更 的形状符合设计的结果。如果 论的尖端位移量为 为模型和试验台之间存在摩擦力，测量材料和适合的结果之间会有少许的差异。 8 图九 模型和实验的结果 通过方针和实验证明，该方法符合设计变形机制，探索出具有所需的变性效应和承受外部载荷的结果和能力的机构。在优化过程中， 联合呈现程序的简单和普遍性。坚硬的字模没有必要频繁的改变，同时避免有限元法编程的复杂性和使分布载荷变成节点载荷，拓 扑尺寸可以同时由 行优化，出去再 后的自由元素能加快优化，二次优化可以提高 化的结果。 I 毕业设计 (论文 ) 航空锻件【变速叉】的热锻模 及其电解加工工装设计 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 年 月 日 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。加工时，工件接直流电源的正极，工具接负极，两极之间保持较小的间隙。电解液从极间间隙中流过，使两极之间形成导电通路，并在电源电压下产生电流，从而形成电化学阳极溶解。随着工具相对工件不断进给，工件金属不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，最终两极间各处的间隙趋于一致，工件表面形成与工具工作面基本相似的形状。 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：（ 1） 航空锻件【变速叉】 热锻模电解加工阴极；（ 2）装夹热锻模加工阴极和工件的夹具装置；（ 3）运用 、 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。 关键词： 电解加工 ， 航空锻件【变速叉】 锻模 ， 工装设计 is on of in be a is to C is a so of a a in an of to of to of to a of ( 1 ) CM ( 2 ) of ( 3 ) , UG to a of D 目 录 摘 要 . . 录 . 1 章 绪论 . 错误 !未定义书签。 解加工原理 . 错误 !未定义书签。 内外研究现状 . 错误 !未定义书签。 秒级脉冲电流加工 . 错误 !未定义书签。 精加工 . 错误 !未定义书签。 控展成加工 . 错误 !未定义书签。 题研究内容 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 电 解加工理论分析 . 错误 !未定义书签。 工影响分析 . 错误 !未定义书签。 极对流场的影响分析 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 航空锻件【变速叉】热锻模设计及其电解加工阴极设计计算 错误 !未定义书签。 极材料的选择 . 错误 !未定义书签。 极的尺寸设计 . 错误 !未定义书签。 第 4 章 航空锻件【变速叉】热锻模电解加工工装设计 . 错误 !未定义书签。 空锻件【变速叉】热锻模夹具定位设计 . 错误 !未定义书签。 空锻件【变速叉】热锻模夹具装夹设计 . 错误 !未定义书签。 套设计 . 错误 !未定义书签。 座设计 . 错误 !未定义书签。 空锻件【变速叉】热锻模导电方式 . 错误 !未定义书签。 空锻件【变速叉】热锻模供液方式 . 错误 !未定义书签。 空锻件【变速叉】电解流场的设计 . 错误 !未定义书签。 装总体设计图 . 错误 !未定义书签。 总 结 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 错误 !未定义书签。 购买后包含有 咨询 I 毕业设计 (论文 ) 航空锻件【变速叉】的热锻模 及其电解加工工装设计 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 年 月 日 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。加工时，工件接直流电源的正极，工具接负极，两极之间保持较小的间隙。电解液从极间间隙中流过，使两极之间形成导电通路，并在电源电压下产生电流，从而形成电化学阳极溶解。随着工具相对工件不断进给，工件金属不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，最终两极间各处的间隙趋于一致，工件表面形成与工具工作面基本相似的形状。 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：（ 1） 航空锻件【变速叉】 热锻模电解加工阴极；（ 2）装夹热锻模加工阴极和工件的夹具装置；（ 3）运用 、 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。 关键词： 电解加工 ， 航空锻件【变速叉】 锻模 ， 工装设计购买后包含有 咨询 is on of in be a is to C is a so of a a in an of to of to of to a of ( 1 ) CM ( 2 ) of ( 3 ) , UG to a of D 买后包含有 咨询 录 摘 要 . . 录 . 1 章 绪论 . 9 解加工原理 . 9 内外研究现状 . 10 秒级脉冲电流加工 . 10 精加工 . 11 控展成加工 . 12 题研究内容 . 14 第 2 章 电 解加工理论分析 . 14 工影响分析 . 14 极对流场的影响分析 . 17 第 3 章 航空锻件【变速叉】热锻模设计及其电解加工阴极设计计算 . 18 极材料的选择 . 19 极的尺寸设计 . 19 第 4 章 航空锻件【变速叉】热锻模电解加工工装设计 . 20 空锻件【变速叉】热锻模夹具定位设计 . 20 空锻件【变速叉】热锻模夹具装夹设计 . 22 套设计 . 27 座设计 . 27 空锻件【变速叉】热锻模导电方式 . 28 空锻件【变速叉】热锻模供液方式 . 29 空锻件【变速叉】电解流场的设计 . 29 装总体设计图 . 31 总 结 . 32 参考文献 . 33 V 致谢 . 35 购买后包含有 咨询 买后包含有 咨询 9 第 1 章 绪论 解加工原理 电解加工（ ，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。其理论基础是 1834年法拉第发现的金属阳极溶解基本定律，即法拉第定律。图 示为电解过程示意图，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。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生成，在阳极处开始有电解产物出现。 在阴极和阳极的电极 /溶液界面上发生主要电化学反应过程为： 阳极一侧： 2e(阳极溶解 ) 22=H)2 (淡绿色絮状物 ) 4H)2+22=4H)3 (红棕色絮状物 ) 阴极一侧： 2H+2e=逸出氢气） 如果阳极只发生阳极溶解而没有析出其它物质，则根据法拉第第一定律，阳极溶解 的金属质量为 : M=kQ= 阳极溶解的金属体积为 : V=M/ = = 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： 1)实际溶解的原子价比计算用的原子价要高或低； 2)除金属溶解外还有一些副反应消耗了一部分电流； 3)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购买后包含有 咨询 10 生剥落而不是完全由金属均匀溶解所致。 为了表示这个实际和理论的差别，引入电流效率概念来表示实际溶解金属所耗用的电量和通过阳极总电量的比例关系。电流效率定义为： =理论去除量 /实际去除量 影响电流效率的因素有：电流密度，电解液的种类、浓度及温度等工艺条件。其中，作为计算电解加工速度、分析电解成型规律的必要参数之一，电流密度对于电流效率的影响可以通过实验获得两者之间的关系曲线，即 内外研究现状 电解加工在国外是五十年代出现的。由于它具有效率高、质量好 ,复杂型面可一次成型 ,以及不受被加工材料机械性能的限制 ,工具耗损小等优点 ,所以受到普遍重 视。 六十年代 ,在航空发动机叶片及锻模加工方面取得了比较显著的成效 ,主要应用于 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 ,并 取得了显著的技术、经济效果， 因此 ,得到比较迅速的发展。 据统计，自 1960年到 1975年，电解加工在难切削材料加工中所占的比例增加两倍，从 1960年的 15%增加到 1975年的 45%。八九十年代在某些领域得到了新的应用，其应用要求也越来越高。九十年代后期起，电解加工研究机构及人员逐渐壮大，应用领域（尤其在 航天、航空、兵器领域）进一步扩展，研究成果及论著数量激增，工艺技术水平、设备性能及产业发展均达到了一个新的高度。进入新世纪以来，高速发展的高新技术和电解加工融合，使其面临从一般加工到精密加工的突破。目前电解加工工艺技术研究涉及的方向很多，主要集中在电解复合加工、细微加工、数控展成加工及高频脉冲电流加工等几大领域 。 在经历大约 20 年的低潮后，从 20 世纪 90 年代后期起，电解加工又重新焕发了生机。其研究机构及人员逐渐壮大，应用领域 (尤其在航天、航空、军工领域 )有所扩展，研究成果及论著数量激增，工艺技术水平及设备性 能均达到了一个新的高度。 目前，电解加工工艺技术研究涉及的方向较多，但主要集中在微秒级脉冲电流加工、微精加工、数控展成加工、阴极设计及磁场对电解加工的影响等五大领域。下面分别加以详述。 秒级脉冲电流加工 自 20 世纪 70 年代初起，前苏联、美国、日本、法国、波兰、瑞士、西德等相继开始了对脉冲电流电解加工的研究。在国内，多家单位相继开展了毫秒级脉冲电 11 流电解加工的研究并成功用于工业生产。随着近代功率电子技术的发展，新型快速功率电子开关元件如 出现，使得有可能实现微秒级脉冲电流电解 加工。20 世纪 90 年代以来，微秒级脉冲电流电解加工基础工艺研究取得突破性进展。研究表明，此项新技术可以提高集中蚀除能力，并可实现 下的微小间隙加工，从而可以较大幅度地提高加工精度和表面质量，型腔最高重复精度可达 ,2,3，最低表面粗糙度可达 1，有望将电解加工提高到精密 加工的水平，而且可促进加工过程稳定并简化工艺，有利于电解加工的扩大应用。 国内外众多研究机构利用微秒级脉冲电流开展了模具型腔及叶片型面加工、型腔抛光、电解刻字、电解磨等工艺可行性试验以及气门模具 生产加工试验 1， 3，研究成果进一步从工艺角度证实了上述结论。 精加工 从原理上而言，电化学加工技术可分为两类：一类是基于阳极溶解原理的减材技术，如电解加工、电解抛光等；另一类是基于阴极沉积原理的增材技术，如电镀、电铸、刷镀等。这两类技术有一个共同点，即材料的去除或增加过程都是以离子的形式进行的。由于金属离子的尺寸非常微小 (10 )，因此，相对于其它“微团”去除材料方式 (如微细电火花、微细机械磨削 )，这种以“离子”方式去除材料的微去除方式使得电化学加工技术在微细制造领域、以至于纳米制造 领域存在着极大的研究探索空间。从理论上讲，只要精细地控制电流密度和电化学发生区域，就能实现电化学微细溶解或电化学微细沉积。微细电铸技术是电化学微细沉积的典型实例，它已经在微细制造领域获得重要应用。微细电铸是 术一个重要的、不可替代的组成部分，已经涉足纳米尺寸的微细制造中，激光防伪商标模版和表面粗糙度样块是电铸的典型应用 5,6。但电化学溶解 (成型 )加工的杂散腐蚀及间隙中电场、流场的多变性严重制约了其加工精度，其加工的微细程度目前还不能与电化学沉积的微细电铸相比。目前电化学微精成型加工还处于研究和试 验阶段，其应用还局限于一些特殊的场合，如电子工业中微小零件的电化学蚀刻加工 (美国 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 5。微细直写加工、微细群缝加工及微孔电液束加工，以及电解与超声、电火花、机械等方式结合形成的复合微精工艺已显示出良好的应用景 912。 购买后包含有 咨询 12 控展成加工 传统的拷贝式电解加工的阴极设计制造困难，加工精度难以保证。尤其对整体叶轮上的扭曲叶片之类通道狭窄的零件表面，由于受工具阴极刚性及加工送进方式的限 制，拷贝式电解加工更难以完成其加工任务。 20 世纪 80 年代初，以简单形状电极加工复杂型面的柔性电解加工 数控展成电解加工的思想开始形成，它以控制软件的编制代替复杂的成形阴极的设计、制造，以阴极相对工件的展成运动来加工出复杂型面。这种加工方法工具阴极形状简单，设计制造方便，应用范围广，具有很大的加工柔性，适用于小批量、多品种、甚至单件试制的生产中。 80 年代中期，前苏联乌法航空学院特种加工工艺及设备研究所以过程控制为突破口，设计了一种柔性电解加工单元，应用特殊的电流脉冲波形和高选择性的电解液，加工精度达 面粗糙度达 。波兰华沙工业大学的 授于 1986 年率先提出了电解铣削的思想，以棒状旋转阴极作类似于圆柱状侧铣刀的成形运动来形成加工表面，成功地应用于直升机旋翼座架型面的加工，加工中采用 解液，精度可达 。波兰 属切削学院的 授利用形似球头铣刀的工具阴极，进行了型面光整加工的试验研究，取得了形状误差小于 加工效果，从而证明了该工艺在模具的光整加工方 面具有很好的应用价值。美国、英国、俄罗斯都高度重视数控电解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 司的五轴数控电解加工，美国、俄罗斯仿形电解加工带冠整体叶轮代表了数控电解加工整体叶轮的国际先进水平。 南京航空航天大学从 20 世纪 80 年代中期开始进行数控展成电解加工工艺技术的研究，已在电解加工设备研制、加工机理研究、控制软件编制及工艺试验等方面均取得了重要进展 7,8,9。具体研究内容包括以下几方面： (1)设备研制：研制了五轴数控电解加工机床及配套的多轴 联动数 控系统。该机床具有三个直线运动坐标轴及二个旋转运动坐标轴，各轴均采用步进电机驱动。多轴联动数控系统为二级数控系统，上位机为一台通用计算机，用于数据处理及生成数控加工程序，下位机为组合在一起的五台经济型二轴数控单元及其驱动单元，用于驱动机床各轴运动。 (2)成形规律研究：研究了棒状外喷式阴极、三角形截面内喷式阴极、矩形截面内喷式阴极三种状况下展成电解加工间隙随一些主要工艺参数变化的规律。 (3)阴极设计：针对整体叶轮结构，设计制造了不同结构的开槽阴极、型面精加工阴 13 极，并通过工艺试验对其结构进行不断改进，现 已设计出了新颖结构的组合式开槽阴极及矩形截面整体式型面精加工阴极，很好地解决了加工过程中易产生的阴极短路烧伤问题。 (4)加工软件开发：针对整体叶轮的开槽加工及型面精加工，开发了相应的数控展成电解加工软件，具有叶片型面的数据处理、数控加工的展成运动轨迹计算及整体叶轮的三维型面几何造型等功能。 (5)加工工艺试验：包括直纹面、非直纹面整体叶 (涡 )轮及带冠整体叶轮的展成电解加工、叶片型面电解抛光与五轴联动电解磨削等。试验表明，工艺过程稳定可靠可以获得较高的加工精度和较低的表面粗糙度。 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 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，并且采用基于自由边界的数值算法，保证算法的收敛性 10。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 11。 合肥工业大学也提出了应用阴极设计数据表来进行阴极设计的方法，通过合理设计工艺试验，获取了特征部位的加工间隙偏差值，据此计算出各特征部位对应阴 极处的附加修正量。在此基础上，建立五种阴极设计数据表，为阴 极设计提供了丰富的修正数据。在此基础上，可望建立阴极设计数据库 12。 磁场提高电解加工精度的研究这项技术早期研究较多的是磁场对电解磨削、电解抛光的影响。近年来，国内开展了电解成型加工叠加磁场的研究。西北工业大学的研究发现当加工对象是钛合金或者是在 解液中加工 45 钢时，磁场可以显著减少杂散腐购买后包含有 咨询 14 蚀，提高加工精度，而在 解液中加工 45 钢则效果甚微 13。西安工业学院进行了磁场影响电场的仿真试验及在电解加工装置上叠加磁场的加工工艺试验。试验表明，电解加工过程中叠加磁场会改变原有电场分布，进而改 变间隙流场的分布，从而有利于解决以往电解加工过程中的杂散腐蚀现象，提高电解加工的质量。只有在叠加磁场方向垂直于电场方向且 N 极指向电场叠加磁场时，对电场均布有较明显的作用 14。此外，采取切割流线的方向叠加磁场，洛仑兹力的作用有利于成股的束流展开；磁场可以减小电解液的粘度，改善其流动性能，有利于及时排走电解产物和热量，改善加工条件，提高加工稳定性 15。 除了上述五大研究方向之外，带冠整体叶轮加工、周期循环电解加工、数控铣床电解加工、脉冲电解加工间隙测控方法、基于 经网络的电解加工精度预测模型、电解 加工中管理系统的开发等工艺技术的研究均有所创新或突破。 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：（ 1） 航空锻件【变速叉】 热锻模电解加工阴极；（ 2）装夹热锻模加工阴极和工件的夹具装置；（ 3）运用 、 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。 第 2 章 电 解加工理论分析 工影响分 析 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，若能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，图 2加工间隙示意图（以其中某一缝为例）。在窄缝的电解加工中，其端面间隙 b D 和侧面间隙 s D 如图。 15 图 2工窄缝时的加工间隙示意图 电解加工过程中，当工件的蚀除速度与工具的进给速度相等，两者达到动态平衡时，端面间隙为 式中 b D 底面平衡间隙（ h 电流效率（取决于工件材料和电解液间匹配） w 体积电化学当量 (A h) 3 （取决于工件材料） k 电导率（ 1/W 取决于电解液参数：成分、浓度、温度等） R U 电解液的欧姆压降（ V） (取决于电解液、阴极和工件材料、 电流密度 ) u 阴极的进给速度（ mm/ 式（ 2明底面平衡间隙 b D 与电流效率 h 、体积电化当量 w 、电 导率 k 、欧姆压降 R U 成正比，而与进给速度 u 成反比。 至于侧面间隙（侧面不绝缘），在电流效率相等的条件下有 式中 s D 侧面间隙（ h 进给量 在窄缝电解加工中，随着加工深度的增加，侧壁腐蚀一直进行。如图 2买后包含有 咨询 16 所示，不同 间隙处的金属去除速度是不同的， _1 为大间隙， s D 为小间隙，这 两处的去除速度分别为： 式中，分别为大间隙电流效率、小间隙电流效率； w 为工件材料的体 积电化学当量， k 为电导率， U 为电压， 1 2 别为大间隙电 极电位差、 小间隙电极电位差。 式（ 2，对于 解液，在加工条件一致的情况下， 1 2 h h ，不同间隙处的去除速度约等于间隙距离比。由侧面间隙公式可知侧面间隙为抛物线形，加工深度越大，加工精度越差。而对于 解液，由于侧壁上对应 _1 处的电流密度小于 s D 处的电流密度，对应 _1 处的 1h 也随之大大减小， 1 2 h h ，由式（ 2侧壁上的去除速度大大减小，从而加工精度不会随加工深度的增加而恶化，而且由公式可知，去除速度与电流效 率有很大的关系。 在窄缝电解加工中，为了尽可能减小加工间隙，提高加工精度，通常选用 解液，其电流效率 h 随着电流密度 i 的减少而减少。对于群窄缝加工，通常采用很低的电流密度，这就意味着其电流效率 h 会比常规加工的更低，根据加工间隙公式，更低的电流效率 h 带来了比常规加工更小的加工间隙。采用薄片状电极进行加工时，由于电极厚度通常很薄，表面涂敷均匀绝缘层的难度较大，若群窄缝同时加工时更难实现均匀绝缘，故研究中采用未绝缘金属片电极。在端面间隙公式中，电流密度 h 和加工用电解液对加工间隙有很大关系。通常 直流电解加工常用的电解液是 解液和 解液。 解液在很宽的范围内，其电流效率 h 几乎保持常数，接近 100%，一般不随阳极材料、电解液浓度和温度、加工中电流密度大小等变化；而 3 解液的 电流效率 h 不仅随加工材料、电解液浓度和温度等变化，而且电流密度不同时，由于钝 17 化现象会使电流效率 h 出现大幅度变化。图 2 解液和 解液的电流效率 h 和电流密度 i 的关系曲线。 图 2 线 极对流场的影响分析 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。尾迹的流动是非定常湍流，随来流雷诺数不同而呈现不同的速度分布，在不同的雷诺数范围内，绕薄片厚度大的产生的尾迹涡流区域长度比绕厚度小的情况大。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。 购买后包含有 咨询 18 第 3 章 航空锻件【变速叉】 热锻模设计及其电解加工阴极 设计计算 因为微细电解加工对象本身尺寸一般为 虑到其相应的加工精度，必须采用小间隙加工。微细电解的加工间隙一般为 间，远小于常规电解加工间隙的尺寸 微细电解加工中，加工间隙的大小和稳定程度是对加工得以实现非常重要。 电解加工间隙分为端面间隙、侧面间隙和法向间隙。要保证高的成型精度，除了端面间隙要维持在一个比较小的水平外，侧面间隙的大小随加工深度的变 化也必须保证在较小的范围，这样才能保证加工微孔的锥度和加工窄缝侧壁的 垂直度。 在占微细电解加工中大部分的微孔窄缝加工中，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示。 220 22 （ 2 微细电解中侧壁绝缘的工具电极一般不保留图 2所示的宽度为 b 的工作带，即式（ 2的参数 b 趋 近于 0，故加工中侧面间隙 。 微细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 s b 绝缘层 工具电极 工件 b 图 2解加工间隙示意图 19 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。 在微细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。 对于单轴电解加工而言，加工对象的局限性较大，只局限于获得其表面形状由精确复制工具电极的表面形状而来的加工对象，无法加工空间螺旋槽等类似结构。另外，电解加工出的微孔的圆度、尺寸精度等在很大程度上受加工流场的影响。加工间隙内电解液的更新是否及时会直接影响加工流场是否均匀稳定。由于微细电解加工的间隙微小，电解液更新困难，因此可以考虑采取新颖的结构设计来实现更新电解液和排除电解产物的功能。 因此，有必要根据微细电解加工的独特性，设计一种微细电解加工机床，其本体结构必须兼顾好的系统刚性、系统结构小 型化和方便的操作维护性，有利于加工稳定地维持在微小间隙下，刚度大，精度高，结构简单，同时尽可能扩展加工对象的多样性。 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。 极的尺寸设计 阴极 是根据 电解槽 的槽型确定的，尺寸多种多样 。 重要的是将决定加工法向间隙的数值最终影响加工精度加工稳定性和生产效率 。 为了既能保证加工速度 ， 粗加工过程中 ， 法向间隙较小火花短路较多精加工段的设计 ， 是为了去除粗加工留下的尺寸余量及表面缺陷以基本上满足尺寸和表面质量的要求由于精 加工段的加工过程是处于一种过渡状态 。 最终很难保证各个齿形的一致 。 因此 ， 还需购买后包含有 咨询 20 要通过抛光段的加工来对全齿进行最后一道精整 ， 从而确保工件的尺寸精度和表面质量通常抛光圈宽度 b 取 第 4 章 航空锻件【变速叉】 热锻模电解加工工装设计 空锻件【变速叉】 热锻模夹具定位设计 定位基准的选择 1、在定位时，每个工件在夹具中的位置是不确定的，对同一批工件来说，各件的 位置也将是不一致的。工件位置的这种不确定性，可用空间直角坐标轴分为以下 6个方面，工件有 6 个自由度，沿三坐标轴的移动自由度和绕三坐标 轴的转动自由度。 末定位前的工件相当于自由刚体，是无法进行加工的，因此，为了使工件在夹具中有一个正确位置，必须对影响工件加工表面位置精度的自由度加以限制。 要使工件在夹具中的位置完全确定，其充分必要条件是将工件靠置在按一定要求布置的 6 个支承面上，使工件的 6 个自由度全部被限制，其中每个支承点相应地限制一个自由度。这就是六点定位规则，又称“六点定律”。 6 个支承点的分布方式，与工件的形状有关。 前减震器是由前减震器冒和前减震器座构成，为盘类工件的六点定位。底面为第一定位基准，用 3 个支承点限制 3 个自 由度；圆周表面为第二个定位基准，用两个支承点限制两个自由度；用一个支承点限制一个自由度。这样工件的位置被完全确定。根据工件的形状的不同，以及定位基准的不同，支承点的分布还会有其它形式，但六点定位规则却反映了工件定位的共同本质。运用六点定位规则，可以分析和解决任何一种定位方式和定位问题。 理论上的支承点在实际夹具中都是具体的定位元件。底面 3 个支承点在实际夹具中就可能是一个平面定位元件，或是 3 个小平面支承块；圆周面的两个支承点，在实际夹具中就 可能是一个 V 型块等。因此六点定位规则来分析和设计工件的定位时，并不 是明显直观，必须从定位元件实际上能够限制几个自由度来分析来判断。 2、限制工件的自由度与加工要求有关 工件在夹具中定位，并非所有情况都必须完全定位，设计工件的定位方案时，应首先分析必须限制哪些自由度，然后在夹具中配置相应的定位元件。工件所需限制的自由 21 度，主要取决于本工序的加工要求。在这里我们要加工的是减震器冒与减震器座焊接在一起，首先应确定一个面，限制减震器冒与减震器座的自由度，其次要考虑设计的方便和节约材料，又要充分利用工件本身的特点，所以我初步设计一个圆柱面作为它的定位面，这样就限制了 3 个自由度，又 圆柱面与工件设为过量配合，所以限制了两个自由度，还有一个自由度没有确定，还可以上下移动，我们在设计时就要考虑这点，夹具必须要限制一个自由度。 3、工件以平面定位 工件以平面作为定位基准，是生产中常见的定位方式，在分析和设计定位时，应根据基准平面与定位元件工作表面接触面积的大小、长短或接触形式。确定定位元件所相当的支承点数目及基所限制工件的自由度。当接触面积较大时，相当于 3 个支承点，限制工件 3 个自由度； 4、工件以圆柱孔定位 1） 定位销 当工作部分直径 D 大于 3 到 10，为增加刚度，避免销子因撞 而折断，或热处理时淬裂，通常把根部加工成圆角 R。在夹具体上应有沉孔，使定位销圆角部分沉入孔内而不影响定位。大批量生产时，为了便于更换定位销，可设计配有衬的结构，便于更换。为了便于工件顺利安装，定位销的头部应有 15 度倒角。 定位销工作部分的直径，可根据工件的加工要求和安装方便，按 g5g6f6度等级制造 7/ H7/合压入夹具体孔内 处理淬火 8,或用普通结构钢 20,渗碳淬火 ,渗碳深 火硬度构已标准公 ,也可设计特殊定位销 . 工件以单个圆柱销定位时容易歪 ,一般应和其它定位元件结合定位 . 定位销在夹具中常与其它定位元件组合成定位系统 . “一面两孔”组合定位 ,就是生产中常见的一种定位方式 ,常用于箱体等零件的加工 但是应该注意 ,当工件上两定位孔与销的配合间隙不大 ,而中必距误差较大时 ,就可使装卸工件发生干涉 就需对 “一面两孔”定位方式进行必要的验算 购买后包含有 咨询 22 空锻件【变速叉】 热锻模夹具 装夹 设计 1、 工件夹紧原理 为使工件在定位件上所占有的规定位置在加工过程中保持不变，就要用夹紧装置将工件夹紧。才能保证工件的定位基准 与夹具上的定位表面可靠地接触，防止在加工过程中移动、振动或变形。 由于工件的夹紧装置是和定位紧密联系的，因此，夹紧方法的选择应与定位方法的选择一起考虑。 在设计夹紧装置时，应考虑夹紧力的选择，夹紧机构的合理设计及其传动方法的确定。关于夹紧力的选择应包括方向、作用点及大小这三个要素的确定。 夹紧装置选择合适，不仅可以显著地缩短辅助时间，保证产品质量，提高劳动生产率，而且还可以方便工人操作，减轻体力劳动。 2、 夹紧装置的设计要求 设计夹紧装置时，必须注意夹紧力对工件加工厂表面所产生的紧 态和松态问题，以保证工件加工表面的精度和光洁度。 所谓加工厂表面的紧态夹紧，是指夹紧力的作用线能够通过加工表面的周围，使加工表面的材料处在压紧应力之下。 23 所谓加工表面的松态夹紧，是指夹紧力的作用线不通过加工表面的周围，使加工表面的材料处在自由状态之下。 在设计夹紧装置时，应根据工件的形状、材料、加工表面的位置、定位情况及加工表面的精度和光洁度要求，来确定采取“紧态”或“松态”的夹紧方法。 采用“紧态”夹紧方法可以使加工表面比较稳固，加工过程中不易引起工件的振动，有利于提高表面光洁度，但加工表面的几何形 状精度将会受到一定的影响，特别是当夹紧处的
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