联接环锻模及其电解加工工装设计【含CAD图纸】
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- 内容简介：
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联接环锻模电解加工工装设计开题报告一、 选题的目的及意义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。采用电解加工实现模具加工具有表面质量好，使用寿命长，脱模好，成本低的优点。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。 二、国内外研究现状1.1电解加工原理电解加工（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。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1.1所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。图1.1电解加工过程示意图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：Fe=Fe2+2e(阳极溶解)Fe2+2OH-+O2=Fe(OH)2(淡绿色絮状物)4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3(红棕色絮状物)阴极一侧：2H+2e=H2（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=kIt、阳极溶解的金属体积为:V=M/=KIt/=It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：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-i曲线。1.2电解加工的电化学基础电解加工是一种由两类导体串联形成的电化学系统，电子得失的电化学反应发生在两类导体界面，即电极的双电层（如图1.2）。关于电极的定义，在电解加工中习惯把它看成工具阴极和工件阳极，而从电化学的概念来理解，电极应当是包括金属电极连同其相邻溶液的整体，表示为电极/溶液。电解加工与普通电化学系统不同的是两极间距离小，一般为0.100.60mm，电流密度远高于普通的电化学系统，作为电极/溶液界面金属的工件阳极，伴随着气体析出，金属元素也随之溶解。界面的溶液由于高速液体冲击，电极表面扩散层厚度大大减小，浓度梯度变大，双电层结构发生畸变，流体动力因素极大地影响了电化学步骤的液相传质过程。同时由于大量气体在小间隙内形成气液混合体，加上温度、蚀除产物的变化，使界面及极间状态十分复杂，这也是导致电解加工过程不能彻底保证稳定性和精度的重要原因。电极反应发生在电极和溶液界面上，在一般的电化学系统中，界面的性质对反应速度影响很大，一方面表现在电极材料及其表面状态，另一方面为界面存在电场所引起的特殊效应，这是因为界面上存在着离子双电层电位差、表面偶极层的电位差、吸附双层的电位差（如图1.3）。图1.2双电层分布示意图图1.3电极溶液界面电势示意图在一般电化学系统中形成的离子双电层，电极表面只有少量剩余电荷，所产生的电位差不大，但它对电极反应的影响却很大，如果电位差为1V，界面上两层电荷间距的数量级为10-10m，则双电层的场强为E=V/L=1010V/m。离子双电层之所以能达到如此大的场强，就是因为两层电荷的距离太小，这样的场强足以使一般条件下本来不能进行的化学反应变得可以进行，如电解水。当然也可使电极反应速度发生极大变化，例如当界面电位改变0.10.2V，反应速度可改变l0倍。在场强的数量级超过106V/m时，任何电介质均被击穿放电，引起电离，只不过电化学体系中可供击穿的粒子均在双电层外。而电解加工系统的电流密度及电极表面剩余电荷远远高于一般电化学系统，这也是电解加工能够进行的主要因素。实际加工时，阳极溶解形成的加工间隙很大程度上受间隙流场、电场的影响，因为工件与阴极间的几何形状差异使流场不能均匀分布，气、液和固三相流间隙的成形规律十分复杂，沿程气泡率、电解产物和温度的变化使工件溶解速度不能恒定，杂散腐蚀引起已加工面的二次蚀除使加工间隙失控。工件阳极的电极/溶液界面是形成最终成品的表面，在其发生的电化学过程是零件成形的实质过程，因此电解加工间隙的核心是工件电极/溶液界面，即电极的双电层。图1.4电极反应中电子与离子转移过程示意图液相传质有电迁移、扩散和对流三种方式。间隙中从电极到溶液理论上可分为双电层、扩散层和对流层三层，从扩散层向外为对流层，以对流传质为主。在紧靠电极表面的薄层液体中，不管搅拌作用如何强烈，电迁移和扩散过程作为电极过程的一部分仍起着重要作用。当电极表面溶液当电极上有电流通过时，三种传质方式同时存在，各区域的传质方式以一种或两种为主。电解加工采用高压泵强力输液，对流速度远远大于扩散速度，具有实现稳态扩散的条件。从所传输的粒子情况看，电迁移传输的是正负离子，扩散和对流传输的可以是离子、分子，也可以是其他微粒。在电迁移和扩散过程中，溶质与溶剂之间存在着相对运动；在对流传质过程中，溶液的一部分相对于另一部分做相对运动，而运动的这部分溶液中不存在溶质和溶剂的相对运动。由于电解加工的工件电极本身是加工对象，两极的形状不是任意设计的，电极表面不可能靠改变形状获得均匀的扩散层。虽然电解加工采用高压泵高速输送电解液，极大程度消除了因扩散阻力引起的浓差极化，但是由于电解加工的对象一般形状较复杂，在工件不同部位的传质过程存在区别。复杂零件的电解加工，间隙各处流场不均匀，并且因为电迁移、扩散、对流所传输的离子、粒子种类和速度的差异，必然造成电解加工电极表面各处电极过程不均匀。三种传质方式在间隙中的不同分布、在电极表面附近溶液层中的不同比例对电极过程的影响，成为间隙形成过程中间隙不能均匀分布的重要因素。即使形状简单，从供液孔到加工间隙的过水面积的变化也不可避免，造成空穴、束流等。这些也是目前仍然无法找到电解加工过程中实时检测间隙分布规律的因素。微细电解加工时，由于工具电极直径只有几十微米到几百微米左右，高压、高速的电解液冲刷会影响加工精度和破坏微细电极，所以通常采用静液或相当于静液电解槽内加工，这样就会使加工间隙中电解液供液困难，新鲜电解液很难流入加工间隙，电解产物和电解产生的热量也很难排除，因此，微细电解加工中必须考虑如何改善小间隙内电解液的充足供给和电解产物与电解热的排出问题。在超纯水微细电解加工中，超纯水属于低浓度、低电导率的电解液，并拥有较低的粘度，可以减少流动的压力损失并加快热量及产物的迁移，从而可运用于小间隙加工；另外，其较高的热容可防止沸腾和空穴的形成，有利于小间隙、高电流密度的加工。三、本课题的研究手段和预期结果1、研究内容(1)查阅文献资料，详细研究零件图，了解零件的结构。(2)根据零件的结构选取毛坯的种类和制造方法毛坯余量的选择。(3)制定工艺规程和可行性分析。(4)选择粗精基准，计算和选择金属切削机床的技术参数。(5)根据电解加工工装的结构设计工序过程中的专用夹具。2、本课题可能遇到的问题及其研究方法（1）在刚开始的时候工序的划分以及定位基准会比较难选择，所以就在过程中要认真分析零件图，了解电解加工工装的结构特点及相关的技术要求而加工工序要根据生产类型，零件的结构来认真分析。（2）在夹具设计的时候也可能遇到问题，比如工件的定位是否正确，定位精度是否满足要求等等，所以要调查现阶段国内外比较先进的电解加工工装结构，从整体上把握设计的方向，了解电解加工工装的加工工艺规程及夹具的设计原理。（3）通过大量的资料，研究零件的结构，选择合适的加工方法，及选择合理的基准和工序安排。（4）熟悉夹具的结构选择合理的机床及装夹设备，确定加工余量和工序，进行精细的准确的尺寸计算，和时间的估算。3、课题预期结果（1）了解了电解加工工装的作用，完成对零件的结构分析，并制作出合理的夹具及装夹方案（2）在保证经济和尺寸精度的要求下制定出合理的加工方法及加工工序。（3）在老师的要求下及自己的计划内完成各项任务。4、完成课题所需的工作条件在前期得做好各项准备，要查阅大量的文献了解电解加工工装的结构，并在CAD，PRO/E上画出这个零件，认真去了解他的结构，这当中就需要一些工具书比如机械加工工艺手册，夹具设计图册，刀具设计手册以及有关教材及参考资料，最后如果有需要还可以选择去工厂调研，以上条件具备完成本课题所需的工作条件。四、研究进度第1第2周 完成收集资料，开题报告，文献综述及外文翻译等第3-第5周 根据零件结构和尺寸要求，完成工艺规程设计第6第9周 工艺装备设计第10第12周 编写设计说明书 第13周 毕业设计答辩 五、主要参考文献资料1 于勇. 我国机械制造技术的现状及发展方向J. 山西焦煤科技 ,2010,(S1) :75-762 应雷. 浅谈我国机械制造业的困境和发展战略对策J. 科技资讯, 2010,(27) :1123 侯志楠. 浅析机械制造技术的发展历程、现状及趋势J. 2010/204 濮良贵，纪名刚. 机械设计M .高等教育出版社，20065 黎震，朱江峰. 先进制造技术M . 北京理工大学出版，20096 郑修本. 机械制造工艺学M . 北京：机械工业出版社，20077 徐鸿本. 机床夹具设计手册M.辽宁：辽宁科学技术出版社，20048 闻邦椿.
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