毕业设计开题报告

南京航空航天大学金城学院毕业设计（论文）开题汇报题目阴极旋转进给叶栅通道电解加工夹具设计及试验研究系部机电工程系专业机械工程及自动化学生姓名王炜学号指导教师朱栋职称副教授毕设地点南京航空航天大学3月15日1.1电解加工原理和特点电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解原理将工件加工成形一个特种加工方法。加工时，工件接直流电源正极，工具接负极，两极之间保持较小间隙。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。伴随工具相对工件不停进给，工件金属不停被电解，电解产物不停被电解液冲走，最终两极间各处间隙趋于一致，工件表面形成与工具工作面基本相同形状。电解加工对于难加工材料、形状复杂或薄壁零件加工具备显著优势。现在，电解加工已取得广泛应用，如炮管膛线，叶片，整体叶轮，模具，异型孔及异型零件，倒角和去毛刺等加工。而且在许多零件加工中，电解加工工艺已占有主要甚至不可代替地位。与其它加工方法相比，电解加工具备以下特点：（1）加工范围广。电解加工几乎能够加工全部导电材料，而且不受材料强度、硬度、韧性等机械、物理性能限制，加工后材料金相组织基本上不发生改变。它惯用于加工硬质合金、高温合金、淬火钢、不锈钢等难加工材料。（2）生产率高，且加工生产率不直接收加工精度和表面粗糙度限制。电解加工能以简单直线进给运动一次加工出复杂型腔、型面和型孔，而且加工速度能够和电流密度成百分比地增加。据统计，电解加工生产率约为电火花加工5至10倍，在一些情况下，甚至能够超出机械切削加工。（3）加工质量好。可取得一定加工精度和较低表面粗糙度加工精度(mm)：型面和型腔为±0.05～0.20；型孔和套料为±0.03～0.05。表面粗糙度(μm):对于通常中、高碳钢和合金钢，可稳定地达成Ra10.6～0.4，有些合金钢可达成Ra0.1。（4）可用于加工薄壁和易变形零件。电解加工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。（5）工具阴极无损耗。在电解加工过程中工具阴极上仅仅析出氢气，而不发生溶解反应，所以没有损耗。只有在产生火花、短路等异常现象时才会造成阴极损伤。1.2电解加工行业背景传统拷贝式电解加工阴极设计制造困难，加工精度难以确保。尤其对整体叶轮上扭曲叶片之类通道狭窄零件表面，因为受工具阴极刚性及加工送进方式限制，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柔性电解加工——数控展成电解加工思想开始形成，它以控制软件编制代替复杂成形阴极设计、制造，以阴极相对工件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，具备很大加工柔性，适适用于小批量、多品种、甚至单件试制生产中。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，设计了一个柔性电解加工单元，应用特殊电流脉冲波形和高选择性电解液，加工精度达0.02mm，表面粗糙度达Ra0.2～0.6m。波兰华沙工业大学Kozak教授于1986年率先提出了电解铣削思想，以棒状旋转阴极作类似于圆柱状侧铣刀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加工，加工中采取NaNO3电解液，精度可达±0.01～0.02mm，表面粗糙度达Ra0.16～0.63m。波兰Cracow金属切削学院A.Ruszaj和J.Cekaj教授利用形似球头铣刀工具阴极，进行了型面光整加工试验研究，取得了形状误差小于0.01mm加工效果，从而证实了该工艺在模具光整加工方面具备很好应用价值。美国、英国、俄罗斯都高度重视数控电解加工技术研究并已得到应用，在新型航空发动机及航天火箭发动机研制中发挥了主要作用。美国GE企业五轴数控电解加工，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主要进展。详细研究内容包含以下几方面：(1)设备研制：研制了五轴数控电解加工机床及配套多轴联动数控系统。该机床具备三个直线运动坐标轴及二个旋转运动坐标轴，各轴均采取步进电机驱动。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情况下展成电解加工间隙随一些主要工艺参数改变规律。(3)阴极设计：针对整体叶轮结构，设计制造了不一样结构开槽阴极、型面精加工阴极，并经过工艺试验对其结构进行不停改进，现已设计出了新奇结构组合式开槽阴极及矩形截面整体式型面精加工阴极，很好地处理了加工过程中易产生阴极短路烧伤问题。(4)加工软件开发：针对整体叶轮开槽加工及型面精加工，开发了对应数控展成电解加工软件，具备叶片型面数据处理、数控加工展成运动轨迹计算及整体叶轮三维型面几何造型等功效。(5)加工工艺试验：包含直纹面、非直纹面整体叶(涡)轮及带冠整体叶轮展成电解加工、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，能够取得较高加工精度和较低表面粗糙度。磁场提升加工精度研究这项技术早期研究较多是磁场对电解磨削、电解抛光影响。近年来，国内开展了电解成型加工叠加磁场研究。西北工业大学研究发觉当加工对象是钛合金或者是在NaCl电解液中加工45钢时，磁场能够显著降低杂散腐蚀，提升加工精度，而在NaNO3电解液中加工45钢则效果甚微。西安工业学院进行了磁场影响电场仿真试验及在电解加工装置上叠加磁场加工工艺试验。试验表明，电解加工过程中叠加磁场会改变原有电场分布，进而改变间隙流场分布，从而有利于处理以往电解加工过程中杂散腐蚀现象，提升电解加工质量。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，对电场均布有较显著作用。另外，采取切割流线方向叠加磁场，洛仑兹力作用有利于成股束流展开；磁场能够减小电解液粘度，改进其流动性能，有利于及时排走电解产物和热量，改进加工条件，提升加工稳定性。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BP神经网络电解加工精度预测模型、电解加工中管理系统开发等工艺技术研究都有所创新或突破。电解加工是一个制造技术，常要求设备研发在工艺技术之前。甚至能够说，许多工艺技术必须建立在先有硬件基础之上(如微秒级脉冲电流加工、振动进给加工等)。电解加工设备主要包含机床、电源和电解液系统三个主要实体以及对应控制系统。早期电解加工机床，其控制系统多为采取分离元件继电系统或简易数控系统，其故障率高，稳定性差，使用寿命短，且控制柔性较差，自动化程度低。因而，这两类系统近年来逐步被PLC控制系统和计算机控制系统所代替。微细电解加工技术是当前电解加工研究中最活跃也是最热点方向之一。基于毫秒、微秒、纳秒及群脉冲电源，采取单纯电解、电解与超声复合、电解与电火花复合、电解与线切割复合等加工工艺，在蜂窝状微坑、微细槽、微细轴、微细群孔、微细群圆柱等微阵列、微器件等加工中，投入了大量研究，掩膜微细电解、微细电解线切割、微细群孔加工、电液束流电解加工和超纯水电解加工等也出现了快速发展势头。1.3电解加工技术在航空航天事业中应用航空航天事业是当今各个大国竞相发展一项事业。庞大资金和无数人力物以及最高新技术都被投入到其中。整体叶盘、整体叶轮构件对于提升当代航空发动机性能具备主要作用，但其加工技术至今仍是一个难题。数控电解加工整体叶盘技术是现在较为普遍应用。整体叶盘(包含整体叶轮)将叶片和轮盘制作成一个整体，代替通常叶片桦齿与轮盘桦槽再加锁片连接结构，使零件数量大大降低，整体重量也显著减轻;同时因为整体叶盘能够消除传统叶片、轮盘结构中气流在桦头与桦槽中逸流所造成损失，使发动机工作效率增加，从而使整台发动机推重比显著提升。如F414发动机，采取了共5级整体叶盘，使零件降低了484件;其推重比与原型机F404比较，由7.5%提升到9.0%。一样，英国R&R企业在发动机中采取整体叶盘结构后，与传统叶片、轮盘分体结构相比，重量最多可减轻50%;同时还能够防止桦头、桦槽间微动磨损、微观裂纹、锁片损坏等意外故障，使发动机工作寿命和安全可靠性大大提升。在火箭发动机中，采取带冠整体涡轮可大大降低传统涡轮部件结构中叶尖与涡轮外环之间逸流损失，涡轮效率由传统结构50%提升到70%。因为上述突出优点，整体叶盘、整体叶轮以及带冠整体涡轮在先进、高推重比航空发动机及新型大推力火箭发动机中得到越来越多应用。但因为其复杂整体几何结构及材料切削困难，使得其加工又成为世界级技术难题。教授们己经花费了近时间来寻求优质、高效、低成本加工方法，发觉整体叶盘电解加工技术显示了诱人前景。1.4电解加工技术发展趋势二十一世纪高新产品精度与表面质量要求越来越高，材料更强、更硬、更韧。为处理精密加工困难，电解加工正发挥独特上风，从通常特种加工向精密特种加工发展。计算机数控技术使电解加工自动控制和工具电极CAD/CAM成为现实；IGBT、IPM等电力电子器件应用为新型电源开发创造条件；新材料和表面技术进展，深入完善电极制造工艺；高新技术为电解加工发展提供了技术基础。新工艺研究取得主要结果；脉冲电流、柔性加工、低浓度复合电解液，电解与电火花、机械、超声及磁力等复合加工工艺，可大幅度进步加工精度。应用方面，电解加工正加速从国防产业向民用产业延伸。加工对象由粗加工、半精加工向精密、光整加工方向扩展。新世纪，电解加工将充分利用“离子往除”优点，扬长避短，留心“绿色制造”，在微细、超精及纳米制造领域成为关键关键技术。1.5.整体叶盘特点整体叶盘是航空发动机一个新型结构部件，它省去常规叶盘连接桦头和桦槽，使结构简化，大大提升了叶盘性能，同时，显著提升了发动机工作寿命和安全可靠性。但当代整体叶盘多采取耐高温、高硬度难切削材料(如钦合金、高温合金等)，结构上采取变截面、弯曲、扭转等复杂型面叶片，且叶片数量多，叶栅通道狭窄。对于这类叶盘，传统机械加工难以胜任。如:采取数控铣削可能会出现刀具成本高、加工易干涉、加工效率低等问题。电解加工是基于电化学阳极溶解原理蚀除工件金属材料来达成加工目标方法，具备加工范围广、表面质量好、加工效率高、阴极无损耗、工件无残余加工应力等很多优点，在材料难切削、叶片形状复杂整体叶盘制造中表现出显著优势。国内外学者对整体叶盘电解加工开展了深入研究。德国某企业采取拷贝式电解加工方式加工整体叶盘叶片。朱永伟等采取直线刃电极进行整体叶盘数控展成电解加工研究，加工出了直纹面或近直纹面整体叶盘。1.6整体叶盘加工方法介绍整体叶盘加工通常分为两步:叶栅通道预加工和叶片型面精加工。叶栅通道由一个叶片叶背型面与下一个叶片叶盆型面及轮毅型面组成。其加工余量均匀性优劣对后续型面精加工有着主要影响，若叶栅通道型面加工余量不均匀，即余量差较大，则给型面精加工整平带来困难，严重影响型面加工精度。径向进给电解加工不但能加工出通道叶盆、叶背型面，同时能利用端面成形加工出复杂轮毅型面，降低了后续对叶根处修正工作量。但进给方向对通道叶盆、叶背加工余量分布均匀性有着主要影响。为了提升精加工余量分布均匀性，要采取成形电极径向进给电解加工整体叶盘叶栅通道，分析了不一样进给方向通道型面精加工余量均匀性，优化了进给方向。成形电极沿着整体叶盘径向运动，依靠侧面成形电解加工出叶栅通道叶盆型面、叶背型面及依靠端面成形加工出轮毅型面，从而实现叶栅通道加工。当一个叶栅通道加工完成后，工具电极沿着进给路径返回，工件旋转一个分度(分度角e-360/m,m为叶盘上叶片数量)后，加工下一个叶栅通道。依次进行，直至加工出全部叶栅通道。这里所讨论整体叶盘叶片并非简单拉伸出来直叶片或直纹面叶片，而是形状复杂空间自由曲面。该型号整体叶盘叶片数量多且稠度较大，通道狭窄且弯曲。径向进给电解加工整体叶盘叶栅通道过程中，电极进给方向影响加工有没有干涉、过切和加工余量均匀性。叶片加工余量均匀性对后续型面加工具备主要意义，若余量差异较大，则无法满足电解加工整平比要求，从而使型面精加工难以达成加工精度要求。本文讨论在已知整体叶盘几何造型条件下，电极进给方向优化方法。1.7整体叶盘电解加工发展现实状况整体叶盘作为航空发动机关键部件，它加工方法研究也得到了相当高重视。在现在叶轮加工方法中，国内通常采取五坐标数控铣床加工整体叶轮，数控铣削具备加工柔性好，能够加工各种复杂形状叶轮叶片，生产准备周期短等优点。但该加工方式刀具损耗严重，生产成本高，对难切削材料、小通道叶轮极难加工，对薄壁叶片加工轻易产生变形。在叶轮电解加工方面，国内常采取电解套料方式加工等截面叶片整体叶轮，该加工方式夹具简单，加工效率高，但该方法采取环形电极，无法加工叶身扭曲复杂叶轮叶片，适用范围小。变截面扭曲叶片整体叶轮通常采取数控展成电解加工，它是以电解“切削”方式加工型腔、型面，利用简单阴极数控展成运动加工复杂零件，该方法采取双直线刃阴极，靠侧向间隙加工型面，加工精度和叶片表面质量不高，对于型面尤其扭曲复杂叶片也无法加工。国外如美国Ex-Cello-O企业采取六轴电解加工机床加工整体叶轮，其工具阴极采取块状电极，进给角度为斜向300，进给方向固定，电解液流动方式采取侧流式，即从叶身进气边(或排气边)流入，从排气边(或进气边)流出。该机床能够加工型面扭曲复杂叶轮叶片，但因为其采取块状电极，无法加工叶间通道狭窄叶轮，适用范围不广泛(ECMMACHINEWITHSKEWEDWORKPARTANDPOCKETEDCATHODES,UnitedStatesPatent，PatentNumber:4657649)。美国GE企业加工叶轮叶片时，先将成型叶盆和叶背阴极固定在夹具上，两套阴极相对放置，形成叶片形状电解加工区域，叶轮叶片按照一定空间轨迹进给至空腔中，加工时电解液采取侧流式。该加工方法适合加工型面扭曲程度小和叶身长度较短叶轮叶片，而且夹具制造精度高，对封水结构要求严格，不然电解液轻易泄漏，造成电解加工区缺水而引发短路。现有叶轮电解加工阴极和加工技术无法充分发挥电解加工潜力，所以有必要研制新叶轮电解加工阴极以适应新需要。在这个领域，南京航空航天大学有一项整体叶盘电解加工薄片电极创造专利。这项创造包括一个整体叶轮电解加工薄片电极，属于电解加工领域。其特征在于:薄片电极为扭曲型面，其扭曲程度与叶片型面相同;薄片电极一面为加工面，另一面为非加工面，非加工面涂覆有绝缘层，其中绝缘层厚度沿阴极薄片轴向改变，靠近阴极片安装端绝缘层较厚，靠近加工端绝缘层较薄;薄片电极采取垂直方式安装与电极夹具上。其型面扭曲复杂，具备加工异型且狭窄叶轮槽优点;阴极非加工表面涂覆厚度优化绝缘层，预防对非加工面二次腐蚀，同时增强阴极片强度，实现阴极片在加工中稳定进给，确保加工区流场均匀稳定。美国、英国、俄罗斯都高度重视整体叶盘数控电解加工技术研究并己得到应用，在新型航空发动机及航天火箭发动机研制中发挥了主要作用。以下研究及应用结果能够代表电解加工整体叶盘国际先进水平。据介绍，(TF企业于20世纪70年代末，在T700发动机上采取了整体叶盘，起初用五坐标数控铣床加工叶片，至1985年，与LehrPrecision企业合作发展了电解加工技术，用以加工T700钢制整体叶盘，随即又用于加工为装备“先进战术战斗机ATF(即现在F22)而研制(TF37/YF120发动机钦制整体叶盘，以后还加工了F414发动机整体叶盘，加工时间可比五坐标数控铣削降低50%-85%。整体叶盘粗加工(即在坯料上开出叶间槽)、半精加工和精加工均用电解加工，加工后无须再进行手工抛光，加工出叶型厚度公差为士0.10mm，型面公差为0.10mm。在带冠整体叶轮加工中，美国采取精密数控电火花工艺，俄罗斯则采取机械仿形电火花与电解加工组合工艺。电解加工既能够提升加工速度，又能够去除电火花加工后表面变质层，提升表面质量。电火花一电解加工组合工艺在新型发动机，尤其是火箭发动机带冠整体涡轮研制中发挥了主要作用。在国内，南京航空航天大学从20世纪80年代中期就开始进行数控展成电解加工研究，并己取得了一些主要研究结果。“直线刃”阴极数控展成电解加工与数控铣相同，以简单“直线刃”阴极进行数控展成运动，基于电化学阳极溶解原理而实现整体叶盘叶间槽和叶片型面粗、精加工。数控展成电解加工通常需要5轴联动。该研究结果己经应用于加工改型航空发动机整体导风轮(外径190mm)并装机使用，;还精加工了小型叶轮(外径120mm)样件，。现在，这种方法还只限于加工可展直纹曲面，非可展直纹面加工则尚在研究中。该项工艺及对应设备，包含五轴数控电解加工机床(实用新型专利)、多轴联动数控系统及其编程方法(创造专利)都有自主知识产权，具备推广应用前景。成形或近成形阴极柔性电解加工是南京航空航天大学正在研究加工非可展直纹面一个新方法，采取成形或近成形阴极相对零件作数控仿形运动，可实现带冠整体涡轮、整体叶环和组合式整体叶轮加工。己进行预加工带冠整体涡轮叶间槽工艺试验可为后续精密数控电火花加工降低工时约20%--30%;下一步采取精密加工方法，还能够降低加工余量且使分布更均匀，预计可降低工时50%而加工精度能够靠近、甚至达成设计要求。美国先进战术战斗机计划(ATF计划)中把整体叶盘设计制造列为主要关键技术。美国国防部于1988年开展高性能涡轮发动机技术计划(IHPTFT计划)中提出:到，战斗机上发动机涡轮都将采取整体涡轮结构〔I-3)。由此可见，整体叶盘、整体叶轮己经成为新型航空发动机、火箭发动机重大改进部件。而伴随新、更难切削材料采取，以及结构愈加复杂化(如扭曲叶片整体叶盘、带冠整体涡轮)，其加工将愈加困难。在美、英、俄等工业发达国家，都在加紧研究优质、高效、经济加工方法并正在逐步取得结果。在F414-EJ200-F110-(TF一129R}F119一PW一100以及BR715等新型发动机上，都采取了整体叶盘结构，使飞机性能得到显著提升〔1.3)s显示了整体叶盘结构应用前景。英、美、俄等国家在发展先进航空发动机、火箭发动机计划中都高度重视整体叶盘设计制造问题。现在，整体叶盘惯用加工方法五坐标数控铣削、精密铸造己经得到较多应用并将继续发挥其作用;电解套料方法在等截面叶片整体叶轮加工中也得到成功应用;而数控展成电解加工为处理数控铣、精密铸造所难加工或不能加工难题提供了新技术路径。总而言之，整体叶盘各种加工方法都各有其特点，在一定条件下各有其优越性和不足。每种方法都有其适用范围，不能构想能够找出一个方法来代替全部其余方法实现各种整体叶盘加工。不过，在上述各种方法中，电解加工与数控技术相结合数控展成电解加工兼备了数控和电解这两项技术特色，在整体叶盘加工中发挥了独特而主要作用(优质、高效、低成本、快速响应)，美、英、俄等国家都高度重视其研究、应用与发展，这一情况和趋势应该引发我们高度重视1.8叶栅通道电解加工技术发展现实状况南京航空航天大学相关研究表明：整体叶盘叶栅通道加工是在叶片型面精加工至满足设计要求之前不可缺乏工艺步骤。为此需要设计工具电极径向进给加工叶栅通道模式，为了提升整体叶盘叶栅通道余量分布均匀性，还要尝试想出了电极进给方向优化策略。经过分析通道型面在进给方向上前后遮档情况，比较全部采样点在与进给方向垂直方向上坐标分量差值，得到不一样进给方向余量差。以通道叶盆、叶背型面余量均匀、余量差均衡为准则，搜索出最优进给方向。在电解加工机床上展开试验研究，结果表明，采取优化后进给方向进行加工，可取得余量更均匀、两侧型面余量差较均衡叶栅通道。1.9此次毕业设计内容主要性此次毕业设计题目为阴极旋转进给叶栅通道电解加工夹具设计及试验研究。主要针对加工叶栅通道夹具进行设计，将设计方案表现在图纸上；还要能够使用UG将设计夹具和工件画出来；在老师和学长指点和率领下进行一定次数试验，专心统计试验过程和相关参数。最