機(jī)械設(shè)計說明書-航空曲面零件電解加工工裝設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：航空曲面零件電解加工工裝設(shè)計緒論1.1電解加工的原理電解加工（Electrochemicalmachining,ECM）作為機(jī)械加工的的補充手段走過了半個世紀(jì)。電解加工的基本原理是電化學(xué)陽極溶解，而這一電化學(xué)過程又是建立在電解加工間隙中特定的電場、流場分布的基礎(chǔ)上的，故電場理論、流場理論以及電化學(xué)陽極溶解理論構(gòu)成了研究電解加工工藝的三大基礎(chǔ)理論[2]。電解加工以其在難切削材料、復(fù)雜形狀的零件加工中體現(xiàn)出的特殊優(yōu)點，較好的適應(yīng)了軍事工業(yè)中若干重要關(guān)鍵產(chǎn)品的特殊需要，首先成為軍工生產(chǎn)中不可缺少的重要手段和關(guān)鍵技術(shù)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中獲得了較好的應(yīng)用效果，而我國則是世界上應(yīng)用電解加工最多的國家只一。電解加工又稱電化學(xué)加工，是金屬工件在電解液中發(fā)生陽極溶解的一種加工過程。電解加工是利用金屬在電解液中的電化學(xué)陽極溶解原理，目的是獲得具有一定尺寸精度的零件。電解加工是一種在高壓力、高流速條件下進(jìn)行的電化學(xué)過程。電解加工區(qū)別于一般電化學(xué)加工的關(guān)鍵就在于電解液的高速流動，加工時，工件接電源的正負(fù)，工具接電源的負(fù)極，按照一般電化學(xué)過程，在電解液不流動或流速也很小時，電流也很小，只有當(dāng)極簡距小于0.05mm～1.0mm，在高速流動（流速大于5m/s）的電解液中電流才會隨間隙的減小顯著增加[1]。電解加工的基本原理是電化學(xué)陽極溶解，如圖1.1所示。此種加工技術(shù)要求被加工的工件必須為導(dǎo)電材料，工具通常為紫銅、黃銅或不銹鋼材料。加工時，（a）加工開始（b）加工終了1—電解加工電源；2—工具陰極；3—工件陽極；4—電解液圖1.1電解加工原理簡圖工件接電源正極，工具接電源負(fù)極，電源電壓通常為5V～20V，加工電流密度為10A/cm2～500A/cm2。工具電極向工件低速進(jìn)給，使陰極和陽極之間保持較小的加工間隙0.05～1.0mm，同時，使具有一定壓力0.5MP～2.5MPa的電解液從間隙中流過，這時陽極工件的金屬材料被逐漸溶解，電解產(chǎn)物被高速流動的電解液帶走，從而將工件加工成型[1]。電解加工作為一種加工工藝方法，我們不僅要關(guān)心其加工原理，而且在實踐上更關(guān)心其加工過程中工件尺寸、形狀以及被加工表面質(zhì)量的變化規(guī)律。而既能夠定性分析、又能夠定量計算，可以深刻揭示電解加工工藝規(guī)律的基本定律就是法拉第定律。法拉第定律包含以下兩項內(nèi)容：（1）在電極的兩項界面處（如金屬/溶液界面上）發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量與通過其界面上的電量成正比。此稱法拉第第一定律。（2）在電極上溶解或析出一克當(dāng)量任何物質(zhì)所需的電量是一樣的，與該物質(zhì)的本性無關(guān)。此稱法拉第第二定律。根據(jù)電極上溶解或析出一克當(dāng)量物質(zhì)在兩相界面上電子得失量的計算，對任何物質(zhì)這一特定的電量均視為常數(shù)，稱為法拉第常數(shù)，記為F。F≈96500（A·s/mol）≈1608.3(A·min/mol)對于電解加工如果陽極只發(fā)生確定原子價的金屬溶解而沒有其他物質(zhì)析出。則根據(jù)法拉第第一定律，陽極溶解的金屬質(zhì)量為M=kQ=klt（1.1）式中M—陽極溶解的金屬質(zhì)量（g）；K—單位電量溶解的元素質(zhì)量，稱為元素的質(zhì)量電化當(dāng)量（g/A·s或g/A·min）Q—通過兩相界面的電量（A·s或A·min）；I—電流強度（A）；t—電流通過的時間（s或min）。電解加工的成型過程及相關(guān)要求：基于電解過程中的陽極溶解原理并借助于成型的陰極，將工件按一定形狀和尺寸加工成型的一種工藝方法稱為電解加工。其加工系統(tǒng)如圖1.2所示，基本夠成與電解池相同。但為了能實現(xiàn)尺寸、形狀加工，還必須具備下列特定工藝條件：（1）工件陽極和工具陰極（大多為成型工具陰極）間保持很小的間隙（稱作加工間隙），一般在0.1～1mm范圍內(nèi)。（2）電解液從加工間隙中不斷高速（6～30m/s）流過，以保證帶走陽極溶解產(chǎn)物和電解電流通過電解液時所產(chǎn)生的熱量，并去極化。（3）工件陽極與工具陰極分別和直流電源（一般為10～24V）連接，在上述兩項工藝條件下，則通過兩級加工間隙的電流密度很高，高達(dá)10～102A/CM2。在上述特定工藝條件下，則工件陽極被加工表面的金屬按照工具陰極形狀被高速溶解，而且隨著工具陰極向工件進(jìn)給，保持很小的加工間隙，使工件被加表面不斷高速溶解，如圖1.3所示，直到達(dá)到所要求的加工形狀和尺寸為止。1—直流電源；2—工具陰極；3—工件陽極；4—電解液泵；5—電解液圖1.2電解加工系統(tǒng)圖（a）（b）（a）加工開始；（b）加工終止圖1.3電解加工成型過程示意圖1.2電解加工的特點及分類與常規(guī)的切削加工方法相比，切削加工是依靠硬的工具擠壓軟的工件，使工件上多余的金屬脫離工件基體到達(dá)成型目的。然而，在電解加工中，陰、陽極是不接觸的，在陽極上發(fā)生電化學(xué)溶解反應(yīng)，陽極的金屬原子一個一個地脫離陽極表面，在陰極上發(fā)生析氫反應(yīng)。電解加工是一種優(yōu)點和缺點都十分明顯的工藝，其獨到的又是表現(xiàn)在：（1）高速。在加工難切削材料、復(fù)雜形狀工件時，其加工效率比傳統(tǒng)的切削加工可高出5～10倍。這是由于它是全型一次加工，且其蝕除速度不受加工材料的硬度、強度、韌性的影響。由于一次成型，因而制造周期短。（2）加工表面質(zhì)量好。由于材料以離子狀態(tài)去除，且為冷態(tài)加工，因而無冷作硬化層、熱再鑄層以及由此而引起的表面顯微裂紋。表面光整、無加工紋路，一般粗糙度為Ra=0.8～6.3μm，無毛刺。由于無切削力和表層內(nèi)應(yīng)力，因而加工變形小。（3）工具無損耗。由于工具陰極上的電化學(xué)行為只是析氫而無溶解，且不與工件接觸，故正常加工條件下（無短路燒傷時）工具陰極不損耗。（4）可成型范圍寬。從簡單的圓孔、型孔到復(fù)雜的三維空間的型面、型腔均可加工。（5）對難加工材料。復(fù)雜形狀工件的批量加工，電解加工是一種低成本的工藝（6）加工效率高。常規(guī)的切削加工需要多次切削才能達(dá)到零件的尺寸精度，然而，電解加工通過簡單的進(jìn)給運動，一次進(jìn)給加工出復(fù)雜的型面、型腔等，而且加工速度可以隨電流密度成比例地增加。據(jù)統(tǒng)計，電解加工的加工效率是電火花加工的5～10倍。美國Sermatech公司使用電解加工工藝加工發(fā)動機(jī)部件，提高了生產(chǎn)效率，使得加工時間降低為傳統(tǒng)切削加工時間的一半。而且電解加工速度不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。（7）進(jìn)給運動簡單。電解加工的進(jìn)給運動通常是直線運動，而沒有復(fù)雜的曲線運動。除此而外，電解加工還有如下所列的局限性，所以在選用時應(yīng)特別注意（1）加工精度和加工穩(wěn)定性較差。一般三維表面成型精度為0.20～0.50mm?？准庸椤?.025～±0.05mm。這是由于極間間隙受電化場、流場、電場諸多因素的影響，目前尚無法直接采樣控制，因而極間間隙不夠均勻、穩(wěn)定。且直流加工的散蝕能力較強，集中蝕除能力較弱，成型加工中需要有整形過程，且整平比不夠高。（2）電解加工所需的附屬設(shè)備較多，占地面積較大，而且機(jī)床需要足夠的剛性和防腐蝕性能，造價較高。工具陰極設(shè)計、制造工作量大成本較高。電解產(chǎn)物需進(jìn)行妥善處理，否則將污染環(huán)境。（3）工具陰極的設(shè)計和修正比較麻煩，周期長，因而電解加工只適合大批量生產(chǎn)。對于單件小批量生成，成本較高。綜上所述，電解加工對難加工材料、復(fù)雜形狀零件的批量生產(chǎn)是一種高效、高表面質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)的工藝方法，只要加工對象選擇得當(dāng)，發(fā)揮出電解加工的優(yōu)勢，就能收到良好效果。電解加工可根據(jù)不同的形式有以下幾種分類方式。電解加工按加工形式可分為立式加工和臥式加工，因此相應(yīng)的設(shè)備有立式電解加工機(jī)床和臥式電解加工機(jī)床；按照陰極與工件的相對位置可分固定式加工和移動式加工；按照加工對象可分為深孔（含異形深孔）、膛線、花鍵（含深槽雙鍵、四鍵）、型孔、小孔、型腔（主要用于模具）、型面（例如葉片）、套料、去毛刺、拋光、刻蝕加工等[2]。電解加工與其他能量復(fù)合，或與其他加工方法復(fù)合，衍生出一系列新的加工方法，可歸為復(fù)合電解加工一類，如電解成型磨削、電解機(jī)械復(fù)合拋光、電解磁力研磨（磁場輔助電化學(xué)拋光）、電解—電火花—機(jī)械磨削（MEEC）、電解—機(jī)械—超聲三合一拋光、電解—電火花復(fù)合加工（ECAM或EDCM）、磁場復(fù)合電解加工等。復(fù)合電解加工集電解加工和其他各種加工方法的優(yōu)勢，針對加工對象進(jìn)行組合，取長補短，較容易達(dá)到有效提高加工指標(biāo)的目的，是目前電解加工的發(fā)展方向之一。1.3電解加工的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀電解加工在20世紀(jì)60年代初,首先在炮管膛線和航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的加工中得到應(yīng)用,其后又逐漸擴(kuò)大應(yīng)用于鍛模型腔、深孔、小孔、長鍵槽、等截面葉片整體葉輪的加工以及去毛刺等領(lǐng)域,取得了顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果。在70年代以后,隨著國際市場經(jīng)濟(jì)競爭形式的變化,產(chǎn)品更新?lián)Q代快,生產(chǎn)批量減小,使得電解加工的適用范圍也發(fā)生變化。電解加工現(xiàn)已成為航空航天制造業(yè)中一種關(guān)鍵技術(shù),被廣泛地應(yīng)用在發(fā)動機(jī)葉片等零部件的生產(chǎn)中，而且電解加工在兵器、汽車、醫(yī)療器材、電子、模具等行業(yè)中得到了許多應(yīng)用[5]。國外很多研究機(jī)構(gòu)對電解加工進(jìn)行了大量的研究投入,并且在多方面取得了顯著進(jìn)展。為適應(yīng)高新技術(shù)的發(fā)展、新型軍工型號研制的需要，以及提高電解加工自身的水平，近二十余年，國內(nèi)外在提高電解加工精度及擴(kuò)大電解加工的應(yīng)用等方面進(jìn)行了大量的研究工作。新型電解液、脈沖電流電解加工、復(fù)合電解加工、數(shù)控展成電解加工等新興工藝方法以及CNC自動生產(chǎn)線、CNC自動機(jī)床等新興電解加工設(shè)備的出現(xiàn)，為實現(xiàn)上述戰(zhàn)略目標(biāo)展現(xiàn)了廣闊的前景[5]。隨著21世紀(jì)信息、生物、嶶納技術(shù)的發(fā)展及其對制造技術(shù)不斷增長的需要，微細(xì)加工將成為制造相應(yīng)設(shè)備的重要手段，電解加工進(jìn)行材料去除是以離子溶解的形式進(jìn)行的，這種去除方式使得電解加工具有微細(xì)加工的可能。目前國內(nèi)外制造業(yè)均十分關(guān)注微細(xì)電化學(xué)加工發(fā)展，將電解加工高速去除金屬的理念用到傳統(tǒng)電化學(xué)過程中，是促進(jìn)該項技術(shù)進(jìn)步的有效途徑，微細(xì)電化學(xué)加工就不僅僅指靜態(tài)條件下的掩膜電化學(xué)刻蝕了[1]。利用電化學(xué)刻蝕技術(shù)，使其與超短脈沖電流電源、間隙控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)等技術(shù)集成，為實現(xiàn)亞微米級微細(xì)電化學(xué)加工提供一條途徑。此外，利用電解原理，在磨削過程中了，不斷對粘結(jié)金屬的砂輪中的結(jié)合劑進(jìn)行電解在線修形技術(shù)可以有效實現(xiàn)對硬脆材料的納米表面加工。目前電解加工發(fā)展方向主要有兩方面：一是不斷追求電解加工的極限加工能力，探求微納米尺度上的加工；二是針對目前工業(yè)制造中大量存在的mesoscale(尺寸從幾微米至幾百微米)的結(jié)構(gòu)，研究如何采用電解加工經(jīng)濟(jì)、高效地進(jìn)行加工。目前，國內(nèi)外開展這方面的研究主要包括針對硅材料的半導(dǎo)體加工技術(shù)和針對金屬等非硅基材料的加工技術(shù)，前者研究比較系統(tǒng)、成熟；而針對金屬材料，目前發(fā)展了許多不同的加工技術(shù)（如LIGA技術(shù)、電火花加工技術(shù)、激光加工技術(shù)等），雖然加工精度和加工尺寸均能達(dá)到較高的水平，但是存在加工效率低、成本昂貴、加工范圍有限等缺點。1.4本課題主要研究的目的、意義以及重點和難點研究對象加工精度難以保證、工件材料硬度高，難切削，工序冗長、良品率低；加工后零件存在殘余變形，即使在生產(chǎn)過程中采取校形、時效措施，但合格品在庫存時由于殘余應(yīng)力的釋放又會造成零件再次變形而成為非合格產(chǎn)品，不能與其它零件進(jìn)行裝配。采用電解加工需要設(shè)計一套工裝，通過工藝試驗修正曲面陰極的形狀。通過本課題的設(shè)計，達(dá)到：（1）培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)和專業(yè)課的知識，分析解決工程技術(shù)問題的能力；（2）鞏固加深擴(kuò)大基本理論和技能；（3）受高級工程技術(shù)人員能力的訓(xùn)練；調(diào)研、查閱文獻(xiàn)，制定方案、設(shè)計、撰寫。（4）創(chuàng)新能力和團(tuán)隊精神。課題研究的內(nèi)容是根據(jù)研究對象航空曲面零件如圖1.4和1.5所示，設(shè)計一套加工該零件的電解加工工裝，包括：（1）航空曲面零件電解加工陰極；（2）裝夾航空曲面零件電解加工的陰極和工件的夾具裝置；（3）運用Pro/E、UG等軟件畫出航空曲面零件電解加工工裝三維裝配圖。電解加工裝置除了應(yīng)保證工件裝夾和定位外，還應(yīng)考慮導(dǎo)電、供液、流場分布，非加工面的保護(hù)，工件和工具（即正負(fù)極、陰陽極）之間的絕緣等問題。電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生電化學(xué)陽極溶解的原理對工件進(jìn)行成形加工的特種加工，又稱電化學(xué)加工。電解加工的重點是針對不同的加工零件設(shè)計出加工該零件的陰極以及裝夾該零件電解加工的陰極和工件的夾具裝置。電解加工的難點是電解加工是一種復(fù)制加工,工具陰極的輪廓形狀須根據(jù)圖紙給定圖1.4航空曲面零件二維圖的工件形狀和加工間隙的分布規(guī)律來設(shè)計，加工間隙分布的不均勻?qū)е玛帢O設(shè)計非常困難。1.5電解加工的研究方法以及電解加工新技術(shù)基于離子蝕除原理的電解加工可望成為一種超精密加工技術(shù)，但目前電解加工卻與精密、微細(xì)相距甚遠(yuǎn)。作為特種加工中的一種高效率、無應(yīng)力的加工技術(shù)，有必要深入研究電解加工的機(jī)理，特別是對加工精度和表面質(zhì)量有顯著影響的有關(guān)因素，比如電極/溶液界面性質(zhì)和間隙電場分布，探討合適的工藝措施或測控技術(shù)。于是，電解加工的研究方法。測試和實驗手段已經(jīng)成為一種迫切的課題提到桌面上來。電解加工是一個復(fù)雜的非線性時變系統(tǒng)，迄今為止，對電解加工過程的研究，包含對成型過程和加工間隙的研究、對加工中的現(xiàn)象和機(jī)理的研究、以及電解加工新技術(shù)措施的研制過程的研究都缺乏測試手段的配合，或者測試手段過于繁復(fù)。在目前條件下由于測試條件的限制，主要通過對系統(tǒng)宏觀效應(yīng)的測試和分析來認(rèn)識系統(tǒng)，根據(jù)加工結(jié)果達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)來認(rèn)可新的技術(shù)措施或確定某些參數(shù)，如認(rèn)可新的陰極結(jié)構(gòu)、新的控制方法、確定電源的頻率、電解液的配方等[1]。目前新的電解加工技術(shù)有脈沖電流電解加工、數(shù)控展成電解加工、混氣電解加工、電解—電火花復(fù)合加工、小孔電液束加工和電解擦削等。圖1.5航空曲面零件三維圖1.6電解加工的設(shè)備以及工藝發(fā)展電解加工的全套設(shè)備由機(jī)床、電源、電解液系統(tǒng)三個主要實體以及相應(yīng)的操作、控制系統(tǒng)及其軟件組成，工藝設(shè)備也可以作為機(jī)床的獨立附件。全套設(shè)備方框圖，如圖1.6所示。圖1.6電解加工設(shè)備的組成框架機(jī)床（含工藝設(shè)備）是設(shè)備的主體、進(jìn)行電解加工的場域，其主要功能除安裝、定位工件、工具電極并按需要送進(jìn)工具電極外，還必須將加工電流和電解液輸送到加工區(qū)；電源以一定的方式提供工件發(fā)生陽極溶解需要的電能；電解液系統(tǒng)存儲電解液，以一定的溫度、壓力和流量將電解液泵打到加工區(qū)并對電解液進(jìn)行凈化以及三廢處理；操作、控制系統(tǒng)對加工過程進(jìn)行程序及參數(shù)的控制，保證各組成部分之間程序的協(xié)調(diào)，并按預(yù)選的參數(shù)提供所要求的陽極溶解的條件，或按工藝的需要進(jìn)行參數(shù)的自適應(yīng)控制，使加工過程始終保持最佳的陽極溶解狀態(tài)。[1]工藝的變革是新型加工技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和最終成果的表現(xiàn)。雖然20世紀(jì)80年代以來電解加工的擴(kuò)大應(yīng)用不多，但為了解決應(yīng)用中存在的問題，特別是圍繞提高加工精度而創(chuàng)新電解加工工藝技術(shù)的研究仍在不斷深入的進(jìn)行，也出現(xiàn)了一些新穎的電解加工方法。如早在70年代初就出現(xiàn)的混氣電解加工，80年代在加工葉片、模具中又得到了更廣泛的應(yīng)用，工藝上也有所創(chuàng)新；小孔電液束加工技術(shù)在某些先進(jìn)工業(yè)國家一直穩(wěn)定用于解決諸如航空發(fā)動機(jī)葉片冷卻孔，特別是深經(jīng)比大、呈空間角度分布的小孔加工中；隨著新型大功率電子器件的發(fā)展，在低頻、寬脈沖電解加工的基礎(chǔ)上，90年代出現(xiàn)了高頻、窄脈沖電流電解加工，有望將電解加工工藝提高到一個新的水平；電解與其他能量復(fù)合的加工技術(shù)，都有其獨特的加工效果和應(yīng)用范圍；80年代開始研究的數(shù)控展成電解加工技術(shù)，綜合了數(shù)控和電解兩大技術(shù)的特點，揚長避短，相得益彰，其研究已由基礎(chǔ)原理性進(jìn)入實際應(yīng)用階段，開始在加工扭曲葉片型面的整體葉輪中得到應(yīng)用[2]。2航空曲面零件電解加工陰極的設(shè)計與計算2.1電解加工成型規(guī)律的研究電解加工成型規(guī)律的研究，目的是為了求解加工間隙Δ隨加工時間t的變化，在不同幾何位置（x、y、z）的分布，以函數(shù)形式可寫作Δ（x、y、z、t）。如果加工已進(jìn)入平衡加工狀態(tài)，則參數(shù)不隨時間而變化，間隙也只是位置的函數(shù)，記作Δ（x、y、z）?；诩庸らg隙的分布，則可以根據(jù)所要電解加工的零件圖而設(shè)計工具陰極；或反之，可根據(jù)工具陰極的幾何形狀預(yù)測被加工工件陽極的形狀。由于成型規(guī)律，即加工間隙的時、空分布受多種因素的影響了，特別是對于那些形狀復(fù)雜的型面加工，其加工間隙分布規(guī)律則更難求解。為了使問題簡化而又不失其求解精度，可以在簡化的基礎(chǔ)上再逐項考慮多種因素的影響。在成型規(guī)律研究中，首先抓住主要矛盾，即基于電場分布而分析電解加工成型規(guī)律問題，這是在電解加工領(lǐng)域研究成型規(guī)律、設(shè)計工具陰極的主要處理方法。2.2電解加工陰極設(shè)計的方法在電解加工應(yīng)用和研究的初期，甚至當(dāng)今在實際生產(chǎn)中，還大都采用上述近似的研究方法，最典型的是cosθ法。它是基于如下簡化電場的假設(shè)條件下進(jìn)行研究的。（1）沿電流線方向，電位梯度不變；在同一電流線上，有相同的電場強度。（2）從陽極等位面（φa=U）開始，到陰極等位面（φc=0）止，電位逐漸減小，等位面與電流線正交，電流線有陽極指向陰極。（3）取電流效率η為常數(shù)（對NaCl電解液電解液在任何電流密度條件下可取η為常數(shù)；對NaNO3電解液在高于一定的電流密度條件下η可近似為常數(shù)）；在同一電流線上取電解液導(dǎo)電率к相同?；谝陨霞僭O(shè)，則可認(rèn)為：在同一電流線上，電流密度相同；又因為先前已約定加工出于平衡狀態(tài)，且電解加工間隙很?。?.1～1mm），則在工件被加工表面法向與工具陰極表面法向間夾角不大的情況下，近似認(rèn)為電流線同時垂直工件及陰極表面，取電力線的直線長度替代實際呈弧線形狀的電力線。如此，求解電解加工之間隙長度問題就轉(zhuǎn)化為求解相應(yīng)處電力線長度的問題，可才用歐姆定律建立起近似電流線長度與加工電壓的關(guān)系；再基于法拉第電解定律導(dǎo)出陽極表面電解速度的大小以及最終陰、陽極型面相互之間的幾何關(guān)系[1]。參照圖2.1，其有關(guān)成型規(guī)律的方程組可寫作：UR=U-ΔE（2.1）（2.2）va=ηωi（2.3）在加工平衡狀態(tài)：（2.4）（2.5）上式中U—陰、陽極之間的電壓（V）；δE—電解加工陰、陽極電極電位值總和；UR—間隙電解液中的電壓降（V）；i—電流密度（A/cm2）；к—電解液導(dǎo)電率（1/Ω?cm）；Δ—電解加工間隙（cm）；θ—陰極送進(jìn)速度v與工件陽極表面法向之間的夾角；Δθ—對應(yīng)上述θ=0處的平衡加工間隙（cm）；Δh—對應(yīng)θ=0處的平衡加工間隙，通常又稱端面平衡間隙（cm）；Va—陽極被加工表面的法向蝕除速度，通常簡稱為工件加工速度（cm/s）；v—工具陰極送進(jìn)速度（cm/s）；η—電流效率；ω—體積電化當(dāng)量（cm3/A?s）。圖2.1基于簡化電場的成型規(guī)律描述——cosθ以上方程組就是基于簡化電場進(jìn)行成型規(guī)律計算和陰極設(shè)計的實用計算式，也就是常用的cosθ法。電解加工陰極的設(shè)計除了最常用的cosθ法外，對于一些加工性狀簡單的工件，可以采用等間隙分布的原則進(jìn)行陰極的設(shè)計。等間隙分布的原則是指在工件原有的尺寸上進(jìn)行同等間隙的縮放，縮放后得到陰極的形狀尺寸。這種設(shè)計方法較簡單，但是卻有局限性，對于那些型腔復(fù)雜的工件不能夠使用，只適合形狀簡單的工件。以上兩種方法都是基于簡化電場分布的陰極設(shè)計方法，對于實際電場分布的陰極設(shè)計方法，這里介紹一種有限元法。如圖2.2給出了一組工具陰極族的求解結(jié)果。其依據(jù)是已知的工件陽極形狀和約定的工藝條件：陽極邊界電位Φa=U，電解液的電導(dǎo)率和電流效率均為常數(shù)。有圖2.2可以看出，所求解的陰極不只是一個，而是一“族”，即圖中除陽極邊界外的等位面都可以作為陰極邊界，不同的只是陰極邊界電位，或者說陰、陽極之間的電位差不同，加工間隙值不同，但都能加工出同樣的陽極型面[1]。圖2.2求解的工具陰極族2.3航空曲面零件陰極的設(shè)計與計算針對這次研究的航空曲面零件如圖1.4所示，采用等間隙分布的原則設(shè)計陰極的形狀與尺寸。等間隙分布的原則就是在所加工的工件的實際尺寸得基礎(chǔ)上進(jìn)行同等的間隙的縮放，從而獲得陰極的形狀和尺寸。這里所縮放的間隙即電解加工的加工間隙，有上述可得知電解加工的加工間隙范圍是0.05～1.0mm。但不同的電解加工方式有不同的電解加工間隙范圍，如表2.1及表2.2所示，總和了在各種加工條件下當(dāng)前采用的間隙值范圍，可以作為選用的參考。表2.1不同電解加工方式的加工間隙范圍加工方式間隙范圍/mm直流電流活性電解液0.20～0.50惰性電解液非線性加工，混氣加工0.10～0.20脈沖電流連續(xù)進(jìn)給0.03～0.10振動進(jìn)給0～0.05周期—循環(huán)多次對刀0～0.05表2.2不同工序的平均間隙范圍工序種類間隙值/mm極限范圍常用范圍孔及型腔加工：小孔（直徑在8mm以下）小型腔（型面長度3～40mm）大型腔（型面長度40mm以上）葉片型面加工葉型長度100mm以下100～200mm200～300mm電解車：預(yù)鉆通孔（直徑在10mm以下）外表面0.02～0.30.08～0.30.3～1.00.08～0.30.15～0.50.3～0.80.2～0.30.2～0.80.1～0.20.15～0.30.3～0.50.2～0.250.25～0.30.3～0.50.20.3～0.5電解磨：金屬陰極導(dǎo)電磨輪電解切削：盤形陰極（直徑在100mm以下）線電極（厚度在30mm以下）0.1～0.80.01～0.080.1～0.50.1～0.60.2～0.30.020.2～0.30.2～0.3根據(jù)表2.1和表2.2選擇航空曲面零件電解加工的加工間隙為0.5mm。則根據(jù)等間隙分布的原則可設(shè)計出航空曲面零件電解加工的陰極的形狀與尺寸。在陰極的設(shè)計中，同時還要設(shè)計與計算航空曲面零件電解加工工裝的進(jìn)液孔與出液孔的大小。在計算進(jìn)出液孔大小之前，首先要計算過液面積，然后根據(jù)所計算的過液面積計算進(jìn)出液孔的大小。進(jìn)液孔的計算： 如圖2.4所示，加工初始時刻的進(jìn)液處的過液面的形狀與尺寸，根據(jù)圖可計圖2.4進(jìn)液孔處的過液面的外形與尺寸實際進(jìn)液面積應(yīng)取其1.5倍，則實際進(jìn)液面積為S=1.5S0=1.5×48.7=73.5（mm2）根據(jù)以上可設(shè)計進(jìn)液孔為3孔ф6。進(jìn)液孔直徑的選用，應(yīng)使它的截面積大于起始間隙截面積，為了適應(yīng)加和延伸的增液槽的需要，進(jìn)液孔的截面積應(yīng)予以加大。出液孔的計算：如圖2.5所示，加工初始時刻的出液處的過液面的形狀與尺寸，根據(jù)圖可算出過液面積S0為S0=L×h=69×0.5=34.5（mm2）圖2.5出液孔處的過液面的外形與尺寸實際出液面計應(yīng)與其相等，則實際出液面計為S=S0=34.5（mm2）根據(jù)以上可設(shè)計出液孔為3孔ф4。2.4陰極設(shè)計的二維圖如圖2.6所示，陰極結(jié)構(gòu)的二維圖。圖2.6陰極二維圖3航空曲面零件電解加工流場設(shè)計3.1電解液的流動形式電解加工前的工藝準(zhǔn)備，首先必須設(shè)計工具陰極和工具陽極的相對位置及相對運動，同時還必須設(shè)計電解液流經(jīng)加工間隙的流動形式，它對于保證電解加工過程的穩(wěn)定性及加工精度均有著重要作用。電解液的流動形式根據(jù)電解液的流動方向，加工送進(jìn)方向機(jī)加工間隙之間的幾何關(guān)系，可以分為三種典型流動形式，即側(cè)流式、正流式和反流式，或者在某些較為復(fù)雜的型面加工中，還可能構(gòu)成既有正流，又有反流這樣兩種流動形式都存在的復(fù)合流動形式如圖3.1、3.2、3.3所示。所謂電解加工的流動形式是指電解液流向加工間隙，流經(jīng)加工間隙及流出加工間隙的流通路徑、流動方向的幾何結(jié)構(gòu)。圖3.1側(cè)流式圖3.2正流式圖3.3反流式對以上三種流動形式中加工間隙流道橫截面積，即對垂直于流動方向的加工間隙截面積進(jìn)行粗略分析，估算后就容易發(fā)現(xiàn)：側(cè)流式加工間隙中的流道截面積沿流動方向大致保持不變，嚴(yán)格的考察，變化很??；而正流式流道橫截面積沿流動方向呈擴(kuò)張狀態(tài)，或者說其電解液流動為擴(kuò)散流；反流式的流道橫截面積變化則相反，流道橫截面積沿流動方向呈收斂狀，具有收斂流動特點。一般講，收斂流動更利于提高電解加工的穩(wěn)定性和加工精度?？疾旄鞣N流動形式還可發(fā)現(xiàn)，不同流動形式的選擇對于電解加工夾具和工具陰極的設(shè)計制造，對于加工間隙中流場均勻性也都有影響。對于流動形式的確定有以下幾個原則：（1）根據(jù)加工對象的幾何形狀確定對于型面曲率變化不大的三維型面如一般葉片型面、葉片鍛模型腔等，可采用側(cè)流式。對于圓孔、型孔類可采用正流式或反流式。對于某些復(fù)雜的型腔或型面，可在陰極上設(shè)計適當(dāng)?shù)耐ㄒ翰郏祝?，采用正流式或反流式，或者兩種流動形式都存在的復(fù)合流動形式進(jìn)行加工，但對應(yīng)通液槽（孔）口的加工面上，會殘留加工凸起，給隨后型面光整加工帶來一些麻煩。（2）根據(jù)加工精度的要求確定一般講，形狀復(fù)雜且精度要求高的工作可選用反流式或復(fù)合流動形式，但其夾具或陰極的設(shè)計制造比較困難。3.2電解液流速和進(jìn)口壓力的確定流速是保證電解加工過程得以穩(wěn)定進(jìn)行的主要流場系數(shù)，而進(jìn)口壓力則是保證電解液流速的必要條件。對于某些材料的電解加工，如鈦合金電解加工，其加工精度、表面質(zhì)量受電解液流速的影響特別敏感，對于流速的選取更要注意，一般要選取更高一些的流速；相應(yīng)的輸送壓力也應(yīng)更高以下對進(jìn)口流速和進(jìn)口壓力的確定原則分別加以分析。3.2.1電解液流速的確定一定流速的電解液通過加工間隙，這是電解加工的必要基本條件。確定電解液流速的原則，就是要滿足下述兩點主要功能要求。選擇適當(dāng)高的流速，能從加工間隙中帶走電解產(chǎn)物，且使電解液流速處于紊流狀態(tài)，這樣有利于均勻流場并消除濃差極化。確定流態(tài)的判別準(zhǔn)則為雷諾數(shù)Re（3.1）（3.2）式中-雷諾數(shù)μ-電解液流速-水力直徑v-電解液的運動黏性系數(shù)a-過水截面的長b-過水截面的高當(dāng)Re<2300為層流，Re>2300為紊流。故對應(yīng)紊流狀態(tài)的流速應(yīng)該滿足下式，即（3.3）（2）選擇適當(dāng)高的流速以控制溫升。大量生產(chǎn)實踐表明，一般宜控制液槽中電解液溫度不超過45℃，至多也不能超過50℃，通常以不超過35℃為宜。一般而言，在上述兩項要求中，控制溫升所對應(yīng)的流速比保證紊流狀態(tài)所需要的流速更高，故確定流速的步驟是先從控制溫升出發(fā)的，然后再驗算是否保證紊流狀態(tài)，如果不能達(dá)到紊流狀態(tài)，則需要調(diào)整流速。圖3.2間隙通道中的流態(tài)發(fā)展過程（進(jìn)口前無導(dǎo)流段）根據(jù)上述抑制溫升及保證紊流狀態(tài)的原則確定了流速，但在夾具設(shè)計中還必須注意在間隙進(jìn)口前安排適當(dāng)長度的導(dǎo)流段以確保從加工間隙進(jìn)口開始的間隙全長均處于紊流狀態(tài)。如果沒有進(jìn)口前的導(dǎo)流段，則盡管有雷諾數(shù)判據(jù)確定流態(tài)以處于紊流，而由于陰、陽極及夾具壁面對電解液的粘滯作用，使間隙中的流態(tài)分布有進(jìn)口段的層流而逐漸發(fā)展到經(jīng)過一定流程后的紊流狀態(tài)（參見上圖3.2）。故此，設(shè)置進(jìn)口段的導(dǎo)流段很有必要，而對混氣加工則更需要特別注意。3.2.2電解液壓力的確定 電解液的壓力是指加工間隙進(jìn)口處的壓力Pa(簡稱進(jìn)口壓力)和電解液輸送泵的出口壓力，考慮到管道中的壓力損失，一般電解液泵出口壓力需比電解液進(jìn)口壓力高0.05～0.1MPa。以下介紹確定電解液進(jìn)口壓力的方法。由于間隙進(jìn)口前電解液管道的橫截面積遠(yuǎn)大于加工間隙的橫截面積，則電解液在輸送管中的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于間隙中的流速，或者可近似假設(shè)在管道中的流速為零（更準(zhǔn)確的說，相對于電解液在間隙中流速，近似認(rèn)為管道中流速為零）。在這樣假設(shè)前提下，可以認(rèn)為電解液進(jìn)口壓力能具有這樣三個作用：提供電解液在加工間隙中流動的速度能（又稱動壓），克服加工間隙中的粘性摩擦力以及平衡加工間隙出口端的壓力（背壓），基于這樣的流體動力分析，電解液進(jìn)口壓力的計算可參照下式進(jìn)行計算。當(dāng)流動形式為側(cè)流式時，如圖3.3所示。圖3.3電解加工流動形式為側(cè)流式動壓Pu粘性摩擦Pv (3.4)(3.5)背壓為Pe則進(jìn)口前壓力為Po=Pu+Pv+Pe。對于正流式和反流式電解液進(jìn)口壓力的計算，這里不再具體講解，如有興趣可參考王建業(yè)、徐家文編著的?電解加工原理及其應(yīng)用?一書，書中關(guān)于電解液進(jìn)口壓力的計算公式有詳細(xì)介紹。有上式可知，當(dāng)加工間隙的幾何結(jié)構(gòu)確定之后，流速與壓力有著一一對應(yīng)的關(guān)系，且流速越大，壓力越高。因此，電解加工的實際過程，經(jīng)常以一定的壓力規(guī)范來保證間隙中的流量和流速。在這里應(yīng)指出，上式中所列的是針對純液相電解液進(jìn)行的。如果考慮氣、液兩相流動特性，既考慮到由于氣體的膨脹而使間隙中壓力增加，則氣泡率越大，壓力增加越多，一般比按純液相計算的增加10％～15％。而對于電解液壓力的選取是以確保需要的流量、流速為準(zhǔn)。由于流量的測量較為復(fù)雜，且流量的允許變化范圍較大，因而實用中往往以調(diào)整壓力來達(dá)到要求的流量和流速。當(dāng)前常用的壓力范圍如表3.1所列。國內(nèi)偏下限國外偏上限。表3.1液壓力選用范圍3.3流場均勻性的設(shè)計流場均勻性是指加工面上各處流量充足、均勻，不發(fā)生流線相交和其他流場缺陷——如空穴現(xiàn)象、分離現(xiàn)象。要保證流場均勻性，除了要正確選擇流動形式和保證一定的壓力、流速外，還要合理設(shè)計通液槽（孔）。下面介紹一下通液槽（孔）的設(shè)計與流場均勻性，對于一些比較復(fù)雜的型腔、型面加工，難與采用側(cè)流式，而必須在工具陰極上制造一些通槽（孔），包括進(jìn)液槽（孔）和回液槽（孔），采用正流或反流式，或者正流和反流兩者都有的復(fù)合流動形式進(jìn)行加工?，F(xiàn)階段已經(jīng)成功應(yīng)用的通液槽（孔）設(shè)計方法是流線圖法，它以畫流線圖來決定通液槽的布局。當(dāng)電解加工進(jìn)入平衡狀態(tài)時，間隙中的流場可視為穩(wěn)定流，于是可以畫出電解液流動的流線，即流體團(tuán)的運動軌跡。畫流線圖要遵守兩條基本原則：（1）流體由進(jìn)液槽流入加工區(qū)時其流動方向與進(jìn)液槽邊垂直。（2）流體由進(jìn)液槽流經(jīng)加工區(qū)直至流到回液槽應(yīng)取流阻最小路徑，即流程最短。對于通液槽（孔）的布局直接影響電解液的流線分布，因而其布局設(shè)計原則應(yīng)該是保證流線能均勻地分布在整個加工表面，且應(yīng)避免流線相交，不出現(xiàn)貧液區(qū)：力爭流程均勻且盡可能地縮短流程。對于某些比較復(fù)雜的型腔、型面加工，僅僅安置出液槽（孔）可能還滿足不了上述要求。對此，則可以或增開回液槽（孔）、增液孔，或適當(dāng)?shù)膱A滑過渡，或采用背壓技術(shù)，則諸如流線相交，貧液、流程懸殊等問題才可以得到完全解決。流場均勻性的設(shè)計也是為了防止電解液在加工間隙產(chǎn)生分離現(xiàn)象和空穴現(xiàn)象當(dāng)流場設(shè)計不合理或由于毛坯加工余量差異很大時，可能出現(xiàn)渦流區(qū)或死水區(qū)，其形成原因是附面層產(chǎn)生分離的結(jié)果所致，此將嚴(yán)重影響加工質(zhì)量，甚至出現(xiàn)短路燒傷。而防止分離現(xiàn)象的措施包括精心設(shè)計加工間隙通道，使其流道圓滑過渡，包括合理安置通液槽（孔），設(shè)計電解液流經(jīng)加工間隙前、后的導(dǎo)流段。所謂空穴現(xiàn)象是指液體中產(chǎn)生液泡并積聚而形成氣穴，使原來連續(xù)的液相中變得局部區(qū)域不連續(xù)。電解加工間隙中形成空穴的原因有：高壓下電解液溶入氣體，在低壓區(qū)氣體又自液體中析出。在流動過程中，由于間隙的突然縮小使該處流速突增而壓力突降，有可能壓力降到低于該處流場條件下的氣化壓力，則電解液氣化而形成氣泡并逐漸積聚而形成氣穴。加工區(qū)某局部供液不足，則造成該處溫度過高而引起電解液沸騰、氣化而形成氣穴。一般而言，電解加工間隙中電解液產(chǎn)生空穴現(xiàn)象的主要原因是第（2）項。而防止空穴現(xiàn)象產(chǎn)生的辦法可以施加適當(dāng)?shù)谋硥?，以防止壓力突變；還應(yīng)注意流道設(shè)計盡量圓滑過渡以避免流道突變；采用混氣電解工藝更有利于防止空穴現(xiàn)象產(chǎn)生；脈沖電流電解加工特別是高頻窄脈沖電流亦有利于防止流場的分離和產(chǎn)生空穴。根據(jù)前述流場設(shè)計原則及加工工藝要求而進(jìn)行電解加工流場設(shè)計，在具體設(shè)計中應(yīng)該靈活應(yīng)用流場設(shè)計原則并注意吸取成功的經(jīng)驗與失敗的教訓(xùn)。4航空曲面零件電解加工工裝的設(shè)計4.1電解加工工裝的功能及特殊要求電解加工工裝是由工具陰極和夾具組成，是電解加工工作區(qū)的中心環(huán)節(jié)。它確定工件和陰極之間的相對位置，形成正確的極簡流場并將加工的電流導(dǎo)入極簡加工間隙區(qū)。工具陰極是確保電解加工成型的重要手段，它的設(shè)計、制造工作包含型面設(shè)計、電解液流動形式和流動通道的設(shè)計以及定位、安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于工具陰極的設(shè)計以及電解液的流動形式已經(jīng)在第二節(jié)和第三節(jié)具體介紹過了，在這里不再贅述。4.2航空曲面零件陰極的定位與連接陰極的定位與連接是為了保證陰極在進(jìn)給運動中能夠正確的加工出所需圖4.2陰極與連接板之間的連接圖的零件，而且沒能夠保證陰極與零件之間準(zhǔn)確的配合。對于陰極的定位與連接通過采用一個連接板。在連接板上加工出相對的圓柱銷孔和螺紋孔如圖4.2所示。圓柱銷孔保證陰極的定位，螺紋孔為了保證與陰極的連接，通過連接板，從而保證陰極與零件的準(zhǔn)確配合。4.3陰極連接桿的設(shè)計圖4.3陰極桿圖陰極連接桿的目的為了連接陰極與機(jī)床主軸同時也起到導(dǎo)電的作用，陰極所帶的負(fù)電源是通過陰極桿引入的。陰極桿的設(shè)計如下圖4.3所示。4.4電解加工工裝的特殊技術(shù)要求電解加工工藝裝備直接接觸腐蝕性介質(zhì)，且承受較大的動負(fù)荷，并傳輸較大的電流和高速流動的電解液。工具陰極與工具陽極是在小的動態(tài)變化的間隙下工作，易發(fā)生極間短路，而且電解加工工藝裝備的定位精度又是確保加工精度的重要環(huán)節(jié)，因而在設(shè)計工藝裝備時，必須重點考慮如何防蝕、確保其定位的穩(wěn)定性和正常的傳導(dǎo)電流和輸送電解液。絕緣和密封也是設(shè)計必須解決的兩大重要的問題。解決耐蝕問題的一些技術(shù)措施：夾具中帶陽電的金屬零件表面會被雜散電流點蝕，或者在不同金屬材料之間發(fā)生原電池電流腐蝕。因而在選用夾具材料時應(yīng)盡量采用非金屬材料，但為了確保夾具的剛性，某些部位仍要采用金屬材料。在金屬材料中常用的有不銹鋼、黃銅、青銅以及莫爾合金。必須注意不能選用可能產(chǎn)生境界腐蝕的材料。解決耐蝕問題的另一方面的措施是采用絕緣或屏蔽帶陰電的表面，特別是靠近夾具的帶陽電的零部件處，以切斷電源，限制雜散電流。在被腐蝕的陽極表面覆蓋絕緣層是不可取的，相反應(yīng)最大限度的曝露帶陽電的表面，使雜散電流稀疏地分散在大面積的陽極表面上。否則就會在陽極絕緣覆蓋面的薄弱區(qū)域產(chǎn)生深的點蝕坑。另外，還可采用犧牲陽極的辦法保護(hù)工件上的非加工部位。具體方案是在被保護(hù)的陽極表面上覆蓋一層電極電位更低的金屬，使之先被腐蝕。電解加工是在密封的區(qū)域進(jìn)行的，對于電解加工密封的問題是通過在工件需要密封處用O形密封圈進(jìn)行密封，密封可靠。4.5電解加工的導(dǎo)流和導(dǎo)電方式為了確保電解液進(jìn)入加工間隙區(qū)時流場的均勻和穩(wěn)定，在進(jìn)入加工區(qū)或通液槽之前須有進(jìn)口導(dǎo)流段，為了確保加工間隙出口處流場的均勻穩(wěn)定，在流出加工區(qū)后也應(yīng)有出口導(dǎo)流段，特別是需要加背壓時此段更為重要。導(dǎo)流段的結(jié)構(gòu)主要取決于電解液的流動方式，正流式加工的導(dǎo)流段置于陰極本體內(nèi)，反流式加工則要設(shè)計專門的水套，與陰極體共同構(gòu)成進(jìn)水的導(dǎo)流腔，側(cè)流式的導(dǎo)流段則置于夾具本體或陰極導(dǎo)向裝置中，導(dǎo)流段應(yīng)是流線型并有一定的長度，進(jìn)液導(dǎo)流段應(yīng)設(shè)計成收斂形；出液導(dǎo)流段如要加背壓，一般亦以收斂形為好，如是自由流出則為擴(kuò)散形。夾具上的導(dǎo)電件是整個電解機(jī)床導(dǎo)電系統(tǒng)的終端，應(yīng)耐蝕和不過熱。工藝裝備的導(dǎo)電回路有兩大結(jié)構(gòu)：一類是引入導(dǎo)線，將其終端的線鼻子直接壓緊到工件及陰極的導(dǎo)電面上，可以采用匯流排，多股絞線，銅編織帶或多層銅帶，大電流則可采用空心水冷電纜；另一