机械毕业设计（论文）-高温合金零件电解加工工装设计.pdf

本科毕业设计本科毕业设计(论文论文) 题目题目：高温合金零件电解加工工装设计高温合金零件电解加工工装设计 系系 别：别： 机电信息系 专专 业：业： 机械设计制造及其自动化 班班 级：级： 学学 生：生： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 2013 年 05 月 i 高温合金零件电解加工工装设计高温合金零件电解加工工装设计 摘摘 要要 电解加工又称电化学加工， 是金属工件在电解液中发生阳极溶解的一种加工 过程。电解加工对难加工材料可以以柔克刚，对形状复杂的零件可以一次成型， 并以表面质量好、生产率高、无工具损耗、无切削应力等优点，在制造业中发挥 着重要作用。论文通过对高温合金零件进行分析，设计出一套电解加工工装。电 解加工工装包括阴极的设计计算、流场的设计计算以及零件的定位等。阴极的设 计采用等间隙分布的原则，在零件原有尺寸上缩小一定的间隙，来设计阴极。根 据不同的加工方式可以有不同的加工间隙，这里取加工间隙为 0.5mm。对于流场 的设计，根据零件的特点采用侧流式加工，在流场设计时还要确定电解液流速和 进口压力。 另外， 流场的设计要均匀， 均匀性是指加工面上各处流量充足、 均匀， 不发生流线相交和其他流场缺陷如空穴现象、分离现象等。另外，工装的设 计要保证良好的密封性。 通过设计电解加工工装加工高温合金零件比机械切削加 工省时省力，与机械切削加工相比电解加工的表面质量好，且加工范围广，没有 切削应力。 关键词：关键词：电解加工;阴极设计;流场；工装 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 ii high temperature alloy parts electrochemical machining tooling design abstract electrochemical machining is also called electrochemical machining, metal wor- kpiece in the electrolyte is an anodic dissolution process. electrochemical machining of difficult- to- machine materials can, with parts of complex shape can be a forming, and with good surface quality, high productivity, tool wear, cutting stress, plays an important role in manufacturing. paper through the analysis of high temperature alloy parts, design a set of electrochemical machining tools. electrochemical machining fixtures including the design of the cathode flow field calculation, design calculation and the positioning parts. cathode design based on the principle of distribution of intermittent, reduced a certain gap on the parts in the original size, to design the cat- hode. according to the different processing methods can have different process- sing clearance, here take machining gap is 0.5 mm. to the design of the flow field, accor- ding to the characteristics of the parts with side flow processing, even when in the flow field design to determine the electrolyte flow rate and inlet pressure. in addition, the design of the flow field to uniform and adequate flow throughout uniformity refers to processing surface, uniform, not line intersect and other defects, such as cavitation flow field and separation phenomenon, etc. in addition, the tooling design to ensure good sealing. through electrochemical machining tooling design than mechanical machining time, high temperature alloy parts compared with mechanical machining iii electrolytic machining surface quality is good, and the processing range is wide, no cutting stress. key words: electrochemical machining; the cathode design; the flow field; tooling 目目 录录 1 绪论绪论 1 1.1 电解加工的原理. 1 1.2 电解加工的特点及分类. 3 1.3 电解加工的应用及研究现状. 5 1.4 本课题主要研究的目的、意义以及重点和难点 . 6 1.5 电解加工的研究方法以及电解加工新技术 . 8 1.6 电解加工的设备以及工艺发展. 8 2 高温合金零件电解加工阴极的设计与计算高温合金零件电解加工阴极的设计与计算 10 2.1 电解加工成型规律的研究 10 2.2 电解加工阴极设计的方法 10 2.3 高温合金零件阴极的设计与计算 12 2.4 阴极设计的二维图与三维图 15 3 高温合金零件电解加工的流场设计高温合金零件电解加工的流场设计 . 17 3.1 电解液的流动形式 17 3.2 电解液流速和进口压力的确定 18 3.2.1 电解液流速的确定. 18 3.2.2 电解液压力的确定 . 20 3.3 流场均匀性的设计 21 4 高温合金零件电解加工工装的设计以及总体工装夹具高温合金零件电解加工工装的设计以及总体工装夹具 23 4.1 电解加工工装的功能及特殊要求 23 4.2 高温合金零件阴极的定位与连接 24 4.3 高温合金零件电解加工底座的设计 24 4.4 阴极连接杆的设计 25 4.5 电解加工工装的特殊技术要求 26 4.6 电解加工的导流和导电方式 26 iv 4.7 高温合金零件电解加工的总体设计及工作过程 27 5 结论结论 . 30 5.1 总结 30 5.2 体会 31 参考文献参考文献 . 32 致致 谢谢 . 33 毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明 34 毕业设计（论文）独创性声明毕业设计（论文）独创性声明 35 v 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 电解加工的原理电解加工的原理 电解加工（electrochemical machining,ecm）作为机械加工的的补充手段走 过了半个世纪。电解加工的基本原理是电化学阳极溶解，而这一电化学过程又是 建立在电解加工间隙中特定的电场、流场分布的基础上的，故电场理论、流场理 论以及电化学阳极溶解理论构成了研究电解加工工艺的三大基础理论。2电解加 工以其在难切削材料、复杂形状的零件加工中体现出的特殊优点，较好的适应了 军事工业中若干重要关键产品的特殊需要， 首先成为军工生产中不可缺少的重要 手段和关键技术，在工业发达国家中获得了较好的应用效果，而我国则是世界上 应用电解加工最多的国家只一。 电解加工又称电化学加工， 是金属工件在电解液中发生阳极溶解的一种加工 过程。 电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解原理，目的是获得具有 一定尺寸精度的零件。电解加工是一种在高压力、高流速条件下进行的电化学过 程。电解加工区别于一般电化学加工的关键就在于电解液的高速流动，加工时， 工件接电源的正负，工具接电源的负极，按照一般电化学过程，在电解液不流动 或流速也很小时，电流也很小，只有当极简距小于 0.05mm1.0mm，在高速流 动（流速大于 5m/s）的电解液中电流才会随间隙的减小显著增加。1 电解加工的基本原理是电化学阳极溶解，如图 1.1 所示。此种加工技术要求 被加工的工件必须为导电材料，工具通常为紫铜、黄铜或不锈钢材料。加工时， （a） 加工开始 （b）加工终了 1电解加工电源；2工具阴极；3工件阳极；4电解液 图 1.1 电解加工原理简图 工件接电源正极，工具接电源负极，电源电压通常为 5v20v，加工电流密度 为 10a/cm2500a/cm2。工具电极向工件低速进给，使阴极和阳极之间保持较小 毕业设计（论文） 2 的加工间隙 0.051.0mm，同时，使具有一定压力 0.5mp2.5mpa 的电解液从 间隙中流过，这时阳极工件的金属材料被逐渐溶解，电解产物被高速流动的电解 液带走，从而将工件加工成型。1 电解加工作为一种加工工艺方法，我们不仅要关心其加工原理，而且在实践 上更关心其加工过程中工件尺寸、形状以及被加工表面质量的变化规律。而既能 够定性分析、又能够定量计算，可以深刻揭示电解加工工艺规律的基本定律就是 法拉第定律。法拉第定律包含以下两项内容： （1）在电极的两项界面处（如金属 /溶液界面上）发生电化学反应的物质质量与通过其界面上的电量成正比。此称 法拉第第一定律。 （2）在电极上溶解或析出一克当量任何物质所需的电量是一样 的，与该物质的本性无关。此称法拉第第二定律。根据电极上溶解或析出一克当 量物质在两相界面上电子得失量的计算，对任何物质这一特定的电量均视为常 数，称为法拉第常数，记为 f。 f96500（as/mol） 1608.3(amin/mol) 对于电解加工如果阳极只发生确定原子价的金属溶解而没有其他物质析出。 则根据法拉第第一定律，阳极溶解的金属质量为 m=kq=klt （1.1） 式中 m阳极溶解的金属质量（g） ； k单位电量溶解的元素质量， 称为元素的质量电化当量 （g/as 或 g/amin） q通过两相界面的电量（as 或 amin） ； i电流强度（a） ； t电流通过的时间（s 或 min） 。 电解加工的成型过程及相关要求： 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。其加工系统如图 1.2 所示，基本够 成与电解池相同。 但为了能实现尺寸、 形状加工， 还必须具备下列特定工艺条件： （1）工件阳极和工具阴极（大多为成型工具阴极）间保持很小的间隙（称 作加工间隙） ，一般在 0.11mm 范围内。 （2）电解液从加工间隙中不断高速（630m/s）流过，以保证带走阳极溶 解产物和电解电流通过电解液时所产生的热量，并去极化。 （3）工件阳极与工具阴极分别和直流电源（一般为 1024v）连接，在上 述两项工艺条件下， 则通过两级加工间隙的电流密度很高， 高达 10102a/cm2。 在上述特定工艺条件下， 则工件阳极被加工表面的金属按照工具阴极形状被高速 溶解，而且随着工具阴极向工件进给，保持很小的加工间隙，使工件被加表面不 毕业设计（论文） 3 断高速溶解，如图 1.3 所示，直到达到所要求的加工形状和尺寸为止。 图 1.2 电解加工系统图 1直流电源；2工具阴极；3工件阳极；4电解液泵；5电解液 （a） （b） 图 1.3 电解加工成型过程示意图 （a）加工开始； （b）加工终止 1.2 电解加工的特点及分类电解加工的特点及分类 与常规的切削加工方法相比，切削加工是依靠硬的工具挤压软的工件，使工 件上多余的金属脱离工件基体到达成型目的。然而，在电解加工中，阴、阳极是 不接触的，在阳极上发生电化学溶解反应，阳极的金属原子一个一个地脱离阳极 表面，在阴极上发生析氢反应。电解加工是一种优点和缺点都十分明显的工艺， 其独到的又是表现在： 毕业设计（论文） 4 （1）高速。在加工难切削材料、复杂形状工件时，其加工效率比传统的切 削加工可高出 510 倍。这是由于它是全型一次加工，且其蚀除速度不受加工材 料的硬度、强度、韧性的影响。由于一次成型，因而制造周期短。 （2）加工表面质量好。由于材料以离子状态去除，且为冷态加工，因而无 冷作硬化层、 热再铸层以及由此而引起的表面显微裂纹。 表面光整、 无加工纹路， 一般粗糙度为 ra=0.86.3m，无毛刺。由于无切削力和表层内应力，因而加工 变形小。 （3）工具无损耗。由于工具阴极上的电化学行为只是析氢而无溶解，且不 与工件接触，故正常加工条件下（无短路烧伤时）工具阴极不损耗。 （4）可成型范围宽。从简单的圆孔、型孔到复杂的三维空间的型面、型腔 均可加工。 （5）对难加工材料。复杂形状工件的批量加工，电解加工是一种低成本的 工艺 （6）加工效率高。常规的切削加工需要多次切削才能达到零件的尺寸精度， 然而，电解加工通过简单的进给运动，一次进给加工出复杂的型面、型腔等，而 且加工速度可以随电流密度成比例地增加。据统计，电解加工的加工效率是电火 花加工的 510 倍。美国 sermatech 公司使用电解加工工艺加工发动机部件，提 高了生产效率，使得加工时间降低为传统切削加工时间的一半。而且电解加工速 度不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。 （7）进给运动简单。电解加工的进给运动通常是直线运动，而没有复杂的 曲线运动。 除此而外，电解加工还有如下所列的局限性，所以在选用时应特别注意 （1） 加工精度和加工稳定性较差。 一般三维表面成型精度为 0.200.50mm。 孔加工为0.0250.05mm。这是由于极间间隙受电化场、流场、电场诸多因素 的影响，目前尚无法直接采样控制，因而极间间隙不够均匀、稳定。且直流加工 的散蚀能力较强，集中蚀除能力较弱，成型加工中需要有整形过程，且整平比不 够高。 （2）电解加工所需的附属设备较多，占地面积较大，而且机床需要足够的 刚性和防腐蚀性能，造价较高。工具阴极设计、制造工作量大成本较高。电解产 物需进行妥善处理，否则将污染环境。 （3）工具阴极的设计和修正比较麻烦，周期长，因而电解加工只适合大批 量生产。对于单件小批量生成，成本较高。 综上所述，电解加工对难加工材料、复杂形状零件的批量生产是一种高效、 高表面质量、 经济的工艺方法， 只要加工对象选择得当， 发挥出电解加工的优势， 毕业设计（论文） 5 就能收到良好效果。 电解加工可根据不同的形式有以下几种分类方式。 电解加工按加工形式可分为立式加工和卧式加工，因此相应的设备有立式 电解加工机床和卧式电解加工机床； 按照阴极与工件的相对位置可分固定式加工 和移动式加工；按照加工对象可分为深孔（含异形深孔） 、膛线、花键（含深槽 双键、四键） 、型孔、小孔、型腔（主要用于模具） 、型面（例如叶片） 、套料、 去毛刺、抛光、刻蚀加工等。2 电解加工与其他能量复合，或与其他加工方法复合，衍生出一系列新的加 工方法，可归为复合电解加工一类，如电解成型磨削、电解机械复合抛光、电解 磁力研磨（磁场辅助电化学抛光） 、电解电火花机械磨削（meec） 、电解 机械超声三合一抛光、电解电火花复合加工（ecam 或 edcm） 、磁场复合 电解加工等。 复合电解加工集电解加工和其他各种加工方法的优势，针对加工对象进行 组合，取长补短，较容易达到有效提高加工指标的目的，是目前电解加工的发展 方向之一。 1.3 电解加工的应用及研究现状电解加工的应用及研究现状 电解加工在20世纪60年代初, 首先在炮管膛线和航空发动机涡轮叶片的加 工中得到应用, 其后又逐渐扩大应用于锻模型腔、深孔、小孔、长键槽、等截面 叶片整体叶轮的加工以及去毛刺等领域, 取得了显著的技术、 经济效果。 在 70 年 代以后, 随着国际市场经济竞争形式的变化, 产品更新换代快, 生产批量减小, 使得电解加工的适用范围也发生变化。 电解加工现已成为航空航天制造业中一种 关键技术, 被广泛地应用在发动机叶片等零部件的生产中，而且电解加工在兵 器、汽车、医疗器材、电子、模具等行业中得到了许多应用。5国外很多研究机 构对电解加工进行了大量的研究投入, 并且在多方面取得了显著进展。 为适应高新技术的发展、 新型军工型号研制的需要， 以及提高电解加工自身 的水平， 近二十余年， 国内外在提高电解加工精度及扩大电解加工的应用等方面 进行了大量的研究工作。新型电解液、脉冲电流电解加工、复合电解加工、数控 展成电解加工等新兴工艺方法以及 cnc 自动生产线、 cnc 自动机床等新兴电解 加工设备的出现，为实现上述战略目标展现了广阔的前景。5 随着 21 世纪信息、 生物、 嶶纳技术的发展及其对制造技术不断增长的需要， 微细加工将成为制造相应设备的重要手段， 电解加工进行材料去除是以离子溶解 的形式进行的， 这种去除方式使得电解加工具有微细加工的可能。 目前国内外制 造业均十分关注微细电化学加工 发展，将电解加工高速去除金属的理念用到传 毕业设计（论文） 6 统电化学过程中， 是促进该项技术进步的有效途径， 微细电化学加工就不仅仅指 静态条件下的掩膜电化学刻蚀了。1利用电化学刻蚀技术，使其与超短脉冲电流 电源、 间隙控制调节系统等技术集成， 为实现亚微米级微细电化学加工提供一条 途径。此外，利用电解原理，在磨削过程中了，不断对粘结金属的砂轮中的结合 剂进行电解在线修形技术可以有效实现对硬脆材料的纳米表面加工。 目前电解加 工发展方向主要有两方面： 一是不断追求电解加工的极限加工能力， 探求微纳米 尺度上的加工； 二是针对目前工业制造中大量存在的 meso scale(尺寸从几微米至 几百微米)的结构，研究如何采用电解加工经济、高效地进行加工。目前，国内 外开展这方面的研究主要包括针对硅材料的半导体加工技术和针对金属等非硅 基材料的加工技术，前者研究比较系统、成熟；而针对金属材料，目前发展了许 多不同的加工技术（如 liga 技术、电火花加工技术、激光加工技术等） ，虽然 加工精度和加工尺寸均能达到较高的水平，但是存在加工效率低、成本昂贵、加 工范围有限等缺点。 1.4 本课题主要研究的目的、意义以及重点和难点本课题主要研究的目的、意义以及重点和难点 研究对象加工精度难以保证、工件材料硬度高，难切削，工序冗长、良品率 低；加工后零件存在残余变形，即使在生产过程中采取校形、时效措施，但合格 品在库存时由于残余应力的释放又会造成零件再次变形而成为非合格产品， 不能 与其它零件进行装配。采用电解加工需要设计一套工装，通过工艺试验修正曲面 阴极的形状。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。 课题研究的内容是根据研究对象高温合金零件如图 1.4 和 1.5 所示， 设计一 套加工该零件的电解加工工装，包括：（1）高温合金零件电解加工阴极；（2） 装夹高温合金零件电解加工的阴极和工件的夹具装置；（3）运用 pro/e、ug 等 软件画出高温合金零件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。 电解加工是利用金属在电解液中产生电化学阳极溶解的原理对工件进行成 形加工的特种加工，又称电化学加工。电解加工的重点是针对不同的加工零件设 计出加工该零件的阴极以及装夹该零件电解加工的阴极和工件的夹具装置。 电解 加工的难点是电解加工是一种复制加工, 工具阴极的轮廓形状须根据图纸给定 毕业设计（论文） 7 图 1.4 高温合金零件二维图 图 1.5 高温合金零件三维图 毕业设计（论文） 8 的工件形状和加工间隙的分布规律来设计， 加工间隙分布的不均匀导致阴极设计 非常困难。 1.5 电解加工的研究方法以及电解加工新技术电解加工的研究方法以及电解加工新技术 基于离子蚀除原理的电解加工可望成为一种超精密加工技术， 但目前电解加 工却与精密、 微细相距甚远。 作为特种加工中的一种高效率、 无应力的加工技术， 有必要深入研究电解加工的机理， 特别是对加工精度和表面质量有显著影响的有 关因素，比如电极/溶液界面性质和间隙电场分布，探讨合适的工艺措施或测控 技术。于是，电解加工的研究方法。测试和实验手段已经成为一种迫切的课题提 到桌面上来。电解加工是一个复杂的非线性时变系统，迄今为止，对电解加工过 程的研究，包含对成型过程和加工间隙的研究、对加工中的现象和机理的研究、 以及电解加工新技术措施的研制过程的研究都缺乏测试手段的配合， 或者测试手 段过于繁复。在目前条件下由于测试条件的限制，主要通过对系统宏观效应的测 试和分析来认识系统， 根据加工结果达到的技术指标来认可新的技术措施或确定 某些参数，如认可新的阴极结构、新的控制方法、确定电源的频率、电解液的配 方等。1目前新的电解加工技术有脉冲电流电解加工、数控展成电解加工、混气 电解加工、电解电火花复合加工、小孔电液束加工和电解擦削等。 1.6 电解加工的设备以及工艺发展电解加工的设备以及工艺发展 电解加工的全套设备由机床、电源、电解液系统三个主要实体以及相应的操 作、控制系统及其软件组成，工艺设备也可以作为机床的独立附件。全套设备方 框图，如图 1.6 所示。 图 1.6 电解加工设备的组成框架 机床（含工艺设备）是设备的主体、进行电解加工的场域，其主要功能除安 毕业设计（论文） 9 装、定位工件、工具电极并按需要送进工具电极外，还必须将加工电流和电解液 输送到加工区；电源以一定的方式提供工件发生阳极溶解需要的电能；电解液系 统存储电解液，以一定的温度、压力和流量将电解液泵打到加工区并对电解液进 行净化以及三废处理；操作、控制系统对加工过程进行程序及参数的控制，保证 各组成部分之间程序的协调，并按预选的参数提供所要求的阳极溶解的条件，或 按工艺的需要进行参数的自适应控制，使加工过程始终保持最佳的阳极溶解状 态。1 工艺的变革是新型加工技术发展的基础和最终成果的表现。虽然 20 世纪 80 年代以来电解加工的扩大应用不多，但为了解决应用中存在的问题，特别是围绕 提高加工精度而创新电解加工工艺技术的研究仍在不断深入的进行， 也出现了一 些新颖的电解加工方法。如早在 70 年代初就出现的混气电解加工，80 年代在加 工叶片、模具中又得到了更广泛的应用，工艺上也有所创新；小孔电液束加工技 术在某些先进工业国家一直稳定用于解决诸如航空发动机叶片冷却孔， 特别是深 经比大、呈空间角度分布的小孔加工中；随着新型大功率电子器件的发展，在低 频、宽脉冲电解加工的基础上，90 年代出现了高频、窄脉冲电流电解加工，有 望将电解加工工艺提高到一个新的水平；电解与其他能量复合的加工技术，都有 其独特的加工效果和应用范围；80 年代开始研究的数控展成电解加工技术，综 合了数控和电解两大技术的特点，扬长避短，相得益彰，其研究已由基础原理性 进入实际应用阶段，开始在加工扭曲叶片型面的整体叶轮中得到应用。2 2 高温合金零件电解加工阴极的设计与计算 10 2 高温合金零件电解加工阴极的设计与计算高温合金零件电解加工阴极的设计与计算 2.1 电解加工电解加工成型规律成型规律的研究的研究 电解加工成型规律的研究， 目的是为了求解加工间隙随加工时间t的变化， 在不同几何位置（x、y、z）的分布，以函数形式可写作 （x、y、z、t） 。如果 加工已进入平衡加工状态，则参数不随时间而变化，间隙也只是位置的函数，记 作 （x、y、z） 。基于加工间隙的分布，则可以根据所要电解加工的零件图而设 计工具阴极；或反之，可根据工具阴极的几何形状预测被加工工件阳极的形状。 由于成型规律，即加工间隙的时、空分布受多种因素的影响了，特别是对于那些 形状复杂的型面加工， 其加工间隙分布规律则更难求解。 为了使问题简化而又不 失其求解精度， 可以在简化的基础上再逐项考虑多种因素的影响。 在成型规律研 究中，首先抓住主要矛盾，即基于电场分布而分析电解加工成型规律问题，这是 在电解加工领域研究成型规律、设计工具阴极的主要处理方法。 2.2 电解加工阴极设计的电解加工阴极设计的方法方法 在电解加工应用和研究的初期， 甚至当今在实际生产中， 还大都采用上述近 似的研究方法，最典型的是 cos 法。它是基于如下简化电场的假设条件下进行 研究的。 （1）沿电流线方向，电位梯度不变；在同一电流线上，有相同的电场强度。 （2）从阳极等位面（a=u）开始，到阴极等位面（c=0）止，电位逐渐减 小，等位面与电流线正交，电流线有阳极指向阴极。 （3）取电流效率 为常数（对 nacl 电解液电解液在任何电流密度条件下 可取为常数； 对nano3电解液在高于一定的电流密度条件下可近似为常数） ； 在同一电流线上取电解液导电率 相同。 基于以上假设，则可认为：在同一电流线上，电流密度相同；又因为先前已 约定加工出于平衡状态，且电解加工间隙很小（0.11mm） ，则在工件被加工表 面法向与工具阴极表面法向间夹角不大的情况下， 近似认为电流线同时垂直工件 及阴极表面，取电力线的直线长度替代实际呈弧线形状的电力线。如此，求解电 解加工之间隙长度问题就转化为求解相应处电力线长度的问题， 可才用欧姆定律 建立起近似电流线长度与加工电压的关系； 再基于法拉第电解定律导出阳极表面 电解速度的大小以及最终阴、阳极型面相互之间的几何关系。1参照图 2.1，其 有关成型规律的方程组可写作： 毕业设计（论文） 11 ur=u- e （2.1） ur i d = （2.2） va=i （2. 3） 在加工平衡状态： r u b v h w k= d （2.4） coscos rbu v q h w k qq = d d （2.5） 上式中 u阴、阳极之间的电压（v） ； e电解加工阴、阳极电极电位值总和； ur间隙电解液中的电压降（v） ； i电流密度（a/cm2） ； 电解液导电率（1/cm） ； 电解加工间隙（cm） ； 阴极送进速度 v 与工件阳极表面法向之间的夹角； 对应上述 =0 处的平衡加工间隙（cm） ； h对应 =0 处的平衡加工间隙，通常又称端面平衡间隙（cm） ； va阳极被加工表面的法向蚀除速度，通常简称为工件加工速度 （cm/s） ； v工具阴极送进速度（cm/s） ； 电流效率； 体积电化当量（cm3/as） 。 图 2.1 基于简化电场的成型规律描述cos 毕业设计（论文） 12 以上方程组就是基于简化电场进行成型规律计算和阴极设计的实用计算式， 也就是常用的 cos 法。 电解加工阴极的设计除了最常用的 cos 法外，对于一些加工性状简单的工 件， 可以采用等间隙分布的原则进行阴极的设计。 等间隙分布的原则是指在工件 原有的尺寸上进行同等间隙的缩放， 缩放后得到阴极的形状尺寸。 这种设计方法 较简单，但是却有局限性，对于那些型腔复杂的工件不能够使用，只适合形状简 单的工件。 以上两种方法都是基于简化电场分布的阴极设计方法，对于实际电场分布 的阴极设计方法，这里介绍一种有限元法。如图 2.2 给出了一组工具阴极族的求 解结果。 其依据是已知的工件阳极形状和约定的工艺条件： 阳极边界电位 a=u， 电解液的电导率和电流效率均为常数。有图 2.2 可以看出，所求解的阴极不只是 一个，而是一“族”，即图中除阳极边界外的等位面都可以作为阴极边界，不同的 只是阴极边界电位，或者说阴、阳极之间的电位差不同，加工间隙值不同，但都 能加工出同样的阳极型面。1 图 2.2 求解的工具阴极族 2.3 高温合金零件阴极的设计与计算高温合金零件阴极的设计与计算 针对这次研究的高温合金的零件如图 1.4 所示， 采用等间隙分布的原则设计 阴极的形状与尺寸。 等间隙分布的原则就是在所加工的工件的实际尺寸得基础上 进行同等的间隙的缩放， 从而获得阴极的形状和尺寸。 这里所缩放的间隙即电解 毕业设计（论文） 13 加工的加工间隙，有上述可得知电解加工的加工间隙范围是 0.051.0mm。但不 同的电解加工方式有不同的电解加工间隙范围，如表 2.1 及表 2.2 所示，总和了 在各种加工条件下当前采用的间隙值范围，可以作为选用的参考。 表 2.1 不同电解加工方式的加工间隙范围 加工方式 间隙范围/mm 直流电流 活性电解液 0.200.50 惰性电解液非线性加工，混气加工 0.100.20 脉冲电流 连续进给 0.030.10 振动进给 00.05 周期循环多次对刀 00.05 表 2.2 不同工序的平均间隙范围 工序种类 间隙值/mm 极限范围 常用范围 孔及型腔加工： 小孔（直径在 8mm 以下） 小型腔（型面长度 340mm） 大型腔（型面长度 40mm 以上） 叶片型面加工 叶型长度 100mm 以下 100200mm 200300mm 电解车： 预钻通孔（直径在 10mm 以下） 外表面 0.020.3 0.080.3 0.31.0 0.080.3 0.150.5 0.30.8 0.20.3 0.20.8 0.10.2 0.150.3 0.30.5 0.20.25 0.250.3 0.30.5 0.2 0.30.5 电解磨：金属阴极 导电磨轮 电解切削： 盘形阴极（直径在 100mm 以下） 线电极（厚度在 30mm 以下） 0.10.8 0.010.08 0.10.5 0.10.6 0.20.3 0.02 0.20.3 0.20.3 根据表 2.1 和表 2.2 选择高温合金零件电解加工的加工间隙为 0.5mm。则根 据等间隙分布的原则可设计出高温合金零件电解加工的阴极的形状与尺寸， 如图 2.3 所示。 在阴极的设计中，同时还要设计与计算高温合金零件电解加工工装的进液 毕业设计（论文） 14 孔与出液孔的大小。在计算进出液孔大小之前，首先要计算过液面积，然后根据 所计算的过液面积计算进出液孔的大小。 图 2.3 高温合金零件阴极的形状与尺寸 进液孔的计算： 如图 2.4 所示，加工初始时刻的进液处的过液面的形状与尺寸，根据图可计 图 2.4 进液孔处的过液面的外形与尺寸 实际进液面积应取其 1.5 倍，则实际进液面积为 毕业设计（论文） 15 s=1.5s0=1.548.7=73.5（mm2） 根据以上可设计进液孔为 3 孔 6。进液孔直径的选用，应使它的截面积大于起 始间隙截面积， 为了适应加和延伸的增液槽的需要， 进液孔的截面积应予以加大。 出液孔的计算： 如图 2.5 所示，加工初始时刻的出液处的过液面的形状与尺寸，根据图可算 出过液面积 s0为 s0=lh=690.5=34.5（mm2） 图 2.5 出液孔处的过液面的外形与尺寸 实际出液面计应与其相等，则实际出液面计为 s=s0=34.5（mm2） 根据以上可设计出液孔为 3 孔 4。 2.4 阴极设计的二维图与三维图阴极设计的二维图与三维图 如图 2.6 与 2.7 所示，阴极结构的二维图和三维图。 图 2.6 阴极二维图 毕业设计（论文） 16 图 2.7 阴极三维图 3 高温合金零件电解加工的流场设计 17 3 高温合金零件电解加工的流场设计 3.1 电解液的流动形式电解液的流动形式 电解加工前的工艺准备，首先必须设计工具阴极和工件阳极的相对位置及 相对运动， 同时还必须设计电解液流经加工间隙的流动形式， 它对于保证电解加 工过程的稳定性及加工精度均有着重要作用。 电解液的流动形式依据电解液的流动方向、加工送进方向机加工间隙之间 的几何关系，可以分为三种典型流动形式，即侧流式、正流式和反流式，或者在 某些较为复杂的型面加工中， 还可能构成既有正流、 又有反流这样两种流动形式 都存在的复合流动形式如图 3.1、3.2、3.2 所示。 1所谓电解加工的流动形式是指 电解液流向加工间隙、 流经加工间隙及流出加工间隙的流通路径、 流动方向的几 何结构。 图 3.1 侧流式 图 3.2 正流式 图 3.3 反流式 对以上三种流动形式中加工间隙流道横截面积，即对垂直于流动方向的加 工间隙截面积进行粗略分析， 估算后就容易发现： 侧流式加工间隙中的流道截面 积沿流动方向大致保持不变，严格的考察，变化很小；而正流式流道横截面积沿 流动方向呈扩张状态， 或者说其电解液流动为扩散流； 反流式的流道横截面积变 化则相反，流道横截面积沿流动方向呈收敛状，具有收敛流动特点。一般讲，收 敛流动更利于提高电解加工的稳定性和加工精度。考察各种流动形式还可发现， 不同流动形式的选择对于电解加工夹具和工具阴极的设计制造、 对于加工间隙中 流场均匀性也都有影响。 对于流动形式的确定有以下几个原则： （1）根据加工对象的几何形状确定 对于型面曲率变化不大的三维型面如一般叶片型面、 叶片锻模型腔等， 可采 用侧流式。 毕业设计（论文） 18 对于圆孔、型孔类可采用正流式或反流式。 对于某些复杂的型腔或型面，可在阴极上设计适当的通液槽（孔） ，采用正 流式或反流式， 或者两种流动形式都存在的复合流动形式进行加工。 但对应通液 槽（孔）口的加工面上，会残留加工凸起，给随后型面光整加工带来一些麻烦。 （2）根据加工精度的要求确定 一般讲，形状复杂且精度要求高的工件可选用反流式或复合流动形式，但 其夹具或阴极的设计制造比较困难。1 根据以上综述，结合高温合金零件的二维图和三维图，确定本次设计的电 解加工工装的流动形式为侧流式，如图 3.1。电解液在在工件上的流动方向如图 3.4 所示。 图 3.1 电解液在工件上的流动方向 3.2 电解液流速和进口压力的确定电解液流速和进口压力的确定 流速是保证电解加工过程得以稳定进行的主要流场参数，而进口压力则是 则是保证电解液流速的必要条件。 对于某些材料的电解加工， 如钛合金电解加工， 其加工精度、 表面质量受电解液流速的影响特别敏感， 对于流速的选取更要注意， 一般要选取更高一些的流速； 相应的输送压力也应更高以下对进口流速和进口压 力的确定原则分别加以分析。 3.2.1 电解电解液液流流速速的的确定确定 一定流速的电解液通过加工间隙，这是电解加工的必要基本条件。确定电 解液流速的原则，就是要满足下述两点主要功能要求。 毕业设计（论文） 19 （1）选择适当高的流速，能从加工间隙中带走电解产物，且使电解液流速 处于紊流状态，这样有利于均匀流场并消除浓差极化。 确定流态的判别准则为雷诺数 re re h ud v = （3.1） 2 h ab d ab = + （3.2） 式中 re雷诺数 u电解液流速 dh=水力直径 =电解液的运动粘性系数 a=过水截面的长 b=过水截面的高 当 re2300 为紊流。故对应紊流状态的流速 ut应该满足 下式，即 2300 t h v u d （3.3） （2）选择适当高的流速以控制温升。大量生产实践表明，一般宜控制液槽 中电解液温度不超过 45，至多也不能超过 50，通常以不超过 35为宜。 一般而言，在上述两项要求中，控制温升所对应的流速比保证紊流状态所 需要的流速更高， 故确定流速的步骤是先从控制温升出发的， 然后在验算是否保 证紊流状态，如果不能达到紊流状态，则需要调整流速。 图 3.2 间隙通道中的流态发展过程（进口前无导流段） 毕业设计（论文） 20 根据上述抑制温升及保证紊流状态的原则确定了流速，但在夹具设计中还 必须注意在间隙进口前安排适当长度的导流段以确保从加工间隙进口开始的间 隙全长均处于紊流状态。 如果没有进口前的导流段， 则尽管有雷诺数判据确定流 态以处于紊流，而由于阴、阳极及夹具壁面对电解液的粘滞作用，使间隙中的流 态分布有进口段的层流而逐渐发展到经过一定流程后的紊流状态（参见上图 3.2） 。故此，设置进口段的导流段很有必要，而对混气加工则更需要特别注意。 3.2.2 电解液压力的确定电解液压力的确定 电解液的压力是指加工间隙进口处的压力 p0（简称进口压力）和电解液输 送泵的出口压力， 考虑到管道中的压力损失， 一般电解液泵出口压力需比电解液 进口压力高 0.050.1mpa。以下介绍确定电解液进口压力的方法。 由于间隙进口前电解液管道的横截面积远大于加工间隙的横截面积，则电 解液在输送管中的的流速远远小于间隙中的流速， 或者可近似假设在管道中的流 速为零（更准确的说，相对于电解液在间隙中流速，近似认为管道中流速为零） 。 在这样假设前提下， 可以认为电解液进口压力能具有这样三个作用： 提供电解液 在加工间隙中流动的速度能（有称动压） ，克服加工间隙中的粘性摩擦力以及平 衡加工间隙出口端的压力（背压） 。基于这样的流体动力分析，电解液进口压力 的计算可参照下式进行计算。 当流动形式为侧流式时，如图 3.3 所示 图 3.3 电解加工流动形式为侧流式 动压 pu 2 2 u u p r = （3.4） 粘性摩擦 pv 2 2 v h lu p d r l= （3.5） 毕业设计（论文） 21 背压为 pe 则进口前压力为 p0=pu+pv+pe。对于正流式和反流式电解液进口压力的计算，这 里不再具体讲解，如有兴趣可参考王建业、徐家文编著的电解加工原理及其应 用一书，书中关于电解液进口压力的计算公式有详细介绍。 有上式可知， 当加工间隙的几何结构确定之后， 流速与压力有着一一对应的 关系，且流速越大，压力越高。因此，电解加工的实际过程，经常以一定的压力 规范来保证间隙中的流量和流速。 在这里应指出， 上式中所列的是针对纯液相电 解液进行的。如果考虑气、液两相流动特性，既考虑到由于气体的膨胀而使间隙 中压力增加，则气泡率越大，压力增加越多，一般比按纯液相计算的增加 10% 15%。 而对于电解液压力的选取是以确保需要的流量、流速为准。由于流量的测 量较为复杂， 且流量的允许变化范围较大， 因而实用中往往以调整压力来达到要 求的流量和流速。当前常用的压力范围如表 3.1 所列。国内偏下限国外偏上限。 表 3.1 电解液压力选用范围 加工情况 p/pa 加工情况 p/mpa 低电流密度以及低 压混气加工 （45）9.8104 高电流密度以及高压 混气加工 12 深孔及套料 （830）9.8104 3.3 流场均匀性的设计流场均匀性的设计 流场均匀性是指加工面上各处流量充足、均匀，不发生流线相交和其他流 场缺陷如空穴现象、分离现象。 要保证流场均匀性，除了要正确选择流动形式和保证一定的压力、流速外， 还要合理设计通液槽（孔） 。下面介绍一下通液槽（孔）的设计与流场均匀性， 对于一些比较复杂的型腔、型面加工，难与采用侧流式，而必须在工具阴极上制 造一些通槽（孔） ，包括进液槽（孔）和回液槽（孔） ，采用正流或反流式，或者 正流和反流两者都有的复合流动形式进行加工。现阶段已经成功应用的通液槽 （孔）设计方法是流线图法，它以画流线图来决定通液槽的布局。1当电解加工 进入平衡状态时， 间隙中的流场可视为稳定流， 于是可以画出电解液流动的流线， 即流体嶶团的运动轨迹。 画流线图要遵守两条基本原则： （1）流体由进液槽流入加工区时其流动方向与进液槽边垂直。 （2）流体由进液槽流经加工区直至流到回液槽应取流阻最小路径，即流程 最短。 毕业设计（论文） 22 对于通液槽（孔）的布局直接影响电解液的流线分布，因而其布局设计原 则则应该是保证流线能均匀地分布在整个加工表面， 且应避免流线相交， 不出现 贫液区；力争流程均匀且尽可能地缩短流程。对于某些比较复杂的型腔、型面加 工，仅仅安置出液槽（孔）可能还满足不了上述要求。对此，则可以或增开回液 槽（孔） 、增液孔，或适当的圆滑过渡，或采用背压技术，则诸如流线相交、贫 液、流程悬殊等问题才可以得到完全解决。 流场均匀性的设计也是为了防止电解液在加工间隙产生分离现象和空穴现 象 当流场设计不合理或由于毛坯加工余量差异很大时，可能出现涡流区或死 水区，其形成原因是附面层产生分离的结果所致，此将严重影响加工质量，甚至 出现短路烧伤。 而防止分离现象的措施包括精心设计加工间隙通道， 使其流道圆 滑过渡，包括合理安置通液槽（孔） ，设计电解液流经加工间隙前、后的导流段。 所谓空穴现象是指液体中产生液泡并积聚而形成气穴，使原来连续的液相 中变得局部区域不连续。电解加工间隙中形成空穴的原因有： （1）高压下电解液溶入气体，在低压区气体又自液体中析出。 （2）在流动过程中，由于间隙的突然缩小使该处流速突增而压力突降，有 可能压力降到低于该处流场条件下的气化压力， 则电解液气化而形成气泡并逐渐 积聚而形成空穴。 （3）加工区某局部供液不足，则造成该处温度过高而引起电解液沸腾、气 化而形成空穴。 一般而言，电解加工间隙中电解液产生空穴现象的主要原因是第（2）项。 而防止空穴现象产生的办法可以施加适当的背压， 以防止压力突变； 还应注意流 道设计尽量圆滑过渡以避免流道突变； 采用混气电解工艺更有利于防止空穴现象 产生， ；脉冲电流电解加工特别是高频窄脉冲电流亦有利于防止流场的分离和产 生空穴。 根据前述流场设计原则及加工工艺要求而进行电解加工流场设计，在具体 设计中应该灵活应用流场设计原则并注意吸取成功的经验与失败的教训。 4 高温合金零件电解加工工装的设计以及总体工装夹具 23 4 高温合金零件电解加工工装的设计以及总体工装夹具高温合金零件电解加工工装的设计以及总体工装夹具 4.1 电解加工工装的电解加工工装的功能功能及特及特殊殊要要求求 电解加工工装是有工具阴极和夹具组成，是电解加工工作区的中心环节。