机械设计说明书-某型号火炮膛线电解加工工装设计

本科毕业设计(论文)题目：某型号火炮膛线电解加工工装设计绪论1.1概述电解加工是继电火花加工之后发展较快、应用范围较广泛的一项新工艺。目前在国内外已成功的应用于枪炮、航空发动机、火箭等的制造工业，在汽车、拖拉机、采矿机械的模具制造中也得到了应用。故在机械制造业中，电解加工已成为一种不可缺少的工艺方法[1]。电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解，将工件加工成形的。工件阳极和工具阴极间保持很小的间隙，一般在0.1～1mm范围内。电解液从加工间隙中不断高速（6～30m/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；工件阳极和工具阴极分别和直流电源（一般为10～24V）连接，在上述两项工艺条件下，则通过两极加工间隙的电流密度很高，高达10～100A/cm2数量级。工件上与工具阴极凸起部位的对应处比其他部位溶解更快。随着工具阴极不断缓慢地向工件进给，工件不断地按工具端部的型面溶解，电解产物不断被高速流动的电解液带走，最终工具的形成状就“复制”在工件上。1.2炮管膛线电解加工的研究意义膛线是枪、炮管内膛的重要组成部分。采用电解加工实现火炮膛线加工具有表面质量好，使用寿命长，脱模好，成本低的优点。通过对本课题的设计，可以加深对所学基础理论、基本技能的理解与运用，并逐步系统化；可培养独立工作、解决问题的能力，从而达到培养独立获取新知识的能力；通过文献检索等基本技能的训练，掌握撰写技术报告的能力；通过设计过程的训练，培养刻苦钻研的科学态度及团队协作能力，为以后工作时的产品开发、技术改进打下坚实基础，在将来的实际生产中更好的发挥自己的所学。1.3国内外相关研究情况随着高精度复杂零件的不断出现，传统的加工方法越来越难满足加工过程上的需要，从而产生了特种加工方法。电解加工作为先进制造技术中一支重要的方面军，在制造业中发挥着重要的作用。它对难加工的材料，不受其本身强度、硬度和韧性的限制，可加工高强度、高硬度和高韧性等难切削的金属材料，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。电解加工自20世纪50年代问世以来，到60年代迅速在众多的机械制造领域得到开拓和一定的应用。通过科研和生产实践，70年代电解加工在技术上左走向成熟、定型；在应用领域上开始定向。限于当时的技术发展水平，80年代中期之后，电解加工的应用领域没有新的较大的扩展。90年代随着高新科技的发展，电解加工技术有了新的发展，将这项工艺的应用范围从一般加工领域扩展到精密加工、微细加工领域，开拓出新的应用前景。21世纪信息、生物、微纳技术的发展及其对制造技术不断增长的需求，微细加工将成为制造相应装备的重要手段，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的发展，将电解加工高速去除金属的理念用到传统电化学过程中，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。1.3.1国外发展状况电解加工在很多方面还需要进一步发展和提高，如过程监测和控制、工具设计、电解液处理、加工精度的改善和设备的自动化程度。电解加工间隙状态非常复杂，涉及到电化学、电场、流场等多种因素的交互影响，因而使得过程的监测和控制非常困难。迄今为止，还没有在线测量加工间隙的有效而实用的手段。不均匀的间隙分布也使得工具设计变得非常困难，以至于在工具制造中往往要对阴极进行多次修整，这不仅费时费工，而且对操作者的经验和技艺提出了很高的要求。另一方面，电解加工过程中产生大量的电解泥渣和废液。近10年来，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。1.3.2国内发展状况国内应用电解加工的制造行业很多。其中兵器工业中的深孔和膛线是国内最早研究并成功应用的电解加工技术。我国最早研究并成功应用电解加工技术是原兵器工业部西安昆仑机械厂的深孔和膛线加工。早在20世纪50年代前已成为中小口径等齐膛线加工的定型工艺。从1958年建立第一个研究基地至1965年全国首届电解加工学术会议召开，电解加工在航空、航海、航天及部分民用工业迅速推广。20世纪70年代进入“爬坡”阶段，为了解决加工精度的问题，国内外先后提出混气电解加工、钝性电解液、工频脉冲电流、振动进给等工艺措施。20世纪80年代，为了提高火炮的射程和射击精度，现代火炮设计提出身管膛线采用由等齐段和渐速段组成的混合膛线如图1.1所示；为了减少火炮射击对炮管内膛的烧蚀，提高火炮身管的寿命，拟采用硬度更高的优质新材料，这样，就使机械拉削同时面临复杂形状难成型和难切削材料难加工的两个问题，对传统电解加工又提出新的挑战。90年代后，华南理工大学在近代功率电子技术发展基础上研究的高频窄脉冲电流电解加工电源，进一步强化了电解加工系统的“非线形”。西安昆仑机械厂和西安工业学院联合研制的CNC同步控制电解加工参数和阴极运动轨迹解决了大缠角混合膛线的加工难问题。但是由于加工间隙的电场、流场、磁场及阴极溶解动力学因素的交互影响，电解加工过程十分复杂，阻碍着该项技术想纵深发展，比如对其过程的监测和控制非常困难，迄今为止，除了在个别应用对象上有所突破外，还没有通过的在线直接测量加工间隙的有效手段。不均匀的间隙分布使工具阴极设计成为一项难度很大的工作，在对新的加工对象进行阴极研制的过程中往往要对阴极进行多次修正。此外，从绿色制造的角度，电解加工产生的大量产物和废液需要处理。图1.1火炮膛线2电解加工原理及应用2.1电解加工的原理电解加工又称电化学加工(ElectrochemicalMachining—ECM)是继电火花加工之后发展较快、应用较广的一种特种加工工艺，在国内外已成功地应用于枪炮、航空发动机、火箭等的制造工业，在汽车、拖拉机、采矿机械的模具制造中也得到了应用。在机械制造业中，电解加工已成为不可缺少的一种新的工艺方法。随着人们对电解加工过程中小加工间隙、大加工电流密度和高电解液流速这些显著工艺特点认识的提高，逐渐加深了对电解加工过程中电场、流场和电化学溶解特性三者的特点和相互依存、相互影响的密切关系的了解，从而使电解加工的理论研究及工程实践更加深入[2]。2.1.1电解加工过程电解加工的基本原理是利用金属在电解液中受到电化学腐蚀，更确切地说是电化学阳极溶解。电解加工过程如图2.1。加工时，工件接直流电源(10V～20V)的正极，工具接电源腹肌。工工具向工件缓慢进给，使两极之间保持较小的间隙(0.1mm～1mm)，具有一定压力(0.5MPa～2Mpa)的氧化钠电解液从间隙中流过，这时阳极工件的金属被逐渐电解腐蚀，电解产物被高速(5m/s～50m/s)的电解液带走。1—直流电源2—工具阴极3—工件阳极5—电解液图2.1电解加工示意图电解加工成形原理如图2.2所示，图中的细竖线表示通过阴极(工具)与阳极(工件)间的电流，竖线的疏密程度表示电流密度的大小。在加工刚开始时，阴极与阳极距离较近通过的电流密度就大，电解液的流速也较高，阳极溶解速度也较快。由于工具相对工件不断进给，工件表面就不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，直至工件表面形成与阳极工作面基本相似的形状为止。图2.2电解加工成形原理2.1.2电解加工的特点a.加工范围广，不受材料本身强度、硬度和韧性的限制，可加工高强度、高硬度和高韧性等难切削的金属材料，如淬火钢、钛合金、硬质合金、不锈钢、耐热合金，可加工叶片、花键孔、炮管膛线、锻模等各种复杂的三维型面，以及薄壁、异形零件等。b.电解加工的生产率较高，约为电火花加工的5～10倍。在某些情况下，比如切削加工生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。c.加工表面质量好。工件的材料以离子状态去除，无冷作硬化层、热再铸层以及由此引起的表面纤维裂纹，表面光整、无加工纹路、无毛刺。由于无切削力和表层内应力，因此工件的加工变形小。表面粗糙度较好(Ra1.25µm～0.2µm)和±0.1mm左右的平均加工精度。d.工具无损耗。电解加工工具阴极不与工件接触，正常加工条件时工具阴极不损耗。因为工具阴极材料本身不参与电极反应，其表面仅产生析氢反应，同时工具材料又是抗腐蚀性良好的不锈钢或黄铜等，所以除产生火花短路等特殊情况外，工具阴极基本上没有损耗。e.可成型范围宽。从简单的圆孔、型孔到复杂的二维空间的型面、型腔都可以由这种方式加工。f.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方法。2.2电解加工时的电极反应电解加工时电极间的反应相当复杂，这主要是一般工件材料不是金属，而是多种金属元素的合金，其金相组织也不完全一致。生产实践中规定采用一种电极做标准和其他电极比较得出相对值，成为标准电极电位。标准电极电位的高低决定在一定条件下对应金属离子参与电极反应的顺序。电解液的浓度、温度、压力及流速等对电极电化学过程也有影响。在25℃时，把金属放在此金属离子的有效质量分数为1g/L的溶液中，此金属电极电位与标准氢电极的电极电位之差，用表示。具体可用能斯特（Nernst）方程式。式中-平衡电极电位（V）；-标准电极电位（V）；-摩尔气体常数（8.314J/mol·K）；-绝对温度（K）；-法拉第常数（96500C/mol）；-电极反应中电子的得失；-离子氧化态的有效浓度（mol/L）；-离子还原态的有效浓度（mol/L）。根据金属与非金属之间、的取值规则，将公式改写为：对于金属电极（包括氢电极）：对于非金属电极：a.阳极反应（1）阳极表面每个铁原子在外电源作用下放出（被夺去）两个或三个电子，成为正的二价或三价铁离子二溶解进入电解液中。Fe-2e→Fe2+VFe-3e→Fe3+V（2）负的氢氧根离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氧气；负的氯离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氯气：OH—-4e→O2↑V2Cl—-2e→Cl2↑V（3）溶入电解液中的Fe2+又与OH—离子化合，生成Fe(OH)2，由于它在水溶解度很小，故生成沉淀。Fe(OH)2沉淀为墨绿色的絮状物，随着电解液的流动而被带走。Fe(OH)2又逐渐为电解液中及空气中的氧氧气为Fe(OH)3：Fe2++2OH—→Fe(OH)2↓4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3↓b.阴极反应（1）正的氢离子被吸引到阴极表面从电源得到电子而析出氢气：2H++2e—→H2↑V（2）正的钠离子被吸引到阴极表面，得到电子而析出钠：Na++e—→Na↓V由此可见，电解加工过程中，在理想情况下，阳极铁不断地以Fe2+的形式被溶解，水被分解消耗，因而电解液的浓度逐渐变大。电解液中的氯离子起导电作用，本身并不消耗，所以NaCl电解液的使用寿命长，只要过滤干净，适当添加水分，可长期使用。2.3电解加工的关键工艺要素及其加工参数电解加工中工件、电极、电解液、流动方式、电源、进给方式等外部条件，与加工间隙对工件加工精度都有影响。其中加工间隙是电解加工的核心工艺要素，影响工件表面质量、加工效率、加工精度，同时在设计阴极时起到关键性的作用。通过对工件的研究可知其间隙值的常用范围0.3mm～0.5mm。对阴极进行设计计算，选择加工初始间隙为0.5mm，加工最终间隙为0.3mm。2.4电解液在电解加工过程中，电解液的主要作用是作为导电介质传递电流；在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解能顺利而有控制地进行；及时地把加工的各项加工间隙内产生的电解产物及热量带走，起更新与冷却作用。因此，电解液对电解加工的各项工艺指标有很大影响。2.4.1对电解液的基本要求a.电化学特性方面（1）在工件阳极上必须能优先进行金属离子的阳极溶解，不生成难溶性钝化膜，以确保正常加工。（2）在工具阴极表面不会沉积阳离子而只发生析氢反应，以免破坏工具阴极型面，影响加工。（3）集中蚀除能力强、散蚀能力弱。（4）阳极反应的最终产物应能形成不溶性的氢氧化物，以便净化处理，且不影响电极的过程。（5）电解液中各种正负离子必须并存，相互间只有可逆反应而不相互影响。b.物理特性方面（1）应该是强电解质即具有高的溶解度和大的离解度。（2）尽可能低的粘度，以减少流动压力损失及加快热量和产物的迁移过程，以利于实现小间隙加工。（3）高的热容以减小温升，防止沸腾和形成空穴，也有利于实现小间隙、高电流密度加工。c.稳定性方面电解液中消耗性组分应尽量少，应有足够的缓冲容量以保持稳定的pH值。电导率及粘度应具有小的温度系数。d.实用性方面价格低廉，易于购买。使用寿命长。对环境污染小，腐蚀性小；无毒、安全，应尽量避免Cr+6及NO2-1等有害离子。2.4.2三种常用的电解液NaCl电解液的蚀除速度高，但杂散腐蚀也严重，故复制精度较差。浓度为20%以内，一般为14%～18%。电解液温度为25℃～35℃。NaNO3电解液是一种钝化型电解液。NaNO3电解液在浓度为30%以下时，有较好的非线形性能，成形精度高，而且对机床腐蚀性小，价格也不高。主要缺点是电流效率低，生产率也低，另外加工时阴极有氨气析出，所以NaNO3会被消耗。NaClO3电解液的散蚀能力小，加工精度高，具有很高的溶解度，导电能力强，可达到与NaCl相近的生产率，腐蚀作用小。NaClO3缺点是价格较贵，强氧化剂，使用时注意安全防火。酚醛层压板、石头、水泥等，还可以加防锈材料的覆盖层。犹豫电解液有一定压力向加工区。3工件炮管分析3.1研究工件通过对加工对象火炮膛线（长3mm，外径40mm，内径30mm，槽宽5.43mm）进行研究。选择工具阴极结构、合适的导电、供液方式和流场设计方案，并绘制加工对象火炮膛线的二维、三维零件图如图3.1、图3.2所示。在对本设计所选择的方案进行研究计算，对火炮膛线电解加工进行工装设计。图3.1某型号火炮膛线的二维图图3.2某型号火炮膛线的三维图3.2加工方案采用移动式加工需要能提供直线拖拉和旋转两种运动的机床，移动式阴极的结构由阴极本体、引导支撑和电解液的流道三部分组成，不同类型的阴极首先是本体部分结构不同。阴极的结构形式、流场设计、绝缘材料的镶嵌和工作齿的结构、尺寸等是炮管膛线表面质量和成型精度最重要的因素，因此阴极结构是该工艺的中心环节和技术核心，不同的阴极结构决定了不同的运动方式和采用的加工参数，其成型过程和加工效果也因此不同。本设计所选的方案为三面进给式阴极。对炮管口径打、线型深的火炮膛线工采用椎体跟踪式阴极，阴极侧面需要绝缘，制造麻烦，使用过程中绝缘层易脱落。在设计阴极是，阴极体工作部分的圆锥面与圆柱面的交点位置计算、绝缘片厚度的确定都是阴极设计的难点，往往要经过反复试验才能最后确定。为了保证线型质量和较小的根部圆角，设计了三面进给式锥体阴极结构，该种形式的阴极是保证大口径炮管深线型膛线结构精度的有效措施[3]。这种阴极的工作齿的三个面都是工作面，加工时随着阴极轴向送进，工作齿的三个面都进给，工作齿的正面作径向进给，工作齿的两个侧面向膛线的宽度方向进给。考虑到随着工作齿宽度的增加流场呈发散状，在工作齿分段设有增液槽，及时补充后段间隙的电解液流量。该三面进给式锥体阴极的结构可以保证加工时电流密度、流场分布比较均匀合理。在结构尺寸设计合理的情况下，使用寿命长，生产率高，尺寸精度容易得到保证。但是阴极制造更为困难。电解液成分12%～16%NaCl水溶液，工作温度30℃～40℃，工作压力1.0MPa～1.5MPa，工作电压12V～14V，进给速度10mm/min～15mm/min，加工间隙0.15mm～0.35mm。电解加工阴极如图3.3所示。图3.3电解加工阴极3.3加工要求a.火炮膛线电解加工阴极。b.装夹火炮膛线电解加工阴极和工件的电解加工工装。c.运用Pro/E、UG等软件画出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。电解加工是一种金属成型加工工艺，其阴极的形状和尺寸将决定被加工零件能否达到加工精度，因此阴极的设计很重要。对工件进行数据分析，选择适当的阴极形状，对其尺寸的计算。并根据工件设计阴极，关键是掌握电解加工的成型规律。对加工过程中的电流分布、金属溶解速度的分布和加工间隙的分布深入了解。阴极流场的设计，保证加工区域获得稳定、均匀及足够的电解液，满足电极过程的传质及传热要求。电解液流动方式的选择以及决定阴极出液槽的形状、尺寸及分布进一行研究[4][5]。3.4火炮膛线在电解加工中的应用3.4.1膛线电解加工的内容膛线亦称来复线，枪膛内呈螺旋形凹凸的线。凹下的部分称为阴膛线，凸起的部分称为阳膛线。膛线的作用是使弹头旋转运动，以保持飞行稳定，提高命中精度[6][7]。枪炮膛线是内孔抛光后刻蚀得到的沿圆周均匀分布的一组螺旋槽，等齐膛线的加工是利用机床上变换齿轮的方法调节缠度，使阴极在作轴向送进的同时按一定缠度旋转[8]。刻蚀后凹入部分称为阴线，未刻蚀部分称为阳线，膛线的断面多为矩形[9]。如图3.4所示炮管膛线的深度大约为其口径的1%～1.5%，枪管的膛线的深度大约为其口径的1.4%～2%。炮管的阳线表面粗糙度为Ra0.4μm，阴极表面粗糙度要求达到Ra0.8μm。枪炮管膛线在内孔抛光后采用电解加工一次成型，取代常规的机械加工。与大口径炮管的传统加工工艺拉线法比较，电解加工仅需要一个阴极，从弹膛“走”到炮口，多条膛线，一次成型，生产率高。而较大口径的炮管在拉线机上，要用多把拉刀，分组进行，有的需要几十次甚至几百次拉削，才能完成全部膛线的加工[10]。电解加工的阴极是不消耗的，与昂贵的易耗的拉刀相比，其优越性不言而喻。a-阳线宽度B-阴线宽度d-阳线直径D-阴线直径R-根部圆弧半径图3.4炮管膛线剖面图3.4.2电解加工炮管膛线的优点炮管膛线分三种等距膛线渐速膛线和混合膛线。此次加工对象炮管为混合膛线，它是指膛线的缠角随缠距的变化而变化的膛线，在炮管根部靠近弹膛的地方没有缠角，而随着缠距的增大缠角也会增大，但与渐速膛线不同的是，混合膛线的缠角增大到一定程度就不再变化，如果将炮管展开这种膛线将是部分弯曲，大部分是直线的，混合膛线常用在加农榴弹炮等较长身管的火炮上[11][12]。其电解加工炮管膛线的优点：a.加工效率高，一次成型，工序简单；b.工具阴极不消耗，节省了大量昂贵的拉刀或冲头；c.表面质量好，无飞边毛刺，无残余应力，表面粗糙度优于拉制和挤制；d.因为电解加工是非接触加工，可以加工硬度高、强度高的材料，所以可以安排在热处理后进行，从根本上解决了枪炮管加工后变形问题。4电解加工阴极结构设计计算4.1三面进给式阴极的结构三面进给式阴极的设计思想是使工作齿的三个面都成为工作面，径向和侧向都有进给，阴极工作齿侧壁就不需要绝缘，这样，键槽壁也与键槽槽底一样得到阴极工作齿和工作齿尾部的最后的抛光作用。考虑到随着加工进行，键槽加深和加宽，过流面积增大，阴极工作齿应设计增液槽。用这种结构的阴极容易控制花键孔的尺寸，针对不同类型的键槽，为了使电流密度、流场分布均匀合理。按照阴极的具体结构及电解液流动的方向选择换流复合阴极。由于键槽深，按单锥阴极设计，阴极大小端电流密度差异必然很大，为保证加工的稳定性，加工电流密度不宜增加太多，故阴极锥度不宜大于10°。因拉式正流阴极前引导定位，电解液从拉杆内孔进入阴极小端，再流向大端，阴极运动方向与电解液方向相反。其优点是结构简单根据所选阴极合理的设计液槽（孔），有效改善流场状态，才能够加工出良好的表面质量和精度的花键。该阴极加工制造比较困难，阴极体绝缘和导向部分一般要用热环氧树脂浇注，经车、铣、刨等工序完成。增液槽（孔）须精心制作[13][14]。阴极长度会增加，对于键槽表面的质量影响最大的锥体大端处电解产物的含量增加，明显升温，结果导致表面质量下降，尺寸精度难以控制，为此设计成两段。设计阴极体和校正锥，同时在中间加入一个换向阀，换向阀的作用就是将前段锥体加工后的较脏的电解液回收，向后段锥体供应新鲜的电解液。同时校正锥加工间隙较小，可视为精加工段，从而有利于提高加工表面质量。因将换液阀后的校正锥设计成可换件，如有意外发生短路或碰撞损毁，利于更替。4.2三面进给式阴极的组成及其设计4.2.1阴极的组成阴极设计的内容包括工作齿尺寸、增液槽(孔)尺寸和位置、前后引导的尺寸、密封圈、整流槽、导流片尺寸如图4.1和表4.1所示，其中工作齿是双键、四键和花键成型的关键部件，它的精度、表面粗糙度对键槽成型精度有决定性影响。阴极设计除了根据对象的键槽尺寸，还要根据电源容量、机床进给速度等具体条件选定电流密度和加工间隙。设计工作齿尺寸，在电机容量允许的条件下应尽量将工作齿取长一些，以便获得较高的生产率和加工稳定性。因为在同样的电流密度条件下，工作齿长度较长时，电流强度较高，在操作中由于电流强度的变化引起的加工尺寸的变化亦相对较小，所以尺寸控制精度亦较高。但应注意工作齿的增长会使阴极总尺寸增长，使阴极刚性减弱，而且也将引起整个工装、夹具尺寸的相应增大。1-工作齿2-导向体3-连接头4-进液孔5-前螺帽6-密封环7-喷液孔8-整流槽9-增液槽10-导流片11-后螺盖12-阴极体图4.1三面进给式阴极的组成电流密度的选取应该考虑工件材料、电解液流速、电源功率、阴极尺寸和结构型式如表4.1所示及其生产率的影响。增大电流密度是提高生产率的一条途径，但电流较大，单位时间阳极产物越多，必须有足够大的流量与之匹配，否则将影响加工表面粗糙度[15]。一般电流密度选用30A/cm2～100A/cm2。表4.1三面进给式阴极组成一览表名称材料作用工作齿黄铜去除金属，将齿廓形状复制到工件上，获得所需的槽型引导体环氧树脂在加工过程中起导向、定位绝缘作用连接头黄铜起连接、导电、导液作用供液孔使泵打出的电解液通过管道系统红日拉杆引入阴极体前螺帽有机玻璃加固阴极同拉杆的连接密封圈耐油橡胶防止电解液从配合隙中漏出，对液体起密封作用喷液孔将供液孔流入阴极内的电解液喷向加工区整流槽将供液孔流出的高速的、不均匀的液体加以整流，避免涡流或因电解液直接喷入加工区域而引起的表面不均匀腐蚀增液槽（孔）逐段补充新电解液和平衡因前后端的工作齿面积的差异引起的加工区流场的变化导流片环氧树脂使流过最后加工区间隙的电解液继续有一段导程，以防涡流，同时对工作齿大端端面起绝缘作用后螺盖有机玻璃封住电解液，使之充满加工区；使阴极体后端面绝缘阴极体黄铜是连接以上各部分的金属基体4.2.2阴极工作齿的设计根据加工对象已知工作齿数为8，花键槽底部直径为33.69mm，花键孔内径为30mm，花键齿宽为5.43mm，加工起始间隙为0.5mm，加工最终间隙为0.3mm，为了便于控制槽的成型尺寸精度，令工作齿半面角和锥面角相等为5°。如图4.2所示为工作齿示意图。工作齿的计算方法如下：mmmmmmmm为便于控制槽型的的成型尺寸精度，令，mm式中—花键槽底部直径(mm)；—花键孔内径(mm)；—工作齿大端直径(mm)；—工作齿小端直径(mm)；—加工起始间隙(mm)；—加工最终间隙(mm)；—花键齿宽(mm)；—工作齿大端宽度(mm)；—工作齿小端宽度(mm)；—工作齿大端高度(mm)；—工作齿大端高度(mm)；—工作齿半面角(°)；—工作齿半锥角(°)；—工作齿长度(mm)；—工作电流(A)；—阴极工作齿表面积(cm2)；—电流密度(A/cm2)；—工作齿数。根据公式计算从而出工作齿，故得到工作齿大端直径4.83mm，工作齿小端直径4.43mm，工作齿大端高度0.2mm，工作齿小端高度0mm。图4.2工作齿示意图4.2.3增液槽的设计三面进给式阴极工作齿三个面都呈锥形，加工过程中间隙截面积增加很快，开设增液槽是解决三面进给式阴极加工过程中过液面积不断扩大，导致阴极后段精加工区流场不饱满的一种手段设计。供液孔的直径应保证所通过它的流量满足加工区域所需的流量。供液孔截面积大于喷液孔截面积之和，大于阴阳间最大加工间隙截面积之和。一般增液孔的增液槽宽度稍大于增液孔的直径而选用0.6mm～1mm,因为槽本身只起整流作用，将增液槽喷出的束状水柱整流成片状水帘，使电解液尽可能成为均匀分布的流场。设计初始间隙为0.5mm，最终间隙为0.3mm。阴极小头进入预制孔时，凹处用环氧树脂涂覆，使间隙始终保持在0.5mm。最小端直为29.69mm，最小端直为31.69mm。经计算将工作齿分为3段，设增液槽出口流速分别为、，最小段流速为，、、为增液槽长度，每段流量相等。同时忽略增液槽流量加入总流道时对流速的冲击性影响，则增液槽的计算如下：式中—最小端的过液面(mm2)；—第1排增液槽的过液面(mm2)；—第2排增液槽的过液面(mm2)；—最大端的过液面(mm2)；—最小端直径(mm)；—最大端直径(mm)。通过以上公式计算并根据加工间隙得到宽度为0.8mm增液槽。4.2.4导向、导流片和整流槽为了避免从供液孔喷出的电解液产生涡流或因电解液直接流入工作区域引起的表面不均匀腐蚀，在供液孔后开设宽度与喷水孔直径相同、深度为加工间隙的1.5倍～2倍的整流槽，与工作齿小端连接部分应圆滑过渡，长度10mm～20mm。密封圈的内径和宽度按密封圈槽选用，要保留密封圈变形的余地，外径应比阴极导向体直径大0.15mm～0.20mm。导流片宽度和高度与工作齿大端尺寸相同，长度5mm～10mm。根据所绘阴极工作齿得到整流槽如图4.3所示。图4.3整流槽4.2.5连接头和后端盖一般连接头长20mm，3级细牙螺纹。连接头长一些可改善定向、导电和连接的牢固性，不过装卸阴极的辅助时间要相应增加。亦可采用多头螺纹或前面带锥体定位的梯形螺纹。当加工螺旋键槽时，连接头的螺纹应注意螺旋方向，防止阴极松动。连接头的最小截面尺寸应满足最小导电截面积的要求。后螺盖端如图4.4所示面应该和阴极体端面密合，以免阴极后端面对工件产生腐蚀。图4.4后螺盖根据电解阴极设计计算得到阴极如图4.5。图4.5阴极5电解加工工装设计5.1电解加工工艺装备的功能和组成电解加工工艺装备由工具阴极和夹具组成，是由电解加工工作区的中心环节。它确定了工件和阴极之间的相对位置，形成正确的极间流场并将加工的电流导入机间加工间隙区。工具阴极是确保电解加工成型的重要手段，它的设计、制造工作包括型面设计、电解液流动形式和流动通道的设计以及定位、安装结构设计。夹具是机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置。夹具的功能在于安装、定位、夹紧工件，确保工件和工具的相对位置，形成封闭的加工区和电解液流动通道，并将电流导入加工区。根据工件的形状选择固定式筒形零件电解加工夹，设计加工工件时所需夹具。电解加工前的工艺装备，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，即加工进给运动，同时还必须设计电解液流经加工间隙的流动方式，它对于保证电解加工过程的稳定性及加工精度均有重要作用。电解加工流场的设计包括液流通道设计和加工区流场设计。加工区流场设计包括中段加工区流场和进出口流场[16]。中段加工区流场又包括主流场和辅助流场。主流场设计选择双向供液法。电解液从阴极中间流出分别向前后两锥同时供液。这种供液方法有利于加工表面质量、精度及加工稳定性。电解加工工艺装备直接接触腐蚀性介质，且承受较大的动负荷，并传输较大的电流和高速流动的电解液。工具阴极与工阳极是在小的动态变化的间隙下工作，容易发生极间短路，而且电解加工工艺装备的定位精度又是确保工件加工精度的重要环节。因而在设计工艺装备时，解决耐腐蚀问题。夹具中带阳电的金属零件表面会被杂散电流点蚀，或者在不同金属材料之间发生原电池电流腐蚀。因而在选用夹具材料时应尽量采用非金属材料，但为了保证夹具刚性，某些部位会采用金属材料。非金属材料选用玻璃钢居多，故选用美国对生产的绿色层压玻璃钢在强度、弹性模数、耐腐蚀、吸水性等性能较好，适用于定位件或者定位件的绝缘如表5.1所示。表5.1高压层状玻璃钢的高性能指标拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa抗压强度/MPa密度/g/cm3吸水性/(%)24h4556025421.820.08工艺装备的导电回路是通过工作台将电流传输到夹具定位块上，通过阴极安装板传输到工具阴极上。可以在接触面上涂以导电硅油，含银或铜粉的导电脂，以防止导电面的烧伤或化学腐蚀，因硅油可加速局部发热的散热，并防止空气或电解液渗入[17]。除了机械接触导电方式外对于某些移动的工件或阴极可以用水银槽引电。工艺装备精度和稳定性为达到高的重复精度，确保夹具刚度，其电解液流动形式为侧流式。由电解液压力计算得到刚度如表5.2所示。表5.2电解压力、流速规范（kg/cm3)工序种类流速/(m/s)压力（0.1MPa）动压粘滞阻力出口背压进口压力叶片型面15～201.26～2.243.1～5.10～0.514.36～7.85小孔、型腔叶型套料6～100.2～0.5610.2～15.31.02～1.5311.42～17.34电解加工机床主要部件：床身、滑枕头、进给系统、工作箱部件、导电装置。床身类型选择卧式单头机床，滑枕进给方式方式为水平进给，床身各基面间的形位公差控制在0.025mm～300mm内；滑枕头由滑枕体、导轨、阴极安装板组成。进给系统的分辨度0.01mm，速度分辨度0.01mm/min，调速范围0.07mm/min～15mm/min，采用电液伺服控制进给系统方案；导电装置根据性能和经济情况选择黄铜，其导电元件的截面积为40A/cm2。电解液系统各部件：主泵选择单级离心泵；电解液槽选择池式；热交换器选择板式；净化方式选择孔隙过滤。工艺参数相对密度1.10～1.20，电解液温度40℃～45℃，工作电压17V，工作压力1.5MPa，进给速度8.5mm/min，加工电流3600A。电解加工电源要求：电源的额定电流应能按所要求的速度加工机床所设计的最大加工面积的工件；电源的额定电压一般在8V～24V范围内可连续调节；耐蚀性好；故选择MOSFET斩波脉冲电源。5.2电解加工精度 电解加工工艺的特点决定了其加工精度包括复制精度和重复精度两个方面。复制精度是指加工所得的工件形状和尺寸与工具阴极的形状和尺寸之间一致性；重复精度是被加工的一批零件之间形状和尺寸一致性[18]。误差由复制误差、遗传误差和重复误差组成。提高电解精度的根本途径就是要改善电解加工见习的物理特性、化学特性，即提高其阳极溶解的集中蚀除能力，降低其散蚀能力，同时改善间隙内电场、流场、电化学参数的均匀性和稳定性，从而缩小加工间隙如表5.3所示。表5.3提高电解加工精度的措施因素措施工件1.毛坯余量均匀化；2.正确进行热处理，使组织均匀，晶粒细化，消除残余内应力，加工面除锈除油（可喷砂处理）；3.正确选定基准及导电面工具阴极1.正确设计流场，合理布局流道，保持流场均匀；2.正确设计型面，确保电极型面或抛光刃边的制造精度及粗糙度；3.绝缘可靠，密封良好；4.对深度/截面比较大的型腔或形状较复杂的型腔，尽量采用反流式流场夹具1.提高定位精度和稳定性2.采用耐蚀性好，刚性强的材料、结构；3.正确设计流道并确保密封良好；4.正确设计导电系统，确保不过热电解液1.选用合理的钝性电解液或复合电解液；2.合理选定浓度，必要时采用低浓度；3.必要时采用混气电解加工加工参数1.尽量缩小加工间隙，并使初始间隙与平衡间隙尽量接近；2.适当降低电压；3.适当提高进给速度；4.适当加背压；5.控制恒温5.3电解加工工装5.3.1工装夹具在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的相互位置精度等技术要求，加工前必须将工件装好（定位）、夹牢（夹紧）。夹具是加工时用来迅速紧固工件，使机床、刀具、工件保持正确相对位置的工艺装置。工装夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。根据加工对象的供液方式和进给方式进行工装设计，得到工装夹具。其定位是使工件在机床或夹具中占有正确位置的过程；夹紧则是工件定位后将其固定，使其在加工过程中不致因切削力、重力和惯性力的作用而偏离正确的位置保持定位位置不变的操作。由此设计出电解加工工件的夹具体如图5.1所示。图5.1夹具体5.3.2螺栓连接根据工装夹具选择螺纹连接的类型为螺栓连接。常见螺栓连接如图5.2所示。在连接件上开有通孔，插入螺栓后在螺栓的另一端拧上螺母。孔与螺栓杆采用基孔制过渡配合H7/m6。图5.2螺栓连接螺栓拧紧后螺纹连接件再预紧力的作用下产生的预紧应力不得超过其材料的屈服极限的80%。对于一般连接的钢制的螺栓连接的预紧力，按下列关系确定：m=mkN=18.74kN式中：—螺栓材料的屈服极限；—螺栓危险截面的面积。预紧力的具体数值可根据载荷性质、连接刚度等具体工作条件确定。装配时预紧力大小是通过拧紧力矩之间的关系控制的。5.3.2螺栓组结构设计如图5.3所示为夹具体2，已知载荷N，底板长mm，宽mm。采用如所示的结构分布，螺栓数，对称分布。对螺栓进行受力分析。图5.3夹具体2a.倾覆力矩N·cmN·cm在倾覆力矩作用下，所受载荷为NN在作用下，底板连接和面可能产生滑移，摩擦系数，并取，则，取防滑系数，根据底板接合面不滑移的条件NNN每个螺栓受到的总拉力NNb.确定螺栓直径选择材料为Q235，性能等级4.6的螺栓，材料屈服极限MPa，安全系数，故螺栓的许用应力MPa。螺栓危险截面直径（螺纹小径）为mmmm根据计算选用螺纹公称直径mm（螺纹小径mm>5.18mm）。c.校核螺栓组连接接合面的工作能力连接接合面下端的挤压力不超过许用应力，以防止接合面压碎。MPaMPa连接接合面上端保持一定残余预紧力，以防止产生间隙，MPaMPa根据计算可得连接和面不致压碎和产生间隙。对于M8粗牙普通螺纹的钢制螺栓。螺纹升角=；螺旋副的当量摩擦角；螺母和支承面间的摩擦系数。在拧紧力矩（）的作用下，螺栓和被连接件之间产生预紧力为。由机械原理可知，拧紧力矩等于螺旋副间的摩擦阻力距和螺母环形端面与被连接件支撑面见的摩擦阻力距之和，即N·mN·mN·mN·mN·m由于螺纹升角小于螺旋副的当量摩擦角，满足连接螺纹的自锁条件（<）。确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型、长度、精度以及相应的螺母、垫圈等结构尺寸设计，可根据底板厚度、螺栓的立柱上的固定方法及防松装置等全面考虑定出，最终设计计算装配时夹具体、法兰盘等所需即可。通过以上分析，对加工对象进行工装设计。由工装设计图可知电解加工所需装置管接头、主轴箱、联轴器、炮管、拉杆、阴极、夹具体1、夹具体2、夹具体3、法兰盘、尼龙密封圈、螺栓、小垫圈、密封垫圈、导电板、绝缘板、工作台等。如图5.4、图5.5所示。图5.4某火炮型号膛线电解加工工装主视图图5.5某火炮型号膛线电解加工工装俯视图6结论当今是高新技术发展的时代，新工艺的出现往往伴随着新的需求，而高新科技的发展能更好的为新工艺的实现提供了技术基础和技术条件。电解加工是特种加工中一个重要的分支，它独特于其他加工技术，其优点搞笑、高表面质量、无损耗等。高新技术的发展对特种加工展示了更多的应用领域。通过对某型号火炮膛线电解加工工装设计的研究，跟深刻的体会到高新科技技术的发展，在军工新型号的研制，以及对模具日益增长的需求，导致新材料、新结构的不断出现，以及对产品的精度、表面质量的要求更高。对本课题的进行设计计算，并与同学们进行经验交流和自学，并通过网络和学习设计辅助软件等方式，从而认识到学到了不少知识也经历了可以加深对所学基础理论、基本技能的理解与运用，并逐步系统化；可培养独立工作、解决问题的能力，从而达到培养独立获取新知识的能力；通过文献检索等基本技能的训练，掌握撰写技术报告的能力；通过设计过程的训练，培养刻苦钻研的科学态度及团队协作能力，为以后工作时的产品开发、技术改进打下坚实基础，在将来的实际生产中更好的发挥自己的所学。毕业设计（论文）知识产权声明参考文献[1]刘晋春,白基成,郭永丰.特种加工（第5版）[M].北京:机械工业出版社,2008.[2]王建业,徐家文.电解加工原理及应用[M