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1 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 開(kāi)題報(bào)告 題目 油箱蓋熱鍛模電解加工工裝設(shè)計(jì) 系 別 機(jī)電信息系 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 班 級(jí) B090203 姓 名 吳華龍 學(xué) 號(hào) B09020327 導(dǎo) 師 賈建利 2012 年 12 月 24 日 2 1 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 綜述 題目背景 研究意義及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況 1 1 題目背景 采用電解加工實(shí)現(xiàn)模具加工具有表面質(zhì)量好 使用壽命長(zhǎng) 脫模好 成本低的 優(yōu)點(diǎn) 通過(guò)本課題的設(shè)計(jì) 達(dá)到 1 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)課 技術(shù)基礎(chǔ) 和專(zhuān)業(yè)課的知識(shí) 分析解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力 2 鞏固加深擴(kuò)大基本理論和技 能 3 受高級(jí)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)撰寫(xiě) 4 創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神 基于電解過(guò)程中的陽(yáng)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(chēng)為電解加工 1 2 研究意義 電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理將工件加工成形的 種特種加工方法 加工時(shí) 工件接直流電源的正極 工具接負(fù)極 兩極之間保持較 小的間隙 電解液從極間間隙中流過(guò) 使兩極之間形成導(dǎo)電通路 并在電源電壓下 產(chǎn)生電流 從而形成電化學(xué)陽(yáng)極溶解 隨著工具相對(duì)工件不斷進(jìn)給 工件金屬不斷 被電解 電解產(chǎn)物不斷被電解液走 最終兩極間各處的間隙趨于一致 工件表面形 成與工具工作面基本相似的形狀 電解加工對(duì)于難加工材料 形狀復(fù)雜或薄壁零件 的加工具有顯著優(yōu)勢(shì) 目前 電解加工已獲得廣泛應(yīng)用 如炮管膛線 葉片 整體 葉輪 模具 異型孔及異型零件 倒角和去毛刺等加工 并且在許多零件的加工中 電解加工工藝已占有重要甚至不可替代的地位 1 3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況 電解加工以其加工速度快 表面質(zhì)量好 凡金屬都能加工而且不怕材料硬 韌 無(wú)宏觀機(jī)械切削力 工具陰極無(wú)損耗 可用同一個(gè)成形陰極作單方向送進(jìn)而成批加 工復(fù)雜型腔 型面 型孔等優(yōu)點(diǎn) 在20 世紀(jì)60 年代初 首先在炮管膛線和航空發(fā) 動(dòng)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(zhǎng)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 但是 在70 年代以后 隨著國(guó)際市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)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 總體看應(yīng)用范圍有所減小 但應(yīng)用要求卻越來(lái)越高 在經(jīng)歷大約20年的低潮后 從20世紀(jì)90年代后期起 電解加工又重新煥發(fā)了生 機(jī) 其研究機(jī)構(gòu)及人員逐漸壯大 應(yīng)用領(lǐng)域 尤其在航天 航空 軍工領(lǐng)域 有所擴(kuò)展 研究成果及論著數(shù)量激增 工藝技術(shù)水平及設(shè)備性能均達(dá)到了一個(gè)新的高度 9 1工藝技術(shù)研究 目前 電解加工工藝技術(shù)研究涉及的方向較多 但主要集中在微秒級(jí)脈沖電流加 工 微精加工 數(shù)控展成加工 陰極設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)對(duì)電解加工的影響等五大領(lǐng)域 下 面分別加以詳述 1 3 1微秒級(jí)脈沖電流加工 自20世紀(jì)70年代初起 前蘇聯(lián) 美國(guó) 日本 法國(guó) 波蘭 瑞士 西德等相繼 開(kāi)始了對(duì)脈沖電流電解加工的研究 在國(guó)內(nèi) 多家單位相繼開(kāi)展了毫秒級(jí)脈沖電 流電解加工的研究并成功用于工業(yè)生產(chǎn) 隨著近代功率電子技術(shù)的發(fā)展 新型快速 功率電子開(kāi)關(guān)元件如MOSFET IGBT等出現(xiàn) 使得有可能實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)脈沖電流電解 加工 20世紀(jì)90年代以來(lái) 微秒級(jí)脈沖電流電解加工基礎(chǔ)工藝研究取得突破性進(jìn)展 研究表明 此項(xiàng)新技術(shù)可以提高集中蝕除能力 并可實(shí)現(xiàn)0 05mm以下的微小間隙加 工 從而可以較大幅度地提高加工精度和表面質(zhì)量 型腔最高重復(fù)精度可達(dá) 0 05mm 最低表面粗糙度可達(dá)Ra0 40 有望將電解加工提高到精密 加工的水平 而且可促進(jìn)加工過(guò)程穩(wěn)定并簡(jiǎn)化工藝 有利于電解加工的擴(kuò)大應(yīng)用 國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)利用微秒級(jí)脈沖電流開(kāi)展了模具型腔及葉片型面加工 型 腔拋光 電解刻字 電解磨等工藝可行性試驗(yàn)以及氣門(mén)模具生產(chǎn)加工試驗(yàn) 1 3 研 究成果進(jìn)一步從工藝角度證實(shí)了上述結(jié)論 1 3 2微精加工 從原理上而言 電化學(xué)加工技術(shù)可分為兩類(lèi) 一類(lèi)是基于陽(yáng)極溶解原理的減材 技術(shù) 如電解加工 電解拋光等 另一類(lèi)是基于陰極沉積原理的增材技術(shù) 如電鍍 電鑄 刷鍍等 這兩類(lèi)技術(shù)有一個(gè)共同點(diǎn) 即材料的去除或增加過(guò)程都是以離子的 形式進(jìn)行的 由于金屬離子的尺寸非常微小 10 1nm 級(jí) 因此 相對(duì)于其它 微團(tuán) 去除材料方式 如微細(xì)電火花 微細(xì)機(jī)械磨削 這種以 離子 方式去除材料的微去 除方式使得電化學(xué)加工技術(shù)在微細(xì)制造領(lǐng)域 以至于納米制造領(lǐng)域存在著極大的研 究探索空間 從理論上講 只要精細(xì)地控制電流密度和電化學(xué)發(fā)生區(qū)域 就能實(shí)現(xiàn) 電化學(xué)微細(xì)溶解或電化學(xué)微細(xì)沉積 微細(xì)電鑄技術(shù)是電化學(xué)微細(xì)沉積的典型實(shí)例 它已經(jīng)在微細(xì)制造領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用 微細(xì)電鑄是LIGA技術(shù)一個(gè)重要的 不可替代 的組成部分 已經(jīng)涉足納米尺寸的微細(xì)制造中 激光防偽商標(biāo)模版和表面粗糙度樣 塊是電鑄的典型應(yīng)用 但電化學(xué)溶解 成型 加工的雜散腐蝕及間隙中電場(chǎng) 流場(chǎng)的多 變性嚴(yán)重制約了其加工精度 其加工的微細(xì)程度目前還不能與電化學(xué)沉積的微細(xì)電 鑄相比 目前電化學(xué)微精成型加工還處于研究和試驗(yàn)階段 其應(yīng)用還局限于一些特 殊的場(chǎng)合 如電子工業(yè)中微小零件的電化學(xué)蝕刻加工 美國(guó)IBM 公司 微米級(jí)淺槽加 工 荷蘭飛利浦公司 微型軸電解拋光 日本東京大學(xué) 已取得了很好的加工效果 精 度已可達(dá)微米級(jí) 微細(xì)直寫(xiě)加工 微細(xì)群縫加工及微孔電液束加工 以及電解與超 聲 電火花 機(jī)械等方式結(jié)合形成的復(fù)合微精工藝已顯示出良好的應(yīng)用前景 數(shù)控展成加工 傳統(tǒng)的拷貝式電解加工的陰極設(shè)計(jì)制造困難 加工精度難以保證 尤其對(duì)整體葉輪 上的扭曲葉片之類(lèi)通道狹窄的零件表面 由于受工具陰極剛性及加工送進(jìn)方式的限 制 拷貝式電解加工更難以完成其加工任務(wù) 20世紀(jì)80年代初 以簡(jiǎn)單形狀電極加 10 工復(fù)雜型面的柔性電解加工 數(shù)控展成電解加工的思想開(kāi)始形成 它以控制軟件 的編制代替復(fù)雜的成形陰極的設(shè)計(jì) 制造 以陰極相對(duì)工件的展成運(yùn)動(dòng)來(lái)加工出復(fù) 雜型面 這種加工方法工具陰極形狀簡(jiǎn)單 設(shè)計(jì)制造方便 應(yīng)用范圍廣 具有很大 的加工柔性 適用于小批量 多品種 甚至單件試制的生產(chǎn)中 80年代中期 前蘇 聯(lián)烏法航空學(xué)院特種加工工藝及設(shè)備研究所以 過(guò)程控制為突破口 設(shè)計(jì)了一種柔性電解加工單元 應(yīng)用特殊的電流脈沖波形和高 選擇性的電解液 加工精度達(dá)0 02mm 表面粗糙度達(dá)Ra0 2 0 6 m 波蘭華沙工業(yè) 大學(xué)的Kozak教授于1986年率先提出了電解銑削的思想 以棒狀旋轉(zhuǎn)陰極作類(lèi)似于圓 柱狀側(cè)銑刀的成形運(yùn)動(dòng)來(lái)形成加工表面 成功地應(yīng)用于直升機(jī)旋翼座架型面的加工 加工中采用NaNO3 電解液 精度可達(dá) 0 01 0 02mm 表面粗糙度達(dá) Ra0 16 0 63 m 波蘭Cracow 金屬切削學(xué)院的A Ruszaj和J Cekaj教授利用形似球頭 銑刀的工具陰極 進(jìn)行了型面光整加工的試驗(yàn)研究 取得了形狀誤差小于0 01mm的 加工效果 從而證明了該工藝在模具的光整加工方面具有很好的應(yīng)用價(jià)值 美國(guó) 英國(guó) 俄 羅斯都高度重視數(shù)控電解加工技術(shù)的研究并已得到應(yīng)用 在新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)及航天 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中發(fā)揮了重要作用 美國(guó)GE公司的五軸數(shù)控電解加工 美國(guó) 俄 羅斯仿形電解加工帶冠整體葉輪代表了數(shù)控電解加工整體葉輪的國(guó)際先進(jìn)水平 2 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案 研究方法或措施 2 1 研究的主要內(nèi)容 根據(jù)研究對(duì)象油箱蓋熱鍛模 設(shè)計(jì)一套加工該熱鍛模的電解加工工裝 包括 1 連桿熱鍛模電解加工陰極 2 裝夾熱鍛模加工陰極和工件的夾具裝置 3 運(yùn)用 Pro E UG 等軟件畫(huà)出油箱蓋熱鍛模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(chǎng)分布 非加工面的 保護(hù) 工件和工具 即正負(fù)極 陰陽(yáng)極 之間的絕緣等問(wèn)題 課題研究的主要內(nèi)容是通過(guò)對(duì)所給零件的分析 設(shè)計(jì)加工零件的陰極 以及裝 夾高溫合金零件電解加工的陰極和工件的夾具裝置 1 在剛開(kāi)始的時(shí)候工序的劃分以及定位基準(zhǔn)會(huì)比較難選擇 所以就在過(guò)程中腰認(rèn) 真分析零件圖 了解電解加工工裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相關(guān)的技術(shù)要求而加工工序要根據(jù) 生產(chǎn)類(lèi)型 零件的結(jié)構(gòu)來(lái)認(rèn)真分析 2 在夾具設(shè)計(jì)的時(shí)候也可能遇到問(wèn)題 比如工件的定位是否正確 定位精度是否 滿(mǎn)足要求等等 所以要調(diào)查現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外比較先進(jìn)的電解加工工裝結(jié)構(gòu) 從整體上 把握設(shè)計(jì)的方向 了解電解加工工裝的加工工藝規(guī)程及夾具的設(shè)計(jì)原理 3 通過(guò)大量的資料 研究零件的結(jié)構(gòu) 選擇合適的加工方法 及選擇合理的基準(zhǔn) 和工序安排 4 熟悉夾具的結(jié)構(gòu)選擇合理的機(jī)床及裝夾設(shè)備 確定加工余量和工序 進(jìn)行精細(xì) 1 的準(zhǔn)確的尺寸計(jì)算 和時(shí)間的估算 2 2 擬采用的研究方案 2 2 1 方案一 從導(dǎo)電方面考慮設(shè)計(jì)方案 有兩種選擇 一是將電纜線引入 用 線鼻子直接接到工件陽(yáng)極跟工件陰極 二是在工作箱外將電源線接到滑枕體及不銹 鋼工作臺(tái) 電流通過(guò)陰極安裝板及工作臺(tái)傳導(dǎo)到陰極和陽(yáng)極 前者線路損失小 且 因工作臺(tái) 夾具均不帶電 可以采用耐蝕的非金屬材料 如采用金屬材料對(duì)不帶電 的零件則加以陰極保護(hù) 防止電化學(xué)雜散腐蝕 但此方案的缺點(diǎn)是工作箱內(nèi)導(dǎo)線較 多 走線較復(fù)雜 布局欠佳 每次裝卸工件時(shí)還要拆卸線鼻子 并要防止正負(fù)極線 鼻子相碰或正極線鼻子與工作箱相碰而引起送電時(shí)短路 所以選第二種方案 2 2 2 方案二 從流場(chǎng)方面考慮設(shè)計(jì)方案 根據(jù)電解液的流動(dòng)方向 加工送進(jìn)方向 及加工間隙之間的幾何關(guān)系 可分為三種流動(dòng)形式 即側(cè)流式 正流式和反流式 可根據(jù)加工對(duì)象的幾何形狀確定流動(dòng)形式 對(duì)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(duì)于圓孔 型孔可采用正流式或反 流式 對(duì)于某些復(fù)雜的型腔或型面 可在陰極上設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐ㄒ翰?孔 采用正流 式或反流式 或者兩種流動(dòng)形式都存在的復(fù)合流動(dòng)形式進(jìn)行加工 針對(duì)我的零件采 用復(fù)合式 在流場(chǎng)設(shè)計(jì)方面還應(yīng)該考慮電解液流速和進(jìn)口壓力 確定電解液流速的 原則 1 選則適當(dāng)高的流速 能從加工間隙中帶走電解產(chǎn)物 且使電解液流動(dòng)處 于紊流狀態(tài) 這樣有利于均勻流場(chǎng)并消除濃差極限 2 選擇適當(dāng)高的流速以控制 溫升 電解液壓力的確定 是指加工間隙進(jìn)口處的壓力和電解液輸出泵的出口 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 1pa 2 2 3 方案三 從陰極設(shè)計(jì)方面提出設(shè)計(jì)方案 對(duì)其陰極型管的直線度有嚴(yán)格要求 端面倒角 10 在側(cè)面間隙 約 0 15 0 22mm 減去陰極單面涂層厚度約 0 05mm 還有足夠的間隙空間允許電解液順暢通過(guò) 端面制成加工凸緣根據(jù)加工孔徑的大小 和精度要求 確定凸緣外徑和加工刃帶的寬度 3 本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn) 前期已開(kāi)展工作 電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理對(duì)工件進(jìn)行成形加 工的特種加工 又稱(chēng)電化學(xué)加工 電解加工的重點(diǎn)是針對(duì)不同的加工零件設(shè)計(jì)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(diǎn)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)圖紙給定的工件形狀和 加工間隙的分布規(guī)律來(lái)設(shè)計(jì) 加工間隙分布的不均勻?qū)е玛帢O設(shè)計(jì)非常困難 工作定位 陰極設(shè)計(jì) 流程設(shè)計(jì) 導(dǎo)電 Cad 二維圖 圖 3 1 proe 三維圖 圖 3 2 1 圖 3 1 油箱蓋熱鍛模 cad 二維圖 1 圖 3 2 油箱蓋熱鍛模 proe 三維圖 4 完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃 按周次填寫(xiě) 1 2 周 熟悉課題 完成關(guān)于電解加工的 2000 字文獻(xiàn)綜述 翻譯外文資料 3 周 確定油箱蓋熱鍛模設(shè)計(jì)及其電解加工工裝方案 繪制其結(jié)構(gòu)草圖 準(zhǔn)備開(kāi)題答 辯 4 6 周 進(jìn)行油箱蓋熱鍛模設(shè)計(jì)及其電解加工陰極設(shè)計(jì)計(jì)算 7 9 周 進(jìn)行油箱蓋熱鍛模電解加工工裝設(shè)計(jì) 包括導(dǎo)電 供液方式和流場(chǎng)設(shè)計(jì) 準(zhǔn)備中期答辯 10 15 周 完善整個(gè)電解加工工裝設(shè)計(jì) 完成裝配圖 包括三維裝配圖 及零件圖 的繪制等工作 16 18 周 對(duì)所有圖紙進(jìn)行校核 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 所有資料提請(qǐng)指導(dǎo)教師檢查 準(zhǔn)備畢業(yè)答辯 1 參考文獻(xiàn) 1 沈健 張海巖 鍛模電解加工工具電極的反拷和修正方法 J 電加工與模具 2001 年 04 期 2 張春 李毅 模具型腔的數(shù)控銑削法電解加工 J 電加工與模具 2004 年 04 期 3 沈健 熱鍛模電解加工工具電極的反拷和修正 J 模具工業(yè) 2005 年 11 期 4 朱樹(shù)敏 陳淑芬 張海巖 低濃度復(fù)合電解液的性能及應(yīng)用 J 電加工 1985 年 06 期 5 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lectrochem icalM ach ining w ith Passiva ting Electroly te J IMECM ASME MED 1999 10 589 596 20 R R com pany UK F in ishes b lades in one opera tion J M ach ine ry and Produc tion Eng ineering 1985 7 44 48 21 D B Ender Implementation of Deadband Reset Scheduling for the E lmi 1 注 1 正文 宋體小四號(hào)字 行距 22 磅 2 開(kāi)題報(bào)告由各系集中歸檔保存 ination of Stick slip Cycling in Contro l Valves J Journa lA 1997 38 1 11 5 指導(dǎo)教師意見(jiàn) 對(duì)課題的深度 廣度及工作量的意見(jiàn) 指導(dǎo)教師 年 月 日 6 所在系審查意見(jiàn) 系主管領(lǐng)導(dǎo) 年 月 日 1