直纹型面叶片电解加工计算机辅助工艺系统设计.doc
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1、 第一章 绪 论 电解加工的基础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。1.1 电解加工过程的电化学特性1.1.1电解 电解是电化学基础理论中的一个基本概念。所谓电解,是指在一定外加电压下、将直流电流通过电解池、在两极分别发生的氧化反应和还原反应的电化学过程。 电解池由两个金属导体分别插入电解质溶液构成。以电解铁为例,其电解池构成及电解过程的示意见图11。图11 电解池和电解过程示意图1.1.2电解加工 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
2、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12。加工时工件(阳极)接直流电源的正极,工具(阴极)接电源的负极,工具向工件缓慢进给(0.22.0mm/min),使两极之间保持有较小的间隙(0.11mm),具有一定压力(0.52.0MPa)的电解液从间隙中流过,这时阳极工件的金属逐渐被电解腐蚀。图12 电解加工系统图电解产物逐渐被高速(530m/s)流动的电解液冲走。电解加工成形原理如图13所示。加工开始时各处间隙不同(图13.a),这样在间隙小处电场较集中,加工电流密度较大,材料去除较快,间隙大处电场较发散,加工电流密度较小,材料去除较慢,随着加工过程的进行,间隙的差距不断缩小(
3、图13.b),当加工至一定深度后,各点间隙趋于平衡,如图13.c所示,阴极与工件的形状基本相似。 a 成型开始 b 成型过程 c 成型结束图13 成型过程示意图1.2 电解加工的特点和应用1.2.1电解加工和其他加工方法比较,具有的优点:1电解加工由于一次成型,生产率较高,约为电火花加工的510倍,在某些情况下比切削加工的生产率还高,且加工生产率随加工电流密度和总加工面积的增大而增大,一般能达到100/min,最高10000/min。2当被加工材料的金相组织均匀致密,电解液选配得当,在小间隙下以高的电流密度进行加工时,能获得较高的表面质量和较低的表面粗糙度,一般能达到Ra 0.8mm ,最低可
4、达Ra 0.1mm。3加工范围广,不受金属材料本身硬度和强度的限制,可以加工硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度及韧性金属材料,并可加工叶片、锻模等各种复杂型面。4 由于加工过程中不存在机械切削力,所以不会产生由切削力引起的残余应力和变形,没有飞边毛刺。5 从加工原理上讲,工具阴极无损耗,这对批量生产保证加工精度、降低成本具有重要意义。1.2.2电解加工的主要缺点及局限性主要表现在以下几个方面:1不易达到较高的加工精度和加工稳定性。电解加工精度主要依靠阴极和工件之间的间隙来间接控制,而影响电解加工间隙的电场和流场因素很多,控制比较困难,并且加工时还存在杂散腐蚀现象,从而使得电解加
5、工精度的提高及保持成为扩大其应用的主要障碍。2阴极的设计、制造、修整比较麻烦,因而很难适用于单件生产。3设备投资大。由于电解加工的附属设备较多,占地面积较大,电解加工设备要求有良好的刚性、抗腐蚀性和密封性,所以造价较高。4需防止污染。电解产物中可能含有有害成分(如Cr6+),若不从电解液中分离出来,随便排入下水道,将会对环境造成污染,因此必须解决废液、废渣、废气处理问题。 综上所述,电解加工对于难加工材料零件以及复杂形状零件的批量生产来说,是一种高效、经济的加工方法,可获得较好的综合效果。因此,只要合理选择加工对象,充分发挥其加工优势,就可取得良好的技术经济综合效益。由于电解加工的这些优点,目
6、前在国内外已成功地应用于枪炮、航空发动机、火箭等制造业中,在汽车、拖拉机、采矿机械的模具制造中也得到应用,成为机械制造业中具有特殊作用的工艺方法。1.3电解加工新技术1.3.1脉冲电流电解加工采用脉冲电解加工是近年来发展起来的新方法,可以明显地提高加工精度,在生产中已实际应用并日益得到推广。采用脉冲电流电解加工能够提高加工精度的原因是:1 消除加工间隙内电解液电导率的不均匀化。2 脉冲电流电解加工使阴极在电化学反应中析出的氢气是断续的,呈脉冲状。它可以对电解液起搅拌作用,有利于电解产物的去除,提高电解加工精度。1.3.2混气电解加工混气电解加工就是将一定压力的气体(主要是压缩空气)用混气装置使
7、它与电解液混合在一起,使电解液成分为包含无数气泡的气液混合物,然后送入加工区进行电解加工。如图14所示,电解液混入气体后,主要起两个作用:(1)减小了电解液的电导率,使电解液向非线性方面转化,减少杂散腐蚀,且由于气泡的存在,当间隙增加到一定程度时,就可能截止电解作用,即存在切断间隙,加工孔时的切断间隙约为0.851.3mm。(2)降低电解液的密度和粘度,增加流速,均匀流场,减少短路的可能,更有利于采用小间隙加工来提高加工精度。图14 混气电解加工示意图1.3.3数控展成电解加工人们从数控铣床那里得到启发,利用数据技术实现必要的展成运动,就可用简单形状的工具电极电解加工型腔、型面。如图15所示,
8、工具电极可以做成简单的棒状、球状、条状,电解加工时,电极参与电解加工的部分可以是点、直线或曲线。电解加工与数控技术的结合,为解决数控铣削难加工或不能加工的难题提供了一条新的优质、高效、快速、低成本的加工技术途径,数控电解加工是电解加工发展的一个重要方向。 电解液阴极工件 图15 数控展成电解加工系统 第二章 数控展成电解加工数控展成电解加工是一种将电解加工技术与数控技术结合起来的新型加工方法,其主要目的是加工在航空、航天领域中广泛应用的叶轮类整体结构件。其中相当一部分整体叶轮的叶片型面可以用直纹面来拟合,故可以采用展成电解的方法用直线刃边的阴极加工成形,其生产效率高,表面质量好。21 整体叶轮
9、整体叶轮的加工方式主要有精密铸造、机械加工、电火花加工、电解加工等。精密铸造整体叶轮的主要优点是生产率高、精度可满足要求、并能提高材料的利用率,从而可节约大量的贵重金属材料;特别是随着人们对金属凝固理论研究的深入,使得铸造合金的组织及其性能大大改善。但这种方法生产过程复杂,技术难度大,废品率高,且只适于可铸合金。机械加工整体叶轮主要采用多坐标数控铣削进行,可加工出复杂型面,能得到较高的表面质量并具有较高的材料去除率。然而由于大多数整体叶轮的叶片型面复杂且薄,加工易变形,刀具磨损大以及受材料限制等因素的存在,使得数控铣削加工整体叶轮的应用受到了限制。电火花加工整体叶轮能获得较高的精度,但加工效率
10、较低,并存在电极损耗。电解套料加工的生产率高,表面质量好,且加工过程稳定,但这种方法只适于等截面叶片整体叶轮的加工。数控展成电解加工可适于各种难切削金属材料整体叶轮加工,柔性好,容易保证数控加工精度。图21 整体叶轮零件图22 加工方式整体叶轮的叶片型面为三维空间曲面,加工方式按照阴极的形状分为两类,1) 外喷式阴极;2) 内喷式阴极,其中外喷式阴极主要适用于对已有的型面进行精加工,加工中阴极可绕自身轴旋转,也可不旋转,外喷式加工要求有电解液喷嘴系统。内喷式阴极常用于在实体毛坯上开槽,如成型沟槽加工(如图22)。这两类电极的刃边均为直线,其原因是在满足公差要求的前提下,叶片上由型值点坐标给出的
11、型面有相当一部分可以用直纹面来近似,这类零件的加工可以采用直线刃边阴极数控展成电解加工方法。对于不能用直纹面来拟合的叶轮加工,不在本课题研究范围。图22 直线刃阴极的加工示意图23 加工运动如上所述,本文研究的对象是面向型面为直纹面的整体叶轮数控展成电解加工。直纹面是一簇连续变动的直线所构成的曲面。这些直线称为直纹面的母线,按照母线展成运动形式的不同,又分为平行直纹面和非平行直纹面两种,平行直纹面是一簇平行于同一个平面的直母线构成的曲面,非平行直纹面是一簇不全平行于同一个平面的直母线构成的曲面。按照整体叶轮型面的特点,对于可以用平行直纹面来拟合的型面加工,展成运动需四轴联动,即X、Y、Z三个方
12、向的平动加上XOY平面内的转动CW(或CT)。对于只能用非平行直纹面来拟合的型面的加工展成运动需要五轴联动,即X、Y、Z三个方向的平动加上XOY、YOZ平面内的转动CW(或CT)及A,如图23所示。这里应注意两点:1如为外喷式阴极加工,在以上展成运动的基础上,阴极还需要一个绕自身轴的转动;2本文讨论的对象为平行直纹面的加工。图23 展成电解加工运动24 成形运动分配方案为了直观地显示机床的运动分布,特准备了机床示意图(图24),其具有X、Y、Z方向的直线移动,工作台旋转轴CW和阴极摆轴CT。本课题研究的是四轴联动,即X、Y、Z、CW或X、Y、Z、CT。而在这两种方法中,我们选择前者。图24 数
13、控展成电解加工机床示意图其中 :1 :Z向滑台 2 :阴极刀杆 3 :Y向滑台 4 :工作台 5 :X向滑台采用工作台旋转(X、Y、Z、CW)有许多突出的优点:1. 加工精度容易保证,阴极的长度、刃形对加工进给量没有影响,因此在编制程序时不会由于阴极制造尺寸与编程中设置的参数不符而引起的加工轨迹偏差;2. 加工过程中一旦发生故障需要阴极退出工件进行处理时,阴极均保持在与Y轴平行的位置,它可在任意时刻沿Y向退出工件;3. X、Y轴进给量X、Y 比较小,速度较快,这明显扩大了机床的加工尺寸范围,从而避免展成进给运动产生的误差和振动、电解液流畅的变化引起的加工型面的尺寸误差; 4. 在编程调试中可通
14、过改变X向进给量来进行相应补偿。所以,考虑用X、Y、Z、CW来构成叶间通道加工、叶片型面加工的展成运动,每加工好一个叶间通道返回原点,再由工件(叶轮)的旋转(CW)来实现叶轮分度,逐而实现整体叶轮叶片的加工。第三章 阴极设计 研究数控展成电解加工,主要是为了解决各类新型发动机中的整体叶轮扭曲叶片型面的加工难题。展成电解加工使用的电极一般有外喷式、内喷式两种。外喷式图31 外喷式加工 图32 内喷式加工电极一般如棒状,绕自身轴旋转,常用于对已加工型面进行精加工,如图3-1,叶间通道加工,集中地反映了双加工刃、内喷射式阴极展成电解加工的工艺特点。内喷式电极大都用于在实体上开槽,如整体叶轮的通道加工
15、,如图3- 2,本文讨论内喷式电极设计方法31 阴极结构尺寸设计整体叶轮的叶间通道加工阴极可采用薄锥形焊接结构或组合式结构,如图3 - 3所示,阴极底板和侧壁焊接为一体,修磨成小圆角过渡,根据实际的加工经验,出液槽设计为“S”型较为合理,如图 34左图所示, 这样电解液流场均图33 焊接式阴极结构匀稳定,不会因缺液区而产生短路。尺寸设计中,顶部刃边宽度A,底板的锥形角,实际加工长度L是几个重要的参数,阴极刃顶部加工出叶片的根柱面,底板的锥形角应与叶片叶间斜角相对应,尺寸L对应加工叶片的长度。图34 两种出液槽的比较如图35沿Y轴按截面1n给出曲面型值点数据,每个截面给出m个坐标点,即给出同一叶
16、片上叶盆面、叶背面的坐标值。叶盆面及叶背面在各Z截面内的坐标值均是在图35中XOYZ坐标系中给出的,由于在各Z截面内叶轮槽间形状一般是不相同的,即不是等截面的,因此一次进给加工中,无法同时保证叶盆面及叶背面的尺寸,一般的加工方式要么是以叶盆面(或叶背面)为依据,计算成形运动轨迹,再兼顾叶背面(或叶盆面)的加工余量原则来设计阴极,要么是以叶间通道的中心面来计算成形运动轨迹,保证各截面尺寸不超差来设计阴极。这就需要对原始数据进行调整,形成以Z截面的形式给出的叶盆面及相邻叶片叶背面数据表,以便后续的数据处理。表31给出的叶盆面坐标值不需变化,叶背面坐标值要通过一旋转变换得到另一相邻叶片叶背的坐标值,
17、可用下式计算,角为相邻叶片夹角。, 式中为相邻叶片周向夹角。处理后的数据表格式为表31所示。完成了数据的格式转化后,后面的处理就是以各Z截面内的数据为依据展开的。 Z1 Z2 . Zm (Xp1,1,Y1,Z1 )(Xb1,1,Yb1,1,Z1)(Xp1,2,Y1,Z2 )(Xb1,2,Yb1,2,Z2) .(Xp1,m,Y1,Zm )(Xb1,m,Yb1,m,Zm)(Xp2,1,Y2,Z1 )(Xb2,1,Yb2,1,Z1)(Xp2,2,Y2,Z2 )(Xb2,2,Yb2,2,Z2) .(Xp2,m,Y2,Zm )(Xb2,m,Yb2,m,Zm) . . . (Xpn,1,Yn,Z1 )(X
18、bn,1,Ybn,1,Z1)(Xpn,2,Yn,Z2 )(Xbn,2,Ybn,2,Z2) .(Xpn,m,Yn,Z )(Xbn,m,Ybn,m,Zm) 表 31 调整后的数据表图35 整体结构叶轮零件图由前述,在满足一定精度要求的情况下,整体叶轮叶片型面大多可用直纹曲面来进行拟合,采用直线刃边的工具阴极来加工,这种线展成加工方式较点加工方式有效率高、质量好的优点。在曲面拟合之前,需对各Z截面内给定的离散数据点进行直线拟合,得到一条条平行于XOY平面的直线段。设在ZZi截面内有n个点(X1,Y1,Zi)、(X2,Y2,Zi).(Xn,Yn,Zi) ,采用最小二乘法,用一条直线y=f(x)=ax+
19、b 来拟合这n个点。在每一个数据点Xi处,函数值f(Xi)与原数据值Yi之间具有一定的偏差,即:=f(Xi)-Yi , i=1,2,n=(aX1+b-Y1)2+(aX2+b-Y2)2+(aXn+b-Yn)2令F(a,b)= ,要保证F(a,b)取最小值,要满足条件: (31) 由此可得: i=1,2,n (32) 即求出拟合直线: y=ax+b 各型值点因直线拟合而造成的误差: i=1,2,n (33)这在后面的误差分析计算中要用到。将各ZZi(i=1,2,m)截面内的n个型值点均用直线进行拟合,可得到 m条直线,求出各直线与Y1、Yn两个边界面的交点,则可得到个交点,这样就将原来的个点转化为
20、 个点来研究。如图3-6所示。图 36 直线拟合 直线拟合后,在各截面可进行阴极截形计算,取最小值,综合叶轮叶间通道的形状可设计阴极本体。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,即加工送进运动。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着重要作用。流动形式是指电解液流入、流经及流出加工间隙的流通路径、流动方向的几何结构。根据电解液的流动方向、加工送进方向及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。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
21、动方式。采用X、Y、Z轴直线进给,工作台旋转轴Cw旋转实现四轴联动的加工方案,要实现稳定、合理的流场,主要从阴极设计上考虑。图3 - 7则为整体涡轮装夹在工作台上以及加工阴极处于对应位置的示意图。图37 整体涡轮装夹在工作台上的示意图利用阴极底板刃边展成进给运动所形成的包络面,再考虑各个截面的加工间隙就可得到对应的加工型面。由于整体涡轮在各个Z截面处的形状一般完全不相同,而且由于电场和流场的变化,各处的加工间隙也随之变化,因而在设计阴极时要综合考虑多种因素,并留出一定的加工余量,满足加工时各方面的要求。根据上述设计原则,阴极底板形状就是依照各个不同Z截面处的叶盆型线、叶背型线,再按照预留的后续
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- 直纹型面 叶片 电解 加工 计算机辅助 工艺 系统 设计
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