毕业论文定稿-航空锻件【变速叉】的热锻模及其电解加工工装设计

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763XX 学院毕 业 设 计 (论 文 )航空锻件【变速叉】的热锻模及其电解加工工装设计系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 年 月 日摘 要电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法。加工时，工件接直流电源的正极，工具接负极，两极之间保持较小的间隙。电解液从极间间隙中流过，使两极之间形成导电通路，并在电源电压下产生电流，从而形成电化学阳极溶解。随着工具相对工件不断进给，工件金属不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，最终两极间各处的间隙趋于一致，工件表面形成与工具工作面基本相似的形状。根据研究对象航空锻件【变速叉】热锻模，设计一套加工该热锻模的电解加工工装，包括：（1）航空锻件【变速叉 】热锻模电解加工阴极；（2）装夹热锻模加工阴极和工件的夹具装置；（3）运用 Pro/E、UG 等软件画出航空锻件【变速叉】热锻模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。关键词：电解加工，航空锻件【变速叉】锻模，工装设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763AbstractElectrochemical machining is based on the principle of electrochemical anodic dissolution occurs in the electrolyte will be a special processing method for workpiece machining. Processing, workpiece is connected to the positive DC power supply, tool is connected with the negative pole, keep a small gap between the poles. The electrolyte flow from the inter electrode gap, so that the formation of a conductive path between the poles, and generates a current in the power supply voltage, thereby forming an electrochemical anodic dissolution. With continuous feed of the tool relative to the workpiece, the workpiece metal continuous electrolysis, electrolysis products have been washed away the gap between the two poles of electrolyte, ultimately all converge, forming the basic similarity and tool face shape workpiece surface.According to the research object coupling ring of hot forging die shift fork, electrolytic processing to design a set of processing the shift fork hot forging die, including: ( 1 ) connecting the ECM cathode ring shift fork hot forging die; ( 2 ) fixture clamping device of hot forging die machining cathode and workpiece; ( 3 ) the use of Pro/E, UG and other software to draw a connection ring of shift fork hot forging die electrochemical machining tooling 3D assembly drawing. Electrolytic processing apparatus should not only ensure the workpiece clamping and positioning, but also should consider conducting, fluid, flow field distribution, not processing surface protection, workpiece and tool (i.e., positive and negative, yin and Yang ) insulation problem between.Key Words: Electrochemical machining, shift fork forging die, fixture designIV目 录摘 要 IIAbstract.III目 录 IV第 1 章 绪论.61.1 电解加工原理 .61.2 国内外研究现状 .71.2.1 微秒级脉冲电流加工 81.2.2 微精加工 81.2.3 数控展成加工 .91.3 课题研究内容 11第 2 章 电解加工理论分析.122.1 加工影响分析 .122.2 电极对流场的影响分析 14第 3 章 航空锻件【变速叉】热锻模设计及其电解加工阴极设计计算.163.1 阴极材料的选择 173.2 阴极的尺寸设计 17第 4 章 航空锻件【变速叉】热锻模电解加工工装设计.184.1 航空锻件【变速叉】热锻模夹具定位设计 184.2 航空锻件【变速叉】热锻模夹具装夹设计 194.3 水套设计 214.4 底座设计 214.5 航空锻件【变速叉】热锻模导电方式 214.6 航空锻件【变速叉】热锻模供液方式 224.7 航空锻件【变速叉】电解流场的设计 234.7 工装总体设计图 25总 结.26参考文献.27详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763致谢.296第 1 章 绪论1.1 电解加工原理电解加工（Electrochemical Machining（ECM） ） ，是利用阳极溶解的原理并借助于成型阴极将工件按一定的形状和尺寸加工成型的一种加工工艺方法。其理论基础是 1834 年法拉第发现的金属阳极溶解基本定律，即法拉第定律。图 1.1 所示为电解过程示意图，图中显示金属铁电解的过程，它由电解质溶液、直流电源、连接电源正极的工件阳极、连接电源负极的工具阴极组成。当接通电源后，电解反应并未开始就发生，只有当电压升高到临界值（分解电压）后，电解过程才开始，在阴极处开始有气泡生成，在阳极处开始有电解产物出现。在阴极和阳极的电极/溶液界面上发生主要电化学反应过程为：阳极一侧：Fe=Fe2+2e(阳极溶解)Fe2+2OH-+O2=Fe(OH)2(淡绿色絮状物)4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3(红棕色絮状物)阴极一侧：2H+2e=H2（逸出氢气）如果阳极只发生阳极溶解而没有析出其它物质，则根据法拉第第一定律，阳极溶解的金属质量为:M=kQ=kIt、阳极溶解的金属体积为:V=M/=KIt/=It从电解加工的试验中可以得出，实际加工过程阳极金属的溶解量并不和理论的计算量相同，通常是理论计算量会大于实际的溶解量，极少数情况也会发生实际溶解量大于理论计算量的情况。其原因是在理论计算时，采用了“阳极只发生确定原子溶解而没有其它物质析出”这一假设，而实际加工情况是：1)实际溶解的原子价比计算用的原子价要高或低；2)除金属溶解外还有一些副反应消耗了一部分电流；3)金属有时在电解加工过程中由于材料组织不均匀或金属材料与电解液的匹配不当发详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763生剥落而不是完全由金属均匀溶解所致。为了表示这个实际和理论的差别，引入电流效率概念来表示实际溶解金属所耗用的电量和通过阳极总电量的比例关系。电流效率 定义为：=理论去除量/实际去除量影响电流效率的因素有：电流密度，电解液的种类、浓度及温度等工艺条件。其中，作为计算电解加工速度、分析电解成型规律的必要参数之一，电流密度对于电流效率的影响可以通过实验获得两者之间的关系曲线，即 -i 曲线。1.2 国内外研究现状电解加工在国外是五十年代出现的。由于它具有效率高、质量好,复杂型面可一次成型,以及不受被加工材料机械性能的限制,工具耗损小等优点,所以受到普遍重视。六十年代,在航空发动机叶片及锻模加工方面取得了比较显著的成效,主要应用于锻模型腔、深孔、小孔、长键槽等截面叶片整体叶轮以及去毛刺等,并取得了显著的技术、经济效果，因此,得到比较迅速的发展。据统计，自1960年到1975年，电解加工在难切削材料加工中所占的比例增加两倍，从1960年的15%增加到1975年的45%。八九十年代在某些领域得到了新的应用，其应用要求也越来越高。九十年代后期起，电解加工研究机构及人员逐渐壮大，应用领域（尤其在航天、航空、兵器领域）进一步扩展，研究成果及论著数量激增，工艺技术水平、设备性能及产业发展均达到了一个新的高度。进入新世纪以来，高速发展的高新技术和电解加工融合，使其面临从一般加工到精密加工的突破。目前电解加工工艺技术研究涉及的方向很多，主要集中在电解复合加工、细微加工、数控展成加工及高频脉冲电流加工等几大领域。在经历大约 20 年的低潮后，从 20 世纪 90 年代后期起，电解加工又重新焕发了生机。其研究机构及人员逐渐壮大，应用领域(尤其在航天、航空、军工领域)有所扩展，研究成果及论著数量激增，工艺技术水平及设备性能均达到了一个新的高度。目前，电解加工工艺技术研究涉及的方向较多，但主要集中在微秒级脉冲电流加工、微精加工、数控展成加工、阴极设计及磁场对电解加工的影响等五大领域。下面分别加以详述。1.2.1 微秒级脉冲电流加工自 20 世纪 70 年代初起，前苏联、美国、日本、法国、波兰、瑞士、西德等相继开始了对脉冲电流电解加工的研究。在国内，多家单位相继开展了毫秒级脉冲电8流电解加工的研究并成功用于工业生产。随着近代功率电子技术的发展，新型快速功率电子开关元件如 MOSFET、IGBT 等出现，使得有可能实现微秒级脉冲电流电解加工。20 世纪 90 年代以来，微秒级脉冲电流电解加工基础工艺研究取得突破性进展。研究表明，此项新技术可以提高集中蚀除能力，并可实现 0.05mm 以下的微小间隙加工，从而可以较大幅度地提高加工精度和表面质量，型腔最高重复精度可达 0.05mm1,2,3，最低表面粗糙度可达 Ra0.40µ1 ，有望将电解加工提高到精密加工的水平，而且可促进加工过程稳定并简化工艺，有利于电解加工的扩大应用。国内外众多研究机构利用微秒级脉冲电流开展了模具型腔及叶片型面加工、型腔抛光、电解刻字、电解磨等工艺可行性试验以及气门模具生产加工试验1，3，研究成果进一步从工艺角度证实了上述结论。1.2.2 微精加工从原理上而言，电化学加工技术可分为两类：一类是基于阳极溶解原理的减材技术，如电解加工、电解抛光等；另一类是基于阴极沉积原理的增材技术，如电镀、电铸、刷镀等。这两类技术有一个共同点，即材料的去除或增加过程都是以离子的形式进行的。由于金属离子的尺寸非常微小(10-1nm 级 )，因此，相对于其它“微团”去除材料方式( 如微细电火花、微细机械磨削)，这种以“离子”方式去除材料的微去除方式使得电化学加工技术在微细制造领域、以至于纳米制造领域存在着极大的研究探索空间。从理论上讲，只要精细地控制电流密度和电化学发生区域，就能实现电化学微细溶解或电化学微细沉积。微细电铸技术是电化学微细沉积的典型实例，它已经在微细制造领域获得重要应用。微细电铸是 LIGA 技术一个重要的、不可替代的组成部分，已经涉足纳米尺寸的微细制造中，激光防伪商标模版和表面粗糙度样块是电铸的典型应用5,6。但电化学溶解(成型) 加工的杂散腐蚀及间隙中电场、流场的多变性严重制约了其加工精度，其加工的微细程度目前还不能与电化学沉积的微细电铸相比。目前电化学微精成型加工还处于研究和试验阶段，其应用还局限于一些特殊的场合，如电子工业中微小零件的电化学蚀刻加工(美国 IBM 公司 )、微米级浅槽加工(荷兰飞利浦公司)、微型轴电解抛光(日本东京大学)已取得了很好的加工效果，精度已可达微米级5。微细直写加工、微细群缝加工及微孔电液束加工，以及电解与超声、电火花、机械等方式结合形成的复合微精工艺已显示出良好的应用景912。详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 13041397631.2.3 数控展成加工传统的拷贝式电解加工的阴极设计制造困难，加工精度难以保证。尤其对整体叶轮上的扭曲叶片之类通道狭窄的零件表面，由于受工具阴极刚性及加工送进方式的限制，拷贝式电解加工更难以完成其加工任务。20 世纪 80 年代初，以简单形状电极加工复杂型面的柔性电解加工数控展成电解加工的思想开始形成，它以控制软件的编制代替复杂的成形阴极的设计、制造，以阴极相对工件的展成运动来加工出复杂型面。这种加工方法工具阴极形状简单，设计制造方便，应用范围广，具有很大的加工柔性，适用于小批量、多品种、甚至单件试制的生产中。80 年代中期，前苏联乌法航空学院特种加工工艺及设备研究所以过程控制为突破口，设计了一种柔性电解加工单元，应用特殊的电流脉冲波形和高选择性的电解液，加工精度达 0.02mm，表面粗糙度达Ra0.2 0.6m。波兰华沙工业大学的 Kozak 教授于 1986 年率先提出了电解铣削的思想，以棒状旋转阴极作类似于圆柱状侧铣刀的成形运动来形成加工表面，成功地应用于直升机旋翼座架型面的加工，加工中采用 NaNO3 电解液，精度可达±0.010.02mm，表面粗糙度达 Ra0.160.63m 。波兰 Cracow 金属切削学院的 A.Ruszaj 和 J.Cekaj 教授利用形似球头铣刀的工具阴极，进行了型面光整加工的试验研究，取得了形状误差小于0.01mm 的加工效果，从而证明了该工艺在模具的光整加工方面具有很好的应用价值。美国、英国、俄罗斯都高度重视数控电解加工技术的研究并已得到应用，在新型航空发动机及航天火箭发动机的研制中发挥了重要作用。美国 GE 公司的五轴数控电解加工，美国、俄罗斯仿形电解加工带冠整体叶轮代表了数控电解加工整体叶轮的国际先进水平。南京航空航天大学从 20 世纪 80 年代中期开始进行数控展成电解加工工艺技术的研究，已在电解加工设备研制、加工机理研究、控制软件编制及工艺试验等方面均取得了重要进展7,8,9 。具体研究内容包括以下几方面：(1)设备研制：研制了五轴数控电解加工机床及配套的多轴联动数控系统。该机床具有三个直线运动坐标轴及二个旋转运动坐标轴，各轴均采用步进电机驱动。多轴联动数控系统为二级数控系统，上位机为一台通用计算机，用于数据处理及生成数控加工程序，下位机为组合在一起的五台经济型二轴数控单元及其驱动单元，用于驱动机床各轴运动。(2)成形规律研究：研究了棒状外喷式阴极、三角形截面内喷式阴极、矩形截面内喷式阴极三种状况下展成电解加工间隙随一些主要工艺参数10变化的规律。(3)阴极设计：针对整体叶轮结构，设计制造了不同结构的开槽阴极、型面精加工阴极，并通过工艺试验对其结构进行不断改进，现已设计出了新颖结构的组合式开槽阴极及矩形截面整体式型面精加工阴极，很好地解决了加工过程中易产生的阴极短路烧伤问题。(4)加工软件开发：针对整体叶轮的开槽加工及型面精加工，开发了相应的数控展成电解加工软件，具有叶片型面的数据处理、数控加工的展成运动轨迹计算及整体叶轮的三维型面几何造型等功能。(5)加工工艺试验：包括直纹面、非直纹面整体叶(涡)轮及带冠整体叶轮的展成电解加工、叶片型面电解抛光与五轴联动电解磨削等。试验表明，工艺过程稳定可靠可以获得较高的加工精度和较低的表面粗糙度。阴极设计目前的生产实际中，多采用迭代试验修正法来制作阴极，这不仅浪费人力物力，而且要求操作者具备丰富的实践经验和很高的技术水平，同时也大大延误了生产周期，增加了制造成本。特别是对于形状复杂和精度要求较高的零件，阴极设计问题已成为影响电解加工应用的一个重要原因。南京航空航天大学研究设计了阴极设计CAD/CAE/CAM 系统的结构框架以及开发策略。该系统基于专家系统，结合专业技术人员和领域专家的经验来优选工艺参数，并且采用基于自由边界的数值算法，保证算法的收敛性10 。南京航空航天大学还提出了一种基于正问题数值求解模拟“试验修整”进行阴极设计的方法。该方法将生产实际中制造阴极的过程再现于计算机上。采用有限元求解拉普拉斯方程得到加工间隙中的电位分布，通过不断地将获得的等位线与理想工件边界进行比较，将得到的差值映射到阴极端用来指导阴极的修整，直到工件阳极端的差值小于所允许的值。该设计方法具有易于处理复杂边界、收敛性好、精度高的特点11。合肥工业大学也提出了应用阴极设计数据表来进行阴极设计的方法，通过合理设计工艺试验，获取了特征部位的加工间隙偏差值，据此计算出各特征部位对应阴极处的附加修正量。在此基础上，建立五种阴极设计数据表，为阴极设计提供了丰富的修正数据。在此基础上，可望建立阴极设计数据库12。磁场提高电解加工精度的研究这项技术早期研究较多的是磁场对电解磨削、电解抛光的影响。近年来，国内开展了电解成型加工叠加磁场的研究。西北工业大学的研详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763究发现当加工对象是钛合金或者是在 NaCl 电解液中加工 45 钢时，磁场可以显著减少杂散腐蚀，提高加工精度，而在 NaNO3 电解液中加工 45 钢则效果甚微13。西安工业学院进行了磁场影响电场的仿真试验及在电解加工装置上叠加磁场的加工工艺试验。试验表明，电解加工过程中叠加磁场会改变原有电场分布，进而改变间隙流场的分布，从而有利于解决以往电解加工过程中的杂散腐蚀现象，提高电解加工的质量。只有在叠加磁场方向垂直于电场方向且 N 极指向电场叠加磁场时，对电场均布有较明显的作用 14。此外，采取切割流线的方向叠加磁场，洛仑兹力的作用有利于成股的束流展开；磁场可以减小电解液的粘度，改善其流动性能，有利于及时排走电解产物和热量，改善加工条件，提高加工稳定性15。除了上述五大研究方向之外，带冠整体叶轮加工、周期循环电解加工、数控铣床电解加工、脉冲电解加工间隙测控方法、基于 BP 神经网络的电解加工精度预测模型、电解加工中管理系统的开发等工艺技术的研究均有所创新或突破。1.3 课题研究内容根据研究对象航空锻件【变速叉】热锻模，设计一套加工该热锻模的电解加工工装，包括：（1）航空锻件【变速叉】热锻模电解加工阴极；（2）装夹热锻模加工阴极和工件的夹具装置；（3）运用 Pro/E、UG 等软件画出航空锻件 【变速叉】热锻模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。 第 2 章 电解加工理论分析2.1 加工影响分析电解加工中，加工间隙的控制对加工精度和加工过程的稳定性都非常重要。加工间隙是电解加工的核心工艺要素，它是决定加工精度的主要因素，因此获得均匀、稳定、大小适中的间隙对电解加工至关重要。在窄缝电解加工中，若能尽可能采用小的加工间隙进行加工，可以显著提高加工精度和生产率。研究中采用未绝缘的薄片电极12进行直流电解加工工艺试验，图 2-3 是加工间隙示意图（以其中某一缝为例） 。在窄缝的电解加工中，其端面间隙 b D 和侧面间隙 s D 如图。图 2-3 加工窄缝时的加工间隙示意图电解加工过程中，当工件的蚀除速度与工具的进给速度相等，两者达到动态平衡时，端面间隙为式中 b D 底面平衡间隙（mm）h 电流效率（取决于工件材料和电解液间匹配）w 体积电化学当量mm /(A h) 3 × （取决于工件材料）k 电导率（1/W×mm） （取决于电解液参数：成分、浓度、温度等）R U 电解液的欧姆压降（V） (取决于电解液、阴极和工件材料、电流密度)u 阴极的进给速度（mm/min）式（2-1 ）说明底面平衡间隙 b D 与电流效率 h 、体积电化当量 w 、电导率k 、欧姆压降 R U 成正比，而与进给速度 u 成反比。至于侧面间隙（侧面不绝缘） ，在电流效率相等的条件下有式中 s D 侧面间隙（mm）详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763h进给量在窄缝电解加工中，随着加工深度的增加，侧壁腐蚀一直进行。如图 2-3所示，不同间隙处的金属去除速度是不同的，_1 为大间隙， s D 为小间隙，这两处的去除速度分别为：式中，分别为大间隙电流效率、小间隙电流效率；w 为工件材料的体积电化学当量，k 为电导率，U 为电压， 1 dE 、2 dE 分别为大间隙电极电位差、小间隙电极电位差。式（2-5 ）中，对于 NaCl 电解液，在加工条件一致的情况下， 1 2 h »h ，不同间隙处的去除速度约等于间隙距离比。由侧面间隙公式可知侧面间隙为抛物线形，加工深度越大，加工精度越差。而对于 NaNO3 电解液，由于侧壁上对应_1 处的电流密度小于 s D 处的电流密度，对应_1 处的 1h 也随之大大减小，1 2 h h ，由式（2-5）知侧壁上的去除速度大大减小，从而加工精度不会随加工深度的增加而恶化，而且由公式可知，去除速度与电流效率有很大的关系。在窄缝电解加工中，为了尽可能减小加工间隙，提高加工精度，通常选用 NaNO3 电解液，其电流效率 h 随着电流密度 i 的减少而减少。对于群窄缝加工，通常采用很低的电流密度，这就意味着其电流效率 h 会比常规加工的更低，根据加工间隙公式，更低的电流效率 h 带来了比常规加工更小的加工间隙。采用薄片状电极进行加工时，由于电极厚度通常很薄，表面涂敷均匀绝缘层的难度较大，若群窄缝同时加工时更难实现均匀绝缘，故研究中采用未绝缘金属片电极。在端面间隙公式中，电流密度 h 和加工用电解液对加工间隙有很大关系。通常直流电解加工常用的电解液是 NaCl 电解14液和 NaNO3 电解液。NaCl 电解液在很宽的范围内，其电流效率 h 几乎保持常数，接近 100%，一般不随阳极材料、电解液浓度和温度、加工中电流密度大小等变化；而 3 NaNO 电解液的电流效率 h 不仅随加工材料、电解液浓度和温度等变化，而且电流密度不同时，由于钝化现象会使电流效率 h 出现大幅度变化。图 2-4 是 NaCl 电解液和 NaNO3 电解液的电流效率 h 和电流密度 i 的关系曲线。图 2-4 NaCl 和 NaNO3 的- i 曲线2.2 电极对流场的影响分析电解加工中，电解液的流场状况是很重要的，它不但影响到电解加工的复制精度和表面质量，而且还可能由于流场分布不好而引起短路，损坏工具和工件。采用薄片状电极的电解加工中，电解液的流动属于钝物体绕流，有尾迹现象。尾迹现象在钝物体后产生涡流区，此涡流区内的电解液流速慢，类似于死水，得不到迅速的更新，很容易形成离子堆积，浓差极化严重，电解产物也不容易及时排除，造成这一局部区域电解速度降低，影响加工成型精度，严重时甚至引起短路。尾迹的流动是非定常湍流，随来流雷诺数不同而呈现不同的速度分布，在不同的雷诺数范围内，绕薄片厚度大的产生的尾迹涡流区域长度比绕厚度小的情况大。在窄缝电解加工过程中，加工间隙比常规电解更小，尾迹涡流长度很容易影响到实际加工过程。在电解液状态不变的情况下，通过减小薄片电极的厚度，可以使尾迹涡流区长度相应地随之减小，尾迹对加工详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763的影响也随之减小，加工精度和加工过程稳定性都可以得到提高。16第 3 章 航空锻件【变速叉】热锻模设计及其电解加工阴极设计计算因为微细电解加工对象本身尺寸一般为 0.1-1mm，考虑到其相应的加工精度，必须采用小间隙加工。微细电解的加工间隙一般为 0.01-0.1mm 之间，远小于常规电解加工间隙的尺寸 0.1-1mm。在微细电解加工中，加工间隙的大小和稳定程度是对加工得以实现非常重要。电解加工间隙分为端面间隙、侧面间隙和法向间隙。要保证高的成型精度，除了端面间隙要维持在一个比较小的水平外，侧面间隙的大小随加工深度的变化也必须保证在较小的范围，这样才能保证加工微孔的锥度和加工窄缝侧壁的垂直度。在占微细电解加工中大部分的微孔窄缝加工中，由于间隙无法直接测量，通常采用加工孔径和工具电极直径之差的一半（即侧面间隙大小）来间接评定加工间隙。电极侧壁的绝缘是必须的，加工间隙如图 2-1 所示。（2-1）220bbs x微细电解中侧壁绝缘的工具电极一般不保留图 2-2 中所示的宽度为 b 的工作带，即式（2-1 ）内的参数 b 趋近于 0，故加工中侧面间隙 。bs微细电解时加工间隙很小，间隙内电解液的量也很少，如果要实现和匀速电解加工一样的加工速度，间隙内的温升和气泡析出将极大的影响电导率变化，而且排出电解产物比匀速加工困难，其对稳定加工的影响远远大于匀速加工，所以通常采用低速 s b绝缘层 工具电极工件bx0 b-端面加工间隙； s-侧面加工间隙；x0-侧面加工间隙；b-工作带宽度；图 2-1 电解加工间隙示意图详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763加工或者非匀速进给方式加工，以提高加工稳定性，但其平均进给速度将显著低于匀速进给电解加工，导致加工效率下降。在微细电解中采用有效的工具阴极复杂运动进给方案，可以维持在小间隙下稳定进行加工，不仅可以提高加工稳定性，而且还可以提高加工精度。对于单轴电解加工而言，加工对象的局限性较大，只局限于获得其表面形状由精确复制工具电极的表面形状而来的加工对象，无法加工空间螺旋槽等类似结构。另外，电解加工出的微孔的圆度、尺寸精度等在很大程度上受加工流场的影响。加工间隙内电解液的更新是否及时会直接影响加工流场是否均匀稳定。由于微细电解加工的间隙微小，电解液更新困难，因此可以考虑采取新颖的结构设计来实现更新电解液和排除电解产物的功能。因此，有必要根据微细电解加工的独特性，设计一种微细电解加工机床，其本体结构必须兼顾好的系统刚性、系统结构小型化和方便的操作维护性，有利于加工稳定地维持在微小间隙下，刚度大，精度高，结构简单，同时尽可能扩展加工对象的多样性。3.1 阴极材料的选择阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。阴极 以金属或合金作为阴极时，由于在比较负的电位下工作，往往可以起到阴极保护作用，腐蚀性小，所以阴极材料比较容易选择。在水溶液电解槽中，阴极一般产生析氢反应，过电位较高。因此阴极材料的主要改进方向是降低析氢过电位。除用硫酸作为电解液时必须采用铅或石墨作阴极外，低碳钢是常用的阴极材料。为降低电耗，目前采用各种方法制备高比表面积，并具有催化活性的阴极，如多孔镍镀层阴极。3.2 阴极的尺寸设计阴极是根据电解槽的槽型确定的，尺寸多种多样。重要的是将决定加工法向间隙的数值最终影响加工精度加工稳定性和生产效率。为了既能保证加工速度，粗加工过程中，法向间隙较小火花短路较多精加工段的设计，是为了去除粗加工留下的尺寸余量及表面缺陷以基本上满足尺寸和表面质量的要求由18于精加工段的加工过程是处于一种过渡状态。最终很难保证各个齿形的一致。因此，还需要通过抛光段的加工来对全齿进行最后一道精整，从而确保工件的尺寸精度和表面质量通常抛光圈宽度 b 取 0.1-0.2 mm。第 4 章 航空锻件【变速叉】热锻模电解加工工装设计4.1 航空锻件【变速叉】热锻模夹具定位设计定位基准的选择1、在定位时，每个工件在夹具中的位置是不确定的，对同一批工件来说，各件的位置也将是不一致的。工件位置的这种不确定性，可用空间直角坐标轴分为以下6 个方面，工件有 6 个自由度，沿三坐标轴的移动自由度和绕三坐标轴的转动自由度。末定位前的工件相当于自由刚体，是无法进行加工的，因此，为了使工件在夹具中有一个正确位置，必须对影响工件加工表面位置精度的自由度加以限制。 要使工件在夹具中的位置完全确定，其充分必要条件是将工件靠置在按一定要求布置的 6 个支承面上，使工件的 6 个自由度全部被限制，其中每个支承点相应地限制一个自由度。这就是六点定位规则，又称“六点定律” 。 6 个支承点的分布方式，与工件的形状有关。 前减震器是由前减震器冒和前减震器座构成，为盘类工件的六点定位。底面为第一定位基准，用 3 个支承点限制 3 个自由度；圆周表面为第二个定位基准，用两个支承点限制两个自由度；用一个支承点限制一个自由度。这样工件的位置被完全确定。根据工件的形状的不同，以及定位基准的不同，支承点的分布还会有其它形式，但六点定位规则却反映了工件定位的共同本质。运用六点定位规则，可以分析和解决任何一种定位方式和定位问题。 理论上的支承点在实际夹具中都是具体的定位元件。底面 3 个支承点在实际夹具中就可能是一个平面定位元件，或是 3 个小平面支承块；圆周面的两个支承点，在实际夹具中就可能是一个 V 型块等。因此六点定位规则来分析和设计工件的定位时，并不是明显直观，必须从定位元件实际上能够限制几个自由度来分析来判断。 2、限制工件的自由度与加工要求有关 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763工件在夹具中定位，并非所有情况都必须完全定位，设计工件的定位方案时，应首先分析必须限制哪些自由度，然后在夹具中配置相应的定位元件。工件所需限制的自由度，主要取决于本工序的加工要求。在这里我们要加工的是减震器冒与减震器座焊接在一起，首先应确定一个面，限制减震器冒与减震器座的自由度，其次要考虑设计的方便和节约材料，又要充分利用工件本身的特点，所以我初步设计一个圆柱面作为它的定位面，这样就限制了 3 个自由度，又圆柱面与工件设为过量配合，所以限制了两个自由度，还有一个自由度没有确定，还可以上下移动，我们在设计时就要考虑这点，夹具必须要限制一个自由度。 3、工件以平面定位 工件以平面作为定位基准，是生产中常见的定位方式，在分析和设计定位时，应根据基准平面与定位元件工作表面接触面积的大小、长短或接触形式。确定定位元件所相当的支承点数目及基所限制工件的自由度。当接触面积较大时，相当于 3 个支承点，限制工件 3 个自由度；4、工件以圆柱孔定位 1） 定位销 当工作部分直径 D 大于 3 到 10MM 时，为增加刚度，避免销子因撞而折断，或热处理时淬裂，通常把根部加工成圆角 R。在夹具体上应有沉孔，使定位销圆角部分沉入孔内而不影响定位。大批量生产时，为了便于更换定位销，可设计配有衬的结构，便于更换。为了便于工件顺利安装，定位销的头部应有 15 度倒角。 定位销工作部分的直径，可根据工件的加工要求和安装方便，按 g5g6f6f7 精度等级制造.定位销可用 H7/r6 或 H7/n6 配合压入夹具体孔内.定位销的材料一般选用工具钢 T7,热处理淬火 HRC5358,或用普通结构钢 20,渗碳淬火,渗碳深 0.81.2,淬火硬度HRC5358.定位销结构已标准公,也可设计特殊定位销 . 工件以单个圆柱销定位时容易歪,一般应和其它定位元件结合定位. 定位销在夹具中常与其它定位元件组合成定位系统. “一面两孔”组合定位,就是生产中常见的一种定位方式,常用于箱体等零件的加工.相应定位元件常采用平面支承与定位销组合.但是应该注意,当工件上两定位孔与销的配合间隙不大,而中必距误差较大时,就可使装卸工件发生干涉.在这种情况下,就需对 “一面两孔”定位方式进行必要的验算.以确定削边销的宽度. 204.2 航空锻件【变速叉】热锻模夹具装夹设计1、 工件夹紧原理 为使工件在定位件上所占有的规定位置在加工过程中保持不变，就要用夹紧装置将工件夹紧。才能保证工件的定位基准与夹具上的定位表面可靠地接触，防止在加工过程中移动、振动或变形。 由于工件的夹紧装置是和定位紧密联系的，因此，夹紧方法的选择应与定位方法的选择一起考虑。 在设计夹紧装置时，应考虑夹紧力的选择，夹紧机构的合理设计及其传动方法的确定。关于夹紧力的选择应包括方向、作用点及大小这三个要素的确定。 夹紧装置选择合适，不仅可以显著地缩短辅助时间，保证产品质量，提高劳动生产率，而且还可以方便工人操作，减轻体力劳动。2、 夹紧装置的设计要求 设计夹紧装置时，必须注意夹紧力对工件加工厂表面所产生的紧态和松态问题，以保证工件加工表面的精度和光洁度。 所谓加工厂表面的紧态夹紧，是指夹紧力的作用线能够通过加工表面的周围，使加工表面的材料处在压紧应力之下。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763所谓加工表面的松态夹紧，是指夹紧力的作用线不通过加工表面的周围，使加工表面的材料处在自由状态之下。在设计夹紧装置时，应根据工件的形状、材料、加工表面的位置、定位情况及加工表面的精度和光洁度要求，来确定采取“紧态”或“松态”的夹紧方法。 采用“紧态”夹紧方法可以使加工表面比较稳固，加工过程中不易引起工件的振动，有利于提高表面光洁度，但加工表面的几何形状精度将会受到一定的影响，特别是当夹紧处的壁厚较薄时，这种影响就愈显著。因为此时加工表面受到夹紧力，而且愈靠近夹紧点受力愈大，材料产生弹性变形也愈大。当加工完毕，取下工件后，夹紧力解除，加工表面发生局部回弹，使几何形状精度受到一定的影响，所以对于精加工的表面，如果几何形状精度要求较高，就不宜采用“紧态”夹紧方法 ，而应另外 选择夹紧部位 ，使加工表面处于“松态”之下，以避免夹紧变形。 但是在某些精加工工序中，如果工件的夹紧部位不能选在另外的地方，仍需使加工表面处于“紧态”进行加工时，就应对夹紧力的在大小进行适当的控制。 “松态”夹紧方法，一般适用刚度较好的工件，由于工件的夹紧是与工件的精度要求及其在夹具中的定位密切联系的，所以夹紧装置还有着保证工件的加工精度和良好的技术经济效果的要求。因此，在设计夹紧装置时应满足以下一些基本要求： 1） 注意夹紧的大小，方向和作用点的选择 夹紧力的大小应适当，以保证工件夹紧的可靠性，但也不应过大，以免压伤工件或使工件产生不允许的变形。 夹紧力的方向与加工和工件重力的方向一致；另外，还应注意朝向工件的主要定位面。 夹紧力的作用点与工件的定位情况相适应，不应破坏工件在定位 时所得的位置；另外还应注意，夹紧后应使工件的变形和加工中的振动最小。一般来说，夹紧力的作用点尽量靠近工件的加工面，并力求作用在夹具支承面的几何中心。 2） 夹紧装置与生产规模和生产率的要求相适应 夹紧装置设计得好坏，对生产率影响甚大。设计时应注意操作迅速方便，以缩短辅助时间，并应与生产规模和生产率的要求相适应。 若产量较大，应尽量采用机动夹紧装置。 在产量不大的成批和小批量生产中，一般多采用手动夹紧装置 ，但在设计时也应尽量采取措施，使夹紧动作迅速方便，以缩短辅助时间。 223） 结构紧凑简单，制造维修方便 4） 使用安全可靠 5） 尽量减少夹紧时夹具基体所受的弯曲力矩 3 夹紧力的选择 1） 夹紧力方向的选择 夹紧力的方向与夹具上定位表面的位置、工件重力方向及作用力方向有关。夹紧力的方向一般应朝着主要定位件上的一个表面，这一表面应该是承受负荷最好的表面以防止工件变形，并且这一表面也应对于重力与作用力的方向最好重合，使加工所需的夹紧力最小，并使工件安装正确，夹紧方便。在选择夹紧力的方向时，一般应考虑下列问题： a )夹紧方向与工件加工表面位置精度的关系 夹紧力方向应垂直于主要定位基准,以保证工件的定位精度 . 一般来说,工件上被选取作主要定位基准的面积,都是比较大的,以求定位稳定可靠.夹紧方向若垂直于工件主要定位基准,这样既能使工件更好地保持与定位件接触,又可使夹紧力引起的工件变形最小. b)夹紧方向与工件变形 变形会影响加工精度。变形的大小取决于工件 或夹具上支承件的材料，接触表面的状态以及夹紧力的大小等几个因素。一般两平面接触总比两曲面接触所引起的变形小些，另外，在夹紧力一定的时候 ，接触面积愈大，单位压力就愈小，因而变形也愈小。 根据以上分析，为避免工件的变形，夹紧力的方向最好是： i) 使承受负荷的表面为定位件上与基准面接触面积较大的表面 ii) 在工件刚度最大的方向上将工件夹紧.在加工薄壁工件时,工件的变形问题 c)方便工件装卸 以定位方便的观点出发,主要定位件最合适的位置,应当能利用工件本身的重量,将其保持在规定的位置上。这样，工人的双手可以空出来，操纵夹紧件。工件愈重，则定位件位置对于定位方便所起的影响也愈大。为了方便定位，应力求使夹紧力的方向与重力的方向相重合即主要定位面处于水平位置，而且向上。 d)夹紧方向对所需夹紧力的大小的影响 夹紧力方向应使所需夹紧力尽可能的小。因为减小工所需夹紧力，就可减轻工人的劳动强度，提高劳动效率，简化夹紧机构，使其轻便紧凑，以及使工件的压伤和变形减小。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763总上所述，夹紧力的方向选择可从以下几个方面考虑： （1） 为了保证安装的正确可靠，夹紧方向应朝向对保证工件精度影响最大的定位面； （2） 为减少工件的变形，夹紧方向应当垂直于主要定位件上与工件接触面积较大的那个表面，并在工件刚度最大的方向上夹紧； （3） 为了定位方便，承受重力的定位表面最好是水平向上； （4） 当夹紧方向与工件重力方向和加工方向都重合时，就可减少所需夹紧力的大小。 3、 夹紧力作用点的选择 所谓夹紧力的作用点是指一小块面积。在实际上，夹紧件与工件接触处并非一点，而是有一定面积的。 选择夹紧力作用点的问题是指在夹紧方向已定的情况下，确定夹紧力作用点的位置和数目。它应符合下列三项要求： 1） 夹紧力作用点的选择应不破坏工件在定位时已经获得的位置，要达到这项要求，夹紧时应避免使工件产生翻转或回转的力矩，以及使工件发生移动的外力。2） 工件在夹紧时的变形应该最小。 要达到这项要求，夹紧力作用点应有足够的数目和面积，并应作用于工件上刚度较大的部分。 对于一些薄壁零件如果必须夹在刚性较差的部位 而别无他处可压时，则应采取防止变形的措施。可在压板下面加一厚度较大的锥面垫圈，使夹紧力通过垫圈均匀地作用在薄壁上，防止使工件局部压陷。 3） 工件受加工力而产生的变形和振动应最小。 为了减小加工过程中工件因受加工力、离心力、惯性力等所形成的力矩而产生的变形和振动，必要时应在工件刚度较差的部位增加辅助支承并施加夹紧力。由于加工表面远离夹紧处，而且这部分 的刚度较差，应施加附加夹紧力，以防止加工时因加工力而引起的变形和振动。夹紧力作用在具体选择时还应注意以下几点： （1） 夹紧力合力的作用点一般应靠近支承表面的几何中心，也既作用于支撑三角24形的中心。这样可使夹紧力较均匀地分布在接触表面上。 （2） 夹紧力作用点应尽可能靠近加工面，使加工力对于夹紧力作用点的力矩变小，这样可减少工件的转动趋势或振动。 （3） 夹紧力作用点的数目增多，能使工件夹紧均匀，提高夹紧的可靠性，减少夹紧力的变形。 4 夹紧力大小的确定 为了选择夹紧机构及适当的传动装置，需要知道所用夹紧力的大小。夹紧力的大小，不仅与加工力大小及工件的重量有关，也和这些力的方向和作用点有关。因加工过程中加工力的大小、方向、作用点都可能改变，所以确定 夹紧力的大小有一定的困难。但从夹紧可靠的观点出发，可根据工序的进行情况，确定 加工最不利的瞬时，然后将相当于此时的加工力、重力组成一个作用于工件上的力系与力矩系。使工件在这些力的作用下处于平衡状态，这就是确定所需夹紧力大小的原始条件。 在确定夹紧力时，碰到一些困难： （1） 工件的加工量并非固定不变； （2） 工件材料各部分的硬度不一致，特别是在加工表面硬皮时变化更大； （3）焊钳的状态及电极冒的修磨程度不一样 （4） 电极与工件间断的接触或其它原因，在加工时引起的碰撞或振动等现象，而使压力发生变化 实际夹紧力的大小取决于原始力的大小及中间传力机构。在计算时也会遇到下列的困难： （1） 与夹紧件相接触的工件表面的变形，将影响实际夹紧力的大小； （2）接触表面的状态变化光滑的或粗糙的，干燥的与有油的，也会影响实际夹紧力的大小； （3） 夹紧装置、定位件与夹具本体的弹性变形，将会影响实际夹紧力大小的变化。 对于从静平衡力第图中求出的理论夹紧力 q 紧装置的结构、工件的定位情况、工件的加工情况，以及安全要求等具体条件 ，估计最不利的情况，或根据经验将其增大，由此即可求得所需的实际夹紧力 Q. 如用公式表示,则可写与下面的形式:Q=Kq 式中 K 为具体条件系数,一般可按下式来确定: 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763K=K0*K1*K2*K3*K4 式中 K0-基本安全么数 K0=1.5 K1加工表面光洁度系数,毛面 K1=1.2 光面 K1=1.0 K2-焊钳磨钝系数，K2=1。01。9 K3-断续加工系数 K3=1。2（断续加工时） K4-疲劳系数，K4=1。 3（人力操纵） K4=1。0（动力操纵） 计算夹紧力的摩擦系数 F 可采用下列数据： 已加工表面与平面支承板接触时，F=0。10 。16 毛坯面与球头支承钉接触时 F=0。20。3 毛坯 面与淬硬的刻纹接触时，按刻纹情况来定： 带环刻纹，F=0。30。4 带十字刻纹 F=0。40 。5 星齿 F=0。70。84.3 水套设计电解加工中应向加工间隙内提供具有一定压力和较高流速的电解液水套的作用就是对电解液加以引导和密封并保证加工间隙内流场的均匀由于电解液的压力较高 水套内采用全封闭流道并在水套与工件水套与导柱等结合面处采用可靠的密封如配置橡胶海绵形密封圈等4.4 底座设计对底座的设计的基本要求（1）应该保持精度和稳定性在底座表面重要的面，如安装接触位置，安装表面的刀块夹紧安装特定的，足够的精度，之间的位置精度稳定底座，底座应该采用铸造，时效处理，退火等处理方式。（2）应具有足够的强度和刚度在加工过程中夹具体不允许因夹紧力和切削力等外力变形，夹具应有足够的厚度，适当加固刚度。（3）结构的方法和使用应该不错夹较大的工件的外观，更复杂的结构，之间的相互位置精度与每个表面的要求高，所以应特别注意结构的过程中，应处理的工件，夹具，维修方便。再满足功能性要求（刚度和强度）前提下，应能减小体积减轻重量，结构应该简单。26（4）应便于铁屑去除在加工过程中，如果不及时清除，切削热的积累会破坏夹具定位精度，也会破坏的定位精度，甚至发生事故。因此，在这个过程中的铁屑不多，可适当增加定位装置和夹紧表面之间的距离增加的铁屑空间：对切削过程中产生更多的，一般应在底座上面。（5）安装应牢固、可靠夹具安装在所有通过夹安装表面和相应的表面接触或实现的。当夹安装在重力的中心，夹具应尽可能低，支撑面积应足够大，以安装精度要高，以确保稳定和可靠的安装。夹具底部通常是中空的，识别特定的文件夹结构，然后绘制夹具布局。图中所示的夹具装配。加工过程中，夹具必承受大的夹紧力切削力，产生冲击和振动，夹具的形状，取决于夹具布局和夹具和连接，在因此夹具必须有足够的强度和刚度。在加工过程中的切屑形成的有一部分会落在夹具，积累太多会影响工件的定位与夹紧可靠，所以夹具设计，必须考虑结构应便于铁屑。此外，夹点技术，经济的具体结构和操作、安装方便等特点，在设计中还应考虑。在加工过程中的切屑形成的有一部分会落在夹具，切割积累太多会影响工件的定位与夹紧可靠，所以夹具设计，必须考虑结构应便排出铁屑。4.5 航空锻件【变速叉】热锻模导电方式电解阴极锌的导电方式分以下二种:一种是槽间导电板搭接导电方式,另一种是阴阳极板夹接导电方式。槽间导电板搭接导电方式比阴阳极板夹接导电方式,导电接触电阻小, 电耗小，电压降小，接触面积大,压力大。电耗和电能效率是锌电解重要的技术指标,吨锌直流电耗 W 用下式计算:W = 实际消耗直流电量/ 阴极锌产量= V/ q·×1000 (1)式中:W 为每吨阴极锌直流电单耗(kW·h / t) ;V 为平均槽电压(V) ;q 为锌的电化当量 (112193g/ A·h) ; 为电流效率( %) 。从上式知,单位电能消耗与电流效率成反比,与槽电压成正比。因此,降低槽电压是降低电能消耗最重要的因素之一。槽电压即每个电解槽内阴阳极之间的电压降。它由硫酸锌的分解电压,阴阳极间电解液的电压降,阳极、阴极、导电板、导电头、导电片、导电杆、阳极泥、接触点等电路中的电阻电压降所组成。接触点的电详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763压降与导体接触电阻有关,而导体接触电阻又与导电方式密切相关。导体接触电阻受许多复杂因素影响,见(2)R =/ F·n (2)式中:R 为导体接触处的接触电阻() ; 为经验常数(·P) ;F 为接触处的压力( P) ; n 为指数,单接触点为 015 ,多接触点近似为 1 。导体接触电阻与接触点的压力成反比关系。导体相互接触的接触电阻除了与其接触的压力有关外,还与接触面的形状、接触面表面积的大小、接触方式等有极其密切的关系,即与导电方式有关系。4.6 航空锻件【变速叉】热锻模供液方式文章针对以下密闭性供液路径进行讨论：循环槽一高位槽一主供液管一阀式上酸管一槽间供液支管一供液导管一电解槽一半圆管一回液盒一支回溜管一主回溜管一循环槽。由于电解液挥发的存在，从降低电解液循环过程中酸雾危害、减少电解液挥发损失、提高循环效率、实现清洁生产等方面出发，进行电解供液方式研究，是企业的一项必然工作。密闭式供液方式的经济性选择在传统的供液方式的基础上进行改进密闭式供液方式，必须考虑经济可行，必须从经济的角度选择闭的区段。保留“循环槽一高位槽一主供液管”区段不变而供液路径和回液路径实施全密闭改进是经济性选择。液体在管道内流动的过程中粘着物在管壁粘着沉积形成结渣或积垢的现象始终存在，结渣或积垢的严重程度一方面与液体的性质有关，另一方面与液体在管道内流速相关。一般来说，流速越快，管壁结渣或积垢越慢。选择适当的管径和流速是解决管道堵积的另一个途径。槽间供液支管与上酸管连接，在进液端设置供液控制阀，在末端设置排污阀，定期进行疏通，槽间砷闯供液支管结构图。末端供液导管与末端间排污阀间距不宜长，防止囤渣。供液支管与回液支管均采用防酸的聚氯乙烯管材，控制阀采用防酸的塑料阀门4.7 航空锻件【变速叉】电解流场的设计电解液系统设计原则是:电解液顺利通过并完全覆盖阴极端面,不得有任何空区、死水区和涡流区。它是由电解液(含NaCl水溶液)、水泵、管道、经阴极进入加工区,使正负极之间产生电解作用,并不断将电解产物冲刷排除掉,保证加工顺利完成。此处流场的设计,是指阴极到加工区的设计。28大量科研、生产实践证明：流场设计是电解加工阴极装置设计中一项重要内容，它不仅对电场分布有着显著影响，而且决定电解加工的成败。广义的流场设计应包括液流通道设计和加工区流场设计两个方面，液流通道设计虽从属于加工区流场设计，而它的合理与否对加工区