PAGEPAGEⅠ脈沖電解加工工藝規(guī)律研究摘要脈沖電解加工與傳統(tǒng)直流電解加工相比，是電解加工工藝方法的新變革。本文對脈沖電解加工工藝規(guī)律進(jìn)行了試驗研究，具體分析了脈沖電解加工中加工電壓、進(jìn)給速度、加工溫度三個因素對加工精度和表面質(zhì)量的影響規(guī)律。通過工藝試驗的設(shè)計，分別進(jìn)行了預(yù)可調(diào)參數(shù)確定實驗，正交試驗設(shè)計和再擴(kuò)充試驗；通過對測試方法和評價方法的合理選擇，測試反映加工精度和表面質(zhì)量的指標(biāo)參數(shù)；通過對數(shù)據(jù)的極差分析處理，得出加工電壓、進(jìn)給速度、加工溫度三者對脈沖電解加工的影響規(guī)律，從而為脈沖電解加工的進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用提供了可靠的工藝技術(shù)參考。同時還設(shè)計了一套電解加工夾具工裝圖，進(jìn)行試驗研究。關(guān)鍵詞：脈沖電解加工；電解加工；正交試驗；夾具ⅡResearchonPulseElectrochemicalMachiningCraftRuleAbstractComparingthepulseelectrochemicalmachiningwiththetraditionaldirectcurrentECM,theformerisanewtransformationoftheECMtechnique.ThisarticlehasconductedtheexperimentalstudytothePECMcraftrules,specificallyanalyzingthefactorsPECMwhicharemachiningthevoltage,toenterforthespeed,themachiningtemperatureandtheirinfluentialrulestomachiningprecisionandthesurfacequality[27].Throughthetechnologyexperimentaldesign,separatelycarriedonpre-hasbeenpossibletoadjusttheparameterdeterminationexperiment,theorthogonalexperimentaldesignandexpandstheexperimentagain.Byreasonablychoosingthemethodsoftestingwithtargetparameterreflectstheprocessingprecisionandthesurfacequality;Accordingtotheanalysisofprocessing,obtainingtheinfluentialrulesto,thusithasprovidedthereliablecrafttechnologyreferenceforthePECMfurtherexpandedapplication[25].KeyWords:PECM；ECM；Orthogonalexperiment PAGEII目錄主要符號表1緒論 11.1綜述 11.2電解加工的發(fā)展和特點 11.3電解加工的新技術(shù) 31.3.1脈沖電解加工 31.3.2振動進(jìn)給電解加工 31.3.3數(shù)控展成電解加工 41.3.4其它電解加工 41.4課題背景 51.5本文主要研究內(nèi)容 52脈沖電解加工 72.1電解加工的原理和工藝特點 72.2脈沖電解加工的基本理論 82.2影響脈沖電解加工的主要因素 92.3本章小結(jié) 103試驗裝置簡述 113.1電解加工機(jī)床 113.1.1機(jī)床的結(jié)構(gòu)及特點 113.1.2本次實驗使用的機(jī)床 113.2電解液系統(tǒng) 113.3脈沖電源 123.3.1脈沖電源的分類和發(fā)展 123.3.2MOSFET高頻、窄脈沖電源 124工藝試驗的設(shè)計 144.1工裝夾具和陰極的設(shè)計 144.1.1工裝夾具的設(shè)計 144.1.2陰極設(shè)計 154.2試件的測量方法和注意事項 164.3加工精度的評價方法 185工藝規(guī)律研究 205.1正交試驗的特點及內(nèi)容 205.2數(shù)據(jù)分析方法的選取 205.3試驗可調(diào)范圍的預(yù)選 215.4圓臺正交實驗 215.4.1第一次正交實驗 215.4.2第二次正交實驗 236機(jī)械設(shè)計部分 276.1熱鍛模陰極的設(shè)計 276.2電解液的選擇 286.3電解液流場設(shè)計 286.4夾具的設(shè)計 297結(jié)論 33致謝 34參考文獻(xiàn) 35

主要符號表U加工電壓陰極進(jìn)給速度I電流T溫度，脈沖周期Tp脈沖寬度C電解液濃度；離子濃度D脈沖占空比t時間p壓力△底面間隙δE陰、陽電極電位值總和κ電解液的導(dǎo)電率η電流效率ω體積電化當(dāng)量△m加工間隙1緒論P(yáng)AGE11緒論1.1綜述電解加工又稱電化學(xué)加工（ElectrochmeicalMachining-ECM）,它是利用金屬在電解液從中發(fā)生電化學(xué)陽極溶解的原理將工件加工成形的一種特種加工方法。加工時，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[1]。電解液從極間間隙中流過，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)陽極溶解。隨著工具相對工件不斷進(jìn)給，工件金屬不斷被電解，電解產(chǎn)物不斷被電解液沖走，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。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。與其它加工方法相比，電解加工具有如下特點：加工范圍廣、生產(chǎn)率高、且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制、加工質(zhì)量好、可用于加工薄壁和易變形零件、工具陰極無損耗等優(yōu)點。但電解加工也具有一定的局限性，例如：加工精度和加工穩(wěn)定性不高、工間隙難以控制、陰極的設(shè)計、制造和修正都比較困難，陰極的精度難以保證[1]。1.2電解加工的發(fā)展和特點電解加工自20世紀(jì)問世以來，到60年代迅速在眾多的機(jī)械制造領(lǐng)域得到開拓和一定的應(yīng)用。通過科研和生產(chǎn)的實踐，70年代電解加工在技術(shù)上走向成熟、定型：再應(yīng)用領(lǐng)域上也開始定向[2]。由于電解加工能解決機(jī)械加工難解決的多種問題，所以較好的適應(yīng)了軍工產(chǎn)品的需要，因而在軍事工業(yè)，特別是航空、航天推進(jìn)器的制造上得到了廣泛的應(yīng)用，成為國防生產(chǎn)中的關(guān)鍵制造技術(shù)，獲得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，促進(jìn)了軍工新產(chǎn)品的發(fā)展和性能的提高。電解加工應(yīng)用較多的國家有美國、英國、前蘇聯(lián)、德國和我國。作為一項加工技術(shù)，衡量其工藝性能的主要指標(biāo)是加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率。電解加工的顯著特點是生產(chǎn)率高、表面質(zhì)量好，但加工精度不夠高。因此，國內(nèi)外針對提高電解加工精度的研究工作較多。為了提高電解加工的整形能力從而提高加工精度，1966年左右,日本三菱電機(jī)公司首創(chuàng)了混氣電解加工技術(shù)。我國也于1968年開始進(jìn)行混氣電解加工的研究，在氣液混合腔設(shè)計、氣液混合比的確定、工藝參數(shù)的優(yōu)化等方面均取得了突破性進(jìn)展，直接用葉片鍛造毛坯電春汽車廠、北京機(jī)床研究解加工葉片型西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE40面，質(zhì)量達(dá)到當(dāng)時世界先進(jìn)水平，在航空發(fā)動機(jī)工廠獲得推廣應(yīng)用。到七十年代中期，四廠一所(洛陽拖拉機(jī)廠、北京內(nèi)燃機(jī)總廠、南昌柴油機(jī)廠、長所)聯(lián)合開展對鍛模混氣電解加工的研究，重復(fù)精度達(dá)到±0.10mm，其結(jié)果在長春汽車廠和洛陽拖拉機(jī)廠長期應(yīng)用[3]。我國于1958年首先在炮管膛線甲工方面開始應(yīng)用電解加工技術(shù)。從六十年代到七十年代中期，電解加工得到了迅速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工、汽輪機(jī)、汽車、煤礦機(jī)械、工具等眾多行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，自1960年到1975年，電解加工在難切削材料加工中所占比例增加了兩倍，從60年的15％增加到75年的45％，成為一種主要的加工方法，而切削加工從60年的77.5％減少到75年的30％。然[4]而，自七十年代末至今的二十年里，電解加工陷于低谷，發(fā)展緩慢，應(yīng)用領(lǐng)域有所減少。這主要有以下三個方面的原因：第一方面原因是，電解加工的精度難以滿足現(xiàn)代工業(yè)精密零件的高質(zhì)量要求，導(dǎo)致電解加工主要應(yīng)用于中、低精度要求的零件，無法涉足不斷擴(kuò)大的高精度零件加工領(lǐng)域。第二方面原因是，電解加工技術(shù)難以掌握。在電解加工過程中由于陰陽極之間的電場、流場分布以及電化學(xué)反應(yīng)過程的影響，導(dǎo)致加工間隙分布極不均勻且規(guī)律復(fù)雜，因而使得過程的監(jiān)測和控制非常困難。第三方面原因是，電解加工陰極設(shè)計困難。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)律來設(shè)計。加工間隙分布的不均勻，導(dǎo)致陰極設(shè)計非常困難。自70年代初起，國外學(xué)者基于對間隙中電場的分析，認(rèn)為電位分布服從拉普拉斯方程，構(gòu)造反映電位分布的數(shù)學(xué)模型，在求解數(shù)學(xué)模型得到電位分布后，進(jìn)行陰極設(shè)計或?qū)﹂g隙分布的計算。這一類的典型方法有導(dǎo)電紙模擬法、解析計算法等。電極邊界，直到某一誤差目標(biāo)函數(shù)為最小。特別是有限元法和邊界元法，具有很好的收斂性，表現(xiàn)出更強(qiáng)的邊界處理功能，可用于復(fù)雜變化的幾何邊界形狀。電流效率修正法可提高陰極設(shè)計的精度。鈍化性電解液的電流效率變化是影響間隙分布的一個重要因素。由于電流效率變化復(fù)雜，目前還沒有成熟的數(shù)學(xué)公式和模型可供陰極設(shè)計使用。針對這種情況，近期有的研究采取實驗法來處理電流效率的變化：先進(jìn)行廣泛實驗研究，獲得電流效率和電流密度之間的關(guān)系曲線，建立起電流效率數(shù)據(jù)庫。在數(shù)值計算時，從數(shù)據(jù)庫中得到局部電流密度對應(yīng)下的電流效率與第一類方法相比，它們更確切地反映了電場分布對成形過程的影響，計算結(jié)果與實際狀況相接近，但還存在收斂性差的缺陷。近年來采用的有限差分法、變網(wǎng)格有限差分法、有限元法和邊界元法，主要基于拉普拉斯方程的更全面考慮加工過程的數(shù)值解法，采用迭代調(diào)整的思想，反復(fù)調(diào)整，據(jù)此對間隙分布進(jìn)行修正。據(jù)報道，基于數(shù)值法的計算機(jī)輔助陰極設(shè)計已在美、英等國獲得實際應(yīng)用。這顯著縮短了陰極制造周期，降低了復(fù)制誤差。但迄今為止，這些方法僅能起到適當(dāng)減少陰極修整次數(shù)的作用，還不能一步到位。另一方面，實際的陰極設(shè)計不僅要考慮工具形狀，還要兼顧電解液流道、工具絕緣等問題，而且這些問題與工具幾何形狀設(shè)計交互影響。因此，更為全面、實用的陰極設(shè)計方法還有待于開發(fā)[5]。1.3電解加工的新技術(shù)1.3.1脈沖電解加工自七十年代初起，前蘇聯(lián)、美國、日本、法國、波蘭、瑞士、西德等相繼開始了對脈沖電流電解加工的研究。前蘇聯(lián)和東歐國家重視脈沖加工機(jī)理、機(jī)床、電源以及加工控制系統(tǒng)的研究，將脈沖電流電解加工應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)；日本和西方國家則注重于小電流、高頻、窄脈寬的脈沖電流加工在細(xì)小零件和電解拋光中應(yīng)用，沒有專門研制脈沖加工機(jī)床和大功率脈沖電源，有時甚至采用電火花加工電源[8]。俄羅斯烏法航空學(xué)院研制的小型立式脈沖電流電解加工機(jī)床，電流峰值200安培，最小加工間隙可達(dá)0.01～0.02mm，加工出的精密模具的精度可達(dá)0.02mm，堪與電火花加工相比，而其生產(chǎn)率和表面粗糙度遠(yuǎn)優(yōu)于電火花加工。因而在塑料模具型腔加工方面有極高的應(yīng)用價值。荷蘭菲利普制造技術(shù)中心應(yīng)用極窄脈寬的脈沖電源以及其它工藝措施進(jìn)行電解加工，精度達(dá)到前所未有的微米級水平。在國內(nèi)，南京航空學(xué)院、西北工業(yè)大學(xué)、航天航空工藝研究所和首都機(jī)械廠等單位相繼開展了脈沖電流電解加工的研究。尤其是在1987年，合肥工業(yè)大學(xué)特種加工研究所研制出大功率脈沖、直流兩用電源(脈沖電流峰值達(dá)5000安培)，并應(yīng)用于鍛模生產(chǎn)[9]。近幾年來，華南理工大學(xué)等又開展了高頻窄脈沖電解加工的研究，最小加工間隙達(dá)0.05mm，加工精度顯著提高。可以預(yù)見，高頻窄脈沖加工將成為提高電解加工精度的最重要手段之一。也是從七十年代初起，前蘇聯(lián)、美國、日本、荷蘭等國開始進(jìn)行振動進(jìn)給電解加工的研究。前蘇聯(lián)研制的立式電解加工機(jī)床用于加工中等尺寸的模具，精度可達(dá)±0.1mm。類似的葉片加工機(jī)床，加工汽輪機(jī)葉片型面，精度可達(dá)±0.03mm。目前，振動進(jìn)給電解加工還被廣泛應(yīng)用于精密鍛模、玻璃模、花鍵孔、精密電子元件等方面的加工，均取得令人滿意的效果[10]。1.3.2振動進(jìn)給電解加工八十年代中期，國內(nèi)的航天航空工藝研究所也研制出DJZ型立式振動進(jìn)給電解加工機(jī)床，其振動系統(tǒng)采用液壓伺服控制，適合于精密中小零件加工。九十年代初，航天航空部首都機(jī)械廠從俄羅斯引進(jìn)了具有“周期性加工”功能的振動進(jìn)給機(jī)床。自93年起，合肥工業(yè)大學(xué)特種加工研究所開始研制振動進(jìn)給的設(shè)備，現(xiàn)在已有“附加振動”和“周期性加工”兩種振動方式的獨(dú)立裝置問世，并可以直接裝配現(xiàn)有的電解加工機(jī)床，使其增添振動進(jìn)給的功能，從而實現(xiàn)工藝上的飛躍[9]。1.3.3數(shù)控展成電解加工近年來，為了解決航空產(chǎn)品中各類扭曲葉片整體葉輪的加工難題，南京航空航天大學(xué)在國際上首創(chuàng)了一項數(shù)控展成電解加工技術(shù)。它以簡單形狀的工具陰極，按照計算機(jī)控制指令，進(jìn)行必要的展成成型運(yùn)動，以電解“切削”方式加工型腔、型面。數(shù)控展成電解加工技術(shù)綜合了電解加工與數(shù)控加工各自的技術(shù)長處，其工具形狀簡單，可以是棒狀、球狀，而“切削刃”則可為點、直線或曲線；它具有數(shù)控加工的柔性，可用不同類型的控制軟件代替復(fù)雜的成型陰極設(shè)計制造，同時又具有電解加工的無工具損耗，無切削力，可以加工各種難加工材料和小剛度零件等優(yōu)點[22]。所以，數(shù)控展成電解加工對于小批量甚至單件生產(chǎn)，以及難以實現(xiàn)拷貝式加工的零件具有明顯優(yōu)勢[7]。目前，數(shù)控展成電解加工機(jī)床已研制成功，但在CAD/CAM軟件、工藝過程的控制、生產(chǎn)率的提高等多方面還有待進(jìn)一步完善。近年來電解加工在微細(xì)加工領(lǐng)域已初露端倪。目前，它已被成功地應(yīng)用于電子工業(yè)中微小零件的電化學(xué)蝕刻加工中，從而使得蝕刻加工更加容易控制和維護(hù)，對環(huán)境的影響也明顯減小[13]。其中的有遮蔽電解蝕刻被應(yīng)用于高速打印機(jī)打印帶、印刷板等電子產(chǎn)品的制造；無遮蔽電解蝕刻被應(yīng)用于滾動軸承上加工微小貯油孔。同時，通過降低加工電壓和電解液濃度，可將電解蝕刻加工間隙控制在10μm以下，再采用微動進(jìn)給和金屬微管電極，在0.2mm的鎳板上加工出了0.17mm的小孔[6]。1.3.4其它電解加工另外，電解加工也被應(yīng)用于微細(xì)軸類零件的光整加工。它采用類似微細(xì)線電極電火花磨的方式，用一運(yùn)動的金屬絲作為陰極，在陽極軸和陰極絲之間噴電解液，使軸表面產(chǎn)生電化學(xué)微腐蝕。據(jù)報道，這種方法在直徑數(shù)十微米小軸的拋光中已取得了非常好的工藝效果。當(dāng)前，電解微細(xì)加工在工具結(jié)構(gòu)、電解液流動、雜散腐蝕等方面還有許多技術(shù)問題有待解決。另外，它們所涉及的尺寸范圍要遠(yuǎn)大于硅片技術(shù)、LIGA等微細(xì)加工技術(shù)可達(dá)到的微小尺寸。自電解加工問世以來，陰極設(shè)計問題就一直是關(guān)注的重點和難點。早期的研究主要采取對加工過程充分簡化的方法，如COSθ法、斜陰極法、相對位移法、三段近似法等。由于這一類方法過度簡化了復(fù)雜的電場分布狀況，因而存在顯著計算誤差?？偟恼f來，自五十年代創(chuàng)立至今，特別是在最近的二、三十年里，電解加工技術(shù)在機(jī)理研究、工藝方法的革新、新設(shè)備的開發(fā)等諸多方面均取得顯著成績。但是，這些意義重大的工作卻沒有收到應(yīng)有的效果，沒能為指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)、擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域而充分發(fā)揮作用。這其中一個最主要的原因之一就是未能提供系統(tǒng)、實用的加工數(shù)據(jù)。至于在此基礎(chǔ)上建立電解加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫和陰極設(shè)計數(shù)據(jù)表，以及電解加工基本工藝規(guī)律建模的研究，國內(nèi)外均未見報道。這主要是因為電解加工的影響因素眾多，導(dǎo)致工藝數(shù)據(jù)量極大，而且所需工藝數(shù)據(jù)又只能通過模擬工藝試驗獲得[24]。因而，又涉及試驗規(guī)劃、夾具和陰極設(shè)計，加工精度的評價方法及試件的測量方法等諸多問題。所以，工作量異常繁重，令人望而卻步。也許國外大企業(yè)有其內(nèi)部的“數(shù)據(jù)庫”，但也未見報道。獲得臺灣元智大學(xué)的經(jīng)費(fèi)支持，我們就可在多年電解加工工藝研究的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)、科學(xué)的試驗設(shè)計，獲取所需大量試驗數(shù)據(jù)，創(chuàng)建電解加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫和陰極設(shè)計數(shù)據(jù)表，并進(jìn)行電解加工基本工藝規(guī)律建模的研究，填補(bǔ)這一領(lǐng)域的空白[14]。1.4課題背景與傳統(tǒng)的直流電解加工相比，近代出現(xiàn)的高頻、窄脈沖電流電解加工，在加工精度和穩(wěn)定性上有了很大的提高，那么對其加工工藝規(guī)律探討以成為迫切研究的一個課題，為它的擴(kuò)大應(yīng)用打下良好和現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)。電解加工是航空工業(yè)和軍工不可缺少的制造工藝之一，特別是在葉片、炮管膛線整體葉盤等加工中發(fā)揮著重要作用。隨著現(xiàn)代航空技術(shù)發(fā)展的需求和軍工新型號的研制，大量采用了新結(jié)構(gòu)、新材料和復(fù)雜形狀的精密零件如特型精密葉片，扭轉(zhuǎn)變截面整體葉輪等，因而高頻、窄脈沖電流電解加工技術(shù)對航空航天事業(yè)及國防亦有重要意義。1.5本文主要研究內(nèi)容現(xiàn)有的脈沖電解加工使用的是MOSTFT高頻、窄脈沖電源，在理論上其電源可以實現(xiàn)頻率為10KHZ以上的小電流穩(wěn)定加工過程。但實際試驗過程中，當(dāng)頻率大于7KHZ時，不能很好實現(xiàn)高頻小電流穩(wěn)定加工，加工過程中電場和流場的變化很大[23]。因此，需要通過工藝試驗，摸索其加工規(guī)律，充分發(fā)揮脈沖電解加工電源特性，實現(xiàn)對一些精度要求較高的復(fù)雜型腔模具加工，進(jìn)而實現(xiàn)中小零件的微細(xì)加工[15]。因此工藝試驗的設(shè)計和加工后工件精度的測量和評價方法的選擇也成為主要的研究內(nèi)容[18]。2脈沖電解加工2脈沖電解加工2.1電解加工的原理和工藝特點電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解的原理，將工件加工成型的。圖2-1所示為電解加工原理圖。在工件和工具之間接上直流電源，工件接正極（陽極），工具接負(fù)極（陰極）。兩極之間的電壓一般為6～24Ｖ，兩極之間保持0.1～1mm.的小間隙。電解液以6～60m/s的速度流過間隙，使兩極之間形成導(dǎo)電通路，并在電源電壓的作用下產(chǎn)生電流，于是，工件被加工表面的金屬，將不斷地產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而被溶解，電解的產(chǎn)物不斷地被高速流動的電解液帶走。工具陰極不斷地向工件進(jìn)給，工件的金屬不斷地被溶解，致使工件與工具陰極各處的間隙趨于一致，將工具陰極的型面復(fù)制在工件上，從而得到所需的零件形狀[8]。圖2.1電解加工原理圖一般加工開始時，工件毛坯的形狀與工具陰極的型面很不一致，此時，工件上各點與工具陰極表面的距離就不同，各點電流密度也不一樣。距離近的點，通過的電流密度大，工件的溶解速度就快；反，距離遠(yuǎn)的點，電流密度就小，工件溶解也慢。這樣，工具不斷進(jìn)給，工件表面上各點就以不同的速度進(jìn)行溶解，工件的型面逐漸趨近于工具陰極的型面。電解加工與其他加工方法相比較，它具有下列特點: (1)能加工各種硬度和強(qiáng)度的材料。只要是金屬，不管其硬度和強(qiáng)度多大，都可加工。 (2)生產(chǎn)率高，約為電火花加工的5～10倍，在某些情況下，比切削加工的生產(chǎn)率還高，且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） (3)表面質(zhì)量好，電解加工不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變質(zhì)層，又沒有飛邊、刀痕和毛刺。在正常情況下，表面粗糙度Ra可達(dá)0.2～1.25μm。(4)陰極工具在理論上不損耗，基本上可長期使用。電解加工當(dāng)前存在的主要問題是加工精度難以嚴(yán)格控制，尺寸精度一般只能達(dá)到0.15～0.30mm。此外，電解液對設(shè)備有腐蝕作用，電解液的處理也較困難。脈沖電解加工正是圍繞提高加工精度而產(chǎn)生的一項新技術(shù)。通過多年的研究、實驗及應(yīng)用，己總結(jié)得到關(guān)于脈沖電解加工工藝規(guī)律的一些基礎(chǔ)理論[16]。2.2脈沖電解加工的基本理論脈沖電解加工（pulseElectrochemicalMachining,PECM）最基本的特點就是以周期間歇供電代替了傳統(tǒng)連續(xù)直流供電，由此引起了一系列的脈沖效應(yīng)，導(dǎo)致了加工間隙過程物理化學(xué)的變化，從而提高了加工精度、表面質(zhì)量和加工效率[17]。電解加工體系決定了其加工間隙受電場、流場和電化學(xué)特性三方面的多種復(fù)雜因素的影響。其中電場的變化是造成加工間隙變化的原動因素，電場分布的不均勻直接導(dǎo)致加工間隙分布的不均勻。間隙內(nèi)流場主要是通過對導(dǎo)電率的影響起作用，而不同流動模式中的氣泡率和溫度綜合影響著導(dǎo)電率。不同的加工模式對間隙的分布也有重大的影響。由電解加工的基本公式可知，間隙公式為：UR：間隙電解液中的電壓降U：陰、陽極之間的電壓δE：電解加工的陰、陽電極電位值總和i：電流密度κ：電解液的導(dǎo)電率Δ：電解加工間隙Va：陽極被加工面的法向腐蝕速度，常稱為工件加工速度η：電流效率ω：體積電化當(dāng)量從式中可以看出電導(dǎo)率、加工電壓（即陰、陽極之間的電壓）、電流密度、進(jìn)給速度、電流效率及電極電位等是影響加工間隙的主要參數(shù)。而加工間隙是電解加工核心的工藝要素，是決定加工精度的主要因素，它還直接影響加工效率、表面質(zhì)量，也是設(shè)計工具陰極和選擇加工參數(shù)的主要依據(jù)[18]。因此獲得均勻、穩(wěn)定、大小適中的加工間隙對電解加工至關(guān)重要。間隙過大復(fù)制精度低，易出現(xiàn)大圓角，電能損耗也大；間隙過小，電流密度就大，溫度升高也快，電解產(chǎn)物也多，同時電解液流動阻力加大，電解產(chǎn)物排除困難，易于發(fā)生短路現(xiàn)象。加工間隙分布的不均勻直接導(dǎo)致加工的復(fù)制精度和表面質(zhì)量降低。如果加工間隙不穩(wěn)定，對于同一批零件，加工間隙有大有小，就會使各個零件加工后的尺寸互不相同，重復(fù)精度降低[19]。2.2影響脈沖電解加工的主要因素加工電壓U：極間所加電壓即加工電壓U是建立極間電場使電解加工得以進(jìn)行的原動勢能,它克服雙電層的反電勢和溶液歐姆壓降而建立起必要的極間電流場,確保達(dá)到所選用的電流密度。定性地說,U越高加工間隙Δ就越大,這導(dǎo)致加工誤差也加大。同時間隙的熱損也變大,能耗增加。故在確保所要求的加工電流I正常的加工條件下,U應(yīng)選取較小值以得到較小的間隙值。由于電源電壓易調(diào)整,且加工電壓的變化所引起的間隙變化值的分辨度較高,因而常借調(diào)整電壓值來調(diào)整所要求的間隙值[20]。電解液濃度C：當(dāng)電解液濃度提高時、電解液電導(dǎo)率增大、電阻率降低、從而使電流密度增大。較大的電流密度使金屬溶解速度增加,但同時也易引起工件表面點蝕或雜散腐蝕,使得加工間隙變大。當(dāng)電解液濃度過低時，溶液電阻率較大不利于電流密度的提高。電導(dǎo)率κ直接影響加工間隙、電流密度等重要工藝參數(shù)，最終影響到加工精度和加工效率。電導(dǎo)率主要決定于電解液組分、濃度和溫度、其中濃度的影響更為明顯[23]。在低濃度范圍內(nèi)、當(dāng)濃度改變時電導(dǎo)率的變化幅度較大，因而用低濃度電解液時、為保證加工精度、要對濃度進(jìn)行嚴(yán)格控制。加工速度v：在給定的電解液和加工電壓下,加工速度的增大會使加工間隙減小,顯示出集中蝕除能力因加工速度的提高會增加,且在加工間隙的全微分式中,隨加工速度增加,同樣的速度變化引起的間隙變化值減小,也導(dǎo)致尺寸分散度減小,重復(fù)精度提高。脈沖頻率f、脈寬tp、占空比D：一些基礎(chǔ)試驗研究表明:反映脈沖電流基本特性的參數(shù)如脈沖頻率f、脈寬tp及占空比D,是影響脈沖電流電解加工間隙過程理化特性、特別是集中蝕除能力和間隙分布規(guī)律從而影響加工精度和穩(wěn)定性的重要因素。加工溫度：脈沖電解加工間隙中流場的變化體現(xiàn)在間隙熱交換條件的改善。由于脈沖加工中發(fā)熱的周期僅為較短的脈沖寬度tp，而在隨后的脈間寬度to的周期內(nèi)隨即散出，導(dǎo)致達(dá)到沸點溫度的電流密度較直流加工大，即在同樣的電流密度下極間溫度較直流加工低。脈沖條件下流場壓力和溫度特性的變化大大減小了最小間隙處因流場惡劣、溫度過高而造成的空穴、蒸發(fā)和沸騰導(dǎo)致的局部鈍化、火花和短路等疵病，提高了間隙過程的穩(wěn)定性，從而使脈沖電解加工的最小穩(wěn)定間隙較直流小，間隙分布的均勻程度較直流加工高[26]。2.3本章小結(jié)脈沖電流的脈沖效應(yīng)改善了極間間隙中電場、流場及電化學(xué)特性，提高了陽極溶解的集中蝕除能力，縮小了加工終了時的加工間隙，實現(xiàn)了定域溶解，從而提高了加工精度，同時使表面質(zhì)量和蝕除速度也有所提高。這些特性在脈沖電解加工表現(xiàn)的尤為突出。3試驗裝置簡述3試驗裝置簡述3.1電解加工機(jī)床電解加工機(jī)床的任務(wù)是安裝夾具、工件和陰極工具，并實現(xiàn)其相對運(yùn)動，傳送電和電解液。電解加工過程中雖沒有機(jī)械切削力，但電解液對機(jī)床主軸和工作臺的作用力是很大的，因此要求機(jī)床要有足夠的剛性；要保證進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如果進(jìn)給速度不穩(wěn)定，陰極相對工件的各個截面的電解時間就不同，影響加工精度；電解加工機(jī)床經(jīng)常與具有腐蝕性的工作液接觸，因此機(jī)床要有好的防腐措施和安全措施[28]。3.1.1機(jī)床的結(jié)構(gòu)及特點電解機(jī)床由床身、工作臺、工作箱、滑枕頭、進(jìn)給系統(tǒng)、導(dǎo)電系統(tǒng)等組成。電解機(jī)床是電解加工工藝的載體，先進(jìn)的機(jī)床不僅可以實現(xiàn)先進(jìn)的加工工藝而且是使新工藝從試驗室走向工程應(yīng)用的橋梁。電解機(jī)床的主要參數(shù)：額定電流；額定電流不但表示電源的容量而且也表示了設(shè)備總的加工能力，是決定機(jī)床滑枕頭承載能力以及電解液的流量的主要依據(jù)，國內(nèi)當(dāng)前使用的電源最大容量為2×104A，國外最大為4×104A額定電壓；一般型面、型腔加工中常選用15～20V；也可根據(jù)加工特殊材料選用不同的電壓范圍。進(jìn)給速度；根據(jù)生產(chǎn)的要求和被加工材料、電解液以及選用的電源容量等因素來確定。電解液主泵流量；這個參數(shù)要和加工電流合理匹配，還必須考慮實際輸送到加工間隙處的有效流量。其他因素；電解機(jī)床還包括電解液泵、離心力流量、抽風(fēng)機(jī)容量等。3.1.2本次實驗使用的機(jī)床實驗使用的機(jī)床型號為：2000A立式脈沖電解機(jī)床DJL-02，其工作臺尺寸為600×400，X、Y、Z三軸的有效行程分別不小于100mm、100mm、250mm，機(jī)床主軸的進(jìn)給速度為0.02～15mm/min。3.2電解液系統(tǒng)電解液系統(tǒng)的功能包括供液、凈化、三廢處理三個方面。首先是將電解池中的電解液以給定的壓力和速度使之通過加工間隙，同時還要保持電解液的溫度、西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）濃度、PH值的相對穩(wěn)定，其次在加工過程中不斷凈化電解液，去處電解液中的金屬和非金屬離子以及一些夾雜物，從而防止了極間的短路，由此可見，電解液系統(tǒng)是維護(hù)電解加工穩(wěn)定、正常進(jìn)行加工的重要手段在電解加工過程中，電解液不僅作為導(dǎo)電介質(zhì)傳遞電流，而且在電場的作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使陽極溶解能順利而有效地進(jìn)行，這一點與電火花加工的工作液的作用是不同的。同時電解液也擔(dān)負(fù)著及時把加工間隙內(nèi)產(chǎn)生的電解產(chǎn)物和熱量帶走的任務(wù)，起到更新和冷卻的作用。電解液可分為中性鹽溶液、酸性鹽溶液和堿性鹽溶液三大類。其中中性鹽溶液的腐蝕性較小，使用時較為安全，故應(yīng)用最廣。常用的電解液有NaCl、NaNO3、NaClO3三種[20]。NaCl電解液價廉易得，對大多數(shù)金屬而言，其電流效率均很高，加工過程中損耗小并可在低濃度下使用，應(yīng)用很廣。其缺點是電解能力強(qiáng)，散腐蝕能力強(qiáng)，使得離陰極工具較遠(yuǎn)的工件表面也被電解，成型精度難于控制，復(fù)制精度差；對機(jī)床設(shè)備腐蝕性大，故適用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。NaNO3電解液在濃度低于30%時，對設(shè)備、機(jī)床腐蝕性很小，使用安全。但生產(chǎn)效率低，需較大電源功率，故適用于成型精度要求較高的工件加工。NaClO3電解液的散蝕能力小，故加工精度高，對機(jī)床、設(shè)備等的腐蝕很小，廣泛地應(yīng)用于高精度零件的成型加工。然而，NaClO3是一種強(qiáng)氧化劑，雖不自燃，但遇熱分解的氧氣能助燃，因此使用時要注意防火安全。本次實驗選用NaNO3做為電解液，因為NaNO3的各項優(yōu)點都很明顯，尤其可以滿足高精度的成型電解加工。3.3脈沖電源3.3.1脈沖電源的分類和發(fā)展早期的脈沖電源主要是為了解決某些特殊材料的電解加工需要，隨著脈沖電流電解加工工藝的發(fā)展，提高電解加工精度、改善表面質(zhì)量、簡化電解工藝過程，將電解加工提高到精密加工水平，就成為脈沖電源研制的主要目的。脈沖電源的分類主要有正弦波脈沖電源，截斷的正弦波脈沖電源，巨型波脈沖電源和特殊脈沖電源幾種，各種脈沖電源都有其主要應(yīng)用的領(lǐng)域。3.3.2MOSFET高頻、窄脈沖電源該電源的方塊圖如圖3.3-1，從對該電源的加工特性的研究中揭示了了其脈沖波形1-波形發(fā)生器；2-光電隔離器；3-功率放大；4-門極驅(qū)動器及快速過流保護(hù)；5-MOSFET斬波主回爐；6-整流器；7-快速短路保護(hù)；8-邏輯回路圖3.1MOSFET高頻、窄脈沖電源方塊圖中微秒級的快速上升沿以及下降沿的特性，以及加工表面相應(yīng)的不同等效負(fù)載的波形特性和其他特性，這些特性均有利于提高電解加工的精度、表面質(zhì)量、加工效果和加工穩(wěn)定性，能較好的滿足中小精密模具零件電解加工的要求。4工藝試驗的設(shè)計4工藝試驗的設(shè)計4.1工裝夾具和陰極的設(shè)計4.1.1工裝夾具的設(shè)計電解加工的工裝夾具設(shè)計要滿足以下幾點：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)電解加工所需要的加工條件。如：電解液的通入、排出和形成背壓、導(dǎo)入加工電流。（2）陰極和工件拆卸、安裝、更換方便、重復(fù)精度高、能保證陰極和工件的相對位置精度。（3）工裝夾具的防腐蝕要可靠。（4）結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝性好。本次實驗的工裝如圖4.1，電解采用正流式導(dǎo)入，經(jīng)空心陰極和連桿流入加工區(qū)。陰極頭和陰極連桿靠螺紋連接。在加工時保證陰極頭的兩水平端面平行，陰極桿的端面與其軸線垂直，這樣安裝后陰極頭端部與陰極桿軸線也能保持垂直。在共裝夾具中，電解液入口通道上的所有零件都要用不銹鋼、黃銅或非金屬材料制做。1-機(jī)床導(dǎo)軌2-墊塊3-螺母4-壓板5-陰極6-陰極連桿7-彈性夾頭8-工件9-導(dǎo)電塊圖4.1電解加工裝置西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）4.1.2陰極設(shè)計工藝試驗的陰極設(shè)計原則：（1）陰極在試驗中能模擬實際的加工狀態(tài)。例如電解加工常用于復(fù)雜的型腔、型面、深孔（小直徑），此時工件被加工面是空間曲面，如果在做工藝試驗時簡單的用圓柱陰極或圓錐陰極來模擬實際加工狀態(tài)就不夠合理。（2）陰極的形狀要求要規(guī)范（標(biāo)準(zhǔn)化）。實際加工的零件的形狀千變?nèi)f化，工藝試驗的陰極無法相應(yīng)的跟著變化，如何探索完善陰極設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的工作以成為陰極設(shè)計的首要問題。（3）試件的形狀要能化和便于測量。工藝試驗的目的是要根據(jù)試件的形狀和尺寸來評價加工精度的高低，試件的有關(guān)尺寸要能量化，便于測量。（4）陰極的形狀對加工精度的變化“敏感”。當(dāng)加工精度發(fā)生變化時，要能在試件上明顯的反映出來使與精度有關(guān)的尺寸發(fā)生較大的變化，既有關(guān)尺寸對精度的變化具有較大的分辨率。（5）陰極要好用、好做。好用是指在使用時有較好的流場均勻、合理，使加工能順利進(jìn)行，并且得到較高的加工精度：好做是指陰極的形狀要便于加工、制造和更換方便。本文試驗中采用了兩種陰極，陰極的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的試件形狀如圖4.2和圖4.3所示。兩種陰極不同的地方是一個端面由內(nèi)外圓弧組成一個由圓弧和正方形的深孔組成。圖4.2所示的陰極，在其斷面加工了一圈矩形槽，這道矩形槽在加工時可以在工件上加工出一個方形的深孔，并在方孔中央形成一個圓柱行的凸臺，凸臺的高度可以反映出加工的某些精度，而且因為加工的是方形孔，因此可以測量方孔的邊長和陰極的邊長的差值，這可以反映出加工的成型精度。另外，底面的粗糙度可以很明顯的反映出加工的復(fù)制精度。圖4.2電解加工陰極圖4.3所示的陰極，在它的端面上加工了一道斷面為方形的圓環(huán)槽，這條圓環(huán)槽在試件上加工出了一道環(huán)形凸臺，凸臺的高度和厚度可以反映加工精度；陰極上圓環(huán)槽內(nèi)的端面①和圓環(huán)槽外的斷面②在試件上的端面間隙是不同的，它反映了端面間隙隨電解液流程的變化情況；陰極進(jìn)水口在試件上留下的圓臺（或圓錐）能直觀的反映加工精度；另外還可以在試件的端面打一些鋼印字，它們可以反映復(fù)制精度；試件上的底面間隙和側(cè)面間隙能通過測量數(shù)據(jù)直接得到或計算得到。通過對以上兩個陰極的比較，第一種2陰極不能加工出圓弧曲面，而且加工流場也不均勻，第二種陰極可以滿足前者的不足而且還可以更好的模擬實際的加工狀態(tài)。另外第一種的方形孔用一般的機(jī)械加工不好實現(xiàn)。最后斟酌選用第二種陰極作為本次試驗的陰極。圖4.3電解加工陰極4.2試件的測量方法和注意事項試件加工好之后，如何從試件上測得需要的數(shù)據(jù)，取決于需要的測量精度和測量者所擁有的測量儀器和使用儀器的方法。在本文的試驗中，測量精度的要求不是很高，所以選用游標(biāo)卡尺和萬能角度測量儀，再配以自制的量塊和墊塊，就可以解決了試件的測量問題。（1）側(cè)面傾角的測量被測量的傾角能反映側(cè)面的加工精度，選用萬能角度測量儀，以工件上端面A為基準(zhǔn)，將角度儀放在基準(zhǔn)上，旋轉(zhuǎn)角度儀上的B使它的面和工件上要測的面緊貼并且重合，在此過程中為了提高測量精度可以在測量臺上放一臺燈，慢慢的旋轉(zhuǎn)B仔細(xì)觀察它和測量面之間間隙中光度的變化，當(dāng)光線均勻或消失時讀出該處的角度。測量時應(yīng)注意正確是使用萬能角度測量儀，避免人為的損壞儀器，在讀去測量結(jié)果時應(yīng)使眼睛和刻度在同一水平線上。4.4為測量示意圖。1-試件2-萬能角度測量儀圖4.4側(cè)面傾角的測量（2）定深度外圓弧的直徑（軸徑）的測量游標(biāo)卡尺可以測量定深度外圓弧的直徑（軸徑），但在這里試件上沒有支撐和定位基準(zhǔn)面。如果以確定厚度的墊塊做為支撐和深度基準(zhǔn)，就可以測量定深度外圓弧的直徑（軸徑）。4.5為測量示意圖。1-工件2-游標(biāo)卡尺3-墊塊圖4.5定深度外圓弧的直徑測量（3）窄槽深度測量由于試件上環(huán)形槽較窄，不便于使用深度游標(biāo)卡尺。普通游標(biāo)卡尺上帶由深度測量尺，由于此深度尺的基準(zhǔn)支撐面較小，不能用于試件深度測量，但若和一塊墊塊配合使用，就可以測量試件上各點的深度尺寸。4.6為測量示意圖。1-試件2-墊塊3-游標(biāo)卡尺圖4.6窄槽深度測量4.3加工精度的評價方法在電解加工過程中，由于加工間隙的存在和變化，產(chǎn)生了電解加工的加工誤差。因而對電解加工的加工精度的評價也就與加工間隙有關(guān)。一般來說，加工間隙越小、越均勻、加工間隙隨加工參數(shù)波動的變化越小，加工精度越高。在工藝試驗中由于使用的陰極形狀不同，評價加工精度所選取得測量參數(shù)就不同：由于選用不同的加工方法,評價加工精度所用的評價指標(biāo)也就不同。在本次工藝試驗中選用的是圖4.3的陰極，圖4.4為使用這種陰極時的精度評價指標(biāo)示意圖。圖4.4對工件的測量取下面四項指標(biāo)描述加工精度：底面間隙差：δ1＝Δ1－Δ2。Δ1為外圓槽的深度，Δ2為內(nèi)圓槽的深度，理論上內(nèi)外圓槽的深度應(yīng)該相同，但由于電解液流場的分布不均勻和其它因素的影響使內(nèi)外圓槽的深度有一定的誤差δ1，所以δ1越小低面間隙就越均勻，型腔的深度越容易控制，加工精度也就越高。側(cè)面傾角（外）：α1它主要反映的是側(cè)面間隙，α1小側(cè)面間隙越均勻，加工精度越高。內(nèi)面傾角α2,它主要反映的是內(nèi)面間隙，α2越小內(nèi)面間隙越小，并且凸臺的高度和厚度越大，復(fù)制精度越高，而且側(cè)面的水平度也越高。側(cè)面間隙：能夠很好的反映加工間隙的大小以及成形精度。5工藝規(guī)律研究5工藝規(guī)律研究5.1正交試驗的特點及內(nèi)容在科學(xué)研究和生產(chǎn)中，經(jīng)常要做許多試驗，并且通過對試驗數(shù)據(jù)的分析來尋找問題的解決方案。因此，就存在著如何安排試驗和如何分析試驗數(shù)據(jù)結(jié)果的問題，也就是如何進(jìn)行試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理的問題。如果將試驗安排的合理，就能在較短的時間和進(jìn)行較少的試驗次數(shù)內(nèi)得到較滿意的結(jié)果。對多因素的試驗安排方法，目前應(yīng)用最多的是正交試驗設(shè)計[11]。本次試驗的目的是分析脈沖電流電解加工工藝規(guī)律的研究，所以考察加工精度的核心指標(biāo)就是加工間隙的大小。在二維表面加工如孔的加工中，加工間隙包括底面間隙和側(cè)面間隙。因此以這兩個指標(biāo)做本次試驗中重點考核的指標(biāo)。另外，還可選用凸臺高度和表面粗糙度等指標(biāo)進(jìn)行簡單的直觀分析。在電解加工過程中影響加工精度的因素很多，由于時間和設(shè)備有限本次試驗在諸多因素中只選用了電壓、進(jìn)給速度、電解液溫度三個因素來進(jìn)行主要的研究對象。5.2數(shù)據(jù)分析方法的選取極差法：是一種簡單的分析方法，它通過求個水平的平均差值對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。某因素對加工精度影響大，那么這個因素不同水平的平均加工精度之間的差值就大；某因素對實驗結(jié)果的影響小，那么變換水平時，平均加工精度之間的差值就小。從極差大小可以看出因素對加工精度的影響大小關(guān)系。但是極差分析方法沒有討論誤差對實驗結(jié)果的干擾問題，因此分析精度不夠高[3]。方差分析：方差分析是跟據(jù)實驗數(shù)據(jù)推斷一個活多個因素在其狀態(tài)變化時是否會對實驗指標(biāo)有顯著影響，從而選出對實驗指標(biāo)起最好影響的試驗條件一種數(shù)里統(tǒng)計方法。方差分析不但能把實驗過程中實驗條件改變索引起的數(shù)據(jù)波動與實驗誤差引起得數(shù)據(jù)變動區(qū)分開，同時對影響實驗結(jié)果的各因素的重要程度還能給予精確的數(shù)量估計。而且方差分析能夠判斷各因素的影響作用是否顯著，從而彌補(bǔ)了正交實驗表上直觀分析的不足?；貧w分析：回歸分析是處理多個變量之間相關(guān)關(guān)系的一種常見的數(shù)里統(tǒng)計方法。正交實驗一般采用直接看，均值分析和極差分析確定較為理想的方案，這是因為這兩種方法“均勻分散，整齊可比”的特點，但它具有“跳躍性”的不足，有時會使確定的較為理想方案有一定的偏差。因此一般在充分利用正交實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上再用回歸分析的方法對均值和極差分析的結(jié)果進(jìn)行驗證和修正。但方差分析和回歸分析對試驗有一定要求。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）通過對以上三種分析方法的討論，最終選定使用極差分析方法對本次正交試驗的加工結(jié)果進(jìn)行分析處理。5.3試驗可調(diào)范圍的預(yù)選因為這次我主要考慮三個因素對電解加工精度的影響規(guī)律，因此在試驗前首先使脈沖電源的幾個值都保持不變，即頻率為1KHz,占空比為0.5，脈寬為500，這樣試驗結(jié)果才具有說服力。在指導(dǎo)前人試驗的基礎(chǔ)上先選用了一定的加工參數(shù)的范圍電壓為8～12V，進(jìn)給速度為0.3～0.6mm/min,電解液溫度為20～30℃，在以上數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上做了9次實驗，并對加工工件進(jìn)行的測量，其結(jié)果如表5-1，在對加工結(jié)果的直觀分析后可以發(fā)現(xiàn)第7組實驗的綜合加工精度比較好，因此再進(jìn)行正交試驗中參數(shù)的范圍可以在加工電壓8～9V，加工速度0.3～0.5mm/min,加工溫度20～23℃。表5.1（以下實驗中單位省略三因素用A、B、C代替）因素序號電壓V（A）速度㎜/min（B）溫度℃（C）加工結(jié)果底面間隙內(nèi)傾角內(nèi)凸臺高190.35190.1117.5°0.632100.30190.1315.5°0.353100.30200.2714.0°0.29490.35200.1112.4°0.29580.35200.119.6°0.3167.80.40220.0710.5°0.19780.30220.0910.2°0.27890.36230.1212.7°0.39980.35230.099.9°0.255.4圓臺正交實驗5.4.1第一次正交實驗在上次實驗的參數(shù)范圍內(nèi)選取兩個水平建立正交表，實驗因素水平表如表5-2所示西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）表5.2水平因素加工電壓（A）進(jìn)給速度（B）溫度（C）180.3020℃2100.3522℃再進(jìn)行完實驗后對工件進(jìn)行測量并計算出結(jié)果，表5-3是這次正交實驗的加工結(jié)果。另外，表5-3也以對加工結(jié)果做了直觀的極差分析，從結(jié)果可以看出加工電壓、進(jìn)給速度以及溫度對加工精度的影響大小關(guān)系，從表中可以清晰的看出電表5.3實驗結(jié)果因素順序電壓（A）速度(B)溫度(C)測量結(jié)果底面間隙凸臺高度內(nèi)圓環(huán)傾角180.320℃0.010.0713.5°280.3522℃0.030.0312.3°3100.322℃0.030.0215.2°4100.3520℃0.020.0118.9°底面間隙的極差分析因素水平ABC結(jié)論Ⅰ/20.0200.0200.015Ⅱ/20.0250.0250.030極差0.0050.0050.015C>A=B凸臺高度的極差分析因素水平ABC結(jié)論Ⅰ/20.0500.0450.040Ⅱ/20.0150.0200.025極差0.0350.0250.025A>B=C內(nèi)圓環(huán)傾角的極差分析因素水平ABC結(jié)論Ⅰ/212.90°14.35°16.2°Ⅱ/217.05°15.60°13.75°極差4.15°1.25°2.45°A>B>C壓和進(jìn)給速度對加工精度有較顯著的影響，所以在加工時要使內(nèi)圓環(huán)傾角減小最好調(diào)節(jié)電壓和進(jìn)給速度。另外，在加工過程中對電流的記錄可以繪制出電流變化曲線，如圖5.4.1-1，從圖形的趨勢可以看出隨著加工的進(jìn)行，電流將趨于穩(wěn)定因為在加工過程中，已加工表面逐漸增加，電解液和工件的接觸面積也越來越大，因此導(dǎo)電面積也會相應(yīng)的增加，而導(dǎo)電面積的增加直接就會影響電流的增大，但當(dāng)加工到一定階段時，加工趨于穩(wěn)定，導(dǎo)電面積就不在變化或變化很小，所以電流的值也相應(yīng)的趨于穩(wěn)定。圖5.1電流變化曲線圖5.4.2第二次正交實驗先制定正交實驗水平表，這次實驗主要是驗證第一次實驗的結(jié)論是否正確，這次實驗的正交因素水平表如表5-4表5.4因素水平電壓（A）進(jìn)給速度（B）溫度（C）180.3031℃28.50.4029℃以上表進(jìn)行實驗并對工件進(jìn)行測量，表5-5為這次實驗的加工結(jié)果。表中對數(shù)據(jù)做了極差分析，從結(jié)果的極差分析大致可以發(fā)現(xiàn)，三個因素對各項指標(biāo)的影響大小都不一樣，具體的大小關(guān)系從表中可以很明顯的看出來。而且當(dāng)電壓升高時，底面間隙明顯增大，這說明電壓升高時加工精度會降低，因此在生產(chǎn)中應(yīng)選用合適的加工電壓。表5.5實驗結(jié)果因素順序電壓（A）速度(B)溫度(C)測量結(jié)果底面間隙凸臺高度內(nèi)圓環(huán)傾角180.35310.020.0512.8°280.4290.070.0613.8°38.50.35290.080.0614.3°48.50.4310.110.0416.5°底面間隙的極差分析因素水平ABC結(jié)論Ⅰ/20.0450.0500.065底面間隙的影響關(guān)系Ⅱ/20.0950.0900.075極差0.0500.0400.010A>B>C凸臺高度差的極差分析因素水平ABC結(jié)論Ⅰ/20.0550.0600.045Ⅱ/20.0050.0500.065極差000500.0100.020A>C>B內(nèi)圓環(huán)傾角的極差分析因素水平ABC結(jié)論Ⅰ/213.30°13.55°14.65°Ⅱ/215.40°15.15°14.05°極差2.10°1.60°0.50°A>B>C從兩次試驗的分析結(jié)果可以看出電壓、速度、溫度對加工的影響趨勢，并將其繪制成坐標(biāo)圖5.2，從圖中可以很容易的看出在其他加工條件相同的情況下，隨著電壓的增大加工間隙△m也將增大。圖5.2加工溫度與加工間隙曲線另外，根據(jù)數(shù)據(jù)還可以畫出加工速度與加工間隙△m的關(guān)系，如圖5.3所示由理論我們知道，當(dāng)加工間隙增大是加工誤差也會相應(yīng)的增加，加工精度和表面質(zhì)量就會降低。5.3加工速度與加工間隙曲線根據(jù)兩次試驗中溫度的變化對加工間隙的影響可以看出，當(dāng)溫度升高時加工間隙明顯增大，畫出溫度影響加工間隙的曲線如圖5.4所示。圖5.4溫度影響加工間隙曲線圖6機(jī)械設(shè)計部分6機(jī)械設(shè)計部分本次設(shè)計的是用于加工熱鍛模模具的設(shè)計，該鍛模屬于一般鍛模，模具的精度為中等，各面之間圓滑轉(zhuǎn)接，表面質(zhì)量要求較高，材料硬度高，批量較大，適應(yīng)電解加工。要使用電解加工加工這套熱鍛模必須包括對該模具在加工時使用的陰極以及夾具的設(shè)計，而且還必須考慮電解液的成份選擇和流場的分布，以下主要對陰極的設(shè)計、電解液的選擇、流場的分布以及夾具的設(shè)計做詳細(xì)的說明6.1熱鍛模陰極的設(shè)計目前,生產(chǎn)中最常用的是反拷法制造陰極,然而通過這種方法獲得的陰極在并不能直接加工出合格的工件,陰極需要反復(fù)試驗，多次修整后才能用于實際生產(chǎn)中。這種反向陰極設(shè)計制造方法對試驗和修整人員提出了嚴(yán)格甚至是苛刻的技術(shù)要求,不僅延長了加工準(zhǔn)備時間,而且精度也很難保證.因此人們開始了正向陰極設(shè)計方法的研究.陰極設(shè)計主要有兩類方法：第一類從極間電流線的幾何近似處理出發(fā)的幾何設(shè)計方法，如cosθ法、斜陰極法、相對位移法和三段近似法等；第二類是從極間電勢分布滿足拉普拉斯方程出發(fā)的數(shù)值求解法，如導(dǎo)電紙模擬法、有限差分法、有限元法等陰極設(shè)計方法等[12]。上述方法主要用于復(fù)雜陰極的設(shè)計，由于本次熱鍛模的陰極比較簡單，所以使用用最簡單的方法反拷法進(jìn)行設(shè)計。因為常常加工是間隙取0.5mm，所以設(shè)計設(shè)計時取間距為0.5mm設(shè)計陰極的尺寸，圖6.1為陰極設(shè)計的主視圖。為了使電解加工能夠順利進(jìn)行,并保證陰極有較長使用壽命,陰極材料應(yīng)具有好的導(dǎo)電性、較高的強(qiáng)度、較強(qiáng)的耐腐蝕性,一般選用不銹鋼較適宜。由于該陰極形狀很不規(guī)則,特別是內(nèi)部流道截面變化大,且前端尺寸很小,難以用常規(guī)切削加工方法制造,故采用電火花成型方法進(jìn)行加工[20]。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）圖6.1熱鍛模陰極6.2電解液的選擇電解液是電解加工中陽極溶解的載體，在加工過程中電解的流動可以帶走電解產(chǎn)物，控制工件的極化，使陽極溶解能夠正常的進(jìn)行。雖然電解加工產(chǎn)生的熱量很少，但這很少的熱量還是可能影響加工的精度，電解液的流動正好可以帶走加工時產(chǎn)生的熱量，使工區(qū)域的溫度保持恒定[19]。電解加工中對電解液有如下幾點要求。化學(xué)特性方面：①電解液在工件陽極上必須能優(yōu)先進(jìn)行金屬離子的陽極溶解，不生成難溶性鈍化膜，以確保正常加工。②工具陰極表面不會沉積陽離子而只發(fā)生吸氫反應(yīng)，以免破壞工具陰極型面，影響加工精度。③中腐蝕能力要強(qiáng)，散蝕能力要弱。④極反映的最終產(chǎn)物應(yīng)能形成不容性氫氧化物，以便于凈化處理且不形象極化過程。⑤電解液中各種正負(fù)離子應(yīng)當(dāng)并存，但之間只會生發(fā)可逆反應(yīng)。物理特性：①應(yīng)是強(qiáng)電解質(zhì)即具有高的溶解度和大的離解度。②盡可能使用黏度底的溶液，以用來減少流動壓力損失。③應(yīng)具有較高的比熱容，防止加工產(chǎn)生的熱量是加工區(qū)域的電解液沸騰和形成空穴。穩(wěn)定性方面：在加工過程中，電解液的性能應(yīng)能夠保持穩(wěn)定這樣有利于加工過程和加工效果的穩(wěn)定。實用性方面：盡量使用價格低廉壽命長，污染小，無毒、安全的電解液。6.3電解液流場設(shè)計電解液的流動形式有三種，即側(cè)流式（圖6.2）、正流式（圖6.3）和反流式（圖6.4），但有時也同時存在多中的流動形式，稱為復(fù)合式流動形式。側(cè)流式加工間隙中的流道截面積沿流動大致不會發(fā)生變化，即使變也是變化很??；而正流式流道截面積沿流動方向呈擴(kuò)張狀態(tài)，電解液流動為擴(kuò)散流：反流式的狀態(tài)正好和正流式的相反，流動具有收斂性，這種性質(zhì)對提高電解加工穩(wěn)定性和加工精度很有利。圖6.2側(cè)流式圖6.3正流式加工圖6.4反流式加工6.4夾具的設(shè)計采用側(cè)流式型腔電解加工使用的夾具，因為考慮到流場的分布均勻可以采用分液孔使電解液可以充分的充滿加工區(qū)域。另外，對進(jìn)液孔直徑和回液孔直徑，計算結(jié)果如下；間隙過水面積：S=L×0.5=209×0.5=104.5mm2其中L—熱鍛模的周長進(jìn)水面積：S0=S×2=104.5×2=209mm2總進(jìn)水直徑：D0===13mm回水面積：S1-2=104.5×=70mm總回水直徑：D1-2===9.4mm將進(jìn)水孔在分成8個小的分液孔，這樣對加工流場的穩(wěn)定很有效，計算其小孔直徑如下；分液孔直徑：d0===5.7mm在設(shè)計夾具是要考慮到以上數(shù)值。最終設(shè)計的夾具如圖6.5。夾具的大致工作原理是，先將夾具底座用壓板固定在電解機(jī)床的導(dǎo)軌上，將加工電源的線接到夾具底座上，保證加工時有正常的電流。加工時先將工件放在底座上，用定位板初步限定工件的位置，在使用螺釘和頂板將工件的位置固定。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）1-夾具底座2-定位板3-導(dǎo)向壓蓋4-進(jìn)液孔5-進(jìn)液板6-螺栓7-套筒8-陰極連桿9-陰極導(dǎo)引部分10-陰極連板11-陰極12-出液板13-工件14-出液孔15-六角螺釘16-頂板圖6.5夾具圖工件放好后將導(dǎo)向壓蓋改在共工件上并將其用螺栓固定，然后將裝配好的陰極和連桿穿過套筒連接到機(jī)床的彈性夾頭上。以上工作完成后開始對刀，使主軸帶動陰極向工件靠近，對刀完成后，將套筒固定在導(dǎo)向壓蓋上，最終完成了陰極的裝夾和工件的定位。對于電解加工時使用的夾具。首先要考慮的是導(dǎo)電問題，因為加工時陰、陽兩極間的間隙很小，所以一定要保證某些零件的不能導(dǎo)電，可以選用一些絕緣材料來解決這個問題。其次要解決零件的腐蝕問題，圖2中的夾具底座采用金屬銅制作，因為在底座上有四個原形的凸臺，一般的加工不好加工，因此考慮用數(shù)控銑床可以一次加工。圖中零件5和12主要是考慮電解液的流場而設(shè)計的，在5上分別有三個φ20和八個φ5的孔，這次孔都是為了使電解液進(jìn)入加工區(qū)時可以有穩(wěn)定的流動。另外，使加工區(qū)內(nèi)具有一定的背壓對于加工也很重要，一般常用的是在進(jìn)液和出液孔上個安裝一個調(diào)壓伐，但這種方法有一定的局限性，比如在加工過程中無法對壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。但如果將調(diào)壓伐安裝在泵的出口出就可以很靈活的對加工壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。在解決以上問題后還應(yīng)對工件的定位和加緊做可行的設(shè)計。因為電解加工是靠陽極的化學(xué)溶解來加工成型的，因此在加工過程中工件所受的力很小因此夾具的不需要很大的預(yù)盡力。圖6.5夾具在是靠2、15、16三的零件進(jìn)行定位的，首先定位板將工件卡到中間然后通過旋盡六角螺釘使頂板推動工件向定位板進(jìn)一步靠近，直到加緊工件為止。另外，電解加工屬于化學(xué)腐蝕溶解加工，一次就必須考慮一些金屬零件的防腐問題，比如在表面一層某些金屬的氧化物，但合理的選擇所需材料也是很重要的，比如，玻璃鋼、尼龍6、膠木這些材料都有很好的抗腐蝕能力，具體的分析本文不做分析。7結(jié)論7結(jié)論本論文研究的工藝規(guī)律涉及加工條件(加工溫度)、加工參數(shù)(加工電壓、進(jìn)給速度)和加工要求(底面間隙、側(cè)面斜度、和表面粗糙度)等等。為了合理安排這種多因素的試驗，既做到省時高效，又能獲得滿意的結(jié)果，并簡化數(shù)據(jù)處理過程，本課題將試驗合理設(shè)計成正交試驗與擴(kuò)充試驗相結(jié)合，因而既能保證試驗的科學(xué)性，又能為工藝規(guī)律的研究提供充足的工藝數(shù)據(jù)。同時為了能在工藝試驗中取得實用、可靠的工藝數(shù)據(jù)，針對加工對象設(shè)計了工藝試驗的夾具和陰極，并探討了在電解加工這一特殊條件下工藝試驗的陰極和夾具的設(shè)計要求。探討了試件加工精度的評價方法。解決了工藝試驗中對試件的定深度孔徑和定深度軸徑等測量方法問題。此外，根據(jù)試驗對象設(shè)計了相對水平正交試驗，提出加工電壓和進(jìn)給速度應(yīng)選取相對水平的思想