不規(guī)則內(nèi)腔體電解裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李 博，楊 森，黎云玉，范植堅(jiān)，唐 霖

（ 1. 西安工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，陜西西安710600；2. 西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710021 ）

整體構(gòu)件不規(guī)則殼體是大推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件，廣泛應(yīng)用于新型航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)及其他機(jī)械產(chǎn)品中，其腔體依據(jù)流體學(xué)原理來設(shè)計(jì)，以滿足氣流通道的性能要求。 因此，大多腔體形狀非常復(fù)雜，加工時(shí)刀具可達(dá)性差，且大多原材料硬度較高，常規(guī)的數(shù)控機(jī)械加工手段無法實(shí)現(xiàn)，使得加工制造非常困難；而電解加工因不受金屬材料本身屬性的限制，加工表面質(zhì)量好、工具電極無損耗、加工生產(chǎn)效率高， 成為此類零件加工的一種重要工藝手段。本文在分析零件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上， 借助UG 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的兩種加工裝置進(jìn)行分析、比較，通過工藝試驗(yàn)最終加工出典型的不規(guī)則腔體零件。

1 零件結(jié)構(gòu)

圖1 是加工零件模型圖，根據(jù)二維零件圖紙?jiān)赨G 軟件上建立3D 模型。由圖分析，由進(jìn)氣口向外，內(nèi)腔體窄且彎扭、截面不規(guī)則，這就對(duì)加工裝置就提出了更高的要求。

2 裝置總成

2.1 加工設(shè)備

圖2 是加工設(shè)備的總成裝置，加工零件時(shí)連同電解加工裝置一同安裝在數(shù)控電解加工機(jī)床工作臺(tái)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上，其陰極夾具一體化設(shè)計(jì)，確保供液和供電由工裝中伸出的導(dǎo)桿從機(jī)床引進(jìn)，工件隨工作臺(tái)按零件內(nèi)腔流道旋轉(zhuǎn)。 加工零件通過中心軸定位， 壓板將零件通過螺栓固定于機(jī)床的回轉(zhuǎn)臺(tái)上，當(dāng)一個(gè)內(nèi)流道腔體加工完畢時(shí)，內(nèi)流道裝置沿Z軸向上移動(dòng)， 數(shù)控轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)零件旋轉(zhuǎn)36°至下一個(gè)加工位置，Z軸向上移動(dòng)，其他方向保持不變，密封內(nèi)流道腔體進(jìn)行型腔流道加工。

不規(guī)則內(nèi)流道電解加工裝置包括工裝和陰極，在加工過程中須確保蝕除區(qū)域電解液的流速及加工間隙，設(shè)計(jì)工裝應(yīng)滿足易于組裝、定位準(zhǔn)確、完全導(dǎo)電、密封良好的特點(diǎn)，同時(shí)保證陰極絕緣部分涂層與流場(chǎng)的均勻[1-3]。

2.2 主要裝置

2.2.1 陰極與導(dǎo)流裝置

電解液經(jīng)導(dǎo)流裝置穿過陰極， 進(jìn)而進(jìn)入加工區(qū)，加工間隙內(nèi)充滿電解液，為保證良好的密封性，零件內(nèi)壁和內(nèi)骨架緊貼。

2.2.2 供液導(dǎo)電裝置

管軸連接總成是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管與機(jī)床立柱連接的組件，主要包括導(dǎo)管桿、連接頭、主軸、緊固螺母、三爪法蘭盤和錐套螺母，三爪法蘭盤后端與機(jī)床立柱連接，前端通過三爪抱緊軸，軸前端通過連接頭連接導(dǎo)管，從而實(shí)現(xiàn)軸管一體。

2.2.3 密封裝置

密封裝置由內(nèi)骨架、壓板、壓條、密封圈組成，骨架和壓板同時(shí)也是工裝夾具的一部分。 內(nèi)骨架采用絕緣材料環(huán)氧樹脂保證陰極總成與工件之間絕緣[4-5]，同時(shí)與工件內(nèi)孔緊密配合，由壓條、密封圈實(shí)現(xiàn)電解液的密封，內(nèi)骨架中部開方孔支撐陰極總成并成為其導(dǎo)向，下端開細(xì)排液孔安裝回流管回收加工過的電解液，以防對(duì)工裝夾具及工件造成腐蝕。

2.3 裝置方案

2.3.1 方案一

內(nèi)腔體加工裝置方案一包括供液管、 導(dǎo)流塊、配流塊、固定環(huán)、出水管、主軸連接桿、主軸頭墊塊。內(nèi)腔體加工裝置確保內(nèi)流道主軸連接桿一端與機(jī)床主軸連接，實(shí)現(xiàn)陰極沿縱向的進(jìn)給和導(dǎo)電，另一端與供液管連接固定，實(shí)現(xiàn)供液；固定環(huán)材料為有機(jī)玻璃，下端開口位置與導(dǎo)向板配合，起到陰極導(dǎo)向的作用。 內(nèi)腔體電解加工裝置三維零部件及裝配圖見圖3。

2.3.2 方案二

內(nèi)腔體加工裝置方案二為主軸頭連接到機(jī)床的主軸上，并通過螺釘和銷子連接供液導(dǎo)電管。 在該解決方案中，供液管直接連接主軸頭，主軸頭設(shè)計(jì)成兩個(gè)垂直面，并且導(dǎo)流塊和分流塊通過錐面配合用螺絲鎖死。 方案二的主要不同之處在于主軸連接部位用法蘭連接，與主軸轉(zhuǎn)接頭連接位置使用銷釘定位，大大減少了零件數(shù)量，在固定環(huán)中銑削出一個(gè)空腔，使陰極及其連接部件的安裝調(diào)試更加方便。 方案二的三維零部件及裝配圖見圖4。

2.4 有限元分析

懸臂結(jié)構(gòu)是內(nèi)流道電解裝置的重要部位， 圖5是方案一與方案二的懸臂部件三維空間圖，兩種解決方案都包含主軸頭、供液管、導(dǎo)流塊、分流塊和陰極體。為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可用性與可靠性，在UG 模塊中進(jìn)行機(jī)械性能的有限元分析[6]；仿真分析時(shí)，去掉和被加工零件固定連結(jié)的內(nèi)流道固定環(huán)。

為確保有限元分析能順利求解，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)去掉對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大的微細(xì)小孔、 倒角等特征。 陰極材料為黃銅，其余結(jié)構(gòu)材料為不銹鋼，具體材料屬性見表1。

表1 材料屬性

對(duì)該懸臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，兩種方案的有限元網(wǎng)格仿真模型見圖6。

為部件模型之間添加面與面接觸仿真對(duì)象類型，設(shè)定初始溫度20 ℃。 在工作環(huán)境中，由于電解液的壓力，陰極端面受到0.2～0.4 MPa 的壓力，端面的面積為1443 mm2，計(jì)算得到該陰極在工作中負(fù)載為424.2～707 N。 根據(jù)實(shí)際工況，在陰極連接桿上施加固定約束，在工具欄中使用有限元模型檢查工具來檢驗(yàn)部件劃分的網(wǎng)格單元寬高比、翹曲、歪斜、亞克比等性質(zhì)是否達(dá)到要求， 在端面施加均布載荷710 N，在陰極連接桿施加相應(yīng)約束，得到兩種方案的部件載荷及約束見圖7。 通過等值線圖、云圖、變形圖及動(dòng)畫演示等形式顯示仿真對(duì)象的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，求得的結(jié)果見圖8 和圖9，同時(shí)對(duì)靜力分析的結(jié)果及方案對(duì)比見表2～表4。

在本模擬試驗(yàn)中，強(qiáng)度檢驗(yàn)條件為[9]：

式中：[σ]為材料的許用應(yīng)力；σmax為實(shí)際計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力；σs為材料的屈服極限；n為材料的安全系數(shù)，n＝2。

在該部件的靜力載荷檢驗(yàn)中，方案一的應(yīng)力最大區(qū)域在供液管和主軸頭連接部位，方案二的應(yīng)力最大區(qū)域在供液管和導(dǎo)流塊法蘭連接部位。 綜合表1 可知， 豎直桿材料的屈服極限σs=276 N/mm2，則許用應(yīng)力[σ]=138 N/mm2，計(jì)算方案一的最大應(yīng)力為6.64 N/mm2，方案二的最大應(yīng)力為3.62 N/mm2，兩種方案的最大應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該材料的許用應(yīng)力，且方案二變形量更小。

表3 方案二靜力分析結(jié)果

表4 兩方案對(duì)比靜力分析結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖10 是裝置的加工現(xiàn)場(chǎng)與加工結(jié)果， 在電解加工機(jī)床上進(jìn)行工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證方案二的結(jié)構(gòu)是否合理。按照加工對(duì)象設(shè)定加工參數(shù)為電壓12～15 V、進(jìn)給速度0.7 mm/min、電解液壓力0.3～1 MPa、電解液溫度30～35 ℃，加工記錄見表5。 通過測(cè)量，證明利用該裝置進(jìn)行加工可滿足零件尺寸的要求。

4 結(jié)論

在分析不規(guī)則內(nèi)腔體電解加工裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借助UG 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的兩種裝置進(jìn)行比較，通過試驗(yàn)加工出不規(guī)則腔體零件，得到以下結(jié)論：

（1）兩套方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析表明，其最大應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該材料的許用應(yīng)力。

（2）仿真結(jié)果表明，方案二的剛度和變形量都優(yōu)于方案一，因此，在滿足要求的前提下優(yōu)先選用方案二的結(jié)構(gòu)作為內(nèi)流道腔體電解加工裝置。

（3）通過試驗(yàn)驗(yàn)證，方案二簡(jiǎn)化了裝置安裝，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析加工工件結(jié)果，電解加工過程穩(wěn)定。

表5 方案二工藝試驗(yàn)參數(shù)