新型陰極結構對機床受力的影響分析及試驗

李博，黎云玉，唐霖

(1. 西安工程大學 工程訓練中心，陜西 西安 710600； 2. 西安工業(yè)大學 機電工程學院，陜西 西安 710021)

0 引言

傳統(tǒng)膛線陰極采用前引導定位，如圖1所示，電解液從牽引桿進入，沿陰極工作齒小端的小孔噴出至加工間隙，流經(jīng)工作齒大端從后引導表面流出。電解液在加工間隙的流動方向與拉桿牽引陰極運動的方向相反，逆流的結果使機床所受軸向力較大[1-2]，特別是在加工大口徑深混合膛線或其他大型深孔內(nèi)螺旋線時，顯得機床剛性不足[3-4]。

圖1 傳統(tǒng)陰極

為使陰極具有換向順流的功能，后堵頭設計成帶有一定圓錐角度形式，這樣設計是為使電解液從牽引桿引進陰極體后，沖到后堵頭圓錐后能反射電解液，同時，在陰極體和后引導設計一定角度斜孔，這樣反射的電解液能從通過陰極體和后引導的斜孔噴出到達加工區(qū)，達到流場收斂目的。本文通過對兩種陰極工作時機床受力情況的有限元分析，并在此基礎上對新型陰極結構的合理性進行工藝試驗驗證。

1 新型陰極結構

如圖2所示的新型陰極結構，通過剖切A、B兩個切面探究孔分布與工作齒設計制造的關系。

1) 陰極整體裝配剖視圖A如圖2(b)所示，電解液從牽引桿進入陰極管道，沖向后堵頭錐面沿各方反射，然后進入后引導斜孔。由圖中可看到后引導斜孔與陰極體的小孔相接以及陰極體進液小孔的分布情況。由上面的分析可知，設計和制造關鍵之一是讓其進液小孔必須與后引導供液斜孔對準。

2) 整體裝配剖視圖B如圖2(c)所示，電解液從斜孔出來由工作齒大端奔向工作齒小端，再流入前引導回流小孔，最后由后引導與工作齒鑲嵌的泄流小孔排出，該剖視圖是為了說明后引導與工作齒鑲嵌的泄流小孔的接壤情況。

圖2 新型陰極

加工時機床的受力根據(jù)拉桿受力進行判斷，采用有限元分析[5-8]，得出兩種陰極結構在電解加工時機床拉桿的位移分布和應力分布。

2 有限元模型

在UG環(huán)境下，建立仿真模型(FEM)，定義結構材料屬性。陰極的材料為黃銅，拉桿的材料為不銹鋼。如圖3所示，創(chuàng)建網(wǎng)格搜集器并劃分網(wǎng)格。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.1 建立仿真模型

選定仿真模型中與機床拉桿連接處為固定約束。在電解蝕除過程中，電解液以一定的速度通過陰極的工作齒，陰極與陽極加工間隙區(qū)域受到電解液動力，定義進口流速V為15 m·s-1，進口面積A為42.25mm2，則流量q=V·A=1.99m3·s-1。假設電解液密度ρ為1.1×103kg·m-3，在陰極體內(nèi)的液動力可視為抵消，所受到的液動力按F=ρq(V2-V1)計算，V1、V2分別為工作齒大小端速度。計算可得到新型陰極所受的力Fa=18.4N，方向沿拉桿運動；傳統(tǒng)陰極所受力大小Fb=11N，方向與拉桿運動相反，創(chuàng)建仿真模型如圖4所示。

圖4 創(chuàng)建的仿真模型

2.2 位移分布

后處理繪制如圖5所示的位移變化云圖，其中最大、最小位移節(jié)點及大小以標識框顯示，傳統(tǒng)陰極最大位移為5.635 5×10-5mm，新型陰極最大位移為4.275 0×10-5mm。

由位移分布圖可知，傳統(tǒng)陰極對應的機床拉桿所受形變?yōu)槔L，當牽引桿牽引著陰極運動時會加劇機床拉桿的形變，機床受力較大，而新型陰極對應的機床牽引桿形變?yōu)閴嚎s，陰極推著機床牽引桿運動，減輕機床拉桿所受的負載，機床受力較小，因此新型陰極解決了機床受力過大的問題。

圖5 位移分布云圖

2.3 應力分布

后處理繪制如圖6所示的應力變化云圖，其最大、最小應力節(jié)點及大小以標識框顯示，傳統(tǒng)陰極最大應力為0.428MPa，新型陰極最大應力為0.350MPa。

圖6 應力分布云圖

由應力分布圖可知，機床牽引桿所受應力最小的位置相同，均為0.133MPa，最大的位置在拉桿與陰極的連接處。傳統(tǒng)陰極對應的機床拉桿應力值大于新型陰極對應的機床拉桿最大應力值，分析結果表明新型陰極結構優(yōu)于傳統(tǒng)陰極結構。

3 新型陰極工藝試驗

如圖7所示，在電解加工機床上進行工藝試驗，驗證仿真得到的新型陰極結構是否合理。按照加工對象的膛線纏角變化的范圍，加工參數(shù)如下： 電壓為12～15V， 進給速度為15～18mm/min，電解壓力為2MPa,電解液溫度：30℃～35℃。加工的部分記錄如表1所示。

圖7 陰極及加工現(xiàn)場

表1 加工部分記錄 單位：mm

電解加工后零件切片實物如圖8所示。

圖8 膛線切片

4 結語

1) 由有限元分析結果可知，新型陰極結構在加工時可減輕機床拉桿負載，牽引桿與陰極連接處最大應力值小于傳統(tǒng)陰極，有效地解決了傳統(tǒng)膛線陰極在加工時導致機床受力大的問題。

2) 實驗結果表明，新型陰極結構加工過程穩(wěn)定，蝕除過程加工間隙流場收斂，通過對零件切片進行測量，零件尺寸合格，滿足精度要求。