大型臥式數(shù)控電解加工機(jī)床導(dǎo)電軸的分析及試驗(yàn)*

唐 霖，鄭雅澤，張利峰，李 歐

(1.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021；2.中國兵器內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，包頭 014030)

大長徑比異形內(nèi)螺旋深孔類零件在武器裝備、石油鉆采等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。因其材料硬度高、內(nèi)螺旋線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)機(jī)械加工無法滿足實(shí)際需求，而電解加工具有不受材料力學(xué)性能限制、無切削應(yīng)力、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為該類零件不可替代的加工方式[2-6]。導(dǎo)電軸作為臥式數(shù)控電解加工機(jī)床的核心部件，其結(jié)構(gòu)的合理性、性能的優(yōu)劣對實(shí)現(xiàn)機(jī)床可靠加工有著極大的影響。尤其是在小間隙、大電流、高流速的加工條件下，實(shí)現(xiàn)電解加工機(jī)床長時間穩(wěn)定可靠、高精度以及高效率加工，就必須保證機(jī)床導(dǎo)電軸結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行平穩(wěn)[7]。

眾多學(xué)者針對現(xiàn)有導(dǎo)電軸存在發(fā)熱嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)變形較大，甚至發(fā)生燒蝕和抱軸的情況，開展了大量研究工作。文獻(xiàn)[8]主要研究了臥式電解加工機(jī)床性能，并進(jìn)行了性能優(yōu)化。文獻(xiàn)[9]針對大長徑比深孔類零件的螺旋線加工，開發(fā)了臥式兩軸聯(lián)動數(shù)控電解加工機(jī)床，成形精度達(dá)到±0.07 mm，表面粗糙度為Ra0.8 μm。文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度。文獻(xiàn)[11]采用有限元分析方法，研究了電解加工機(jī)床靜動態(tài)特性。文獻(xiàn)[12]采用元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論優(yōu)化了床身固有頻率及靜剛度。文獻(xiàn)[13]研制了一種可實(shí)現(xiàn)復(fù)合進(jìn)給的電解加工機(jī)床進(jìn)給裝置，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置滿足設(shè)計(jì)要求。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了用于加工復(fù)雜深長孔類零件的電解加工機(jī)床裝置，加工尺寸誤差小于±0.03 mm，表面粗糙度值達(dá)到Ra0.47 μm。

針對現(xiàn)有導(dǎo)電軸存在發(fā)熱嚴(yán)重，甚至發(fā)生燒蝕的問題，文中提出了一種以對稱銅排引電方案為基礎(chǔ)適用于大型臥式數(shù)控電解加工機(jī)床的導(dǎo)電軸總體結(jié)構(gòu)。通過建立導(dǎo)電軸熱電耦合模型，進(jìn)行導(dǎo)電軸溫度場仿真分析，開展不同工況對導(dǎo)電軸溫度場分布規(guī)律的研究，并提出一種放置冷氣流的方式可優(yōu)化導(dǎo)電軸散熱性能。將設(shè)計(jì)的導(dǎo)電軸應(yīng)用于大型臥式數(shù)控電解加工機(jī)床，以此驗(yàn)證導(dǎo)電軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

1 導(dǎo)電軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 導(dǎo)電軸整體結(jié)構(gòu)

大型臥式數(shù)控電解加工機(jī)床導(dǎo)電軸結(jié)構(gòu)主要由引電部分、支撐部分、旋轉(zhuǎn)密封部分以及其他附屬配件組成，各部分相互協(xié)同配合完成導(dǎo)電軸的導(dǎo)電、旋轉(zhuǎn)、密封等功能。在安裝時，先將基板穿過導(dǎo)電軸軸體，調(diào)整位置，確保支撐組件可以實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)電軸的支撐；將支撐組件通過螺栓固定于地板上，完成導(dǎo)電軸的整體安裝；調(diào)試碳刷架的彈力，使碳刷在壓緊導(dǎo)電軸軸體的同時，導(dǎo)電軸軸體可以旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)電軸整體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 導(dǎo)電軸整體結(jié)構(gòu)模型

1.2 引電結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計(jì)的電路要實(shí)現(xiàn)控制一端旋轉(zhuǎn)，另一端處于靜止的穩(wěn)定可靠引電。碳刷導(dǎo)電是利用彈力將碳刷壓緊在導(dǎo)電軸的周向面上，碳刷固定在基板上，實(shí)現(xiàn)固定件與相對旋轉(zhuǎn)件的引電，圖2為碳刷引電方案原理圖。

圖2 碳刷引電方案原理

改變碳刷或基板的數(shù)量，可以提供不同大小的電流，柔性較高。安裝碳刷架時，可以調(diào)整碳刷架的角度，使其與導(dǎo)電軸軸體的法向方向呈一定角度，使碳刷在旋轉(zhuǎn)的過程中，受力更均勻，整個旋轉(zhuǎn)過程更加穩(wěn)定。采用碳刷引電具體方式如下：從電源負(fù)極引出電流，通過電纜進(jìn)入引電裝置，依靠基板使碳刷和導(dǎo)電軸接入電流，最后導(dǎo)電軸上的電流導(dǎo)向陰極。提出單側(cè)引電和對稱引電兩種銅排放置方案，將碳刷架簡化為碳刷，簡化后的三維模型如圖3所示。

圖3 導(dǎo)電軸引電銅排放置方案

大型臥式數(shù)控電解加工機(jī)床的工作電流最高可達(dá)20 000 A，隨著時間的積累，電流熱效應(yīng)會使電流流經(jīng)區(qū)域產(chǎn)生大量的熱。溫度的升高易使導(dǎo)電軸發(fā)生熱變形，這種變形會使導(dǎo)電軸的定位精度降低，嚴(yán)重時還會使導(dǎo)電軸無法工作。將圖3兩種方案的三維模型文件導(dǎo)入ANSYS軟件中，以此作為電場仿真模型，設(shè)置面接觸系數(shù)來模擬實(shí)際導(dǎo)電過程中碳刷架與基板以及碳刷架與導(dǎo)電軸軸體之間的導(dǎo)電效率，導(dǎo)電軸經(jīng)常發(fā)生故障的位置處于碳刷和導(dǎo)電軸軸體接觸的區(qū)域，為了準(zhǔn)確分析這些位置在工作時的電流情況，對這些位置的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，如圖4所示。

圖4 引電方案網(wǎng)格劃分

在設(shè)置邊界條件時，以引電銅排的側(cè)面作為電流施加的位置，電流的流向?yàn)殂~排到基板，電流憑借碳刷流入導(dǎo)電軸軸體，需要將導(dǎo)電軸的左端面設(shè)置為零電壓，這樣可以保證電流的流向。兩種不同引電方案在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的電場分布情況如圖5所示，單側(cè)引電方案的電場情況如圖5(a)所示，電流密度最大的區(qū)域產(chǎn)生在引電銅排連接基板的位置；由圖5(b)可知，雙側(cè)引電的電流密度最大的區(qū)域同樣產(chǎn)生在引電銅排連接基板的位置，與單側(cè)引電不同的是，采用對稱引電銅排的方案，可以使電場在基板兩側(cè)分布均勻，并大幅度的降低了最大電流密度。

圖5 不同引電方式電流密度分布

對稱銅排引電方案最大電流較小，導(dǎo)電軸結(jié)構(gòu)熱變形顯著減小，可均化電流產(chǎn)生的溫度場分布，使熱膨脹變形均勻，文中選擇對稱銅排引電方案開展研究。

1.3 支撐結(jié)構(gòu)

在導(dǎo)電軸裝置中，支撐結(jié)構(gòu)的作用主要是對導(dǎo)電軸進(jìn)行支撐，并能保證導(dǎo)電軸完成預(yù)定的旋轉(zhuǎn)功能。采用支撐組件對導(dǎo)電軸軸體進(jìn)行支撐旋轉(zhuǎn)，支撐組件由主軸支座、軸承、上支架橫桿和兩側(cè)支撐拉桿組合而成，并用螺母對主軸支座進(jìn)行固定。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電軸軸體的精確定位，依靠支座上的螺栓完成導(dǎo)電軸軸體位置的調(diào)節(jié)，在完成導(dǎo)電軸支撐旋轉(zhuǎn)功能的同時，便于檢修拆卸。

1.4 旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)

導(dǎo)電軸的密封結(jié)構(gòu)采用機(jī)械密封結(jié)合填料密封的組合方式，以保證導(dǎo)電軸在工作過程中的可靠密封。密封結(jié)構(gòu)如圖6所示，密封裝置的一級密封為機(jī)械密封，采用動環(huán)與靜環(huán)相結(jié)合的方式，動環(huán)依靠彈力，壓緊在襯套上，隨導(dǎo)電軸一起旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)依靠張緊力與旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)的外腔殼緊密接觸，與導(dǎo)電軸保持相對靜止，動環(huán)和靜環(huán)之間的接觸面會有一層致密的液體膜，降低了動環(huán)和靜環(huán)之間的摩擦力，實(shí)現(xiàn)密封的同時，完成預(yù)設(shè)的旋轉(zhuǎn)功能；旋轉(zhuǎn)密封裝置的二級密封為填料密封，填充物為有機(jī)合成纖維和碳纖維，有利于旋轉(zhuǎn)密封裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 密封結(jié)構(gòu)

2 導(dǎo)電軸溫度場分析

在進(jìn)行導(dǎo)電軸結(jié)構(gòu)溫度場分析時，為減少計(jì)算量，提高計(jì)算精度，需要將與溫度場無關(guān)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化或做刪除處理。建立的物理三維模型如圖7所示，只考慮在加工過程中有電流經(jīng)過的部件，該模型主要包括導(dǎo)電軸軸體、基板、碳刷、銅排等。

圖7 導(dǎo)電軸溫度場仿真模型

采用ANSYS軟件進(jìn)行導(dǎo)電軸溫度場仿真分析，建立導(dǎo)電軸熱電耦合模型。設(shè)置導(dǎo)電軸和碳刷材料分別為紫銅和石墨，對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，為得到精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果，對這些位置進(jìn)行較細(xì)劃分，其余區(qū)域選用常規(guī)自由四面體網(wǎng)格。添加對流換熱系數(shù)、熱輻射系數(shù)等進(jìn)行求解，并進(jìn)行邊界條件和載荷添加。

2.1 導(dǎo)電軸瞬態(tài)溫度場及熱變形

對導(dǎo)電軸進(jìn)行瞬態(tài)溫度場分析，電解加工一根完整工件的時長為8 h，將仿真過程分為三個階段：① 第一階段，時長600 s，時間步長設(shè)置為10 s；② 第二階段，時長3 000 s，時間步長設(shè)置為30 s；③ 第三階段，時長25 200 s，時間步長設(shè)置為180 s。導(dǎo)電軸溫度場仿真以及熱變形在電流為12 000 A，環(huán)境溫度為23 ℃的條件下進(jìn)行。導(dǎo)電軸在加工過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，電流密度分布如圖8所示，剖面瞬態(tài)溫度場如圖9所示，導(dǎo)電軸熱變形如圖10所示。

圖8 導(dǎo)電軸電流密度圖

圖9 導(dǎo)電軸剖面瞬態(tài)溫度場圖

圖10 導(dǎo)電軸熱變形圖

由圖8可知，電流密度最大的位置在導(dǎo)電軸左端，這是由于碳刷與導(dǎo)電軸連接處面積較小，經(jīng)過所有碳刷的電流匯集于導(dǎo)電軸左端，導(dǎo)致這些位置電流密度相對較高。

由圖9可知，最高溫度出現(xiàn)在導(dǎo)電軸左端，導(dǎo)電軸溫度隨時間推移不斷升高，到2 400 s之后，導(dǎo)電軸整體溫度場的分布不再變化，達(dá)到了穩(wěn)定的狀態(tài)。

由圖10可知，導(dǎo)電軸在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下，最大熱變形區(qū)域?yàn)樽钭蠖嘶宓纳隙?。?dǎo)電軸的整體變形除了與自身的溫度有關(guān)，還受到其他部件形變的影響，即最大熱變形是由自身溫度和其他部件變形綜合影響的結(jié)果。

2.2 加工電流對導(dǎo)電軸溫度場的影響

在初始環(huán)境溫度為23 ℃條件下，分別在加工電流為12 000 A、15 000 A以及20 000 A的工況下，對導(dǎo)電軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場分析，導(dǎo)電軸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的溫度場如圖11所示。

由圖11可知，隨著導(dǎo)電軸加工電流的增大，整體結(jié)構(gòu)的溫度呈現(xiàn)上升的趨勢；導(dǎo)電軸在不同加工電流下，導(dǎo)電軸左端的溫度均遠(yuǎn)大于導(dǎo)電軸右端的溫度。

圖11 不同加工電流下導(dǎo)電軸的溫度場分布

2.3 環(huán)境溫度對導(dǎo)電軸溫度場的影響

加工電流設(shè)置為12 000 A，環(huán)境溫度分別為5,15,25,35 ℃，對導(dǎo)電軸溫度場進(jìn)行分析。導(dǎo)電軸溫度場隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律如圖12所示，隨著環(huán)境溫度的升高，導(dǎo)電軸整體結(jié)構(gòu)的溫度呈現(xiàn)上升的趨勢；在不同環(huán)境溫度下，最高溫度均出現(xiàn)在導(dǎo)電軸左端區(qū)域。

圖12 溫度場分布規(guī)律

3 導(dǎo)電軸散熱性能優(yōu)化

長方體ABCD—EFGH表示導(dǎo)電軸箱體，利用Fluent流體分析軟件建立的仿真模型如圖13所示，通過改善導(dǎo)電軸箱內(nèi)的流場，來改善導(dǎo)電軸的溫度場。將導(dǎo)電軸瞬態(tài)溫度場的穩(wěn)態(tài)溫度，作為導(dǎo)電軸的初始溫度，分析不同散熱方式對導(dǎo)電軸溫度場的改善效果。存在3種散熱方案：① 方案Ⅰ，在箱體平面ABCD處設(shè)置風(fēng)源；② 方案Ⅱ，在箱體平面CDEF處設(shè)置風(fēng)源；③ 方案Ⅲ，在箱體平面ABCD、箱體平面CDEF處同時設(shè)置風(fēng)源。

圖13 導(dǎo)電軸箱體模型

在加工電流為20 000 A以及環(huán)境溫度為23 ℃條件下，不同方案的流場分布如圖14所示。圖14(a)為方案Ⅰ的導(dǎo)電軸周邊流場分布，冷空氣流經(jīng)導(dǎo)電軸后，原本均勻的流場發(fā)生改變，遠(yuǎn)離平面ABCD的一側(cè)，有大量的區(qū)域無法接觸到冷氣流，該區(qū)域溫度明顯高于其他區(qū)域；采取方案Ⅱ的導(dǎo)電軸周邊流場分布如圖14(b)所示，導(dǎo)電軸底部仍存在大量的區(qū)域無法接觸到冷氣流；方案Ⅲ的導(dǎo)電軸周邊流場分布如圖14(c)所示，相較于方案Ⅰ和方案Ⅱ，這種方案使導(dǎo)電軸的大部分結(jié)構(gòu)都可與冷氣流充分接觸，溫度差使導(dǎo)電軸表面的對流換熱系數(shù)增大，軸箱內(nèi)溫度明顯降低。由此可見，方案Ⅲ可顯著改善導(dǎo)電軸散熱性能。

圖14 不同風(fēng)源的流場分布

進(jìn)口處的氣流設(shè)置不同溫度，分析使用制冷設(shè)備后導(dǎo)電軸熱態(tài)特性改善的情況。導(dǎo)電軸表面平均溫度隨進(jìn)口處溫度的不同而變化，如圖15所示，軸箱的平均溫度與進(jìn)口溫度呈線性正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)口處溫度越低，導(dǎo)電軸的平均溫度越低。

圖15 軸箱內(nèi)平均溫度隨進(jìn)口溫度的變化

在原有的導(dǎo)電軸箱體上，增設(shè)制冷設(shè)備，將導(dǎo)電軸安裝于機(jī)床床身上，在導(dǎo)電軸底板和機(jī)床床身之間，設(shè)置絕緣塊，將導(dǎo)電軸裝置與床身進(jìn)行絕緣，保證床身整體的絕緣性。

4 工藝試驗(yàn)

對大型臥式數(shù)控電解加工機(jī)床而言，其加工電流最高達(dá)20 000 A，機(jī)床床身長約16 m，陰極與工件之間的加工間隙僅為0.5～1 mm。驗(yàn)證試驗(yàn)在大型臥式數(shù)控電解加工機(jī)床上進(jìn)行，通過工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證導(dǎo)電軸結(jié)構(gòu)的合理性和穩(wěn)定性。試驗(yàn)采用的加工參數(shù)：加工電壓10～15 V；進(jìn)給速度5 mm·min-1；電解壓力1.5 MPa；電解液溫度30 ℃。

加工完成后的工件實(shí)物如圖16(a)所示，工件切片后的實(shí)物如圖16(b)所示。

圖16 加工工件實(shí)物

對切片的工件按照加工順序進(jìn)行編號，測量并記錄加工工件的尺寸，加工完成后測量的切片尺寸誤差及表面粗糙度的部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 工件編號及測量值

數(shù)據(jù)分析表明，工件成型精度達(dá)到±0.15 mm，表面粗糙度優(yōu)于Ra0.8 μm，能夠很好的滿足實(shí)際加工要求。

5 結(jié) 論

文中對大型臥式數(shù)控電解加工機(jī)床導(dǎo)電軸的結(jié)構(gòu)、溫度場、散熱性能等進(jìn)行分析，得到結(jié)論為

1) 通過建立大型臥式數(shù)控電解加工機(jī)床導(dǎo)電軸有限元模型，對導(dǎo)電軸進(jìn)行溫度場分析，提出了一種基于對稱銅排引電方式的新型導(dǎo)電軸結(jié)構(gòu)。

2) 建立導(dǎo)電軸熱電耦合模型，對導(dǎo)電軸進(jìn)行熱變形分析，結(jié)果表明最大熱變形在基板處，電流對導(dǎo)電軸溫升影響顯著。采用上表面和側(cè)面同時提供氣流的方式可顯著改善導(dǎo)電軸散熱性能。

3) 在工作電流為15 000 A、進(jìn)給速度為5 mm·min-1、連續(xù)加工14 h條件下，可實(shí)現(xiàn)大長徑比異形內(nèi)螺旋深孔類零件的穩(wěn)定可靠加工，加工工件成形精度達(dá)到±0.15 mm，表面粗糙度優(yōu)于Ra0.8 μm。