閉式構(gòu)件電解加工陰極設(shè)計(jì)研究

李 博，黎云玉，唐 霖,范植堅(jiān)

(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)

閉式構(gòu)件腔體形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)狹窄，使用刀具很難對(duì)其進(jìn)行加工，單純地采用電火花加工，雖然能夠解決加工問題，但是加工成本高、周期長(zhǎng)，電極易損壞等問題較為突出。如果在電火花加工之前，在留有均勻的加工余量的基礎(chǔ)上，先采用電解加工進(jìn)行預(yù)加工，則效率會(huì)大大提高。本文在分析高壓殼體狹窄腔體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)電解預(yù)加工陰極進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1 加工對(duì)象與陰極設(shè)計(jì)

1.1 加工對(duì)象

本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓閉式構(gòu)件為例，根據(jù)零件圖紙?jiān)赨G平臺(tái)建模環(huán)境下建立被加工零件的實(shí)體模型，如圖1所示，被加工零件腔體扭曲，但流道孔的形狀具備刀具的可達(dá)性，零件為圓周對(duì)稱結(jié)構(gòu)，10個(gè)不規(guī)則型腔均勻分布在圓周上，在加工零件時(shí)很難確定加工基準(zhǔn)，因此將加工基準(zhǔn)放在電解加工工裝上。

圖1 零件結(jié)構(gòu)

1.2 陰極的設(shè)計(jì)

1.2.1型面設(shè)計(jì)

成型規(guī)律，即加工間隙沿工件成型面隨時(shí)間的分布規(guī)律，是進(jìn)行陰極型面設(shè)計(jì)的基本依據(jù)[1-3]。電解成型規(guī)律有3種：平板加工、型孔加工和變截面加工[1,3]。根據(jù)本文所加工腔體的形狀，陰極型面需要采用cosθ法按變截面加工成型規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)。

假定忽略時(shí)間的影響，當(dāng)陰極沿著Z軸進(jìn)給、速度為V時(shí)，陰極的變截面型面的法線方向速度Vn并不等于V，陰極曲面上任意點(diǎn)的法向進(jìn)給速度與沿Z軸的進(jìn)給速度存在以下的關(guān)系：

Vn=Vcosθ

(1)

(2)

式中：U為加工電壓，V；η為電流效率；Δb為法向平衡間隙，mm；?為體積電化學(xué)當(dāng)量，cm3/(A·S)或cm3/(A·min)；κ為電解液的電導(dǎo)率，Ω/cm；Vn為陽(yáng)極溶解速率，mm/min；δE為陰、陽(yáng)極電極電位總和；Δn為法向間隙。

如圖 2 所示，在所需加工工件表面某一點(diǎn)引一條法線及一條與進(jìn)給方向平行的直線，在這條與進(jìn)給方向平行的直線上取一段長(zhǎng)度等于平衡間隙Δb的線段，從其端點(diǎn)作一條與進(jìn)給方向垂直的線，求出它與法線的交點(diǎn)，該點(diǎn)即為工具陰極型面上一個(gè)相應(yīng)點(diǎn)(x1，y1)，這段法線長(zhǎng)度為Δb/cosθ，它與由式Δn=Δb/cosθ計(jì)算的法向間隙相等，依次類推，求出許多點(diǎn)，即得到所需工具陰極的型面[4-6]。

圖2 cosθ法設(shè)計(jì)陰極的原理

由圖1可知，被加工腔體型面為曲面，觀察被加工零件型腔的縱切面，型腔的深度為135 mm。將零件腔體的兩個(gè)型面從側(cè)面投影為二維圖形，將加工型面流道投影曲線加工區(qū)域均分為20等份，作每一等分點(diǎn)的法線，并與型腔的中心線相交，以被加工零件的型面投影曲線均分的每一點(diǎn)為圓心，1 mm為半徑畫圓，再作每一個(gè)圓的豎直方向的切線，從cosθ法的原理可以知道，該方法得到的每條切線和法線相交的點(diǎn)就是所求陰極型面的點(diǎn)，點(diǎn)數(shù)據(jù)圖如圖3所示。

圖3 陰極型面點(diǎn)數(shù)據(jù)圖

利用插值法在MATLAB平臺(tái)上將數(shù)據(jù)密化[7-8]，所求的每個(gè)數(shù)據(jù)之間間隔0.01 mm,共得到陰極型面上500個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。將所求出的陰極的500個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)輸入U(xiǎn)G中，擬合出陰極型面曲線，由零件腔體形狀以及陰極型面曲線，拉伸出陰極的毛坯體,如圖4所示。

圖4 UG拉伸出的外流道加工陰極毛坯

1.2.2陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陰極結(jié)構(gòu)包括兩部分，即具有開槽功能的錐頭部分以及修形曲面部分。陰極咽喉部至排氣口的截面由小變大，最窄處的寬度為 12.6 mm，從咽喉部至曲線部分長(zhǎng)為 36.7 mm，如圖5所示，因此錐頭的設(shè)計(jì)寬度可大致為 9 mm。電解液為 NaNO3，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，超過1.5 mm處電解作用很微弱，故本文設(shè)切斷間隙為1.5 mm，再預(yù)留0.4 mm的余量。

圖5 腔體關(guān)鍵數(shù)據(jù)

將開槽的錐頭部分與修形的曲面部分用光滑的曲線連接起來，形成封閉曲線，拉伸得到陰極毛坯，再通過旋轉(zhuǎn)、鏡像、布爾運(yùn)算等一系列操作，為陰極毛坯件加上莫式椎體、加工剖光圈、通液孔(槽)等，如圖6所示，至此得到集開槽、拷形為一體的陰極。

圖6 陰極結(jié)構(gòu)

2 工藝實(shí)驗(yàn)

在四軸CNC電解加工機(jī)床上，對(duì)于粗加工電解工序，確保加工過程穩(wěn)定是最重要的工藝要求。加工過程穩(wěn)定就是要確保加工間隙的穩(wěn)定，因此加工參數(shù)的確定必須能夠使電解加工間隙穩(wěn)定，否則將發(fā)生陰極短路。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終確定了電解加工主要加工條件及參數(shù)。圖7所示為電解加工現(xiàn)場(chǎng)以及加工后的零件，所用設(shè)備及技術(shù)參數(shù)為：DJK-160數(shù)控電解加工機(jī)床；可調(diào)頻電源，電壓9.5 V；進(jìn)給速度0.8 mm/s ；加工電流80～500 A；電解液溫度(35±2) ℃；初始加工間隙0.5 mm；電解液為10%NaNO3+12%NaClO3溶液。工件材料為304不銹鋼。

圖7 加工現(xiàn)場(chǎng)

3 陰極修正

3.1 陰極修正的必要性

采用cosθ法設(shè)計(jì)陰極時(shí)對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)等模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理[9]，故使用設(shè)計(jì)的陰極加工出的型腔尺寸與理論尺寸有誤差，因此需根據(jù)加工輪廓尺寸與理論尺寸之間的關(guān)系對(duì)陰極進(jìn)行修正，直至滿足零件的精度要求。

3.2 修正方法

如圖8所示，B為理論輪廓面，C為根據(jù)B設(shè)計(jì)的陰極輪廓面，用C加工出的實(shí)際輪廓面為A，D為根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)C進(jìn)行修正的結(jié)果。在B上取更多的點(diǎn)，以獲得更多的修正點(diǎn)，將修正點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲線擬合，獲得修正陰極的輪廓面[10]。所選取的點(diǎn)越密，獲得的曲線越精確。

圖8 陰極修正示意圖

3.3 陰極輪廓面(型面)修正

如圖9所示，以環(huán)形槽的弧形表面為基準(zhǔn)，5 mm為間隔取點(diǎn)并測(cè)量腔體加工深度，測(cè)量方向垂直于進(jìn)給方向。在多次測(cè)量基礎(chǔ)上取平均值，并運(yùn)用UG模塊測(cè)量理論深度，據(jù)此計(jì)算加工型面與理論型面的誤差值Dm以及補(bǔ)償量dm。

圖9 加工誤差值的測(cè)量

表1是在10%NaNO3+12%NaClO3的電解液、電壓為9.5 V、電解液壓力為0.5 MPa、初始加工間隙為0.5 mm、進(jìn)給速度為0.9 mm/min、溫度為(35±2) ℃條件下測(cè)量的數(shù)據(jù)。

表1 型面加工誤差 單位：mm

在UG中對(duì)陰極型面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)按上述方法進(jìn)行補(bǔ)償，得到修形點(diǎn)，各修形點(diǎn)的坐標(biāo)見表2。

表2 修形點(diǎn)坐標(biāo)值 單位：mm

與陰極設(shè)計(jì)方法類似，在MATLAB中將修正點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行插值和密化，將所有點(diǎn)在MATLAB中進(jìn)行擬合，導(dǎo)入U(xiǎn)G中，得到修正后的型面，如圖10所示。

圖10 陰極型面修正

由圖可知，修正后修正線更接近零件圖紙的理論線，材料被更多地移出，剩下的加工余量更小，在電解工藝參數(shù)不變的前提下，經(jīng)過進(jìn)一步試驗(yàn)加工，加工的零件如圖11所示。

圖11 修正陰極加工的型腔

采用游標(biāo)卡尺、深度尺和超聲波測(cè)厚儀測(cè)量腔體的壁厚，結(jié)果見表3，修正后腔體的尺寸均在產(chǎn)品圖紙尺寸要求范圍內(nèi)。

表3 腔體尺寸 單位：mm

4 結(jié)束語(yǔ)

閉式構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料硬度高，加工十分困難,為了維持電解加工過程中陰極與零件間良好的間隙流場(chǎng)，電解加工陰極的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。本文從加工零件三維幾何造型、加工間隙的空間分布、進(jìn)給方向選擇等方面入手，采用cosθ法進(jìn)行了構(gòu)件電解加工陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)研究，結(jié)果顯示，對(duì)于型腔復(fù)雜的閉式構(gòu)件，其電解加工陰極的設(shè)計(jì)要以其型面作為模型進(jìn)行成形復(fù)制，陰極設(shè)計(jì)的精度和自動(dòng)化程度對(duì)腔體成型的精度和生產(chǎn)效率有至關(guān)重要的影響。