閉式構(gòu)件內(nèi)腔體陰極設(shè)計與試驗驗證

摘 "要：不規(guī)則內(nèi)腔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、狹窄和深長，加工十分困難。通過對零件圖紙進(jìn)行分析，借助UG平臺基于θ提出了陰極的設(shè)計方案。對加工間隙處兩側(cè)電解液會出現(xiàn)嚴(yán)重溢流，導(dǎo)致中間處電解液不足而“短路”的現(xiàn)象，運用COMSOL軟件對陰極的過液孔兩種方案進(jìn)行模擬仿真，通過有限元的分析比較以及試驗驗證，優(yōu)化過液孔布置方案，滿足了電解加工的要求。

關(guān)鍵詞：不規(guī)則；電解加工；陰極

中圖分類號：TH122 """""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design and Experimental Verification of Cathode for Closed Component Inner Cavity

YANG Haijuan1， LI Bo2， MU Qian2

（1. School of Transportation Engineering， Xian Vocational

University of Automobile， Xian 710038， Shaanxi， China;

2. Engineering Training Center， Xian polytechnic University，

Xian 710600， Shaanxi， China）

Abstract： The irregular inner cavity structure is complex， narrow， and deep， which makes machining very difficult， a cathode design scheme was proposed based on the θ using the UG platform through the analysis of part drawing;In view of the phenomenon that electrolyte on both sides of the machining gap will overflow seriously， resulting in insufficient electrolyte in the middle and “short circuit”， COMSOLsoftware is used to simulate the two schemes of the cathode through the liquid hole.Through finite element analysis， comparison， and experimental verification， the optimized scheme met the requirements of electrochemical machining.

Key words： irregular; electrochemical machining; cathode

0 "引 "言

隨著航空、航天領(lǐng)域競爭的愈益激烈，對更高性能的發(fā)動機的需求越發(fā)迫切。閉式構(gòu)件零件數(shù)目少、重量輕、結(jié)構(gòu)強度高，提高了發(fā)動機的推重比，但閉式構(gòu)件形狀復(fù)雜、材料硬度高、加工難度大，限制了發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展。電解加工以其“以柔克剛”的優(yōu)勢，解決了閉式構(gòu)件材料加工難的問題，而陰極作為電解加工的刀具，其設(shè)計好壞與零件產(chǎn)品的質(zhì)量直接相關(guān)。

1 "零件結(jié)構(gòu)

根據(jù)二維零件圖紙，使用UG軟件創(chuàng)建了立體圖，如圖1所示。根據(jù)實體模型，可以發(fā)現(xiàn)閉式構(gòu)件內(nèi)腔體的截面存在扭曲，導(dǎo)致刀具難以到達(dá)加工區(qū)域。因此，這對陰極的設(shè)計和工藝提出了更高、更精準(zhǔn)的要求。

2 "陰極的設(shè)計

電解加工要解決兩個問題，分別為陽極溶解成型問題和陰極設(shè)計問題［1-2］。

針對內(nèi)腔體陰極的設(shè)計問題，采用cosθ法借助MATLAB編程來求解陰極底部型面，從而獲得更精確的陰極形狀。

2.1 "cosθ法的簡介

陰極設(shè)計是在已知零件尺寸前提下，基于零件表面平衡間隙值反求對應(yīng)陰極形狀［3-4］。根據(jù)工件尺寸與平衡間隙值相比較，確定陰極尺寸，cosθ法是在平衡間隙法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，得出陰極形狀。

1） cosθ法

根據(jù)法拉第定律和加工的平衡條件，陰極和陽極關(guān)系如下。

2.2 "陰極

1） 平衡間隙計算

2） 陰極型面確定

由于形狀改變會導(dǎo)致傾角的變化，所以需要確定法向間隙。在被加工零件的表面上隨意選取一個點，并畫一條與進(jìn)給方向平行的法線。在該平行線上選擇一個平衡間隙，以長的那個端點為起點作一條與法線垂直的線，找到它與法線的交點［6-7］。按照此方法，每隔1mm取一次數(shù)據(jù)，一共取72個數(shù)據(jù)點。這些數(shù)據(jù)點的坐標(biāo)可以在表1中找到。然后把這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行計算，最后將計算結(jié)果導(dǎo)入UG，從而得到了陰極曲線的擬合結(jié)果。

如圖3所示，通過采用相同的方法，可以進(jìn)一步精確擬合陰極曲線?？梢栽谇€上每隔0.05mm的位置插入一個點，以得到更精確的陰極曲線。在表2中，可以找到需要進(jìn)行插值的一些數(shù)據(jù)，在UG中使用擬合技術(shù)將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入，從而生成一條二次曲線，具體見圖4。

3） 內(nèi)腔體陰極

擬合出陰極三維模型如圖5（a）所示，實物如圖5（b）所示。

2.3 "過液孔

電解加工中，若電解加工間隙的流場不均勻，可能導(dǎo)致工件出現(xiàn)流紋甚至造成燒傷，因此，陰極過液孔分布設(shè)計具有重要意義。

2.3.1 "過液孔設(shè)計

為了確保內(nèi)腔體加工間隙的電解液充分，在設(shè)計時要求進(jìn)水面積S1要大于過水面積S0，而過水面積要大于出水面積S2，即S1gt;S0gt;S2［8-9］。進(jìn)液孔直徑為14mm，出液流量為進(jìn)液流量的2/3，可計算出過液孔直徑約為8mm，故進(jìn)水面積為：

S1=π×r2=3.14×72=154（mm2）。

出水面積為：

S2=2×π×r2=2×3.14×42=100（mm2）。

取平均值127mm2，兩種過液孔的分布如表3所示。

加工開始時，工件首先與陰極的左側(cè)接觸，此時間隙較小，而右側(cè)的間隙則比較大。方案B的設(shè)計原則是在小間隙處設(shè)置大而密的過液孔，而在大間隙處設(shè)置相反的過液孔。

2.3.2 "過液孔初始方案模擬

經(jīng)過對設(shè)計的兩種過液孔分布進(jìn)行加工間Φ1孔，均勻分布本著小間隙處電解液多的原則，在小間隙處長26.25mm處均勻分布了107個Φ1孔，長16.75mm處分布了27個Φ0.8孔，長24mm 處分布了20個Φ0.8孔，孔由稠密到稀疏排布隙流場仿真，方案B在小間隙處的最大流速為45m/s，高于方案A中的30m/s，因此可以認(rèn)為方案B的孔分布較為好。

3 "工藝試驗

如圖8所示，所用設(shè)備及技術(shù)參數(shù)：機床為DJK-160 數(shù)控電解加工機床；電源為可調(diào)頻電源，電壓為9.5V；進(jìn)給速度為0.8mm/s；加工電流為80～500A，電解液溫度為35℃，初始加工間隙為0.5mm；電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% NaNO3+12% NaClO3。

4 "陰極過液孔的優(yōu)化

如圖10（a）所示，將孔分布方案B的陰極左段21個Φ1孔改換長27.6mm寬0.8mm的槽，右段增加10個Φ0.8孔，翼處增加兩個Φ0.8孔，得到如孔分布方案C。如圖10（b）所示，在初始加工位置，方案C在小間隙的初始速度為45m/s，大于方案B的小間隙處速度40m/s。滿足了剛開始加工時要求小間隙處水量充足的條件，同時，方案C在中間部分出現(xiàn)電解液流速小于5m/s的區(qū)域極少，使加工間隙流場得到了較好的改善。陰極工作面完全切入工件的仿真結(jié)果如圖10所示。與圖7相比，區(qū)域Ⅰ、Ⅱ得到改善，如圖10（b）所示。圖10（c）中，小間隙處最大流速為55m/s小于圖7（b）小間隙處流速60m/s，即小間隙處向兩側(cè)溢出電解液問題得到改善，并且圖10（c）大間隙處流速得到提高，有利于滿足后續(xù)加工大間隙電解液的需求。相比之下，方案C的設(shè)計最好。

5 "結(jié) "論

閉式構(gòu)件內(nèi)腔體結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，在分析內(nèi)腔體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于θ法進(jìn)行了陰極的設(shè)計，并借助UG和COMSOL軟件分別對三種不同陰極端面過液孔分布進(jìn)行了模擬仿真，在分析加工零件成型結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了優(yōu)化，得出以下結(jié)論。

（1） 基于平衡間隙法，通過對腔體的分析，采用θ法設(shè)計擬合出陰極的結(jié)構(gòu)和形狀。

（2） 基于COMSOL對兩種陰極設(shè)計端面進(jìn)行仿真分析，孔分布方案B相對于方案A加工間隙流場更均勻。在滿足條件的情況下，首選孔分布B方案。

（3） 通過工藝實驗驗證，在優(yōu)化方案B的基礎(chǔ)上，采用孔分布方案C所加工零件的形狀和尺寸的滿足要求，加工過程比較穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

［1］干為民，徐家文.數(shù)控展成電解磨削加工的機理研究［J］.電加工與模具，2005（5）：12-15.

GAN W M， XU J W. Research on mechanism of numerically controlled electrochemical contour evolution grinding［J］.Electromachining amp; Mould，2005（5）：12-15.

［2］王軍.閉式整體葉輪數(shù)控電解加工工藝試驗研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

WANG J. Experimental study on CNC electrochemical processing technology for closed integral impeller ［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010.

［3］陳修文.整體葉盤電解加工的流場仿真與試驗［D］.南京：南京航空航天大學(xué)， 2012.

CHEN X W. Simulation and experiment of flow field in electrochemical machining of integral bades ［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2012.

［4］劉潔.大型整體葉輪數(shù)控電解加工的陰極設(shè)計及工藝試驗［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

LIU J. Cathode design and process testing of CNC electrochemical machining for large integral impellerss ［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2008.

［5］王超恒.整體葉輪數(shù)控電解加工設(shè)備研制及工藝試驗［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

WANG C H. Development and process testing of CNC electrochemical machining equipment for integral impellers ［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2012.

［6］范植堅.變截面異型螺旋型腔電解加工流場分析［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014（2）：34-36.

FAN Z J. Analysis of flow field in electrochemical machining of irregular spiral cavities with variable cross sections ［J］. Journal of Xian Technological University，2014（2）：34-36.

［7］王軍，趙建設(shè).閉式整體葉輪葉間流道電解加工陰極設(shè)計［J］.中國機械工程學(xué)報，2010（12）：21-25.

WANG J， ZHAO J S. Cathode design in electrochemical machining of cavities among blades of closed integral impeller ［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2010（12）：21-25.

［8］李博，楊森.異形內(nèi)腔體電解裝置的分析及試驗［J］.模具技術(shù)，2019（5）：42-47.

LI B， YANG S. Analysis and experiment of electrolytic device with irregular inner cavity ［J］. Die and Mould Technology，2019（5）：42-47.

［9］康保印.閉式整體渦輪電解加工工裝夾具設(shè)計與實驗［J］.制造技術(shù)與機床，2021（3）：149-153.

KANG B Y. Design and experiment of electrochemical machining device for closed integral turbine ［J］. Manufacturing Technology and Machine Tool，2021（3）：149-153.

基金項目：陜西省教育廳自然專項科研計劃項目（編號：23JK0466）；2022中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技指導(dǎo)性計劃項目（編號：2022068）。

作者簡介：楊海娟，工程師，主要從事機械制造自動化、特種加工方面的研究。

（1.西安汽車職業(yè)大學(xué) "交通運輸工程學(xué)院，陜西 "西安 "710038；2.西安工程大學(xué) "工程訓(xùn)練中心，陜西 "西安 "710600）