旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究.pdf

1、電解加工是基于陽(yáng)極溶解的原理來(lái)去除材料的加工方法。電解加工具有加工速度快、表面質(zhì)量好、對(duì)所有導(dǎo)電材料都能加工、工具電極無(wú)損耗等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于三維型面、型腔、異型孔、微小深孔等的加工。
　　超聲加工是利用超聲高頻振動(dòng)的工具頭，并通過(guò)工具頭與工件之間的磨料對(duì)工件被加工表面的撞擊作用及超聲空化作用，使工件材料表面逐步破碎、去除的特種加工工藝。超聲加工不僅適合玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體硅片等非金屬材料的加工，也適合硬質(zhì)合金、淬火鋼等硬脆性金屬材

2、料的加工。
　　超聲加工和電解加工單一工藝的研究及應(yīng)用已有較長(zhǎng)的時(shí)間，并已逐漸成為比較成熟的加工技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外軍事工業(yè)和民用工業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。但具體針對(duì)不同的加工對(duì)象、加工條件和加工要求，在某種程度上也存在不足，表現(xiàn)為加工質(zhì)量差、加工精度不高以及加工效率低等。單一的加工方式已經(jīng)不能有效的完成材料的加工，勢(shì)必要求在原有加工技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。在此背景下，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了復(fù)合加工技術(shù)的研究，以提高加工效率或得到更好的尺寸精度、形狀精

3、度和表面完整性等。超聲電解復(fù)合加工技術(shù)是利用超聲高頻振動(dòng)和空化作用破壞電解加工過(guò)程中工件陽(yáng)極表面所形成的鈍化膜、加速電解液更新和電解產(chǎn)物排除，提高加工速度、電解加工的定域性、加工精度和表面質(zhì)量等。針對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工技術(shù)，本文開(kāi)展了以下研究:
　　1、考慮到電解加工過(guò)程中生成鈍化膜，電解液難以進(jìn)入加工區(qū)及電解產(chǎn)物難以排除等問(wèn)題，提出內(nèi)噴式旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置的總體方案。設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)系統(tǒng)、P0級(jí)平面精度的大理石工作平臺(tái)

4、和電解液工作箱。通過(guò)在大理石工作平臺(tái)鑲嵌金屬填充物，實(shí)現(xiàn)電解液箱與工作平臺(tái)密封連接。利用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、電源和電解液系統(tǒng)等，構(gòu)建了內(nèi)噴式旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置，并對(duì)加工裝置進(jìn)行短路保護(hù)和加工電流采集。
　　2、設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)裝置，提出兩種方案:傳統(tǒng)波長(zhǎng)的振動(dòng)系統(tǒng)和半波長(zhǎng)振動(dòng)系統(tǒng)。基于超聲理論和有限元理論，進(jìn)行了超聲振動(dòng)系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)，應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)比結(jié)果表明，基于局部共振原理設(shè)計(jì)的半波

5、長(zhǎng)振動(dòng)系統(tǒng)具有體積小、旋轉(zhuǎn)阻尼小、回轉(zhuǎn)精度高和工具系統(tǒng)不影響振動(dòng)系統(tǒng)頻率的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)了振動(dòng)系統(tǒng)支架和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)為:頻率20±1 kHz、振幅40-80μm，回轉(zhuǎn)精度≤0.02mm，為后續(xù)的微小深孔旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工奠定了基礎(chǔ)。
　　3、為確定旋轉(zhuǎn)超聲電解加工的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)為確定旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工小孔中陰極是否需要絕緣處理，采用未絕緣不銹鋼毛細(xì)管在非線(xiàn)性電解液硝酸鈉的環(huán)境下分別進(jìn)行了加工電壓、初

6、始端面間隙、進(jìn)給速度、陰極轉(zhuǎn)速和電解液壓力的旋轉(zhuǎn)電解加工和旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工小孔的單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工具有更高的陽(yáng)極溶解速度，陰極不進(jìn)行絕緣處理時(shí)所加工的孔的錐度比較大。通過(guò)對(duì)采集的加工電流以及加工試驗(yàn)結(jié)果的分析，了解加工因素對(duì)孔的錐度的影響。當(dāng)進(jìn)給速度過(guò)大、或初始端面間隙過(guò)小時(shí)會(huì)影響加工的穩(wěn)定性;當(dāng)電解液壓力過(guò)高，會(huì)使電解液反濺，導(dǎo)致工件表面雜散腐蝕嚴(yán)重、陰極發(fā)生抖動(dòng)，同時(shí)電解液升溫過(guò)快，不利于電解液恒溫控制

7、。
　　4、進(jìn)行了內(nèi)噴式旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工小孔試驗(yàn)研究。選取加工電壓、初始端面間隙、進(jìn)給速度、陰極轉(zhuǎn)速和陰極裸露長(zhǎng)度為加工因素，分別進(jìn)行了單因素試驗(yàn)、析因試驗(yàn)和響應(yīng)曲面試驗(yàn)。通過(guò)單因素分析，得到各因素對(duì)側(cè)面間隙、材料去除率以及實(shí)際體積電化當(dāng)量的變化情況，掌握旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工小孔隨各因素水平變化情況，為后續(xù)試驗(yàn)因素水平的選擇提供參考。通過(guò)析因試驗(yàn)，不僅分析了各因素對(duì)側(cè)面間隙、材料去除率影響的顯著性以及因素間的交互作用，同時(shí)還建

8、立了側(cè)面間隙和材料去除率的回歸模型。側(cè)面間隙、材料去除率的回歸模型值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為8.18％和8.82％。由于側(cè)面間隙的數(shù)學(xué)模型存在平方項(xiàng)，通過(guò)響應(yīng)曲面試驗(yàn)，得到了側(cè)面間隙的優(yōu)化回歸模型和最佳工藝參數(shù)，側(cè)面間隙平均相對(duì)誤差為4.96％，提高了回歸模型的預(yù)測(cè)精度。
　　5、對(duì)小孔加工的錐度、穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，對(duì)給定深度的小孔加工，在其他試驗(yàn)條件都確定的條件下，可以通過(guò)控制孔的出口直徑達(dá)到減小錐度的目的，而孔的

9、出口直徑與加工時(shí)間有關(guān)，在孔被加工通后，陰極繼續(xù)進(jìn)給一定的加工深度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)出口直徑的控制。理論上，當(dāng)進(jìn)給的深度為陰極裸露長(zhǎng)度與初始端面間隙的總和時(shí)，出口直徑與入口直徑相等，錐度為零。采用空心管陰極旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工微小深孔容易形成套料加工，在孔的中心形成小凸臺(tái)，引發(fā)冒火花等現(xiàn)象，阻礙了旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工的繼續(xù)進(jìn)行。采用“十字”輔助陰極，可以有效的去除孔底面的小凸臺(tái)，提高了加工穩(wěn)定性。利用內(nèi)噴式旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置加工了小孔試

10、件。所加工的孔徑為Φ4.007mm，深度為67.5mm，加工電流變化平穩(wěn)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工和旋轉(zhuǎn)電解加工對(duì)比，試驗(yàn)證明了旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工有利于電解液更新和電解產(chǎn)物排除，提高了加工表面質(zhì)量。
　　6、基于ANSYS CFX有限元軟件，建立了氣液兩相流氣穴模型，定性分析了陰極旋轉(zhuǎn)和陰極振動(dòng)對(duì)電解加工過(guò)程中流場(chǎng)、電場(chǎng)的影響。陰極旋轉(zhuǎn)使加工區(qū)電解液流速分布均勻，電解液中氣泡隨陰極旋轉(zhuǎn)上升，離開(kāi)工件表面，一部分氣泡隨陰極的轉(zhuǎn)動(dòng)離

11、開(kāi)加工區(qū)，另一部分在陰極底部聚集。陰極較低的轉(zhuǎn)速有利于氣泡離開(kāi)工件表面，增大端面電解溶解速度，但隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，氣泡在陰極外側(cè)和端面積累量越來(lái)越多，電解液電導(dǎo)率下降，使得陽(yáng)極溶解速度降低，有利于減小側(cè)面間隙。陰極振動(dòng)引發(fā)加工區(qū)電解液壓力周期性波動(dòng)，電解液中的氣泡隨陰極振動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)，加速了氣泡離開(kāi)工件表面并沿側(cè)面間隙排出，但隨著振幅的增加，氣泡在孔的底部聚集，使得孔的底部氣體體積分?jǐn)?shù)增多，反而降低了電解加工速度。較大的端面間隙有利于氣