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油箱蓋熱鍛模電解加工工裝設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告 一 選題的目的及意義 基于電解過(guò)程中的陽(yáng)極溶解原理并借助于成型的陰極 將工件按一定形狀和尺寸加工成型的 一種工藝方法 稱為電解加工 采用電解加工實(shí)現(xiàn)模具加工具有表面質(zhì)量好 使用壽命長(zhǎng) 脫模好 成本低的 優(yōu)點(diǎn) 通過(guò) 本課題的設(shè)計(jì) 達(dá)到 1 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)課 技術(shù)基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)課的知識(shí) 分析 解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力 2 鞏固加深擴(kuò)大基本理論和技能 3 受高級(jí)工程技術(shù)人員能力 的訓(xùn)練 調(diào)研 查閱文獻(xiàn) 制定方案 設(shè)計(jì) 撰寫(xiě) 4 創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神 二 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在經(jīng)歷大約20年的低潮后 從20世紀(jì)90年代后期起 電解加工又重新煥發(fā)了生機(jī) 其 研究機(jī)構(gòu)及人員逐漸壯大 應(yīng)用領(lǐng)域 尤其在航天 航空 軍工領(lǐng)域 有所擴(kuò)展 研究成果及 論著數(shù)量激增 工藝技術(shù)水平及設(shè)備性能均達(dá)到了一個(gè)新的高度 1工藝技術(shù)研究 目前 電解加工工藝技術(shù)研究涉及的方向較多 但主要集中在微秒級(jí)脈沖電流加工 微精 加工 數(shù)控展成加工 陰極設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)對(duì)電解加工的影響等五大領(lǐng)域 下面分別加以詳述 1 1微秒級(jí)脈沖電流加工 自20世紀(jì)70年代初起 前蘇聯(lián) 美國(guó) 日本 法國(guó) 波蘭 瑞士 西德等相繼開(kāi)始了 對(duì)脈沖電流電解加工的研究 在國(guó)內(nèi) 多家單位相繼開(kāi)展了毫秒級(jí)脈沖電 流電解加工的研究并成功用于工業(yè)生產(chǎn) 隨著近代功率電子技術(shù)的發(fā)展 新型快速功率電 子開(kāi)關(guān)元件如MOSFET IGBT等出現(xiàn) 使得有可能實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)脈沖電流電解加工 20世紀(jì) 90年代以來(lái) 微秒級(jí)脈沖電流電解加工基礎(chǔ)工藝研究取得突破性進(jìn)展 研究表明 此項(xiàng)新 技術(shù)可以提高集中蝕除能力 并可實(shí)現(xiàn)0 05mm以下的微小間隙加工 從而可以較大幅度地 提高加工精度和表面質(zhì)量 型腔最高重復(fù)精度可達(dá)0 05mm 1 2 3 最低表面粗糙度可達(dá) Ra0 40 1 有望將電解加工提高到精密 加工的水平 而且可促進(jìn)加工過(guò)程穩(wěn)定并簡(jiǎn)化工藝 有利于電解加工的擴(kuò)大應(yīng)用 國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)利用微秒級(jí)脈沖電流開(kāi)展了模具型腔及葉片型面加工 型腔拋光 電 解刻字 電解磨等工藝可行性試驗(yàn)以及氣門(mén)模具生產(chǎn)加工試驗(yàn) 1 3 研究成果進(jìn)一步從工 藝角度證實(shí)了上述結(jié)論 1 2微精加工 從原理上而言 電化學(xué)加工技術(shù)可分為兩類(lèi) 一類(lèi)是基于陽(yáng)極溶解原理的減材技術(shù) 如電 解加工 電解拋光等 另一類(lèi)是基于陰極沉積原理的增材技術(shù) 如電鍍 電鑄 刷鍍等 這兩類(lèi)技術(shù)有一個(gè)共同點(diǎn) 即材料的去除或增加過(guò)程都是以離子的形式進(jìn)行的 由于金屬 離子的尺寸非常微小 10 1nm級(jí) 因此 相對(duì)于其它 微團(tuán) 去除材料方式 如微細(xì)電火花 微細(xì)機(jī)械磨削 這種以 離子 方式去除材料的微去除方式使得電化學(xué)加工技術(shù)在微細(xì)制 造領(lǐng)域 以至于納米制造領(lǐng)域存在著極大的研究探索空間 從理論上講 只要精細(xì)地控制 電流密度和電化學(xué)發(fā)生區(qū)域 就能實(shí)現(xiàn)電化學(xué)微細(xì)溶解或電化學(xué)微細(xì)沉積 微細(xì)電鑄技術(shù) 是電化學(xué)微細(xì)沉積的典型實(shí)例 它已經(jīng)在微細(xì)制造領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用 微細(xì)電鑄是LIGA技 術(shù)一個(gè)重要的 不可替代的組成部分 已經(jīng)涉足納米尺寸的微細(xì)制造中 激光防偽商標(biāo)模 版和表面粗糙度樣塊是電鑄的典型應(yīng)用 5 6 但電化學(xué)溶解 成型 加工的雜散腐蝕及間隙中 電場(chǎng) 流場(chǎng)的多變性嚴(yán)重制約了其加工精度 其加工的微細(xì)程度目前還不能與電化學(xué)沉積 的微細(xì)電鑄相比 目前電化學(xué)微精成型加工還處于研究和試驗(yàn)階段 其應(yīng)用還局限于一些 特殊的場(chǎng)合 如電子工業(yè)中微小零件的電化學(xué)蝕刻加工 美國(guó)IBM 公司 微米級(jí)淺槽加工 荷蘭飛利浦公司 微型軸電解拋光 日本東京大學(xué) 已取得了很好的加工效果 精度已可達(dá) 微米級(jí) 5 微細(xì)直寫(xiě)加工 微細(xì)群縫加工及微孔電液束加工 以及電解與超聲 電火花 機(jī)械等方式結(jié)合形成的復(fù)合微精工藝已顯示出良好的應(yīng)用景 9 12 數(shù)控展成加工 傳統(tǒng)的拷貝式電解加工的陰極設(shè)計(jì)制造困難 加工精度難以保證 尤其對(duì)整體葉輪上的扭 曲葉片之類(lèi)通道狹窄的零件表面 由于受工具陰極剛性及加工送進(jìn)方式的限制 拷貝式電 解加工更難以完成其加工任務(wù) 20世紀(jì)80年代初 以簡(jiǎn)單形狀電極加工復(fù)雜型面的柔性電 解加工 數(shù)控展成電解加工的思想開(kāi)始形成 它以控制軟件的編制代替復(fù)雜的成形陰極 的設(shè)計(jì) 制造 以陰極相對(duì)工件的展成運(yùn)動(dòng)來(lái)加工出復(fù)雜型面 這種加工方法工具陰極形 狀簡(jiǎn)單 設(shè)計(jì)制造方便 應(yīng)用范圍廣 具有很大的加工柔性 適用于小批量 多品種 甚 至單件試制的生產(chǎn)中 80年代中期 前蘇聯(lián)烏法航空學(xué)院特種加工工藝及設(shè)備研究所以 過(guò)程控制為突破口 設(shè)計(jì)了一種柔性電解加工單元 應(yīng)用特殊的電流脈沖波形和高選擇性 的電解液 加工精度達(dá)0 02mm 表面粗糙度達(dá)Ra0 2 0 6 m 波蘭華沙工業(yè)大學(xué)的Kozak 教授于1986年率先提出了電解銑削的思想 以棒狀旋轉(zhuǎn)陰極作類(lèi)似于圓柱狀側(cè)銑刀的成形 運(yùn)動(dòng)來(lái)形成加工表面 成功地應(yīng)用于直升機(jī)旋翼座架型面的加工 加工中采用NaNO3電解 液 精度可達(dá) 0 01 0 02mm 表面粗糙度達(dá)Ra0 16 0 63 m 波蘭Cracow 金屬切削學(xué)院 的A Ruszaj和 J Cekaj教授利用形似球頭銑刀的工具陰極 進(jìn)行了型面光整加工的試驗(yàn)研究 取得了形狀誤差小于0 01mm的加工效果 從而證明了該工藝在模具的光整加工方面具有很好的應(yīng)用價(jià)值 美國(guó) 英國(guó) 俄羅斯都 高度重視數(shù)控電解加工技術(shù)的研究并已得到應(yīng)用 在新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)及航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的 研制中發(fā)揮了重要作用 美國(guó)GE公司的五軸數(shù)控電解加工 美國(guó) 俄羅斯仿形電解加工帶 冠整體葉輪代表了數(shù)控電解加工整體葉輪的國(guó)際先進(jìn)水平 南京航空航天大學(xué)從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始進(jìn)行數(shù)控展成電解加工工藝技術(shù)的研究 已在 電解加工設(shè)備研制 加工機(jī)理研究 控制軟件編制及工藝試驗(yàn)等方面均取得了重要進(jìn)展 7 8 9 具體研究?jī)?nèi)容包括以下幾方面 1 設(shè)備研制 研制了五軸數(shù)控電解加工機(jī)床及配套的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù) 控系統(tǒng) 該機(jī)床具有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸及二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸 各軸均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動(dòng) 多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)為二級(jí)數(shù)控系統(tǒng) 上位機(jī)為一臺(tái)通用計(jì)算機(jī) 用于數(shù)據(jù)處理及生成 數(shù)控加工程序 下位機(jī)為組合在一起的五臺(tái)經(jīng)濟(jì)型二軸數(shù)控單元及其驅(qū)動(dòng)單元 用于驅(qū)動(dòng) 機(jī)床各軸運(yùn)動(dòng) 2 成形規(guī)律研究 研究了棒狀外噴式陰極 三角形截面內(nèi)噴式陰極 矩形 截面內(nèi)噴式陰極三種狀況下展成電解加工間隙隨一些主要工藝參數(shù)變化的規(guī)律 3 陰極設(shè) 計(jì) 針對(duì)整體葉輪結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)制造了不同結(jié)構(gòu)的開(kāi)槽陰極 型面精加工陰極 并通過(guò)工藝 試驗(yàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷改進(jìn) 現(xiàn)已設(shè)計(jì)出了新穎結(jié)構(gòu)的組合式開(kāi)槽陰極及矩形截面整體式 型面精加工陰極 很好地解決了加工過(guò)程中易產(chǎn)生的陰極短路燒傷問(wèn)題 4 加工軟件開(kāi)發(fā) 針對(duì)整體葉輪的開(kāi)槽加工及型面精加工 開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的數(shù)控展成電解加 工軟件 具有葉片型面的數(shù)據(jù)處理 數(shù)控加工的展成運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算及整體葉輪的三維型面 幾何造型等功能 5 加工工藝試驗(yàn) 包括直紋面 非直紋面整體葉 渦 輪及帶冠整體葉輪的展成電解加工 葉片型面電解拋光與五軸聯(lián)動(dòng)電解磨削等 試驗(yàn)表明 工藝過(guò)程穩(wěn)定可靠可以獲得較高的 加工精度和較低的表面粗糙度 陰極設(shè)計(jì) 目前的生產(chǎn)實(shí)際中 多采用迭代試驗(yàn)修正法來(lái)制作陰極 這不僅浪費(fèi)人力物力 而且要求 操作者具備豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和很高的技術(shù)水平 同時(shí)也大大延誤了生產(chǎn)周期 增加了制造 成本 特別是對(duì)于形狀復(fù)雜和精度要求較高的零件 陰極設(shè)計(jì)問(wèn)題已成為影響電解加工應(yīng) 用的一個(gè)重要原因 南京航空航天大學(xué)研究設(shè)計(jì)了陰極設(shè)計(jì)CAD CAE CAM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框 架以及開(kāi)發(fā)策略 該系統(tǒng)基于專(zhuān)家系統(tǒng) 結(jié)合專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員和領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)來(lái)優(yōu)選工藝 參數(shù) 并且采用基于自由邊界的數(shù)值算法 保證算法的收斂性 10 南京航空航天大學(xué)還提 出了一種基于正問(wèn)題數(shù)值求解模擬 試驗(yàn)修整 進(jìn)行陰極設(shè)計(jì)的方法 該方法將生產(chǎn)實(shí)際 中制造陰極的過(guò)程再現(xiàn)于計(jì)算機(jī)上 采用有限元求解拉普拉斯方程得到加工間隙中的電位 分布 通過(guò)不斷地將獲得的等位線與理想工件邊界進(jìn)行比較 將得到的差值映射到陰極端 用來(lái)指導(dǎo)陰極的修整 直到工件陽(yáng)極端的差值小于所允許的值 該 設(shè)計(jì)方法具有易于處理復(fù)雜邊界 收斂性好 精度高的特點(diǎn) 11 合肥工業(yè)大學(xué)也提出了應(yīng)用陰極設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表來(lái)進(jìn)行陰極設(shè)計(jì)的方法 通過(guò)合理設(shè)計(jì)工藝試 驗(yàn) 獲取了特征部位的加工間隙偏差值 據(jù)此計(jì)算出各特征部位對(duì)應(yīng)陰 極處的附加修正量 在此基礎(chǔ)上 建立五種陰極設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表 為陰極設(shè)計(jì)提供了豐富的修 正數(shù)據(jù) 在此基礎(chǔ)上 可望建立陰極設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù) 12 磁場(chǎng)提高電解加工精度的研究這項(xiàng)技術(shù)早期研究較多的是磁場(chǎng)對(duì)電解磨削 電解拋光的影 響 近年來(lái) 國(guó)內(nèi)開(kāi)展了電解成型加工疊加磁場(chǎng)的研究 西北工業(yè)大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)加工 對(duì)象是鈦合金或者是在NaCl電解液中加工45鋼時(shí) 磁場(chǎng)可以顯著減少雜散腐蝕 提高加工 精度 而在NaNO3 電解液中加工45鋼則效果甚微 13 西安工業(yè)學(xué)院進(jìn)行了磁場(chǎng)影響電場(chǎng) 的仿真試驗(yàn)及在電解加工裝置上疊加磁場(chǎng)的加工工藝試驗(yàn) 試驗(yàn)表明 電解加工過(guò)程中疊 加磁場(chǎng)會(huì)改變?cè)须妶?chǎng)分布 進(jìn)而改變間隙流場(chǎng)的分布 從而有利于解決以往電解加工過(guò) 程中的雜散腐蝕現(xiàn)象 提高電解加工的質(zhì)量 只有在疊加磁場(chǎng)方向垂直于電場(chǎng)方向且N 極指 向電場(chǎng)疊加磁場(chǎng)時(shí) 對(duì)電場(chǎng)均布有較明顯的作用 14 此外 采取切割流線的方向疊加磁 場(chǎng) 洛侖茲力的作用有利于成股的束流展開(kāi) 磁場(chǎng)可以減小電解液的粘度 改善其流動(dòng)性 能 有利于及時(shí)排走電解產(chǎn)物和熱量 改善加工條件 提高加工穩(wěn)定性 15 除了上述五大研究方向之外 帶冠整體葉輪加工 周期循環(huán)電解加工 數(shù)控銑床電解加工 脈沖電解加工間隙測(cè)控方法 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電解加工精度預(yù)測(cè)模型 電解加工中管理 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)等工藝技術(shù)的研究均有所創(chuàng)新或突破 三 本課題的研究手段和預(yù)期結(jié)果 1 研究?jī)?nèi)容 1 查閱文獻(xiàn)資 料 詳細(xì)研究零件圖 了解零件的結(jié)構(gòu) 2 根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)選取毛坯的種類(lèi)和制造方法毛坯余量的選擇 3 制定工藝規(guī) 程和可行性分析 4 選擇粗精基準(zhǔn) 計(jì)算和選擇金屬切削機(jī)床的技術(shù)參數(shù) 5 根據(jù)電解加工工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工序過(guò)程中的專(zhuān)用夾具 2 本課題可能遇到的問(wèn)題及其研究方法 1 在剛開(kāi)始的時(shí)候工序的劃分以及定位基準(zhǔn)會(huì)比較難選擇 所以就在過(guò)程中腰認(rèn)真分析零 件圖 了解電解加工工裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相關(guān)的技術(shù)要求而加工工序要根據(jù)生產(chǎn)類(lèi)型 零件的 結(jié)構(gòu)來(lái)認(rèn)真分析 2 在夾具設(shè)計(jì)的時(shí)候也可能遇到問(wèn)題 比如工件的定位是否正確 定位精度是否滿足要求 等等 所以要調(diào)查現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外比較先進(jìn)的電解加工工裝結(jié)構(gòu) 從整體上把握設(shè)計(jì)的方向 了解電解加工工裝的加工工藝規(guī)程及夾具的設(shè)計(jì)原理 3 通過(guò)大量的資料 研究零件的結(jié)構(gòu) 選擇合適的加工方法 及選擇合理的基準(zhǔn)和工序安排 4 熟悉夾具的結(jié)構(gòu)選擇合理的機(jī)床及裝夾設(shè)備 確定加工余量和工序 進(jìn)行精細(xì)的準(zhǔn)確的 尺寸計(jì)算 和時(shí)間的估算 3 課題預(yù)期結(jié)果 1 了解了電解加工工裝的作用 完成對(duì)零件的結(jié)構(gòu)分析 并制作出合理的夾具及裝夾方案 2 在保證經(jīng)濟(jì)和尺寸精度的要求下制定出合理的加工方法及加工工序 3 在老師的要求下及自己的計(jì)劃內(nèi)完成各項(xiàng)任務(wù) 4 完成課題所需的工作條件 在前期得做好各項(xiàng)準(zhǔn)備 要查閱大量的文獻(xiàn)了解電解加工工裝的結(jié)構(gòu) 并在 CAD PRO E 上畫(huà)出這個(gè)零件 認(rèn)真去了解他的結(jié) 構(gòu) 這當(dāng)中就需要一些工具書(shū)比如機(jī)械加 工工藝手冊(cè) 夾具設(shè)計(jì)圖冊(cè) 刀具設(shè)計(jì)手冊(cè)以及有關(guān)教材及參考資料 最后如果有需要 還可 以選擇去工廠調(diào)研 以上條件具備完成本課題所需的工作條件 四 研究進(jìn)度 第 1 第 2 周 完成收集資料 開(kāi)題報(bào)告 文獻(xiàn)綜述及外文翻譯等 第 3 第 5 周 根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和尺寸要求 完成工藝規(guī)程設(shè)計(jì) 第 6 第 9 周 工藝裝備設(shè)計(jì) 第 10 第 12 周 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 13 周 畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 五 主要參考文獻(xiàn)資料 1 于勇 我國(guó)機(jī)械制造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向 J 山西焦煤科技 2010 S1 75 76 2 應(yīng)雷 淺 談我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的困境和發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)策 J 科技資訊 2010 27 112 3 侯志楠 淺析機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展歷程 現(xiàn)狀及趨勢(shì) J 2010 20 4 濮良貴 紀(jì)名剛 機(jī)械設(shè)計(jì) M 高等教育出版社 2006 5 黎震 朱江峰 先進(jìn)制造技術(shù) M 北京理工大學(xué)出版 2009 6 鄭修本 機(jī)械制造工藝學(xué) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2007 7 徐鴻本 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè) M 遼寧 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社 2004 8 聞邦椿 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第 5 版 第 1 卷 機(jī)械工業(yè)出版社 2010 9 張捷 機(jī)械制造技 術(shù)基礎(chǔ) M 西南交通大學(xué)出版社 2006 10 盧秉桓 機(jī)械制造基礎(chǔ) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2008 11 王先逵 機(jī)械制造工藝學(xué) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 12 Handbook of Machine Tools Manfred weck J 2005 13 Boyes W E Jigs and Fixture America SME J 2006