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1 聯(lián)接環(huán)鍛模電解加工工裝設(shè)計(jì)開題報(bào)告 一 選題的目的及意義 基于電解過程中的陽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)和專業(yè)課的知識(shí) 分析解決工程技術(shù)問題的能力 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 4 創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神 二 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1 電解加工原理 電解加工 Electrochemical Machining ECM 是利用陽極溶解的原理并借助于成型 陰極將工件按一定的形狀和尺寸加工成型的一種加工工藝方法 其理論基礎(chǔ)是 1834 年法拉第 發(fā)現(xiàn)的金屬陽極溶解基本定律 即法拉第定律 圖 1 1 所示為電解過程示意圖 圖中顯示金 屬鐵電解的過程 它由電解質(zhì)溶液 直流電源 連接電源正極的工件陽極 連接電源負(fù)極的 工具陰極組成 當(dāng)接通電源后 電解反應(yīng)并未開始就發(fā)生 只有當(dāng)電壓升高到臨界值 分解 電壓 后 電解過程才開始 在陰極處開始有氣泡生成 在陽極處開始有電解產(chǎn)物出現(xiàn) 圖 1 1 電解加工過程示意圖 在陰極和陽極的電極 溶液界面上發(fā)生主要電化學(xué)反應(yīng)過程為 陽極一側(cè) 2 Fe Fe2 2e 陽極溶解 Fe2 2OH O2 Fe OH 2 淡綠色絮狀物 4Fe OH 2 2H2O O2 4Fe OH 3 紅棕色絮狀物 陰極一側(cè) 2H 2e H2 逸出氫氣 如果陽極只發(fā)生陽極溶解而沒有析出其它物質(zhì) 則根據(jù)法拉第第一定律 陽極溶解的金 屬質(zhì)量為 M kQ kIt 陽極溶解的金屬體積為 V M KIt It 從電解加工的試驗(yàn)中可以得出 實(shí)際加工過程陽極金屬的溶解量并不和理論的計(jì)算量相 同 通常是理論計(jì)算量會(huì)大于實(shí)際的溶解量 極少數(shù)情況也會(huì)發(fā)生實(shí)際溶解量大于理論計(jì)算 量的情況 其原因是在理論計(jì)算時(shí) 采用了 陽極只發(fā)生確定原子溶解而沒有其它物質(zhì)析出 這一假設(shè) 而實(shí)際加工情況是 1 實(shí)際溶解的原子價(jià)比計(jì)算用的原子價(jià)要高或低 2 除金屬溶解外還有一些副反應(yīng)消耗了一部分電流 3 金屬有時(shí)在電解加工過程中由于材料組織不均勻或金屬材料與電解液的匹配不當(dāng)發(fā)生 剝落而不是完全由金屬均勻溶解所致 為了表示這個(gè)實(shí)際和理論的差別 引入電流效率概念來表示實(shí)際溶解金屬所耗用的電量 和通過陽極總電量的比例關(guān)系 電流效率 定義為 理論去除量 實(shí)際去除量 影響電流效率的因素有 電流密度 電解液的種類 濃度及溫度等工藝條件 其中 作 為計(jì)算電解加工速度 分析電解成型規(guī)律的必要參數(shù)之一 電流密度對(duì)于電流效率的影響可 以通過實(shí)驗(yàn)獲得兩者之間的關(guān)系曲線 即 i 曲線 1 2 電解加工的電化學(xué)基礎(chǔ) 電解加工是一種由兩類導(dǎo)體串聯(lián)形成的電化學(xué)系統(tǒng) 電子得失的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在兩類 導(dǎo)體界面 即電極的雙電層 如圖 1 2 關(guān)于電極的定義 在電解加工中習(xí)慣把它看成工具 陰極和工件陽極 而從電化學(xué)的概念來理解 電極應(yīng)當(dāng)是包括金屬電極連同其相鄰溶液的整 體 表示為電極 溶液 電解加工與普通電化學(xué)系統(tǒng)不同的是兩極間距離小 一般為 0 10 0 60mm 電流密度遠(yuǎn)高于普通的電化學(xué)系統(tǒng) 作為電極 溶液界面金屬的工件陽極 伴 3 隨著氣體析出 金屬元素也隨之溶解 界面的溶液由于高速液體沖擊 電極表面擴(kuò)散層厚度 大大減小 濃度梯度變大 雙電層結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變 流體動(dòng)力因素極大地影響了電化學(xué)步驟的 液相傳質(zhì)過程 同時(shí)由于大量氣體在小間隙內(nèi)形成氣液混合體 加上溫度 蝕除產(chǎn)物的變化 使界面及極間狀態(tài)十分復(fù)雜 這也是導(dǎo)致電解加工過程不能徹底保證穩(wěn)定性和精度的重要原 因 電極反應(yīng)發(fā)生在電極和溶液界面上 在一般的電化學(xué)系統(tǒng)中 界面的性質(zhì)對(duì)反應(yīng)速度影 響很大 一方面表現(xiàn)在電極材料及其表面狀態(tài) 另一方面為界面存在電場(chǎng)所引起的特殊效應(yīng) 這是因?yàn)榻缑嫔洗嬖谥x子雙電層電位差 表面偶極層的電位差 吸附雙層的電位差 如圖 1 3 圖 1 2 雙電層分布示意圖 圖 1 3 電極溶液界面電勢(shì)示意圖 在一般電化學(xué)系統(tǒng)中形成的離子雙電層 電極表面只有少量剩余電荷 所產(chǎn)生的電位差 不大 但它對(duì)電極反應(yīng)的影響卻很大 如果電位差為 1V 界面上兩層電荷間距的數(shù)量級(jí)為 10 10m 則雙電層的場(chǎng)強(qiáng)為 E V L 1010V m 離子雙電層之所以能達(dá)到如此大的場(chǎng)強(qiáng) 就是因?yàn)閮?層電荷的距離太小 這樣的場(chǎng)強(qiáng)足以使一般條件下本來不能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)變得可以進(jìn)行 4 如電解水 當(dāng)然也可使電極反應(yīng)速度發(fā)生極大變化 例如當(dāng)界面電位改變 0 1 0 2V 反應(yīng)速 度可改變 l0 倍 在場(chǎng)強(qiáng)的數(shù)量級(jí)超過 106V m 時(shí) 任何電介質(zhì)均被擊穿放電 引起電離 只不 過電化學(xué)體系中可供擊穿的粒子均在雙電層外 而電解加工系統(tǒng)的電流密度及電極表面剩余 電荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般電化學(xué)系統(tǒng) 這也是電解加工能夠進(jìn)行的主要因素 實(shí)際加工時(shí) 陽極溶 解形成的加工間隙很大程度上受間隙流場(chǎng) 電場(chǎng)的影響 因?yàn)楣ぜc陰極間的幾何形狀差異 使流場(chǎng)不能均勻分布 氣 液和固三相流間隙的成形規(guī)律十分復(fù)雜 沿程氣泡率 電解產(chǎn)物 和溫度的變化使工件溶解速度不能恒定 雜散腐蝕引起已加工面的二次蝕除使加工間隙失控 工件陽極的電極 溶液界面是形成最終成品的表面 在其發(fā)生的電化學(xué)過程是零件成形的實(shí)質(zhì) 過程 因此電解加工間隙的核心是工件電極 溶液界面 即電極的雙電層 圖 1 4 電極反應(yīng)中電子與離子轉(zhuǎn)移過程示意圖 液相傳質(zhì)有電遷移 擴(kuò)散和對(duì)流三種方式 間隙中從電極到溶液理論上可分為雙電層 擴(kuò)散層和對(duì)流層三層 從擴(kuò)散層向外為對(duì)流層 以對(duì)流傳質(zhì)為主 在緊靠電極表面的薄層液 體中 不管攪拌作用如何強(qiáng)烈 電遷移和擴(kuò)散過程作為電極過程的一部分仍起著重要作用 當(dāng)電極表面溶液當(dāng)電極上有電流通過時(shí) 三種傳質(zhì)方式同時(shí)存在 各區(qū)域的傳質(zhì)方式以一種 或兩種為主 電解加工采用高壓泵強(qiáng)力輸液 對(duì)流速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擴(kuò)散速度 具有實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)擴(kuò) 散的條件 從所傳輸?shù)牧Ｗ忧闆r看 電遷移傳輸?shù)氖钦?fù)離子 擴(kuò)散和對(duì)流傳輸?shù)目梢允请x 子 分子 也可以是其他微粒 在電遷移和擴(kuò)散過程中 溶質(zhì)與溶劑之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng) 在對(duì)流傳質(zhì)過程中 溶液的一部分相對(duì)于另一部分做相對(duì)運(yùn)動(dòng) 而運(yùn)動(dòng)的這部分溶液中不存 在溶質(zhì)和溶劑的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 由于電解加工的工件電極本身是加工對(duì)象 兩極的形狀不是任意設(shè)計(jì)的 電極表面不可 5 能靠改變形狀獲得均勻的擴(kuò)散層 雖然電解加工采用高壓泵高速輸送電解液 極大程度消除 了因擴(kuò)散阻力引起的濃差極化 但是由于電解加工的對(duì)象一般形狀較復(fù)雜 在工件不同部位 的傳質(zhì)過程存在區(qū)別 復(fù)雜零件的電解加工 間隙各處流場(chǎng)不均勻 并且因?yàn)殡娺w移 擴(kuò)散 對(duì)流所傳輸?shù)碾x子 粒子種類和速度的差異 必然造成電解加工電極表面各處電極過程不均 勻 三種傳質(zhì)方式在間隙中的不同分布 在電極表面附近溶液層中的不同比例對(duì)電極過程的 影響 成為間隙形成過程中間隙不能均勻分布的重要因素 即使形狀簡(jiǎn)單 從供液孔到加工 間隙的過水面積的變化也不可避免 造成空穴 束流等 這些也是目前仍然無法找到電解加 工過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)間隙分布規(guī)律的因素 微細(xì)電解加工時(shí) 由于工具電極直徑只有幾十微米 到幾百微米左右 高壓 高速的電解液沖刷會(huì)影響加工精度和破壞微細(xì)電極 所以通常采用 靜液或相當(dāng)于靜液電解槽內(nèi)加工 這樣就會(huì)使加工間隙中電解液供液困難 新鮮電解液很難 流入加工間隙 電解產(chǎn)物和電解產(chǎn)生的熱量也很難排除 因此 微細(xì)電解加工中必須考慮如 何改善小間隙內(nèi)電解液的充足供給和電解產(chǎn)物與電解熱的排出問題 在超純水微細(xì)電解加工 中 超純水屬于低濃度 低電導(dǎo)率的電解液 并擁有較低的粘度 可以減少流動(dòng)的壓力損失 并加快熱量及產(chǎn)物的遷移 從而可運(yùn)用于小間隙加工 另外 其較高的熱容可防止沸騰和空 穴的形成 有利于小間隙 高電流密度的加工 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)工序過程中的專用夾具 2 本課題可能遇到的問題及其研究方法 1 在剛開始的時(shí)候工序的劃分以及定位基準(zhǔn)會(huì)比較難選擇 所以就在過程中要認(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)類型 零 件的結(jié)構(gòu)來認(rèn)真分析 2 在夾具設(shè)計(jì)的時(shí)候也可能遇到問題 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 6 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 編寫設(shè)計(jì)說明書 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