李 博，黎云玉，唐 霖,范植堅

(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，使用刀具很難對其進行加工，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，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，先采用電解加工進行預(yù)加工，則效率會大大提高。本文在分析高壓殼體狹窄腔體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對電解預(yù)加工陰極進行設(shè)計研究。

1 加工對象與陰極設(shè)計

1.1 加工對象

本文以航空發(fā)動機高壓閉式構(gòu)件為例，根據(jù)零件圖紙在UG平臺建模環(huán)境下建立被加工零件的實體模型，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性，零件為圓周對稱結(jié)構(gòu)，10個不規(guī)則型腔均勻分布在圓周上，在加工零件時很難確定加工基準(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

1.2.1型面設(shè)計

成型規(guī)律，即加工間隙沿工件成型面隨時間的分布規(guī)律，是進行陰極型面設(shè)計的基本依據(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)律進行設(shè)計。

假定忽略時間的影響，當(dāng)陰極沿著Z軸進給、速度為V時，陰極的變截面型面的法線方向速度Vn并不等于V，陰極曲面上任意點的法向進給速度與沿Z軸的進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為陽極溶解速率，mm/min；δE為陰、陽極電極電位總和；Δn為法向間隙。

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

圖2 cosθ法設(shè)計陰極的原理

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為圓心，1 mm為半徑畫圓，再作每一個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就是所求陰極型面的點，點數(shù)據(jù)圖如圖3所示。

圖3 陰極型面點數(shù)據(jù)圖

利用插值法在MATLAB平臺上將數(shù)據(jù)密化[7-8]，所求的每個數(shù)據(jù)之間間隔0.01 mm,共得到陰極型面上500個點的坐標(biāo)。將所求出的陰極的500個點的坐標(biāo)輸入UG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

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為 36.7 mm，如圖5所示，因此錐頭的設(shè)計寬度可大致為 9 mm。電解液為 NaNO3，根據(jù)預(yù)試驗，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 工藝實驗

在四軸CNC電解加工機床上，對于粗加工電解工序，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，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)控電解加工機床；可調(diào)頻電源，電壓9.5 V；進給速度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

3 陰極修正

3.1 陰極修正的必要性

采用cosθ法設(shè)計陰極時對電場、磁場等模型進行了簡化處理[9]，故使用設(shè)計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)系對陰極進行修正，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)計的陰極輪廓面，用C加工出的實際輪廓面為A，D為根據(jù)檢測結(jié)果對C進行修正的結(jié)果。在B上取更多的點，以獲得更多的修正點，將修正點對應(yīng)的曲線擬合，獲得修正陰極的輪廓面[10]。所選取的點越密，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為間隔取點并測量腔體加工深度，測量方向垂直于進給方向。在多次測量基礎(chǔ)上取平均值，并運用UG模塊測量理論深度，據(jù)此計算加工型面與理論型面的誤差值Dm以及補償量dm。

圖9 加工誤差值的測量

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、進給速度為0.9 mm/min、溫度為(35±2) ℃條件下測量的數(shù)據(jù)。

表1 型面加工誤差 單位：mm

在UG中對陰極型面上對應(yīng)點按上述方法進行補償，得到修形點，各修形點的坐標(biāo)見表2。

表2 修形點坐標(biāo)值 單位：mm

與陰極設(shè)計方法類似，在MATLAB中將修正點坐標(biāo)進行插值和密化，將所有點在MATLAB中進行擬合，導(dǎo)入UG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)過進一步試驗加工，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、深度尺和超聲波測厚儀測量腔體的壁厚，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

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，電解加工陰極的設(shè)計就顯得尤為重要。本文從加工零件三維幾何造型、加工間隙的空間分布、進給方向選擇等方面入手，采用cosθ法進行了構(gòu)件電解加工陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)研究，結(jié)果顯示，對于型腔復(fù)雜的閉式構(gòu)件，其電解加工陰極的設(shè)計要以其型面作為模型進行成形復(fù)制，陰極設(shè)計的精度和自動化程度對腔體成型的精度和生產(chǎn)效率有至關(guān)重要的影響。