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1 聯接環(huán)鍛模電解加工工裝設計開題報告 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 采用電解加工實現模具加工具有表面質量好 使用壽命長 脫模好 成本低的優(yōu)點 通 過本課題的設計 達到 1 培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎課 技術基礎和專業(yè)課的知識 分析解決工程技術問題的能力 2 鞏固加深擴大基本理論和技能 3 受高級工程技 術人員能力的訓練 調研 查閱文獻 制定方案 設計 撰寫 4 創(chuàng)新能力和團隊精神 二 國內外研究現狀 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 其理論基礎是 1834 年法拉第 發(fā)現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 它由電解質溶液 直流電源 連接電源正極的工件陽極 連接電源負極的 工具陰極組成 當接通電源后 電解反應并未開始就發(fā)生 只有當電壓升高到臨界值 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物出現 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)生主要電化學反應過程為 陽極一側 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 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 則根據法拉第第一定律 陽極溶解的金 屬質量為 M kQ kIt 陽極溶解的金屬體積為 V M KIt It 從電解加工的試驗中可以得出 實際加工過程陽極金屬的溶解量并不和理論的計算量相 同 通常是理論計算量會大于實際的溶解量 極少數情況也會發(fā)生實際溶解量大于理論計算 量的情況 其原因是在理論計算時 采用了 陽極只發(fā)生確定原子溶解而沒有其它物質析出 這一假設 而實際加工情況是 1 實際溶解的原子價比計算用的原子價要高或低 2 除金屬溶解外還有一些副反應消耗了一部分電流 3 金屬有時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 為了表示這個實際和理論的差別 引入電流效率概念來表示實際溶解金屬所耗用的電量 和通過陽極總電量的比例關系 電流效率 定義為 理論去除量 實際去除量 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 為計算電解加工速度 分析電解成型規(guī)律的必要參數之一 電流密度對于電流效率的影響可 以通過實驗獲得兩者之間的關系曲線 即 i 曲線 1 2 電解加工的電化學基礎 電解加工是一種由兩類導體串聯形成的電化學系統(tǒng) 電子得失的電化學反應發(fā)生在兩類 導體界面 即電極的雙電層 如圖 1 2 關于電極的定義 在電解加工中習慣把它看成工具 陰極和工件陽極 而從電化學的概念來理解 電極應當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 電流密度遠高于普通的電化學系統(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 電極表面擴散層厚度 大大減小 濃度梯度變大 雙電層結構發(fā)生畸變 流體動力因素極大地影響了電化學步驟的 液相傳質過程 同時由于大量氣體在小間隙內形成氣液混合體 加上溫度 蝕除產物的變化 使界面及極間狀態(tài)十分復雜 這也是導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 電極反應發(fā)生在電極和溶液界面上 在一般的電化學系統(tǒng)中 界面的性質對反應速度影 響很大 一方面表現在電極材料及其表面狀態(tài) 另一方面為界面存在電場所引起的特殊效應 這是因為界面上存在著離子雙電層電位差 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 電極溶液界面電勢示意圖 在一般電化學系統(tǒng)中形成的離子雙電層 電極表面只有少量剩余電荷 所產生的電位差 不大 但它對電極反應的影響卻很大 如果電位差為 1V 界面上兩層電荷間距的數量級為 10 10m 則雙電層的場強為 E V L 1010V m 離子雙電層之所以能達到如此大的場強 就是因為兩 層電荷的距離太小 這樣的場強足以使一般條件下本來不能進行的化學反應變得可以進行 4 如電解水 當然也可使電極反應速度發(fā)生極大變化 例如當界面電位改變 0 1 0 2V 反應速 度可改變 l0 倍 在場強的數量級超過 106V m 時 任何電介質均被擊穿放電 引起電離 只不 過電化學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 電荷遠遠高于一般電化學系統(tǒng) 這也是電解加工能夠進行的主要因素 實際加工時 陽極溶 解形成的加工間隙很大程度上受間隙流場 電場的影響 因為工件與陰極間的幾何形狀差異 使流場不能均勻分布 氣 液和固三相流間隙的成形規(guī)律十分復雜 沿程氣泡率 電解產物 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)生的電化學過程是零件成形的實質 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 電極反應中電子與離子轉移過程示意圖 液相傳質有電遷移 擴散和對流三種方式 間隙中從電極到溶液理論上可分為雙電層 擴散層和對流層三層 從擴散層向外為對流層 以對流傳質為主 在緊靠電極表面的薄層液 體中 不管攪拌作用如何強烈 電遷移和擴散過程作為電極過程的一部分仍起著重要作用 當電極表面溶液當電極上有電流通過時 三種傳質方式同時存在 各區(qū)域的傳質方式以一種 或兩種為主 電解加工采用高壓泵強力輸液 對流速度遠遠大于擴散速度 具有實現穩(wěn)態(tài)擴 散的條件 從所傳輸的粒子情況看 電遷移傳輸的是正負離子 擴散和對流傳輸的可以是離 子 分子 也可以是其他微粒 在電遷移和擴散過程中 溶質與溶劑之間存在著相對運動 在對流傳質過程中 溶液的一部分相對于另一部分做相對運動 而運動的這部分溶液中不存 在溶質和溶劑的相對運動 由于電解加工的工件電極本身是加工對象 兩極的形狀不是任意設計的 電極表面不可 5 能靠改變形狀獲得均勻的擴散層 雖然電解加工采用高壓泵高速輸送電解液 極大程度消除 了因擴散阻力引起的濃差極化 但是由于電解加工的對象一般形狀較復雜 在工件不同部位 的傳質過程存在區(qū)別 復雜零件的電解加工 間隙各處流場不均勻 并且因為電遷移 擴散 對流所傳輸的離子 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 工過程中實時檢測間隙分布規(guī)律的因素 微細電解加工時 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影響加工精度和破壞微細電極 所以通常采用 靜液或相當于靜液電解槽內加工 這樣就會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 電解產物和電解產生的熱量也很難排除 因此 微細電解加工中必須考慮如 何改善小間隙內電解液的充足供給和電解產物與電解熱的排出問題 在超純水微細電解加工 中 超純水屬于低濃度 低電導率的電解液 并擁有較低的粘度 可以減少流動的壓力損失 并加快熱量及產物的遷移 從而可運用于小間隙加工 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期結果 1 研究內容 1 查閱文獻資料 詳細研究零件圖 了解零件的結構 2 根據零件的結構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 計算和選擇金屬切削機床的技術參數 5 根據電解加工工裝的結構設計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 在剛開始的時候工序的劃分以及定位基準會比較難選擇 所以就在過程中要認真分析 零件圖 了解電解加工工裝的結構特點及相關的技術要求而加工工序要根據生產類型 零 件的結構來認真分析 2 在夾具設計的時候也可能遇到問題 比如工件的定位是否正確 定位精度是否滿足要 求等等 所以要調查現階段國內外比較先進的電解加工工裝結構 從整體上把握設計的方 向 了解電解加工工裝的加工工藝規(guī)程及夾具的設計原理 3 通過大量的資料 研究零件的結構 選擇合適的加工方法 及選擇合理的基準和工序 安排 6 4 熟悉夾具的結構選擇合理的機床及裝夾設備 確定加工余量和工序 進行精細的準確 的尺寸計算 和時間的估算 3 課題預期結果 1 了解了電解加工工裝的作用 完成對零件的結構分析 并制作出合理的夾具及裝夾方 案 2 在保證經濟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劃內完成各項任務 4 完成課題所需的工作條件 在前期得做好各項準備 要查閱大量的文獻了解電解加工工裝的結構 并在 CAD PRO E 上畫出這個零件 認真去了解他的結構 這當中就需要一些工具書比如機械加 工工藝手冊 夾具設計圖冊 刀具設計手冊以及有關教材及參考資料 最后如果有需要還 可以選擇去工廠調研 以上條件具備完成本課題所需的工作條件 四 研究進度 第 1 第 2 周 完成收集資料 開題報告 文獻綜述及外文翻譯等 第 3 第 5 周 根據零件結構和尺寸要求 完成工藝規(guī)程設計 第 6 第 9 周 工藝裝備設計 第 10 第 12 周 編寫設計說明書 第 13 周 畢業(yè)設計答辯 五 主要參考文獻資料 1 于勇 我國機械制造技術的現狀及發(fā)展方向 J 山西焦煤科技 2010 S1 75 76 2 應雷 淺談我國機械制造業(yè)的困境和發(fā)展戰(zhàn)略對策 J 科技資訊 2010 27 112 3 侯志楠 淺析機械制造技術的發(fā)展歷程 現狀及趨勢 J 2010 20 4 濮良貴 紀名剛 機械設計 M 高等教育出版社 2006 5 黎震 朱江峰 先進制造技術 M 北京理工大學出版 2009 6 鄭修本 機械制造工藝學 M 北京 機械工業(yè)出版社 2007 7 徐鴻本 機床夾具設計手冊 M 遼寧 遼寧科學技術出版社 2004 8 聞邦椿 機械設計手冊 第 5 版 第 1 卷 機械工業(yè)出版社 2010 9 張捷 機械制造技術基礎 M 西南交通大學出版社 2006 10 盧秉桓 機械制造基礎 M 北京 機械工業(yè)出版社 2008 11 王先逵 機械制造工藝學 M 北京 機械工業(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