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

1、電解加工是基于陽極溶解的原理來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、對所有導電材料都能加工、工具電極無損耗等優(yōu)點，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的工具頭，并通過工具頭與工件之間的磨料對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)用已有較長的時間，并已逐漸成為比較成熟的加工技術(shù)，在國內(nèi)外軍事工業(yè)和民用工業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。但具體針對不同的加工對象、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，勢必要求在原有加工技術(shù)基礎(chǔ)上進行改進。在此背景下，國內(nèi)外開展了復(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和空化作用破壞電解加工過程中工件陽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。針對旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工技術(shù)，本文開展了以下研究:
　　1、考慮到電解加工過程中生成鈍化膜，電解液難以進入加工區(qū)及電解產(chǎn)物難以排除等問題，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)計了旋轉(zhuǎn)超聲振動系統(tǒng)、P0級平面精度的大理石工作平臺

4、和電解液工作箱。通過在大理石工作平臺鑲嵌金屬填充物，實現(xiàn)電解液箱與工作平臺密封連接。利用運動控制系統(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，并對加工裝置進行短路保護和加工電流采集。
　　2、設(shè)計了旋轉(zhuǎn)超聲振動裝置，提出兩種方案:傳統(tǒng)波長的振動系統(tǒng)和半波長振動系統(tǒng)。基于超聲理論和有限元理論，進行了超聲振動系統(tǒng)的理論設(shè)計，應(yīng)用有限元軟件ANSYS對超聲振動系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。對比結(jié)果表明，基于局部共振原理設(shè)計的半波

5、長振動系統(tǒng)具有體積小、旋轉(zhuǎn)阻尼小、回轉(zhuǎn)精度高和工具系統(tǒng)不影響振動系統(tǒng)頻率的優(yōu)點。設(shè)計了振動系統(tǒng)支架和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)超聲振動系統(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，同時為確定旋轉(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管在非線性電解液硝酸鈉的環(huán)境下分別進行了加工電壓、初

6、始端面間隙、進給速度、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。試驗結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工具有更高的陽極溶解速度，陰極不進行絕緣處理時所加工的孔的錐度比較大。通過對采集的加工電流以及加工試驗結(jié)果的分析，了解加工因素對孔的錐度的影響。當進給速度過大、或初始端面間隙過小時會影響加工的穩(wěn)定性;當電解液壓力過高，會使電解液反濺，導致工件表面雜散腐蝕嚴重、陰極發(fā)生抖動，同時電解液升溫過快，不利于電解液恒溫控制

7、。
　　4、進行了內(nèi)噴式旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工小孔試驗研究。選取加工電壓、初始端面間隙、進給速度、陰極轉(zhuǎn)速和陰極裸露長度為加工因素，分別進行了單因素試驗、析因試驗和響應(yīng)曲面試驗。通過單因素分析，得到各因素對側(cè)面間隙、材料去除率以及實際體積電化當量的變化情況，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)試驗因素水平的選擇提供參考。通過析因試驗，不僅分析了各因素對側(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值的相對誤差分別為8.18％和8.82％。由于側(cè)面間隙的數(shù)學模型存在平方項，通過響應(yīng)曲面試驗，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)面間隙平均相對誤差為4.96％，提高了回歸模型的預(yù)測精度。
　　5、對小孔加工的錐度、穩(wěn)定性進行了研究。研究結(jié)果表明，對給定深度的小孔加工，在其他試驗條件都確定的條件下，可以通過控制孔的出口直徑達到減小錐度的目的，而孔的

9、出口直徑與加工時間有關(guān)，在孔被加工通后，陰極繼續(xù)進給一定的加工深度，可以實現(xiàn)對出口直徑的控制。理論上，當進給的深度為陰極裸露長度與初始端面間隙的總和時，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，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)進行。采用“十字”輔助陰極，可以有效的去除孔底面的小凸臺，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)。通過旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工和旋轉(zhuǎn)電解加工對比，試驗證明了旋轉(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)和陰極振動對電解加工過程中流場、電場的影響。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，離開工件表面，一部分氣泡隨陰極的轉(zhuǎn)動離

11、開加工區(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)和端面積累量越來越多，電解液電導率下降，使得陽極溶解速度降低，有利于減小側(cè)面間隙。陰極振動引發(fā)加工區(qū)電解液壓力周期性波動，電解液中的氣泡隨陰極振動上下運動，加速了氣泡離開工件表面并沿側(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數(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