球形阴极数控电解加工关键技术研究

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1、南京农业大学博士学位论文球形阴极数控电解加工关键技术研究姓名：傅秀清申请学位级别：博士专业：农业机械化工程指导教师：康敏201012球形阴极数控电解加工关键技术研究捅斐当前，由难加工材料制成的复杂型面的零件广泛应用于模具、航空、船舶、汽车、医疗机械等行业中。电解加工技术是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理将零件加工成形的，因工具阴极无损耗、无宏观切削力、适宜加工各种难切削材料制成的零件、表面质量好等优点，在制造业中获得了大量的应用。数控电解加工技术是特种加工领域的研究热点之一，其兼顾了数控技术和电解加工技术的优

2、点，通过程序控制简单形状的阴极相对工件的运动轨迹代替复杂阴极的设计，避免了复杂成形阴极的设计与制造，提高了加工精度和表面质量，广泛应用于难加工材料制成的零件，如叶片、模具等。目前，国内外在数控电解加工技术方面的研究已取得了不小的进展，但在加工精度方面尚不能令人满意．国内的研究主要侧重于利用直线刃阴极对曲面进行粗、精加工，而国外尚未见到对利用球形阴极数控电解加工型面的技术应用于实际生产的报道。考虑到球形阴极的加工部位为球面，可通过数控系统控制阴极相对工件的运动轨迹来加工任意曲面，本文开展适合于一般复杂型面加工的球形

3、阴极数控电解加工关键技术研究，该技术对难加工材料制成零件上复杂型面的加工具有重要的应用意义．本文的主要内容包括以下几个方面：1．提出了数控电解加工装置的总体设计方案；通过在一台立铣床的机械本体上设计具有了三个平动轴、一个数控回转轴和一个摆动轴的试验装置，并对装置的关键结构进行了设计计算；设计了性能稳定可靠的球形内喷式旋转阴极和电解液系统．以PMAC(ProgrammableMulti—AxisControl1er)为控制核心开发了基于ViSUalC++6．O软件平台的数控电解加工机床控制系统软件，该软件具有良好的

4、人际界面，具有初始化、参数设置、手动控制、自动加工、状态显示、模拟量采集等功能，满足了数控电解加工对控制系统的要求，为工艺试验研究的顺利进行奠定了基础。2．基于计算流体动力学理论，以球形内喷式阴极的电解液流道为研究对象进行电解加工流场的数值模拟研究，建立了电解加工间隙内流场的数值计算模型，分别对流场模型的二维场和三维旋转场进行了数值模拟研究．对初始设计方案的电解液流场进行二维场的数值模拟研究，根据仿真结果得到了流场存在加工间隙内流场存在电解液流速过低、直径收缩处和球面出液口流速变化剧烈的缺陷，考虑在不同初始条件设

5、置下的流场模型，并对比分析得到的仿真结果，表明流场存在同样的缺陷，为解决流场的缺陷，进行阴极的改进设计，对改进设计的方案进行二维场的数值模拟研究，得出的结论包括：1)在阴极的球面中心处增加出液口可解决球面出液口处流速变化剧烈和加工问隙内电解液流速过低的问题；2)将阴极的阶梯形腔改进为锥形腔可解决直径收缩处流速变化剧烈的问题；3)选择了最优设计方案．在二维数值模拟的基础上，对初始方案的电解液流场进行三维旋转场的数值模拟研究，通过分析仿真结果得到了流场存在模型与工件接触表面中心处电解液流速过低、模型剖面的直径收缩处扣

6、球面的出液口处流速变化剧烈的缺陷，考虑在不同初始条件设置下的流场模型，并对比分析得到的仿真结果，表明流场存在同样的缺陷，对改进设计的方案进行三维旋转场的数值模拟研究，仿真结果表明二维数值模拟和三维数值模拟的结论一致，均可用于球形阴极电解加工流场的改进设计和特性分析，但三维数值模拟的结果更准确。3．基于流场数值模拟和阴极改进设计的结果，采用四种方案的阴极以表面粗糙度和切削深度为指标选择工作电压、初始加工间隙、电解液压力，阴极转速、阴极进给速度为主要工艺参数分别进行正交试验，通过对比试验结果，得到采用最优设计方案的阴

7、极加工效果相对最好，验证了流场仿真的准确性，表明将计算流体动力学理论用于球形阴极数控电解h口：r-流场的仿真是可行的，且可以作为理论用于指导阴极的改进设计；进行了球形阴极数控电解加工的单因素工艺试验，得到了单个工艺参数对表面粗糙度和切削深度的影响曲线，总结了工艺规律，为该技术的实际应用奠定了基础．4．基于电解加工的基础理论，开展了球形阴极数控电解加工成形规律的研究，建立了球形阴极理想加工过程的数学模型，通过MATLAB求解得到了不庠l：r-艺参数下加工间隙的变化曲线；提出了基于有限元法的电解加工过程模拟的思路和方

8、法，在ANSYS中建立球形阴极数控电解加工过程的二维电场模型，进行求解计算，得到工件阳极袁面不同时刻的电流密度分布和型面变化形状，以过程模拟中的工艺参数进行工艺试验，检测加工型面的尺寸值，并与理论模拟值相比较，试验结果表明，该方法可以满足工程计算的要求，为进一步开展球形阴极数控电解加工过程的研究提供方法和理论依据；在上述分析的基础上，将该理论用于阴极在运动状态下加工间隙内