閉式整體構件電解加工裝置參數(shù)化設計及仿真＊

范植堅，楊 森，唐 霖，吳惠雯

（1.西安工業(yè)大學 機電工程學院，西安 710021；2.哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150001；3.中航工業(yè)西安航空發(fā)動機集團有限公司，西安 710021）

閉式整體構件因結構緊湊，可大大減少零件連接處的泄漏逸流損失，提高效率和推重比，在現(xiàn)代飛機中的得到廣泛應用.但其變截面異型螺旋型腔形狀非常復雜，數(shù)控機械加工不具備刀具的可達性［1-2］，工件材料硬度高，加工制造十分困難.有資料認為閉式整體構件是一個世界級難題，目前，采用電解－電火花組合加工研究尚處于實驗室階段，需要提高加工精度和效率［2-3］.

組合加工的第一步電解加工，需要解決電解加工裝置中流場分布、流體密封、非加工表面保護和加工區(qū)可靠導電的問題［4-5］，探討變截面型腔成型與陰極結構參數(shù)、工藝參數(shù)之間的關系［6-8］.由于零件大，加工內流道時，陰極必須從工裝上面伸進很深的變截面異型型腔，懸臂問題不可避免，為了保證加工效率，必須采用大的電流，而大電流必須匹配高的電解液壓力，更增加了懸臂帶來的在機構薄弱環(huán)節(jié)應力集中、因位移影響加工精度等問題.文中針對所設計的電解加工內流道工裝中的關鍵部件，采用UG有限元分析，對機構的力學性能進行校核，對結構參數(shù)進行優(yōu)化，最后確定了裝置結構及尺寸.

1 電解加工裝置結構設計

1.1 總體設計

閉式整體構件內流道加工采取陰極夾具一體化設計，以同時解決工件定位、陰極導向、導電、絕緣、電解液的導流及可靠密封.工件裝在機床工作臺的數(shù)控轉臺上，按零件螺旋型腔流道編制的程序運動，陰極裝在從機床Z軸引出的供液和供電導桿末端，伸進工裝和工件的內孔.由于閉式整體構件直徑很大，加之全封閉的工裝，必然出現(xiàn)供液供電導桿與陰極進給機構之間結構的懸臂，由此產(chǎn)生機構在陰極進給過程中的薄弱環(huán)節(jié)，茲提出兩個設計方案如圖1（a）～（b）所示.方案一通過兩個壓板將主軸頭、供液管連接到一起，導流塊和配流塊通過四個螺釘相連接；方案二將供液管將供液管與主軸座的連接部位設計成兩個垂直面，與主軸頭緊密貼合直接連接到一起，導流塊和配流塊通過止口定位再用螺紋連接.

圖1 閉式整體構件電解加工裝置裝配圖Fig.1 The assembly drawing of ECM device for closed integral component

1.2 主要部件

1）陰極及導流總成

將陰極、導流塊和配流塊組裝成進給頭，如圖2（a）～（b），導流塊引導電解液通過配流塊，流經(jīng)陰極頭上側面，然后進入加工區(qū)，使陰極頭前端面與工件待加工面之間的空間充滿電解液，配流塊后端面平臺與內骨架貼合，實現(xiàn)密封.

2）供液供電連接總成

管軸連接總成是實現(xiàn)導管與機床立柱連接的組件，主要包括導管桿、連接頭、主軸、緊固螺母、三爪法蘭盤和錐套螺母，三爪法蘭盤后端與機床立柱連接，前端通過三爪抱緊軸，軸前端通過連接頭連接導管，從而實現(xiàn)軸管一體.

3）工裝夾具總成

工裝夾具總成主要包括法蘭盤、圓盤、心軸和壓板.心軸與圓盤和法蘭盤配合，再以壓板壓緊，實現(xiàn)工件的裝夾定位，同時法蘭盤下端接數(shù)控轉臺，以實現(xiàn)工件的自由旋轉.

4）密封裝置

密封裝置由內骨架、壓板、壓條、密封圈組成，骨架和壓板同時也是工裝夾具的一部分.內骨架采用絕緣材料保證陰極總成與工件之間絕緣，同時與工件內孔緊密配合，由壓條、密封圈實現(xiàn)電解液的密封，內骨架中部開方孔支撐陰極總成，并為其導向，下端開排液孔安裝回流管和閥收回加工過的電解液，以防止對工裝夾具及工件造成腐蝕.

上述兩套方案經(jīng)過UG裝配和運動仿真均可實現(xiàn)預定的進給功能和模擬加工目的.考慮到在實際電解加工時電解液的壓力下懸臂結構的變形會影響加工精度，故進一步對其做力學性能的比較，以此選取較優(yōu)的結構方案.

2 陰極及導流總成力學性能分析

兩套方案都不可避免的出現(xiàn)了懸臂結構，該懸臂結構是本裝置的要害部位.懸臂部件的三維造型如圖2所示.為了模擬其在工作環(huán)境的實際情況和變形量，以及檢驗其可用性、可靠性，在 UG的CAE模塊中進行力學性能有限元的分析和仿真.

圖2 部件裝配圖Fig.2 Component assembly diagram

該部件的兩個方案中都包含主軸頭、供液管、導流塊、分流塊及陰極.主軸頭與機床的Y軸連接，與供液管通過螺釘和銷釘連接.供液管和機床電解液供液閥門通過軟管相連，供液管和導流管通過法蘭相連接.方案一通過兩個壓板將主軸頭、供液管連接到一起，導流塊和配流塊通過四個螺釘相連接，方案二中將供液管與將供液管與主軸頭的連接部位設計成兩個垂直面，與主軸頭緊密貼合直接連接到一起，導流塊和配流塊通過止口定位和然后再用螺紋連接.配流塊和陰極兩方案中都通過螺釘和銷子連接.

部件的三維模型的細節(jié)對于機構的影響不大，卻影響整個結構的網(wǎng)格分布，使模型過于復雜，計算過程耗費過多的時間.為了減少有限元模型網(wǎng)格劃分的復雜程度，加快計算的效率，對部件的三維模型進行適當處理，去掉了微細的孔，倒角，圓角等特征.對該懸臂結構兩種方案的簡化的三維模型進行網(wǎng)格劃分，劃分時使用四面10節(jié)點的單元，一般位置單元尺寸大小選7.0進行自動劃分，針對重要位置單元尺寸大小選擇2.0進行細化.有限元模型如圖3所示.

圖3 部件網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Mesh of the parts

該結構選擇材料為Q235，材料的彈性模量E＝207MPa，泊松比γ＝0.29，密度ρ＝7850 kg／m3，定義各向同性.陰極材料選擇軋制錳黃銅，材料的彈性模量E＝110MPa，泊松比γ＝0.35，密度ρ＝8800kg／m3，定義各向同性.

該部件在工作環(huán)境中，由于電解液的壓力，陰極端面承受0.3～0.5MPa的壓強，陰極端面的面積為1443mm2.計算結果該陰極在工作中所受的載荷為424.2～707.0N.在陰極的端面施加均布載荷，力的大小為710N.根據(jù)實際工況，在陰極的連接桿上施加固定約束.如圖4所示.在工具欄中使用有限元模型檢查工具來檢驗部件劃分的網(wǎng)格單元寬高比（Aspect Ratio）、翹曲（Warp）、歪斜（Skew）、雅克比（Jacobian Ratio）等性質是否達到要求.

圖4 部件載荷及約束Fig.4 Part load and constraint

解算方案中勾選單元迭代求解器，默認溫度為20℃，進行求解.解算結果位移等值線圖，應力等值線圖如圖5～6所示，經(jīng)靜力分析部件A的最大位移為0.0342mm，最大應力為6.639N／mm2，部件B的最大位移為0.0127mm，最大應力為3.615N／mm2.

強度檢驗條件為

其中：［σ］為材料的許用應力；σmax為實際計算出的節(jié)點的最大應力；n為材料的安全系數(shù)，n＝2（安全系數(shù)取2）.

在此部件的靜力載荷檢驗中，部件方案一（圖6（a））應力最大的區(qū)域是在供液管和主軸頭的連接部位，部件方案二（圖6（b））應力最大的區(qū)域是供液管和導流塊法蘭連接的部位.部件兩方案中的材料均為Q235，查表可知，材料的屈服極限為235 N／mm2，則其許用應力為

由部件靜力分析結果可以最大應力都遠遠小于該材料的許用應力117.5N／mm2.

從上述的計算和分析結果看，部件方案二在該工況下的位移量和最大應力均比部件方案一小.部件方案二在滿足設計要求的前提下剛度和變形量都優(yōu)于部件方案一，茲選擇部件方案二的結構作為本設計的陰極及導流總成.

圖5 位移云圖Fig.5 The displacement cloud map

圖6 部件應力云圖Fig.6 Component stress cloud map

3 結論

1）文中提出的陰極與導流總成兩個方案的結構，通過有限元分析，其最大應力（3.615N／mm2、6.639N／mm2）都遠小于該材料的許用應力117.5 N／mm2.

2）將供液管與主軸頭的連接部位設計成兩個垂直面，與主軸頭緊密貼合直接連接到一起，導流塊和配流塊通過止口定位再用螺紋連接的結構，其薄弱環(huán)節(jié)的最大位移量（0.0127mm）和最大應力（3.615N／mm2）均小于主軸頭、供液管通過兩個壓板連接，導流塊和配流塊通過四個螺釘相連的結構（0.0342mm，6.639N／mm2）.

3）通過對陰極及導流總成基于UG平臺的參數(shù)化建模、裝配和有限元分析，縮短了閉式整體構件電解加工裝置的研制周期.

［1］翟建華.航空工業(yè)的發(fā)展對機床工具業(yè)的影響［J］.金屬加工，2010，16：4.DI Jian－h(huán)ua.Influence of Development of Aeronautical Industry on Machine Tool Industry ［J］.Metal Machining，2010，16：4.（in Chinese）

［2］趙建社.整體構件異形型腔組合電加工數(shù)字化制造技術研究［D］.南京：南京航空航天大學，2007.ZHAO Jian－she.Research on the Combined Electrical Machining Technology for Irregular Cavity of Integral Components［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2007.（in Chinese）

［3］徐家文，趙建社.航空發(fā)動機整體構件特種加工新技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.XU Jia－wen，ZHAO Jian－she.New Nontraditional Machining Techniques of Integral Components in Aircraft Engine［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2011.（in Chinese）

［4］RAJURKAR K P，ZHU D.New Developments in E－lectro－chemical Machining［J］.Annals of the CIRP，1999，48 （2）：567.

［5］范植堅，李新忠，王天誠.電解加工與復合電解加工［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.FAN Zhi－jian，LI Xin－zhong，WANG Tian－cheng.Electrochemical Machining and Composite Electrochemical Machining［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2008.（in Chinese）

［6］FAN Z J，SHEN J Q，TANG L，et al.Optimization for Tooth Profile of Assembled Cathode Based on Comsol［J］.Advanced Materials Research，2011，189：3166.

［7］ZAITSEV A N，IDRISOV T R.Aspects of Improving of Electrochemical Machining Accuracy ［C］／／Proceedings of the 16th International Symposium on Electromachining. Shanghai： Shanghai Jiaotong University Press，2010，4：341.

［8］范植堅，唐霖，王天誠.磁場輔助電解加工裝置的磁場設計和試驗［J］.機械工程學報，2010，46（1）：194.FAN Zhi－jian，TANG Lin，WANG Tian－cheng.Design of Device and Experiment on Magnetic Field Assisted Electrochemical Machining［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2010，46（1）：194.（in Chinese）