李博，黎云玉，唐霖

(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)

0 引言

傳統(tǒng)膛線陰極采用前引導(dǎo)定位，如圖1所示，電解液從牽引桿進入，沿陰極工作齒小端的小孔噴出至加工間隙，流經(jīng)工作齒大端從后引導(dǎo)表面流出。電解液在加工間隙的流動方向與拉桿牽引陰極運動的方向相反，逆流的結(jié)果使機床所受軸向力較大[1-2]，特別是在加工大口徑深混合膛線或其他大型深孔內(nèi)螺旋線時，顯得機床剛性不足[3-4]。

圖1 傳統(tǒng)陰極

為使陰極具有換向順流的功能，后堵頭設(shè)計成帶有一定圓錐角度形式，這樣設(shè)計是為使電解液從牽引桿引進陰極體后，沖到后堵頭圓錐后能反射電解液，同時，在陰極體和后引導(dǎo)設(shè)計一定角度斜孔，這樣反射的電解液能從通過陰極體和后引導(dǎo)的斜孔噴出到達加工區(qū)，達到流場收斂目的。本文通過對兩種陰極工作時機床受力情況的有限元分析，并在此基礎(chǔ)上對新型陰極結(jié)構(gòu)的合理性進行工藝試驗驗證。

1 新型陰極結(jié)構(gòu)

如圖2所示的新型陰極結(jié)構(gòu)，通過剖切A、B兩個切面探究孔分布與工作齒設(shè)計制造的關(guān)系。

1) 陰極整體裝配剖視圖A如圖2(b)所示，電解液從牽引桿進入陰極管道，沖向后堵頭錐面沿各方反射，然后進入后引導(dǎo)斜孔。由圖中可看到后引導(dǎo)斜孔與陰極體的小孔相接以及陰極體進液小孔的分布情況。由上面的分析可知，設(shè)計和制造關(guān)鍵之一是讓其進液小孔必須與后引導(dǎo)供液斜孔對準(zhǔn)。

2) 整體裝配剖視圖B如圖2(c)所示，電解液從斜孔出來由工作齒大端奔向工作齒小端，再流入前引導(dǎo)回流小孔，最后由后引導(dǎo)與工作齒鑲嵌的泄流小孔排出，該剖視圖是為了說明后引導(dǎo)與工作齒鑲嵌的泄流小孔的接壤情況。

圖2 新型陰極

加工時機床的受力根據(jù)拉桿受力進行判斷，采用有限元分析[5-8]，得出兩種陰極結(jié)構(gòu)在電解加工時機床拉桿的位移分布和應(yīng)力分布。

2 有限元模型

在UG環(huán)境下，建立仿真模型(FEM)，定義結(jié)構(gòu)材料屬性。陰極的材料為黃銅，拉桿的材料為不銹鋼。如圖3所示，創(chuàng)建網(wǎng)格搜集器并劃分網(wǎng)格。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.1 建立仿真模型

選定仿真模型中與機床拉桿連接處為固定約束。在電解蝕除過程中，電解液以一定的速度通過陰極的工作齒，陰極與陽極加工間隙區(qū)域受到電解液動力，定義進口流速V為15 m·s-1，進口面積A為42.25mm2，則流量q=V·A=1.99m3·s-1。假設(shè)電解液密度ρ為1.1×103kg·m-3，在陰極體內(nèi)的液動力可視為抵消，所受到的液動力按F=ρq(V2-V1)計算，V1、V2分別為工作齒大小端速度。計算可得到新型陰極所受的力Fa=18.4N，方向沿拉桿運動；傳統(tǒng)陰極所受力大小Fb=11N，方向與拉桿運動相反，創(chuàng)建仿真模型如圖4所示。

圖4 創(chuàng)建的仿真模型

2.2 位移分布

后處理繪制如圖5所示的位移變化云圖，其中最大、最小位移節(jié)點及大小以標(biāo)識框顯示，傳統(tǒng)陰極最大位移為5.635 5×10-5mm，新型陰極最大位移為4.275 0×10-5mm。

由位移分布圖可知，傳統(tǒng)陰極對應(yīng)的機床拉桿所受形變?yōu)槔L，當(dāng)牽引桿牽引著陰極運動時會加劇機床拉桿的形變，機床受力較大，而新型陰極對應(yīng)的機床牽引桿形變?yōu)閴嚎s，陰極推著機床牽引桿運動，減輕機床拉桿所受的負載，機床受力較小，因此新型陰極解決了機床受力過大的問題。

圖5 位移分布云圖

2.3 應(yīng)力分布

后處理繪制如圖6所示的應(yīng)力變化云圖，其最大、最小應(yīng)力節(jié)點及大小以標(biāo)識框顯示，傳統(tǒng)陰極最大應(yīng)力為0.428MPa，新型陰極最大應(yīng)力為0.350MPa。

圖6 應(yīng)力分布云圖

由應(yīng)力分布圖可知，機床牽引桿所受應(yīng)力最小的位置相同，均為0.133MPa，最大的位置在拉桿與陰極的連接處。傳統(tǒng)陰極對應(yīng)的機床拉桿應(yīng)力值大于新型陰極對應(yīng)的機床拉桿最大應(yīng)力值，分析結(jié)果表明新型陰極結(jié)構(gòu)優(yōu)于傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)。

3 新型陰極工藝試驗

如圖7所示，在電解加工機床上進行工藝試驗，驗證仿真得到的新型陰極結(jié)構(gòu)是否合理。按照加工對象的膛線纏角變化的范圍，加工參數(shù)如下： 電壓為12～15V， 進給速度為15～18mm/min，電解壓力為2MPa,電解液溫度：30℃～35℃。加工的部分記錄如表1所示。

圖7 陰極及加工現(xiàn)場

表1 加工部分記錄 單位：mm

電解加工后零件切片實物如圖8所示。

圖8 膛線切片

4 結(jié)語

1) 由有限元分析結(jié)果可知，新型陰極結(jié)構(gòu)在加工時可減輕機床拉桿負載，牽引桿與陰極連接處最大應(yīng)力值小于傳統(tǒng)陰極，有效地解決了傳統(tǒng)膛線陰極在加工時導(dǎo)致機床受力大的問題。

2) 實驗結(jié)果表明，新型陰極結(jié)構(gòu)加工過程穩(wěn)定，蝕除過程加工間隙流場收斂，通過對零件切片進行測量，零件尺寸合格，滿足精度要求。