新型陰極結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床受力的影響分析及試驗(yàn)

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(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

傳統(tǒng)膛線(xiàn)陰極采用前引導(dǎo)定位，如圖1所示，電解液從牽引桿進(jìn)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(dòng)方向與拉桿牽引陰極運(yùn)動(dòng)的方向相反，逆流的結(jié)果使機(jī)床所受軸向力較大[1-2]，特別是在加工大口徑深混合膛線(xiàn)或其他大型深孔內(nèi)螺旋線(xiàn)時(shí)，顯得機(jī)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(jì)成帶有一定圓錐角度形式，這樣設(shè)計(jì)是為使電解液從牽引桿引進(jìn)陰極體后，沖到后堵頭圓錐后能反射電解液，同時(shí)，在陰極體和后引導(dǎo)設(shè)計(jì)一定角度斜孔，這樣反射的電解液能從通過(guò)陰極體和后引導(dǎo)的斜孔噴出到達(dá)加工區(qū)，達(dá)到流場(chǎng)收斂目的。本文通過(guò)對(duì)兩種陰極工作時(shí)機(jī)床受力情況的有限元分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)新型陰極結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行工藝試驗(yàn)驗(yàn)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(guò)剖切A、B兩個(gè)切面探究孔分布與工作齒設(shè)計(jì)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(jìn)入陰極管道，沖向后堵頭錐面沿各方反射，然后進(jìn)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(jìn)液小孔的分布情況。由上面的分析可知，設(shè)計(jì)和制造關(guān)鍵之一是讓其進(jìn)液小孔必須與后引導(dǎo)供液斜孔對(duì)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(lái)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(shuō)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(shí)機(jī)床的受力根據(jù)拉桿受力進(jìn)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(shí)機(jī)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(jī)床拉桿連接處為固定約束。在電解蝕除過(guò)程中，電解液以一定的速度通過(guò)陰極的工作齒，陰極與陽(yáng)極加工間隙區(qū)域受到電解液動(dòng)力，定義進(jìn)口流速V為15 m·s-1，進(jìn)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(dòng)力可視為抵消，所受到的液動(dòng)力按F=ρq(V2-V1)計(jì)算，V1、V2分別為工作齒大小端速度。計(jì)算可得到新型陰極所受的力Fa=18.4N，方向沿拉桿運(yùn)動(dòng)；傳統(tǒng)陰極所受力大小Fb=11N，方向與拉桿運(yùn)動(dòng)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(diǎn)及大小以標(biāo)識(shí)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(duì)應(yīng)的機(jī)床拉桿所受形變?yōu)槔L(zhǎng)，當(dāng)牽引桿牽引著陰極運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)加劇機(jī)床拉桿的形變，機(jī)床受力較大，而新型陰極對(duì)應(yīng)的機(jī)床牽引桿形變?yōu)閴嚎s，陰極推著機(jī)床牽引桿運(yùn)動(dòng)，減輕機(jī)床拉桿所受的負(fù)載，機(jī)床受力較小，因此新型陰極解決了機(jī)床受力過(guò)大的問(wèn)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(diǎn)及大小以標(biāo)識(shí)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(jī)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(duì)應(yīng)的機(jī)床拉桿應(yīng)力值大于新型陰極對(duì)應(yīng)的機(jī)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(yàn)

如圖7所示，在電解加工機(jī)床上進(jìn)行工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真得到的新型陰極結(jié)構(gòu)是否合理。按照加工對(duì)象的膛線(xiàn)纏角變化的范圍，加工參數(shù)如下： 電壓為12～15V， 進(jìn)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(chǎng)

表1 加工部分記錄 單位：mm

電解加工后零件切片實(shí)物如圖8所示。

圖8 膛線(xiàn)切片

4 結(jié)語(yǔ)

1) 由有限元分析結(jié)果可知，新型陰極結(jié)構(gòu)在加工時(shí)可減輕機(jī)床拉桿負(fù)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(xiàn)陰極在加工時(shí)導(dǎo)致機(jī)床受力大的問(wèn)題。

2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型陰極結(jié)構(gòu)加工過(guò)程穩(wěn)定，蝕除過(guò)程加工間隙流場(chǎng)收斂，通過(guò)對(duì)零件切片進(jìn)行測(cè)量，零件尺寸合格，滿(mǎn)足精度要求。