范植堅(jiān)，楊 森，唐 霖，吳惠雯

（1.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3.中航工業(yè)西安航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)有限公司，西安 710021）

閉式整體構(gòu)件因結(jié)構(gòu)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(jī)中的得到廣泛應(yīng)用.但其變截面異型螺旋型腔形狀非常復(fù)雜，數(shù)控機(jī)械加工不具備刀具的可達(dá)性［1-2］，工件材料硬度高，加工制造十分困難.有資料認(rèn)為閉式整體構(gòu)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(shí)驗(yàn)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(hù)和加工區(qū)可靠導(dǎo)電的問題［4-5］，探討變截面型腔成型與陰極結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)之間的關(guān)系［6-8］.由于零件大，加工內(nèi)流道時(shí)，陰極必須從工裝上面伸進(jìn)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(jī)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)應(yīng)力集中、因位移影響加工精度等問題.文中針對所設(shè)計(jì)的電解加工內(nèi)流道工裝中的關(guān)鍵部件，采用UG有限元分析，對機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行校核，對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后確定了裝置結(jié)構(gòu)及尺寸.

1 電解加工裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

閉式整體構(gòu)件內(nèi)流道加工采取陰極夾具一體化設(shè)計(jì)，以同時(shí)解決工件定位、陰極導(dǎo)向、導(dǎo)電、絕緣、電解液的導(dǎo)流及可靠密封.工件裝在機(jī)床工作臺的數(shù)控轉(zhuǎn)臺上，按零件螺旋型腔流道編制的程序運(yùn)動，陰極裝在從機(jī)床Z軸引出的供液和供電導(dǎo)桿末端，伸進(jìn)工裝和工件的內(nèi)孔.由于閉式整體構(gòu)件直徑很大，加之全封閉的工裝，必然出現(xiàn)供液供電導(dǎo)桿與陰極進(jìn)給機(jī)構(gòu)之間結(jié)構(gòu)的懸臂，由此產(chǎn)生機(jī)構(gòu)在陰極進(jìn)給過程中的薄弱環(huán)節(jié)，茲提出兩個設(shè)計(jì)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(dǎo)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(shè)計(jì)成兩個垂直面，與主軸頭緊密貼合直接連接到一起，導(dǎo)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(gòu)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(dǎo)流總成

將陰極、導(dǎo)流塊和配流塊組裝成進(jìn)給頭，如圖2（a）～（b），導(dǎo)流塊引導(dǎo)電解液通過配流塊，流經(jīng)陰極頭上側(cè)面，然后進(jìn)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(nèi)骨架貼合，實(shí)現(xiàn)密封.

2）供液供電連接總成

管軸連接總成是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管與機(jī)床立柱連接的組件，主要包括導(dǎo)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(jī)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(dǎo)管，從而實(shí)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(shí)現(xiàn)工件的裝夾定位，同時(shí)法蘭盤下端接數(shù)控轉(zhuǎn)臺，以實(shí)現(xiàn)工件的自由旋轉(zhuǎn).

4）密封裝置

密封裝置由內(nèi)骨架、壓板、壓條、密封圈組成，骨架和壓板同時(shí)也是工裝夾具的一部分.內(nèi)骨架采用絕緣材料保證陰極總成與工件之間絕緣，同時(shí)與工件內(nèi)孔緊密配合，由壓條、密封圈實(shí)現(xiàn)電解液的密封，內(nèi)骨架中部開方孔支撐陰極總成，并為其導(dǎo)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(yùn)動仿真均可實(shí)現(xiàn)預(yù)定的進(jìn)給功能和模擬加工目的.考慮到在實(shí)際電解加工時(shí)電解液的壓力下懸臂結(jié)構(gòu)的變形會影響加工精度，故進(jìn)一步對其做力學(xué)性能的比較，以此選取較優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案.

2 陰極及導(dǎo)流總成力學(xué)性能分析

兩套方案都不可避免的出現(xiàn)了懸臂結(jié)構(gòu)，該懸臂結(jié)構(gòu)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(shí)際情況和變形量，以及檢驗(yàn)其可用性、可靠性，在 UG的CAE模塊中進(jìn)行力學(xué)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(dǎo)流塊、分流塊及陰極.主軸頭與機(jī)床的Y軸連接，與供液管通過螺釘和銷釘連接.供液管和機(jī)床電解液供液閥門通過軟管相連，供液管和導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計(jì)成兩個垂直面，與主軸頭緊密貼合直接連接到一起，導(dǎo)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(xì)節(jié)對于機(jī)構(gòu)的影響不大，卻影響整個結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格分布，使模型過于復(fù)雜，計(jì)算過程耗費(fèi)過多的時(shí)間.為了減少有限元模型網(wǎng)格劃分的復(fù)雜程度，加快計(jì)算的效率，對部件的三維模型進(jìn)行適當(dāng)處理，去掉了微細(xì)的孔，倒角，圓角等特征.對該懸臂結(jié)構(gòu)兩種方案的簡化的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分時(shí)使用四面10節(jié)點(diǎn)的單元，一般位置單元尺寸大小選7.0進(jìn)行自動劃分，針對重要位置單元尺寸大小選擇2.0進(jìn)行細(xì)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(jié)構(gòu)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(qiáng)，陰極端面的面積為1443mm2.計(jì)算結(jié)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(shí)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(yàn)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(zhì)是否達(dá)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(rèn)溫度為20℃，進(jìn)行求解.解算結(jié)果位移等值線圖，應(yīng)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(yīng)力為6.639N／mm2，部件B的最大位移為0.0127mm，最大應(yīng)力為3.615N／mm2.

強(qiáng)度檢驗(yàn)條件為

其中：［σ］為材料的許用應(yīng)力；σmax為實(shí)際計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)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(yàn)中，部件方案一（圖6（a））應(yīng)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(yīng)力最大的區(qū)域是供液管和導(dǎo)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(yīng)力為

由部件靜力分析結(jié)果可以最大應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該材料的許用應(yīng)力117.5N／mm2.

從上述的計(jì)算和分析結(jié)果看，部件方案二在該工況下的位移量和最大應(yīng)力均比部件方案一小.部件方案二在滿足設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)作為本設(shè)計(jì)的陰極及導(dǎo)流總成.

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

圖6 部件應(yīng)力云圖Fig.6 Component stress cloud map

3 結(jié)論

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

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

3）通過對陰極及導(dǎo)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(gòu)件電解加工裝置的研制周期.

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