传动用内花键展成电解加工技术研究.pdf

传动用内花键展成电解加工技术研究沈磊1袁王希1袁黄景山1袁金林2袁姚斌1渊 1.厦门大学航空航天学院袁福建厦门361102曰2.中国航发哈尔滨东安发动机有限公司袁黑龙江哈尔滨150066 冤摘要院针对传动系统关键零件内花键的结构特点与加工难点袁开展内花键展成电解加工流场尧电场仿真与试验验证工作遥首先分析内花键工件的成形特点袁基于模拟仿真研究了展成电解加工中电解液流动方式对流场分布的影响规律曰其次进行展成电解加工电场仿真袁研究了工艺参数对工件轮廓的影响遥基于上述仿真结果袁设计了一种新型电解工装夹具袁并开展了内花键展成电解工艺试验袁验证了展成电解加工方案的可行性袁有望实现内花键的稳定高质加工遥关键词院展成电解加工曰流场设计曰电场仿真曰工装夹具中图分类号院TG662文献标志码院A文章编号院1009原279X渊2023冤03原0036-05Research on Electrochemical Contour Evolution Machining Technology forInternal Splines Used in Transmission SystemSHEN Lei1袁WANG Xi1袁HUANG Jingshan1袁JIN Lin2袁YAO Bin1渊 1.School of Aerospace Engineering袁Xiamen University袁Xiamen 361102袁China曰2.AECC Harbin Dongan Engine Co.,Ltd.袁Harbin 150066袁China 冤Abstract院In view of the structural characteristics and machining difficulties of internal spline袁thekey components of the transmission system袁the flow field and electric field simulation and experimentverification of the electrochemical contour evolution machining of the internal spline were carried out.Firstly袁the forming characteristic of the internal spline workpiece was analyzed袁and the influence ofelectrolyte flow mode on the flow field distribution in electrochemical contour evolution machining wasstudied based on simulation.Then袁the electric field simulation of electrochemical contour evolutionmachining was conducted to investigate the influence of process parameters on the profile of theworkpiece.Based on the above simulation袁a new type of electrolytic fixture was designed and theinternal spline electrochemical contour evolution machining process experiment was conducted.Theresult verified the feasibility of the electrochemical contour evolution machining scheme袁which isexpected to achieve stable and high-quality machining of internal splines.Key words院electrochemical contour evolution machining曰flow field design曰electric field simulation曰fixture内花键是传动系统中广泛应用的一类结构袁作为具有代表性的异形孔类零件袁被广泛应用于航空航天尧汽车制造尧高档数控装备等高科技领域1遥传统机械加工常用插削尧拉削尧磨削等方法加工内花键零件袁但受工件特殊结构和材料硬度的影响袁在加工过程中会产生刀具严重损耗尧工件表面划痕等缺陷袁造成工件报废多尧精度保持差尧加工效率低袁是国内外制造领域的难题遥电解加工是利用金属在电解液中电化学阳极溶解的原理袁获取具有一定尺寸精度和表面粗糙度的零件成形方法袁其具有加工过程无切削力尧工具阴极无损耗尧加工效率高等优点袁被广泛应用于航空航天等制造领域2-3遥当前常用的电解加工技术是将加工阴极沿加工方向进给即可将阴极所具有的形状野拷贝冶到待加工工件上袁如键槽尧型孔尧型腔等4遥收稿日期院2023-04-03第一作者简介院沈磊袁男袁1996年生袁硕士研究生遥通信作者简介院姚斌袁男袁1963年生袁教授遥叶电加工与模具曳2023年第3期电化学加工36要要若将轴向电解加工与数控技术结合袁针对某些零件的形状结构特点袁采用一些较零件所需形状更简单的阴极袁进行复杂的曲线运动而加工出零件所需形状尺寸的电化学加工方法称为展成电解加工遥这种方法形状简单尧运动轨迹复杂袁较沿轴向进给的电解加工方法而言袁增加了电解加工阴极的适用性袁是电解加工的重要补充5遥电解加工装置中的阴极和工装夹具须针对运动过程进行设计袁其合理性决定加工能否顺利进行遥其中袁电解加工夹具首先应具有定位尧夹紧等常规机械加工夹具的功能袁其次还应保证电解加工中电解液的密封性与流动性尧夹具与电源间的导电性尧与机床本体间的绝缘等袁例如针对闭式整体涡轮的电解加工设计的内外涡道夹具6袁针对航空发动机机匣设计的旋印电解夹具7遥由于展成电解加工中阴阳极的运动较轴向电解加工来说更为复杂袁密封性也更难保证袁本文针对内花键的加工难题提出了一种内花键展成电解加工方案袁基于数值分析的方法进行了展成电解流场优化分析袁通过电场仿真确定加工参数范围袁并设计了一套针对展成电解加工的工装夹具袁通过工艺试验验证了加工方案和夹具装置的可行性遥1加工目标与方案1.1内花键结构图1是国内某航空企业某型直升机传统系统的内花键示意图袁为非等截面的圆环柱体袁其内部有19个均匀分布的尧精度精度高的渐开线齿型槽道遥图2是根据目标内花键设计的非等截面圆环柱体袁为确保试验的准确性袁将柱体分为上半部分的试验结构和下半部分的夹具内部结构遥工件材料为第3代齿轮钢袁强度和硬度都较高袁为节省试验成本袁试验阶段材料采用不锈钢遥1.2展成电解加工方案针对高硬度尧难加工的内花键结构袁开展展成电解加工试验遥如图3所示袁工具阴极与待加工工件保持一定的初始间隙袁阴极以v的速度沿Y方向进给初始间隙与所需的加工深度袁之后两者分别以图示棕1和棕2的方向开始做高精度旋转运动遥2流场设计与仿真分析2.1电解液流场设计高压尧高速的电解液流是保证小的加工间隙和高的电流密度的前提袁这对提高加工精度与改善零件表面粗糙度有着重要意义8遥如图4所示袁加工时阴极与工件的相对位置需在同一侧袁故阴极需具有一定的高度袁可能会造成电解液在流经阴极不同高度时的流速不同袁因此要求阴极在加工不同高度时的流速都满足加工需求遥定义最下端为最小加工高度袁最高处为最大加工高度遥针对内花键展成电解加工袁分别设计电解液侧向流动和反向流动两种方式袁建立流道模型进行对比研究渊图5冤遥展成电解和轴向电解的加工区域不同袁轴向电解加工区域是均匀分布在待加工零件的内圆上袁而展成电解加工区域处于整个圆周上的某一部分袁随着加工的进行袁进液口或排液口的位置相对于加工区域会发生改变袁使电解液到达加工区域的路线发生变化袁影响加工区域的电解液流速袁因此还需进行不同电解液进出口位置时的流场分析遥2.2电解液侧向流动仿真电解液侧向流动方式是在电解加工过程中袁电解液经由水泵加压后袁以一定的压力从夹具侧面的进液孔进入夹具内部袁流至工件上方后再流入加工间隙中袁带走电解产物后从夹具下方预留的排液孔流出遥图6是针对电解液侧向流动方式模拟的进液孔远离加工区的速度云图袁分析得知当进液孔远离渊a冤整体外貌渊b冤剖面图1内花键图2待加工零件试验工件夹具内部v棕1棕1棕2棕2YX渊a冤径向进给渊b冤加工开始渊c冤加工中渊d冤加工结束图3展成电解加工过程待加工工件工具阴极加工高度图4加工高度示意电化学加工叶电加工与模具曳2023年第3期37要要加工区域袁电解液侧向流动在加工高度最小处和最大处的电解液流速分别为9 m/s和7.5 m/s袁不同的加工高度上流速相差较小曰在同一高度的加工间隙内袁靠近工件的一侧的电解液流速较小袁靠近阴极处的电解液流速较大遥图7是针对电解液侧向流动方式模拟的进液孔靠近加工区的速度云图袁分析得知当进液孔靠近加工区域时袁加工高度最小处和最大处的加工区域内的电解液流速分别为12 m/s和7.5 m/s袁在加工间隙内也会存在流速差袁且在加工高度最大处的区域明显出现电解液流速不足的情况遥2.3电解液反向流动仿真与侧流式相反袁电解液反向流动是在电解过程中袁电解液经由加工水泵加压后袁以一定的压力从夹具底部由进液孔进入夹具内部袁流至工件底部后再流入加工间隙袁带走电解产物后从夹具上方预留的排液孔流出遥图8是针对电解液反向流动方式模拟的排液孔远离加工区的速度云图袁分析得知当排液孔远离加工区域袁在加工高度最小处和最大处的区域电解液流速分别为14 m/s和9.8 m/s袁在不同的加工高度上速度会相差较大袁并且在靠近工件处会出现流速不足的情况遥图9是针对电解液反向流动方式模拟的排液孔靠近加工区的速度云图袁分析得知当排液孔靠近加工区域袁在加工高度最小处和最大处的区域电解液流速分别为14 m/s和12 m/s袁在靠近工件处未出现电解液流速不足的情况袁并且电解液流速随加工高度变化幅度较小遥分析反流式两种排液孔位置的加工间隙电解液流速分布云图袁受排液孔位置的影响袁电解液在随着加工高度升高的过程中袁会逐渐向靠近排液孔位置的一侧聚集袁有助于带走加工间隙内的电解产物及热能遥综合考虑电解液流动速度的大小及流速差袁最终选用电解液反向流动方式遥1236541357891.加工间隙2.电解液近端入口3.阴极杆4.电解液远端入口5.待加工工件6.电解液出口7.电解液近端出口8.电解液远端出口9.电解液入口渊a冤电解液侧向流动渊b冤电解液反向流动图5两种电解液流动方式渊b冤加工高度最大处渊a冤流场分布渊c冤加工高度最小处图6侧流式进液孔远离加工区电解液流场分布渊b冤加工高度最大处渊a冤流场分布渊c冤加工高度最小处图7侧流式进液孔靠近加工区电解液流速分布渊b冤加工高度最大处渊a冤流场分布渊c冤加工高度最小处图8反流式排液孔远离加工区电解液流速分布渊b冤加工高度最大处渊a冤流场分布渊c冤加工高度最小处图9反流式排液孔靠近加工区电解液流速分布26101418m/s26101418m/s26101418m/s26101418m/s261014m/s261014m/s261014m/s261014m/s叶电加工与模具曳2023年第3期电化学加工38要要3展成电解加工电场仿真3.1电场仿真模型图10是展成电解加工电场仿真模型袁该模型分为三部分院外围圆型轮廓对应待加工工件内部轮廓即工件阳极袁中间空白区域边缘轮廓对应展成电解加工工具阴极袁灰色部分对应电解液所在区域遥工具阴极与工件阳极之间留有初始加工间隙袁电解加工电场仿真主要研究各因素对工件阳极轮廓成形的影响袁包括加工电压尧阴极进给速度和阴极形状遥3.2加工电压对阳极轮廓的影响在电解加工中袁加工电压与加工间隙成正比袁其他参数不变的情况下增大加工电压袁对应间隙距离和侧面加工间隙也增大袁这表明大电压下工具阴极复制到工件阳极表面的轮廓精度相对较差遥为合理选取加工电压袁选择5尧10尧15尧20 V的电压值进行电场仿真袁具体结果如图11所示袁可见在满足顺利加工的前提下袁电解加工电压越小袁工件型面的成形精度越高遥3.3阴极进给速度对阳极轮廓的影响在电解加工中袁阴极进给速度越大袁电解加工间隙越小袁但阴极进给速度过快会造成阳极溶解速度小于阴极袁从而发生碰撞短路的情况遥选择0.5尧1尧1.5尧2 mm/min的阴极进给速度进行电场仿真袁具体结果如图12所示袁可见阳极成形精度会随着阴极进给速度增大而提高袁在阴极速度低于1 mm/min时袁成形精度明显变差袁当速度大于1 mm/min时袁成形精度的提升较为平缓遥从仿真结果可知袁实际阴极进给速度应大于1 mm/min袁且在满足加工顺利进行的条件下袁速度越快越好遥3.4阴极形状对阳极轮廓的影响在展成电解加工过程中袁阴极与阳极处于不断野啮合冶的状态袁已加工成形的部分在退出啮合时袁会再次与阴极啮合而造成二次加工袁并且加工过程中存在杂散腐蚀遥图13是对直线齿轮型和渐开线齿轮型两种不同阴极进行旋转展成运动电场成形仿真曲线袁可见在相同加工条件下袁直线齿轮型阴极加工出的轮廓齿厚比渐开线齿轮型阴极的小袁这是由于直线齿轮型阴极不仅增加二次加工余量减小齿厚袁更使其在退出啮合后增大与非加工面渊即内花键齿顶冤的距离袁从而保护了非加工面不被腐蚀遥为减少二次加工及杂散腐蚀对成形精度的影响袁设计直线齿轮型阴极作为工具阴极遥4工装夹具的设计为保证电解加工顺利进行袁需要加工区域的电解液供应充足9袁且大多数电解加工需在密闭腔体中进行袁如出现漏液等现象会对加工区域的电解液供应产生影响10遥夹具是电解加工实验中的重要组件袁具有将电解液引入加工间隙尧保证加工稳定进行尧减少电解液泄露的作用11遥选定电解液反向流动方式袁根据展成电解加工所需要的运动方式设计图14所示的密封夹具袁该装置共分为上尧中尧下三部分遥通过在中部夹具孔内开槽加入密封圈与阴极杆相连袁上下部分外围中间加入橡胶垫片并由螺栓锁紧袁根据橡胶垫圈在压力作图10电场仿真模型及网格划分1421401381361341321301281261241229810010210499101103加工位置/mm20 V15 V10 V5 V图11不同电压成形轮廓对比9810010210499101103142140138136134132130128126124122加工位置/mm2 mm/min1.5 mm/min0.5 mm/min1 mm/min图12不同进给速度成形轮廓对比-15-14-13-120-2-4-6-8-10-12-14-16加工位置/mm直线型渐开线型图13不同形状阴极成形轮廓对比电化学加工叶电加工与模具曳2023年第3期39要要用下的形变状况袁在中间部位预留一定的高度袁使上下部分在被螺栓压紧的情况下与中间部位紧密贴合袁可实现中间部位灵活活动并保证一定的密封性袁从而达到中间部分与上下部分组合袁形成野迷宫冶式防水的目的曰同时袁由于电解液有水泵升压送入下部底座袁造成底座中会有一定的压力支撑上部装置与中部装置紧密连接遥图15是夹具的总装示意袁上尧下两部分为具有良好耐腐蚀性的金属材料袁中部因直接与上下部装置及阴极相连接袁其采用非金属材料袁以避免电源阴阳极直接接触造成短路问题袁下部底座中装有待加工工件袁且具有良好的强度与刚度袁能够承受电解液压力引起的动负载遥5试验验证展成电解加工试验装置包括电解加工机床尧展成电解随动密封夹具尧工具阴极尧数控转台尧电解液供给过滤系统以及上盖处的引流装置遥试验条件为院齿数比19颐9尧加工电压12 V尧电解液温度25 益尧阴极转速0.15 r/min袁电解液为质量分数8%的NaNO3溶液遥图16是展成电解加工和轴向电解加工的效果对比袁可见通过展成电解加工的工件的内花键齿廓明显尧轮廓均匀尧表面质量高袁经过分中棒测得齿轮棒距M值在23.0223.12 mm袁符合工件粗加工的精度要求袁这验证了所提出内花键展成电解方法的可行性遥6结束语本文针对传动系统关键零件内花键的加工难题采用展成电解加工袁开展展成加工轨迹设计袁建立加工过程中的电解液流动模型袁基于数值分析方法研究了展成电解液流动方式对加工高度区域内流场分布的影响规律袁并通过电场仿真确定了适用于展成电解加工的参数范围遥基于上述模拟仿真袁设计了一套满足运动轨迹的电解加工用夹具袁通过内花键展成电解工艺试验袁验证了加工方案的可行性袁有望实现内花键的稳定高质加工遥参考文献院1王轶禹袁赵建社袁谷民凯袁等.渐开线内花键电解加工流场设计及工艺稳定性研究J.中国机械工程袁2021袁32渊13冤院1562-1570.2范植坚袁李新忠袁王天诚.电解加工与复合电解加工酝.北京院国防工业出版社袁2008援3朱荻袁刘嘉袁王登勇袁等.脉动态电解加工J.航空学报袁2022袁43渊4冤院1-14.4徐家文袁王建业袁田继安.21世纪初电解加工的发展和应用J.电加工与模具袁2001渊6冤院1-5.5徐家文袁云乃彰袁严德荣.数控电解加工整体叶盘的研究尧应用和发展J.航空制造技术袁2003渊6冤院31-34袁72.6康保印袁吕原君袁范植坚.闭式整体涡轮电解加工工装夹具设计与实验J.制造技术与机床袁2021 渊3冤院149-153.7彭雪涛.旋印电解加工流场仿真与夹具设计D.南京院南京航空航天大学袁2014.8何长运.电解加工过程的多场耦合仿真研究D.广州院广东工业大学袁2015.9陈修文.整体叶盘电解加工的流场仿真与试验D.南京院南京航空航天大学袁2012.10朱乐.电解加工夹具的轴封设计与密封性能研究D.淮南院安徽理工大学袁2019.11赵思淳袁李寒松袁孙飞响袁等.超声辅助模板电解加工夹具设计及参数优化J.机械制造与自动化袁2020袁49渊1冤院12-15.渊a冤夹具上部渊b冤夹具中部渊c冤夹具底座图14密封夹具装置图15夹具总装示意上部底座中部渊a冤轴向电解工件渊b冤展成电解工件图16轴向电解加工和展成电解加工效果对比叶电加工与模具曳2023年第3期电化学加工40要要