陶祥力1袁翟鹏1袁尚自河2袁秦磊2
渊1.山东大学渊威海冤机电与信息工程学院袁山东威海264209曰2.山东滨州渤海活塞股份有限公司袁山东滨州256600冤
摘要院基于电解成形加工的原理袁提出了一种采用阵列式多段阴极电解加工锻钢活塞异型销孔的方法遥首先袁根据理论计算出每段电极上所需施加的参数袁通过改变施加在每个电极上的电压或电流袁实现对加工形状的控制曰其次袁运用COMSOL 多物理场耦合软件进行仿真模拟袁得出了最佳加工间隙曰最后袁针对加工过程中由于电场交叉分布造成的目标加工曲线两端出现直线段的情况袁在两端额外增加一段电极袁利用多电场耦合效应营造相同电场环境袁从而达到所需轮廓要求遥参数调整后袁仿真结果与目标曲线高度吻合袁证明了该方法的实用性袁为加工锻钢活塞异型销孔提供了新思路遥 关键词院锻钢活塞曰异型销孔曰电解加工曰阵列式阴极曰仿真中图分类号院TG662文献标识码院A 文章编号院1009原279X渊2019冤01原0039-04
Simulation of Electrochemical Forming of Non-cylinder Pin Holes for Forged Steel Piston
TAO Xiangli 1袁ZHAI Peng 1袁SHANG Zihe 2袁QIN Lei 2
渊1.School of Mechanical袁Electrical and Information Engineering袁
Shandong University (Weihai)袁Weihai 264209袁China曰
2.Shandong Binzhou Bohai Piston Co.,Ltd.袁Binzhou 256600袁China 冤
Abstract 院Based on the principle of electrochemical machining袁a new method for electrochemical machining of non -cylinder pin holes for forged steel piston using array multi -section cathodes is proposed.According to the theory袁the application parameters required on each electrode were calculated袁and the voltage or current applied to each electrode is changed to control the processing shape.The simulation experiment was carried out with COMSOL multi-physics coupling software袁and the optimal machining gap was obtained.In view of the fact that a straight line segment appears at both
sides of the target machining curve due to the electric field cross -distribution during the machining process袁an additional electrode is added at both sides and the electric field environment of the same processing area is created by the multi -electric field coupling effect to achieve the same contour requirements.After parameter adjustment袁the results of simulation are highly consistent with the target
curve袁which proves the practicability of the method and provides a new idea for the processing of special pin hole of piston.
Key words 院forged steel piston曰non-cylinder pin holes曰ECM曰array cathode曰simulation
收稿日期院2018-11-22
基金项目院山东省科技厅高端制造装备重大科技创新工程资助项
目渊2017CXGC0911冤曰山东省泰山领军培育项目渊2016GRC3205冤
第一作者简介院陶祥力袁男袁1994年生袁硕士研究生遥通讯作者简介院翟鹏袁男袁1963年生袁教授遥
随着发动机功率及排放要求的提高袁加工中活塞承受了更加严酷的机械及热负荷袁传统的铝硅合
金材料难以满足工作要求袁而锻钢材料生产的活塞成为了重型发动机的新宠遥然而袁材料强度的提高导致了切削力的增加袁引起加工的销孔形状精度过差曰此外袁由于锻钢类活塞销座多为台阶式结构袁造成销孔镗削过程是断续切削袁镗削过程中的切削冲击袁会使被加工的销孔素线特别是异形销孔型线精度超差[1]遥
电化学加工
叶电加工与模具曳2019年第1期
39要要
图3目标曲线形状
图2控制系统示意图
渊a冤传统电解加工
渊b冤新型电解加工
图1电解加工曲线示意图
精密镗削异型孔加工的关键是要在镗杆高速回转的同时袁实现镗刀的径向可控微位移[2]遥德国某
公司采用机械仿形加工技术袁其精度可达2滋m袁但显著缺点是转速不宜超过1500r/min [3]曰刘炳运[4]设
计了一种野斜面+四连杆柔性铰链冶机构实现镗削刀具的径向位移量控制袁该方法可实现3000r/min 或更高的转速袁但变形机构结构复杂尧传动环节多袁且斜面机械磨损造成刀具位移控制精度降低曰滨州
活塞公司发明了一种由偏心轴套与偏心刀杆组成的异形孔镗主轴袁利用两者的相对转动来实现镗刀的径向微位移曰张凯等[5]提出了一种基于电磁驱动的非圆异形孔的加工方法袁在镗床主轴与镗杆之间设置一个基于柔性铰链的特殊机构袁通过施加电磁力使镗刀产生径向微位移遥以上都是传统切削加工成形方式袁切削力造成刀杆振动及变形袁最终都反映在被加工孔的精度上遥
利用电解方法进行成形加工袁其与材料硬度无关袁又具有无工具损耗尧生产率高尧表面质量好等优点[6]遥德国埃马克集团在异型孔加工方面已拥有多项专利技术袁采用可自由设置的多极脉冲电流袁并通过叠加电极的机械震荡尽量提高电解质的交换率与再生率袁从而有效保证了电解过程的高精度与
效率[7]遥李兆龙等[8]利用管状电极并采用间歇插补的方式实现了一次性电解加工出变截面孔袁但单电极加工不仅效率低袁且存在杂散腐蚀袁影响被加工型孔的形状精度遥
不同于传统电解加工采用整体式阴极的方法袁本实验采用阵列式阴极的加工方式袁即采用阵列式分段阴极袁对每个电极进行单独控制袁通过改变施加在每个电极上的电压或电流对加工形状进行控制袁进而加工出所需非圆异型孔遥本方案加工效率高袁同时由于多电极耦合电场作用袁电极之间可实现光滑过渡袁提高了加工孔素线形状精度遥
1阵列式阴极电解加工原理
电解成形加工是利用金属在外电场作用下的阳极溶解得到所需工件形状袁阴极工具和电源的负极连接袁工件则作为阳极和电源正极相连袁阴阳两极之间留有合适的加工间隙袁并通入相应流动的电解液进行加工[9]遥常规的电解加工袁工具阴极是一个整体袁其形状是根据待加工工件的目标轮廓来设计袁但由于受到电场尧流场等多种因素的交互影响袁阴极的设计制造非常困难[10]遥本研究采用一种阵列式多电极装置袁其阴极是由若干段相互独立的电极组合而成袁并由单独闭合回路控制袁可根据需要分别刺激或者同时提供不同的电压或电流袁各个电极
形成静态矩阵袁从而组合成各种形状袁且同一形状通入不同激励也会加工出不同的形状遥工作原理如图1所示院图1a 为传统电解加工袁阴极为整个电极袁其形状必须根据所需加工轮廓来设计袁电极制作较困难曰图1b 为本研究中使用的新型电极袁阴极由若干段形状大小均相同的圆环电极组合而成袁在加工过程中袁通过使用不同大小的电压激励相同时间内的不同腐蚀量从而出现所需弧线遥加工中袁控制器通过切换施加于多电极上电压脉冲的序列和持续时间来加工所需轮廓曰每个电极包括柔性的导线袁屏障包括围绕每个线的柔性绝缘护套遥控制系统示意见图2遥
2模型建立
本研究的加工对象为图3所示的某活塞的异型销孔袁其曲线共计分为三段院左端曲线长度为
11.5mm袁方程为y =0.756伊10-4
x 2
曰中间段为直线袁长度为7mm曰右端曲线长度为7mm袁方程为y =1.020伊10-4
x 2
遥目标曲线总长为25mm遥
阴极工具
多段阴极工具
-
阳极工件
+阳极工件
+数字控制器
控制开关
脉冲电流电源
电力总线
电极
工件
Ra 0.8滋m
38
52
6689
电化学加工
叶电加工与模具曳2019年第1期
40要要
图4仿真模型
2.1
电解加工基本规律
电解加工间隙中的电场分布服从法拉第定律袁阳极工件在法向上的蚀除速度为院
淄a =浊棕i 渊1冤
式中院淄a 为某处阳极工件法向蚀除速度曰浊为电流效
率曰棕为待加工金属工件的体积电解当量曰i 为阳极表面处法向电流密度遥
当采用阴极进行非进给的电解加工时袁由于阴极没有进行进给运动袁随着加工时间变长袁加工间隙越大袁电流密度相应减小袁阳极工件蚀除速度逐渐减小遥由上侧面平衡加工间隙理论袁可得到固定阴极电解加工时袁加工时间与加工间隙的关系院
驻=2浊棕滓U R t +驻2
姨渊2冤
式中院滓为电导率曰U R 为阳极表面电位曰t 为加工时间曰驻0为起始加工间隙遥不同的电极段袁由于施加的电压不同袁在同样的时间内蚀除量不同袁且由于各段电极之间电场相互影响可使各段加工轮廓光滑连接袁最终形成被加工曲线遥
2.2
基于COMSOL 的仿真研究
为简化计算袁取工件剖面曲线进行二维仿真加
工遥首先根据所加工目标曲线袁对阴极进行合理分段袁由于中间段为直线尧两边为曲线袁根据以上电极分段依据袁得到的仿真模型见图4遥
3初始加工间隙对成形精度的影响
加工间隙对加工效率及精度有重要的影响[8]
遥为了探究最佳初始加工间隙袁在将阴极合理分段后袁并保持其他参数一致袁分别将加工间隙设置为
10尧7尧4.5尧3滋m袁然后进行数值计算袁得到电解加工0.2s 后的电解质电位云图遥由图5可见袁当加
工间隙为10滋m 时袁电解加工后的工件形状阶梯化较严重袁尤其是在两端电极的交界处过渡区较明显袁成形精度较低曰随着加工间隙的减小袁电解加工后的
阳极阶梯化程度减小甚至在误差范围内消失曰但减小到4滋m 以下时袁无法形成曲面袁阳极工件会以相同速度被蚀除遥加工间隙越小袁对控制系统要求也越高袁故在实际加工中选择4.5滋m 为最佳间隙遥
4各段电极产生的交叉电场对成形精度的影响
在最佳加工间隙下进行仿真模拟袁分析以上云图发现袁阳极最终加工形状与目标轮廓存在一定误差袁特别是在阳极的两端处袁出现了直线部分袁型孔左右端靠近中间的部分袁误差较小曰型孔两端加工
分段阴极电解液阳极工件
渊d冤初始加工间隙为3滋m
图5不同初始加工间隙下的加工效果图
-0.045
-0.040-0.035-0.030-0.025-0.020-0.015-0.010-0.00500.005
-
10-50510时间=0.2s曰表面院电解质电位/V
2.22.01.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-2.74
渊a冤初始加工间隙为10滋m
-0.045
-0.040-0.035-0.030-0.025-0.020-0.015-0.010-0.00500.005
-10-50510时间=0.2s曰表面院电解质电位/V
2.22.01.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-2.74
渊b冤初始加工间隙为7滋m
-0.045
-0.040-0.035-0.030-0.025-0.020-0.015-0.010-0.00500.005
-10-50510时间=0.2s曰表面院电解质电位/V
2.22.01.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-2.74
渊c冤初始加工间隙为4.5滋m
-0.035
-0.030-0.025-0.020-0.015-0.010-0.00500.005
-10
-50510mm
时间=0.2s曰表面院电解质电位/V
2.22.01.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-2.74
0.0100.015目标加工曲线长度/mm 目标加工曲线长度/mm 目标加工曲线长度/mm 目标加工曲线长度/mm
电化学加工
叶电加工与模具曳2019年第1期
41要要
目标加工曲线长度/mm
目标加工曲线长度/mm
图7参数调整后的电解液电势分布云图
曲线与理论曲线出现较大偏差袁靠近两端处出现一段直线袁且直线长度与电极长度一致遥这是由于相邻阴极之间会形成交叉电场袁末端只受到单侧电场影响袁处于两分段阴极之间的阳极工件受到附近两阴极形成的电场影响袁可随电场分布规律圆滑过渡袁而最左端与最右端只受到单侧电场的影响袁只能单侧圆滑过渡而另一侧出现一段直线遥由于分段数量按型孔素线长度平均分配袁在接近外端处会出现一段恒电流密度区袁故电解加工的曲线与目标曲线有一定的误差遥
为解决此问题袁可在目标加工曲线两端额外增加一段电极袁与原来最外侧电极形成交叉电场袁使最外端的直线段部分出现在目标加工曲线之外袁如此可达到目标要求遥
图6是在两端增加电极前后的仿真结果袁其中建模起点为中间段左端点袁所以目标曲线最右端终点坐标为14mm遥由图6可看出袁未增加电极前袁右端靠近终点处会出现一段直线段袁研究发现该直线无法避免袁所以通过增加一段电极的方法将该直线段平移至目标曲线外曰增加一段电极后袁直线段已完全移
至目标曲线外袁即可使所需曲线达到最佳加工效果遥经过不断调整参数袁最终得到图7所示的电势分布云图遥
为了便于分析仿真得到的阳极表面轮廓与目标曲线的误差袁将阳极表面曲线坐标导入Matlab 软
件中袁并与目标曲线在同一坐标系中进行对比袁结果见图8遥可看出袁在最佳间隙和最佳时间下袁经过两端增加电极改进后袁最终得到的仿真结果与目标曲线高度吻合袁误差控制在很小的范围内袁表明本研究所提出的加工方法可行遥
5结论
本文通过理论分析对所需变量进行精确计算袁并利用仿真模拟验证了其可行性袁并通过延长线圈阴极的方法袁保证了异型孔型线两段的轮廓的要求袁得出以下结论院
渊1冤提出多段阴极电解方法加工异型销孔法袁通过对每段电极施加电压的精确计算袁加之对阴极的合理分段得到任意目标曲线遥仿真结果显示袁理论数据较高地吻合了目标曲线袁可满足异型孔加工轮廓精度要求遥
渊2冤初始加工间隙是影响型孔轮廓精度的重要因素袁加工间隙越大袁轮廓精度越差曰而加工间隙太小袁影响工件蚀除袁无法形成要求的轮廓遥仿真结果显示袁在电解液尧被加工工件材料相同的情况下袁
加工初始间隙为0.0045mm 时袁效果较好遥
渊3冤针对末端电极处由于受到单电场的影响出现直线段的情况袁采取在端点处增加额外电极产生交叉电场袁利用多电场耦合效应营造出同中间加工区域相同的电场环境袁可加工出所需圆滑曲线袁并将直线段部分移至目标曲线外遥
渊b冤改进后
图6增加电极前后的仿真结果
时间=0.2s 表面院电解质电位/V
-0.034
-0.033
-0.032
-0.031-0.030
12.51313.514-3.57
-3-2-10
122.2渊a冤改进前
时间=0.2s 表面院电解质电位/V
2.2-10-50510
-4-3-2-1012-4.3
-0.034-0.033-0.032-0.031-0.030-0.029-0.035
图8仿真结果曲线与目标曲线对比图
时间=0.2s 表面院电解质电位/V
-10
-50510
-4.3
-
4-3-2-1012-0.055-0.045-0.035-0.025-0.015
-0.0050.0050.015 2.2-0.045
-0.040
-0.035
-0.030-0.025-10-5051015
仿真曲线目标曲线
目标加工曲线长度/mm
目标加工曲线长度/mm
渊下转第63页冤
电化学加工
叶电加工与模具曳2019年第1期
42要要
参考文献院
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3结论
本文设计了一种并联驱动振动辅助旋转车削装置袁其运动平台通过两压电叠堆输入具有不同相位的余弦信号来调整旋转刀具绕刀位点Y轴的高频往复摆动运动袁进而获得理想的运动轨迹曰该装置可通过铰链尺寸建立刚度模型袁进而调整参数设置来优化旋转运动台的旋转角度范围遥同时袁通过轨迹计算和有限元仿真袁对所设计的VARC运动平台进行了仿真遥仿真分析结果显示袁在输入力为200N作用下袁输出端的输出位移能达到5.13尧11.37尧0.061滋m袁刀具绕刀位点旋转角度近似为8毅袁前三阶模态频率分别为3675.5尧4232.3尧5061.3Hz曰轨迹计算分析结果显示袁当A1=4滋m尧A2=4滋m尧鬃1= 0毅
尧鬃2=30毅时的旋转角度近似为5.5毅曰当A1=4滋m尧A2=2滋m袁鬃1=30毅尧鬃2=60毅时的旋转角度近似为5.2毅曰当A1=6滋m尧A2=4滋m尧鬃1=60毅尧鬃2=90毅时的旋转角度近似为5.8毅遥结果表明袁所设计的VARC运动平台能实现旋转角度运动袁且固有频率远大于非共振运动平台的工作频率袁满足了设计要求遥
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渊上接第42页冤
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