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1、磁场辅助电解加工磁场辅助电解加工 范植坚范植坚西安工业大学西安工业大学 西安西安 710032 1 1摘摘 要要 v为了解决型孔和型面电解加工时经常出现的杂散腐为了解决型孔和型面电解加工时经常出现的杂散腐蚀、束流和空穴等问题，本文采用磁场辅助电解的蚀、束流和空穴等问题，本文采用磁场辅助电解的方法，设计了在阴极体、夹具体内镶嵌磁路和在阴方法，设计了在阴极体、夹具体内镶嵌磁路和在阴极体侧镶贴永磁体的电解加工装置。极体侧镶贴永磁体的电解加工装置。v实验结果实验结果: :用用3 3坐坐标标测测量量仪仪对对型型面面加加工工的的曲曲面面( (加加 工工 面面 积积 为为150mm45mm)150mm45m
2、m)尺尺寸寸进进行行测测量量，曲曲面面形形状状偏偏差差小小于于0.05mm0.05mm，型型面面厚厚度度偏偏差差小小于于0.02mm0.02mm, ,表表面面粗粗糙糙度度Ra0.2mRa0.2m； （国内型面电解加工精度国内型面电解加工精度 0.150.150.30mm0.30mm， 国外国外: :当当 加工面积加工面积20 20 cmcm2 2时时，偏差偏差0.075mm0.075mm) )与与不不加加磁磁场场的的电电解解加加工工型型孔孔相相比比，在在相相同同加加工工条条件件下，下，型孔侧壁锥度减小型孔侧壁锥度减小87%87%。2 2q磁源选择磁源选择q磁场设计磁场设计q按加工对象进行磁场辅
3、助按加工对象进行磁场辅助 电解加工装置的设计电解加工装置的设计加工对象加工对象 型孔型孔加工对象加工对象型面型面q 实验实验电解加工型孔电解加工型孔电解加工型面电解加工型面q 分析讨论分析讨论内内 容容3 3目目 标标减小电解加工的杂散腐蚀；减小电解加工的杂散腐蚀；消除加工间隙中的束流，空穴消除加工间隙中的束流，空穴等流场不均匀的现象。等流场不均匀的现象。4 4磁场设计的任务磁场设计的任务 q 选择磁源选择磁源;q 设计磁路设计磁路:决定磁感应强度决定磁感应强度;设计磁体的尺寸和几何形状设计磁体的尺寸和几何形状; 在电解加工装置中安置磁体及磁路需要的轭铁等材料在电解加工装置中安置磁体及磁路需要
4、的轭铁等材料.要要 求求使磁力线覆盖加工间隙；使磁力线覆盖加工间隙；按照加工要求改变电力线方向；按照加工要求改变电力线方向；通过切割流线得到均匀流场。通过切割流线得到均匀流场。5 5加工对象加工对象 方孔方孔 12+0.10mm12+0.10mm, 40mm deep 异形孔异形孔 型面：型面：4次幂次幂6 6磁源磁源 电磁场磁路设计磁路设计将励磁线圈分别绕在工件外将励磁线圈分别绕在工件外侧的夹具体和阴极杆上，阴极采用纯铁。侧的夹具体和阴极杆上，阴极采用纯铁。 以减小方孔加工时的侧壁锥度为主要目的的设计以减小方孔加工时的侧壁锥度为主要目的的设计 磁场辅助电解加工装置磁场辅助电解加工装置1-夹具
5、夹具, 2-励磁线圈励磁线圈, 3-工件工件, 4-阴极，阴极，5-导磁杆导磁杆54321Experiment MC-50V-B ECM 机床机床 DC 电源电源 材料材料 30CrNiMoV 电压电压 10V 进给速度进给速度 1.5mm/min 15% NaNO3 电解液压力电解液压力 1.2MPa7 7 将励磁线圈安装到工作在大电流、高压力、小间隙将励磁线圈安装到工作在大电流、高压力、小间隙的电解加工装置中并非易事，因为存在以下问题：的电解加工装置中并非易事，因为存在以下问题：线圈线圈的体积硕大的体积硕大; ;必须配备专用电源；必须配备专用电源；必须保证良好的密封和绝缘，否则随电解液泄漏
6、线必须保证良好的密封和绝缘，否则随电解液泄漏线圈的圈的匝数减少，直接影响加工效果。匝数减少，直接影响加工效果。 减小方孔加工时的侧壁锥度减小方孔加工时的侧壁锥度减小方孔加工时的侧壁锥度减小方孔加工时的侧壁锥度8 8磁源磁源 - 永磁体，永磁体，具有高矫顽力、高磁能积的钕铁硼提供了具有高矫顽力、高磁能积的钕铁硼提供了允许使用已有较大气隙长度和气隙磁密度的可能性。允许使用已有较大气隙长度和气隙磁密度的可能性。Experiment MC-50V-B ECM machine tool DC power specimen material 30CrNiMoV prefabricated hole siz
7、e-11mm x 11mm Voltage of 10V the feed velocity 1.5mm/min 15% NaNO3 pressure 1.2MPa 镶嵌磁体的阴极镶嵌磁体的阴极1-阴极阴极, 2-绝缘层绝缘层 , 3-磁体磁体磁路设计磁路设计 将磁体嵌入阴极体，将磁体嵌入阴极体，N向上，向上，磁感应强度磁感应强度0.58T 123NS 减小方孔加工时的侧壁锥度减小方孔加工时的侧壁锥度减小方孔加工时的侧壁锥度减小方孔加工时的侧壁锥度9 9以消除型孔加工时流线为主要目的的设计以消除型孔加工时流线为主要目的的设计 l磁路设计磁路设计 - 在阴极侧壁镶贴永磁体，在阴极侧壁镶贴永磁体，
8、 N,S相间相间 l实验实验 Experiment were carried out in MC-50V-B ECM machine tool DC power specimen material h62 brass Voltage of 10V the feed velocity1.5mm/min 10NaSO4 pressure 1.5MPa N,S相间镶贴在阴极体侧壁相间镶贴在阴极体侧壁 1-阴极阴极, 2- 绝缘层绝缘层,3-磁体磁体1232131010The experiment data 条件Depth(mm)Gap(mm)Slope(mm)1#未迭加磁未迭加磁场150.260.1
9、50300.300.1752#电磁磁场150.180.077300.200.0853#镶嵌永磁体嵌永磁体 (S up)150.130.082300.150.0884#镶嵌永磁体嵌永磁体(N up)150.130.015300.150.0205#在在侧壁壁镶贴永磁体，永磁体，N，S相相间150.200.105300.250.11554321123NNS123NS 试件表面粗糙度试件表面粗糙度 Ra0.8 m 侧壁锥度减小侧壁锥度减小 51%侧壁锥度减小侧壁锥度减小87%.12 32131111以消除型面加工时的流线为主要目标以消除型面加工时的流线为主要目标铝合金对电解液的流速和流动状态的变化非常
10、敏感，进口铝合金对电解液的流速和流动状态的变化非常敏感，进口压力是保证间隙流速的重要条件，当压力不足、或流速与压力是保证间隙流速的重要条件，当压力不足、或流速与电流密度不匹配时，很容易出现流纹或表面疵病。电流密度不匹配时，很容易出现流纹或表面疵病。 ECM 实验实验 (未加磁场未加磁场) DJL-02ECM ECM 机床机床, Pulse supply 1000Hz, 电极液电极液 12%NaNO3, 压力压力 0.4 -0.6 MPa 材料材料 Aluminum 工件面积工件面积 160mm 45 mm, 加工时密封在夹具体内的包括非加工加工时密封在夹具体内的包括非加工 面的总面积面的总面积
11、 330mm240mm. 1212 分析表明铝合金的电解产物是分析表明铝合金的电解产物是 Al (OH) 3 ，粘性粘性大，在压力不足的情况下很容易滞留在工件表面上，大，在压力不足的情况下很容易滞留在工件表面上， 当压力增加到当压力增加到 0.8-1.0MPa, 流纹有所改善流纹有所改善. 但是由于但是由于流场不均匀，容易产生空穴和束流流场不均匀，容易产生空穴和束流. 为了改善型面电解加工的流场，为了改善型面电解加工的流场， 采用切割流线的磁场采用切割流线的磁场. 消除型面加工时的流线消除型面加工时的流线1313磁路设计磁路设计(a)MagnetYokeWorkpieceCathodeCath
12、odeMagnetYoke12Workpiece(b)周期变化磁场周期变化磁场 多极内封闭渐变磁路多极内封闭渐变磁路CathodeMagnetYoke12Workpiece(b)1234 消除型面加工时的流线消除型面加工时的流线1414多极内封闭多极内封闭渐变磁路渐变磁路多极外封闭多极外封闭渐变磁路渐变磁路1515比较比较多极内封闭渐变磁路产生的磁场施加到型多极内封闭渐变磁路产生的磁场施加到型面加工的间隙，间隙处于多极内封闭渐变面加工的间隙，间隙处于多极内封闭渐变磁路的内部，使间隙一方相邻磁体磁力线磁路的内部，使间隙一方相邻磁体磁力线增密，增密，间隙中磁感应强度间隙中磁感应强度B B比周期磁路
13、比周期磁路加强加强10%.10%. 因此选用多极内封闭渐变磁路多极内封闭渐变磁路. 消除型面加工时的流线消除型面加工时的流线1616 迭加磁场的电解加工装置迭加磁场的电解加工装置 试验条件与不加磁场相同试验条件与不加磁场相同 加工进行中加工进行中 消除型面加工时的流线消除型面加工时的流线1717整套设备整套设备 消除型面加工时的流线消除型面加工时的流线1818用加磁场的电解加工装置加工该型面，表面粗糙度为用加磁场的电解加工装置加工该型面，表面粗糙度为 Ra 0.10.2m 消除型面加工时的流线消除型面加工时的流线1919曲面的形状误差小于曲面的形状误差小于 0.05mm 将测量值与设计值（按4
14、次幂方程计算）比较 y (mm) Z (mm)Design value in greenSample #45 in blueSample #58 in red2020对磁场辅助电解加工中间隙磁场的分析对磁场辅助电解加工中间隙磁场的分析 磁感应强度磁感应强度B B 可以可通可以可通过矢量磁位过矢量磁位U U 计算。计算。 先观察置于工件下面的先观察置于工件下面的单个磁体。单个磁体。 对单个磁体的有限元分对单个磁体的有限元分析，首先要取边界离磁析，首先要取边界离磁体足够远，建立模型。体足够远，建立模型。 消除型面加工时的流线消除型面加工时的流线2121L1: ： L2: 求解区域求解区域,L1永磁
15、体与其他介质的边界永磁体与其他介质的边界,L2介质之间的边界介质之间的边界,M 永磁体的磁化矢量永磁体的磁化矢量,N 永磁体表面外法线单位矢量永磁体表面外法线单位矢量 , 磁导率磁导率.引入引入Maxwell方程的微分式，对标量方程的微分式，对标量U求解，求解，边界上边界上Um =0 。建立方程。建立方程B = U 2222材料性质和边界条件如下：材料性质和边界条件如下： 材料材料磁磁场方向方向 磁体磁体-1Nd-Fe-B1.3 磁体磁体-2Nd-Fe-B1.3 阴极阴极H62,Brass0.999 工件工件 LC4Aluminiumalloy1.0 电解液解液10%NaNO3 0.28 消除
16、型面加工时的流线消除型面加工时的流线2323为了改善计算精度，将为了改善计算精度，将加工间隙网格进加工间隙网格进一步细化一步细化 ，如，如(b).(a) 整体网格整体网格(b) 加工间隙网格加工间隙网格 消除型面加工时的流线消除型面加工时的流线2424磁体磁体2 的磁力线分布的磁力线分布工件中间部位，磁场方向平行于工件中间部位，磁场方向平行于电极，工件的两个端部，磁场方电极，工件的两个端部，磁场方向与电极呈某角度。向与电极呈某角度。磁体磁体1 的磁力线分布的磁力线分布2525实验反映工件中部容易出现结疤实验反映工件中部容易出现结疤现象，拟在中部安排现象，拟在中部安排 Nd-Fe-B ，两端安排
17、铁氧体两端安排铁氧体ferrite。按单个磁体有限元分析的结果，按单个磁体有限元分析的结果，组合后磁力线组合后磁力线 ，可以得到按多极可以得到按多极内封闭渐变磁路设计组合的磁路内封闭渐变磁路设计组合的磁路的磁力线分布（图的磁力线分布（图c)(c)为了提高加工间隙的磁感应强度，为了提高加工间隙的磁感应强度，将上述单个磁体按多极内封闭渐变将上述单个磁体按多极内封闭渐变磁路排列，即如前所示的磁路排列，即如前所示的(b)Nd-Fe-Bferrite3CathodeMagnetYoke12Workpiece(b)4 消除型面加工时的流线消除型面加工时的流线2626结结 论论1.为减小型孔加工时对已加工表
18、面的杂散腐蚀，采用为减小型孔加工时对已加工表面的杂散腐蚀，采用在阴极体内嵌入永磁体在阴极体内嵌入永磁体(磁感应强度磁感应强度0.58T)，使磁力，使磁力线与电场正交且紧贴阴极抛光圈，可以改变电力线线与电场正交且紧贴阴极抛光圈，可以改变电力线方向，减小型孔侧壁锥度方向，减小型孔侧壁锥度85-87%；2.为消除大面积曲面加工的流场空穴和束流，使流场为消除大面积曲面加工的流场空穴和束流，使流场均匀，可采用多体渐变磁路并使磁力线与流线正交，均匀，可采用多体渐变磁路并使磁力线与流线正交，加工面积为加工面积为150mm45mm的铝合金曲面零件，形的铝合金曲面零件，形状误差小于状误差小于0.05mm，表面粗糙度为，表面粗糙度为Ra0.010.02m . 3. 在切割流线的方向上加磁场，洛仑兹力的作用有利在切割流线的方向上加磁场，洛仑兹力的作用有利于成股的束流展开，是改善电解加工间隙流场的主于成股的束流展开，是改善电解加工间隙流场的主要原因要原因 .2727谢谢2828
