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1、,磁场辅助电解加工,范植坚西安工业大学 西安 710032,摘 要,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。实验结果:用3坐标测量仪对型面加工的曲面(加工面积为150mm45mm)尺寸进行测量，曲面形状偏差小于0.05mm，型面厚度偏差小于0.02mm,表面粗糙度Ra0.2m；（国内型面电解加工精度 0.150.30mm，国外:当 加工面积20 cm2时，偏差0.075mm)与不加磁场的电解加工型孔相比，在相同加工条件下，型孔侧壁锥度减小87%。,磁源选择磁场设计按加工对
2、象进行磁场辅助 电解加工装置的设计加工对象 型孔加工对象型面 实验电解加工型孔电解加工型面 分析讨论,内 容,4,目 标,减小电解加工的杂散腐蚀；消除加工间隙中的束流，空穴等流场不均匀的现象。,磁场设计的任务,选择磁源;设计磁路:决定磁感应强度;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.,要 求使磁力线覆盖加工间隙；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。,6,加工对象,方孔 12+0.10mm12+0.10mm,40mm deep,异形孔,型面：4次幂,7,磁源 电磁场磁路设计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。,以减小方
3、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1-夹具,2-励磁线圈,3-工件,4-阴极，5-导磁杆,Experiment MC-50V-B ECM 机床 DC 电源 材料 30CrNiMoV 电压 10V 进给速度 1.5mm/min 15%NaNO3 电解液压力 1.2MPa,8,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：线圈的体积硕大;必须配备专用电源；必须保证良好的密封和绝缘，否则随电解液泄漏线圈的匝数减少，直接影响加工效果。,减小方孔加工时的侧壁锥度,9,磁源-永磁体，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
4、和气隙磁密度的可能性。,Experiment MC-50V-B ECM machine tool DC power specimen material 30CrNiMoV prefabricated hole size-11mm x 11mm Voltage of 10V the feed velocity 1.5mm/min 15%NaNO3 pressure 1.2MPa,镶嵌磁体的阴极1-阴极,2-绝缘层,3-磁体,磁路设计 将磁体嵌入阴极体，N向上，磁感应强度0.58T,减小方孔加工时的侧壁锥度,10,以消除型孔加工时流线为主要目的的设计,磁路设计-在阴极侧壁镶贴永磁体，N,S相间 实
5、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 1-阴极,2-绝缘层,3-磁体,1,2,3,11,The experiment data,1,2,3,N,S,试件表面粗糙度 Ra0.8 m,侧壁锥度减小 51%,侧壁锥度减小87%.,2,1,3,12,以消除型面加工时的流线为主要目标,铝合金对电
6、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、或流速与电流密度不匹配时，很容易出现流纹或表面疵病。,ECM 实验(未加磁场)DJL-02ECM ECM 机床,Pulse supply 1000Hz,电极液 12%NaNO3,压力 0.4-0.6 MPa 材料 Aluminum 工件面积 160mm 45 mm,加工时密封在夹具体内的包括非加工 面的总面积 330mm240mm.,13,分析表明铝合金的电解产物是 Al(OH)3，粘性大，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 0.8-1.0MPa,流纹有所改善.但是由于流场不均匀，容易产生空穴
7、和束流.为了改善型面电解加工的流场，采用切割流线的磁场.,消除型面加工时的流线,14,磁路设计,周期变化磁场,多极内封闭渐变磁路,3,4,消除型面加工时的流线,15,多极内封闭渐变磁路,多极外封闭渐变磁路,16,比较,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磁路的内部，使间隙一方相邻磁体磁力线增密，间隙中磁感应强度B比周期磁路加强10%.因此选用多极内封闭渐变磁路.,消除型面加工时的流线,17,迭加磁场的电解加工装置,试验条件与不加磁场相同,加工进行中,消除型面加工时的流线,整套设备,消除型面加工时的流线,用加磁场的电解加工装置加工该型面，表面粗糙度为 Ra 0
8、.10.2m,消除型面加工时的流线,曲面的形状误差小于 0.05mm,将测量值与设计值（按4次幂方程计算）比较,Design value in greenSample#45 in blueSample#58 in red,21,对磁场辅助电解加工中间隙磁场的分析,磁感应强度B 可以可通过矢量磁位U 计算。先观察置于工件下面的单个磁体。对单个磁体的有限元分析，首先要取边界离磁体足够远，建立模型。,消除型面加工时的流线,22,L1:,：,L2:,求解区域,L1永磁体与其他介质的边界,L2介质之间的边界,M 永磁体的磁化矢量,N 永磁体表面外法线单位矢量,磁导率.,引入Maxwell方程的微分式，对
9、标量U求解，边界上Um=0。建立方程,B=U,23,材料性质和边界条件如下：,消除型面加工时的流线,24,为了改善计算精度，将加工间隙网格进一步细化，如(b).,(a)整体网格,(b)加工间隙网格,消除型面加工时的流线,25,磁体2 的磁力线分布工件中间部位，磁场方向平行于电极，工件的两个端部，磁场方向与电极呈某角度。,磁体1 的磁力线分布,26,实验反映工件中部容易出现结疤现象，拟在中部安排 Nd-Fe-B，两端安排铁氧体ferrite。按单个磁体有限元分析的结果，组合后磁力线，可以得到按多极内封闭渐变磁路设计组合的磁路的磁力线分布（图c),(c),为了提高加工间隙的磁感应强度，将上述单个磁
10、体按多极内封闭渐变磁路排列，即如前所示的(b),Nd-Fe-B,ferrite,3,消除型面加工时的流线,27,结 论,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(磁感应强度0.58T)，使磁力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85-87%；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，加工面积为150mm45mm的铝合金曲面零件，形状误差小于0.05mm，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于成股的束流展开，是改善电解加工间隙流场的主要原因.,28,谢谢,
