内圆电解磨削装置设计 毕业设计.docx

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内圆电解磨削装置设计毕业设计

编号

本科生毕业设计

内圆电解磨削装置设计

InternalGrindingElectrolyticDevicesDesign

学生姓名

专业

学号

指导教师

学院

二〇一一年六月

毕业设计（论文）原创承诺书

1．本人承诺：

所呈交的毕业设计（论文）《内圆电解磨削装置设计》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。

2．本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。

3．在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。

4．本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。

以上承诺的法律结果将完全由本人承担！

作者签名：

年月日

摘要

电解磨削工件内圆时,工件作为阳极与直流电源的正极相连,导电磨轮作为阴极与直流电源的负极相连,两者之间保持一定的磨削压力,凸出于磨轮表面的非导电性磨料使工件表面与磨轮导电基体之间形成一定的电解间隙,同时向间隙中供给电解液.在直流电的作用下,工件表面金属由于电解作用生成离子化合物和阳极膜,这些电解产物不断地被旋转达到磨轮所刮除,使新的金属表面露出,继续产生电解作用,随着工件材料不断的被去除.从而达到磨削的目的。

电解磨削适合于磨削各种高强度、高硬度、热敏性、脆性等难磨削的金属材料。

用电解磨削可磨削各种硬质合金刀具、塞规、轧辊、和模具平面等。

电解磨削的效率一般高于机械磨削，磨轮损耗较低，加工表面不产生磨削烧伤、裂纹、残余应力、加工变质和毛刺等。

在以上条件下，本次就是进行内圆电解磨削装置的设计。

在整个设计过程中，主要依靠传统的机械设计的方法与思路，通过查阅大量图书资料、进行市场调研并收集大量数据、参观一些典型内圆磨床实体与其动作原理等等，完成机床的结构设计。

最后设计出的机床为内圆电解磨削装置。

关键字：

电解内圆磨床

Abstract

ElectrolyticGrindingattheInnerCircle,WorkpieceasanodeandthecathodeDCPowerLinked,GrindingWheelasacathodeandtheanodeDCPowerLinked,Mustbestruckbetweenthegrindingpressure,Wheelprotrudingfromthesurfaceofthenon-conductivesoabrasivegrindingwheelandtheworkpiecesurfaceconductivematrixbetweencertaingapelectrolysis,Meanwhileclearancetosupplyelectrolyte.TheroleoftheDC,workpiecesurfaceasmetalionsgeneratedelectrolysisrolecompoundsandanodicfilm,Theseelectrolyticproductshasbeencontinuouslyrotatinggrindingwheelreachedbycurettage,newmetalsurfaceexposed,andcontinuetoproduceelectrolysis,Withtheworkpiecematerialtoberemovedcontinuously.Soastoachievethepurposeofgrinding.Electrolysisissuitableforgrindinggrindingofhighstrength,highhardness,heat-sensitive,suchasthebrittlemetalgrindinghardmaterials.ElectrolysiscanbeusedgrindingvariousCarbideToolGrinding,theCypriotregulations,roll,andtheotherplanedie.Electrolysisgrindingefficiencyisgenerallyhigherthanthemechanicalgrinding,grindingwheelwearandtearlowersurfacenotproducegrindingburn,crack,Residualstress,processing,suchasdegenerationandBurr.

Intheseconditions,thisroundwasconductedwithintheelectrolyticgrindingdevicedesign.Throughoutthedesignprocess,relyingmainlyonthetraditionalmechanicaldesignmethodsandideas,throughaccesstoalargenumberoflibrarymaterials,conductmarketresearchandtocollectlargeamountsofdata,visitstosometypicalInternalGrinderentitieswiththeactionprinciple,andsoon,Machinecompletedthestructuraldesign.ThefinaldesignforthemachinetoolgrindingInternalelectrolysisdevices.

Keyword:

Electrolysis;Internal;Grinder

第一章前言

1.1课题研究的背景及意义

现代科学技术和工业的发展，使人们对机械产品及零部件使用性能的要求越来越高。

例如，要求材料比强度高，热强性高，耐高温，耐腐蚀，以及能承受复杂应力等，为此，许多零件采用新型材料制造。

在这些新型材料中，许多是难加工材料，例如高温合金、钦合金、超高强度钢、不锈钢等。

由于它们具有一系列优良的物理机械性能，因此在航空、航天、航海、石油、化工等工业部门中得到了广泛的应用[1]。

而伴随着这些难加工材料的广泛应用，如何高质量、高效率地对这些材料进行加工，便成了近几十年来，国内外学者和工程技术人员特别关注的问题。

加工试验表明:

应用常规磨削方法加工上述难磨削材料不能获得令人满意的加工效果。

由于磨削加工往往是机械加工产品的终极加工工序，其加工效果的好坏直接影响到产品的最终质量和性能，因此面对现代工业发展对金属材料面加工质量、精度、完整性和成本等提出的更高要求，传统的磨削工艺己难以应对。

电解磨削加工（Electrochemicalgrinding，ECG），最早由美国人G.F.Keelerie提出。

这是一种结合电解加工与磨削，从具有导电性的工件上切除材料的一种电化学加工方式。

而电解磨削加工作为一种磨削的新工艺，是由电解作用和机械磨削作用相结合而进行加工的，比电解加工具有较好的加工精度和表面粗糙度，比机械磨削有较高的生产率，发展潜力巨大[2]。

工件作为阳极与直流电源的正极相连﹔导电磨轮作为阴极与直流电源的负极相连。

磨削时﹐两者之间保持一定的磨削压力﹐凸出于磨轮表面的非导电性磨料使工件表面与磨轮导电基体之间形成一定的电解间隙（约0.02～0.05毫米）﹐同时向间隙中供给电解液。

在直流电的作用下﹐工件表面金属由于电解作用生成离子化合物和阳极膜。

这些电解产物不断地被旋转的磨轮所刮除﹐使新的金属表面露出﹐继续产生电解作用﹐工件材料遂不断地被去除﹐从而达到磨削的目的。

图1-1电解磨削原理图

电解液一般采用硝酸钠﹑亚硝酸钠和硝酸钾等成分混合的水溶液﹐不同的工件材料所用电解液的成分也不同。

导电磨轮由导电性基体（结合剂）与磨料结合而成﹐主要为金属结合剂金刚石磨轮﹑电镀金刚石磨轮﹑铜基树脂结合剂磨轮﹑陶瓷渗银磨轮和碳素结合剂磨轮等﹐按不同用途选用。

  电解磨削适合于磨削各种高强度﹑高硬度﹑热敏性﹑脆性等难磨削的金属材料﹐如硬质合金﹑高速钢﹑钛合金﹑不锈钢﹑镍基合金和磁钢等。

用电解磨削可磨削各种硬质合金刀具﹑塞规﹑轧辊﹑耐磨衬套﹑模具平面和不锈钢注射针头等。

电解磨削的效率一般高于机械磨削﹐磨轮损耗较低﹐加工表面不产生磨削烧伤﹑裂纹﹑残余应力﹑加工变质层和毛刺等﹐表面粗糙度一般为Ra0.63～0.16微米﹐最高可达Ra0.04～0.02微米。

  采用适应控制技术﹐可进一步提高电解磨削的加工稳定性和自动化程度。

同时﹐为了提高加工精度﹐采用兼有纯机械磨削能力的导电磨轮﹐粗加工时靠电解磨削的高效率完成大部分加工量﹐然后切断电解电源﹐靠纯机械磨削磨掉精加工余量﹐这样能显着提高加工精度[3]。

电解磨削方式已从平面磨削扩大到内圆磨削﹑外圆磨削和成形磨削。

电解加工的原理也可与珩磨和超精加工结合起来﹐成为电解珩磨和电解超精加工。

1.2国内外电解磨削加工的研究现状

1.2.1电解磨削加工的国外研究状况

日本北海道大学的佐藤敏一对电解磨削在模具加工中的应用进行了研究。

加工中可以采用石墨磨轮、金刚石磨轮或磨粒间加入导电物质的磨轮，其最典型的应用是对硬质合金进行成型磨削。

由于电解磨削产生的热量少，加工表面无热烧伤，金相组织不发生变化，因而加工的硬质合金表面与基体组织结构相同，具有很高的耐磨性。

在提高电解磨削加工的精度方面，日本和英国进行过一些相应的研究.英国曼彻斯特大学的伊朗学者A.ETehrani在电解磨削平面的过程中研究了尺寸“过切”的问题。

图1-2电解磨削装置加工过程

该研究认为，由于电解作用的杂散腐蚀，当磨削过程中砂轮的进给速度较慢时，工件实际的去除量要大于名义去除量，即产生尺寸超差的现象，称为”过切”。

该研究认为，要提高电解磨削的加工精度，应相应提高砂轮的切向进给速度。

同时，A.ETehrani的研究还提出，采用脉冲电解磨削（PEcG）工艺，可以减小加工过程中的尺寸“过切”量，因为脉冲电解磨削可以在相同的加工电流密度下减小电解作用的实际参与时间，从而减小电解作用，提高加工精度[4]。

日本为提高电解磨削的加工精度也进行了一些研究，其基本思想是提高机械磨削作用在整个加工过程中所占的比重一种方法是将电解磨削分为两个工步，粗加工采用大的切深（可达几毫米）和低的往复运动速度进行电解磨削，精加工则以较高的往复运动速度和微量切进行机械磨削，从而提高加工精度，该方法被称为SAM（SurfaceshiningAnodicMachining）法[5]。

另一种方法是采用微量切削深度（0.01一0.02mm）和高往复运动速度进行电解磨削来提高加工精度，该方法被称为EMG磨削（ElectroMechanicalGrinding）。

但是严格来说这两种工艺并不是新的加工方法，只是在不同工艺条件和操作规程下所进行的“电解磨削”+“机械磨削”而已。

国外还对电解磨削的加工效率、能量消耗以及加工过程的优化进行了研究。

优化指标包括电解砂轮的损耗、砂轮载荷、加工表面粗糙度、金属去除率和尺寸“过切”量等方面。

根据不同的加工要求确定各单项指标的加权系数，再通过对大量试验结果的计算分析，确定获得最优加工质量的工艺条件。

日本在电解研磨方面的研究相对较多，尤其是大面积光整加工。

早在上世纪70年代后期，为了提高不锈钢板的表面加工质量，日立造船株式会社的田宫滕恒、前田英彦等人开发了不锈钢板的电解研磨方法，并对此进行了较多的研究。

后来曙川电机制作所的釜田浩、大阪大学工学部的木本康雄、京都大学的垣野义昭等学者也参与了这方面的研究。

八十年代初期，日本工业技术院机械技术研究所的清宫统一等人又采用泡沫聚氨醋做研磨介质、在电解液中直接混入微细磨料进行了游离磨料的电解研磨研究[6]。

与此相对应，田宫滕恒、前田英彦等人开展的电解研磨方法称为固结磨料的电解研磨，但在加工原理上二者并没有本质的不同。

两种研磨方法比较起来，采用游离磨料的电解研磨加工表面质量更好，而且省去了制造砂布的工序，但金属去除率比采用固结磨料的研磨时要低。

电解研磨加工表面的粗糙度值可以达到Ra0.005。

八十年代中期日本机械技采溅玩还研制出了大垫板材的镜耐口工生产线，该生产线能够加工长度为6m、宽度为1.5m的不锈钢板材，加工表面粗糙度可达Rmax0.05。

日本在电解研磨方面的研究比较多，目前应用领域已经从化学工业扩展到电子工业、半导体工业和原子能工业等领域中。

八十年代以后，日本将电解研磨技术推广到大直径外圆及内孔表面的加工，其加工原理与平面加工基本相同。

但该种外圆磨削方法加工出的表面磨削轨迹分布不理想，加工表面往往存在较大的波纹度。

为改善这种加工缺陷，日本的木本康雄等人在八十年代后期提出了一种回转的盘形磨轮相对于工件偏置的研磨方法[7]。

加工中工件与盘形磨轮同时旋转，二者的轴线在空间正交，盘形磨轮的轴线相对于工件的轴线向上偏移一定的距离Z，加工中盘形磨轮沿工件的轴线方向作往复进给运动。

这种研磨方法加工出的工件具有较理想的磨削痕迹，可降低加工表面的波纹度和表面粗糙度值。

电解研磨还被用于内孔、自由曲面和模具型腔的加工。

日本的清宫统一等人采用聚氨醋做研磨介质，研制了手持式的电解研磨加工装置，可用于自由曲面的加工。

采用尼龙不织布螺旋缠绕在金属管上做研磨工具进行了必4一6mm小孔的镜面电解研磨，加工中磨具以23rpm的转速旋转，并以7Hz的频率和8mm的振幅沿小孔轴线振动，该种加工方法可在2分钟内使加工表面的粗糙度由Rmax2~3降至Rmax0.05。

图1-3电解研磨系统

在线电解修整（ELID）磨削技术是一种在加工过程中使用电解修整砂轮和常规机械磨削相结合的新的磨削方法，该方法由日本物理化学研究所大森整（Hitoshiohmori）等人于1987年提出。

ELID磨削技术在美国、英国、德国等国家也得到了重视和研究应用，并用于对脆性材料表面进行超精密加工。

伊朗研究者通过研究复杂部件内表面的光整，通过对试验条件的改进优化了光整需要的加工时间，少于传统光整加工时间的30倍，美国曼彻斯特大学对电解磨削外圆表面加工硬化进行了研究，波兰学者对三种难加工材料的能量消耗的对比发现，机械磨削要比电解磨削的能量消耗高[8]。

国外研究者通过试验研究Al2O3/Al的复合材料，对电解磨削加工与传统磨削表面的。

显微图片的分析，得出电解磨削的表面质量远远忧于传统磨削的表面质量。

1.2.2电解磨削加工的国内研究状况

国内电解磨削技术的研究早在上世纪六十年代末期已经开始，主要的研究单位是航空工业部所属的发动机工厂。

410厂、120厂、331厂和625所对耐热合金叶片纵树型精密桦齿进行电解磨削，并研制出大气孔渗银砂轮用于生产。

625所还设计制造了双轮电解磨床，解决了电解磨削工艺和砂轮修整方面的关键技术。

国内还有一些单位对硬质合金刀具进行了电解磨削工艺研究，改善了刀具的磨削质量，显著地提高了刀具的寿命。

对滑片式空压机转子上的8条长480mm，宽7mm，深48mm的滑片槽进行电解磨削，使槽壁平行度<=0.02mm，表面粗糙度Ra<=1.6。

采用电解磨削的原理对金属管材型材进行毛刺切削试验，研制出DOJ-1型无毛刺切管机。

此项技术能使切割与去毛刺一次完成，切割端面粗糙度Ra且.6林m。

用R50mm。

、孔型R5.1mm导电磨轮，在外径R78mm碳化钨轧馄的外圆电解磨出半径R5.1mm、深4.4mm孔型槽，每开一个槽平均用12min，开两个槽后，磨轮外径尺寸及孔型尺寸变化小，磨出的孔型槽均符合要求。

八十年代以后，国内一些高等学校和科研院所开始了更为广泛的电解研磨技术的研究。

大连理工大学将电解研磨用于轧辊的光整加工。

加工前先将轧辊用机械磨削加工，表面粗糙度达到Ra0.8，然后采用浮动进给的磨条作磨具进行电解研磨，加工出的轧辊表面粗糙度可达到Ra0.025，轧制出的钢带表面粗糙度可达Ra0.055左右[9]。

另外，大连理工大学还对大型化工设备氯乙烯反应釜（直径为5m，高度为4.7m）的内表面进行了电解研磨加工，表面粗糙度可达Ra0.1、m[l6]。

对直径为必22m、长度为4.9m的列管式换热器中的列管内表面进行电解研磨加工也得到了Ra0.1的表面，并且换热器的是试用寿命大大提高。

苏州电加工机床研究所采用浮动进给的磨条对R15x50mm的不锈钢外圆表面进行了电解研磨加工。

加工中选择W10一W5粒度的磨条和19%的NaNo3电解液、1一2A/cm2的精加工电流密度、1.3mm的加工间隙和3m/s的相对运动速度，经粗、中、精三道工序研磨可将Ra0.16一0.64的车削表面直接加工至Ra0.025或更高。

对直径<=2mm、深径比>10且与物料接触的小孔型腔面

采用电解研磨，使小孔加工的经济表面粗糙度达到Ra<=0.4。

上海交通大学采用偏置的转盘工具对外圆表面进行了镜面电解研磨试验研究。

在分析磨削轨迹分布规律的基础上，利用一台改装的低精度车床，采用电解磨削方式己从平面磨削扩大到内圆磨削、外圆磨削和成形磨削。

塑性磨削也取得了一定的研究成果。

哈尔滨工业大学的袁哲俊教授从1993年开始ELID磨削技术的研究工作，目前对硬质合金、陶瓷、光学玻璃等脆性材料实现了镜面磨削，磨削表面粗糙度与在同样机床条件下普通砂轮磨削相比有大幅度的降低，部分工件的表面粗糙度Ra己达纳米级[10]。

其中，对硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可达Ra0.012nm这表明ELID磨削技术可以实现对脆性材料表面的超精密加工。

 图1-4配有ELID磨削装置的MSG—612CNC超精密成型数控平面磨床

为了解决航空产品中各类扭曲叶片整体叶轮的加工难题，南京航空航天大学在国际上首创了一项数控展成电解加工技术。

它以简单形状的工具阴极，按照计算机控制指令，进行必要的展成成型运动，以电解“切削”方式加工型腔、型面[11]。

数控展成电解加工技术综合了电解加工与数控加工各自的技术长处，其工具形状简单，可以是棒状、球状，而“切削刃”则可为点、直线或曲线;它具有数控加工的柔性，可用不同类型的控制软件代替复杂的成型阴极设计制造，同时又具有电解加工的无工具损耗，无切削力，可以加工各种难加工材料和小刚度零件等优点[12]。

所以，数控展成电解加工对于小批量甚至单件生产，以及难以实现拷贝式加工的零件具有明显优势。

1.3确定设计方案

内圆电解磨削装置的总体设计内容包括：

内圆磨床的改造：

M2110A型内圆磨床为电解磨削装置其主要尺寸规格，传动系统，动力参数（电机选择），电解磨轮的选择；

电解液供给系统：

是电解加工设备中不可缺少的一个组成部分，系统的主要组成有电解液、泵、电解液槽、过滤装置、管道和阀等[13]。

目前生产中的电解液泵大多采用多级离心泵，这种泵密封和防腐较好，使用周期长。

并且在电解加工过程中电解液中的电解产物含量会不断增加，会引起加工间隙的堵塞，故必须进行电解液的净化。

目前比较广泛常用的是自然沉淀法，但还有介质过滤法及离心过滤法等方法[14]。

导电系统的设计：

主要包括电源选择、轴端导电（旋转导电器的设计）；

此设计主要将普通内圆磨床改造设计成用于抛光的内圆电解磨削装置。

M2110A型内圆磨床。

M2110A型内圆磨床是普通精度级磨床，主要用于磨削精密圆柱或圆锥孔。

该机床工艺范围较宽，适合用于改造成内圆电解磨削装置[15]。

M2110A型内圆磨床的主要技术规格如下：

圆孔直径Φ6mm~Φ100mm

磨孔最大深度Φ150mm

工件最大长度长度200mm

砂轮转速（四级）200、300、400、600r/min

床头箱线最大回转角度20°

砂轮转速（三级）10000、18000、24000r/min

机床总功率3.8KW

机床重量3200kg

图1-5M2110A内圆磨床

第二章内圆电解磨削装置系统设计

2.1工作台的设计及改造

2.1.1工作台的传动

机床工作台由液压无级传动，工作台的工作进给、快速快进及退回、休整砂轮时的进给等均能自动变换。

砂轮微量横进给可以手动或液动，液动进给即工作台的每一个往复行程，砂轮作一次自动进给。

修整砂轮用液压手柄操纵。

如下图2-1

4

1.进给机构2.进给机构3.绝缘材料4.丝杆

图2-1机械传动图

进给机构1固定在磨架前端，用于控制磨架做横向自动进给或手动进给。

进给机构2用于控制工作台的纵向进给

2.1.2床身的绝缘

由于加工时工作台接阳极。

故设计时应考虑台与床身之间要有绝缘材料隔开。

使用的材料是聚四氟塑料。

如图2-1中的3所示。

图2-2聚四氟塑料

2.2磨架的传动：

2.2.1砂轮的传动

传动方式由传递力矩、功率、变速比、及失速许可值确定;各种减速传动方式的特点简介如下:

1.皮带传动及齿轮传动变速适合于高速,但齿轮传动变速更适合大力矩、大功率、大速比及小失速的传动要求,但造价高投入大,维护复杂,维护成本也大。

2.皮带传动具结构简单,维护简单、建成投入及维修成本也低,适于高速、相对小力矩、小功率、失速要求相对不高的埸合,但一般仅适合于速比不大的一级变速（多级变速占用空间大）.

3.链传动变速具皮带传动的优点,但不太适合高速传动的场合及多级变速传动,由于链的刚度强于皮带,因此适合大力矩低速的地方.

所以根据以上三者传动特点，可以做出选择:

1.由于砂轮的转速很高，所以链传动被放弃。

2.砂轮工作时的力矩并不大，为了到达经济节省的效果，选择带传动即可。

图2-3带传动示意图

砂轮主轴的运动是由砂轮电动机，经4根V带直接传动的。

2.2.2砂轮电动机的选择

机床的总功率为3.8KW，为了使机床便于改造，不过多的改变电气设备。

电动机功率选择应小于3.8KW。

因为在磨床中，与砂轮相连的电机为主电机，为了达到理想的磨削效果，砂轮电动机功率不应过小，查表选择了3KW的级别。

然后由机床工作环境，不需要防爆等要求，选择标准三相异步电动机即可。

最后，电动机选择Y100L-2型号电动机；

电动机功率3kw，转速2860r/min。

2.2.3磨床传动系统的设计要求：

1）主机的概况：

用途，性能，工艺流程，作业环境，总体布局等；

2）系统需要完成哪些动作；

3）各动作机构的运动形式，运动速度；

4）对调速范围，运动平稳性，转换精度等性能方面的要求；

5）对防尘，防爆，噪声，安全可靠性的要求；

6）对效率，成本等方面的要求

2.2.4主传动系统配置方式：

图2-4主传动系统配置方式

2.2.3电解磨轮的选择

硬质合金的电解磨削一般采用金刚石导电砂轮（见图2-5）,这是由于金刚石磨料形状规则,硬度高,能长期保持均匀的电解间隙,而且生产率高。

在精