三维复杂曲面电解加工成形规律与阴极闭环设计新方法研究

Electrochemical machining (ECM) is an effective method for machining all electric-conductive materials into complicated surfaces with high machining rate. The cathode design is the key and difficult problem that ECM technology should be solved first. Aiming at problems of low precision and low efficiency in cathode desing for three dimensional complex curved surfaces, the proposal presents a new closed-loop method of designing cathode accurately and efficiently. In the method the shape's error of the workpiece's curved surface is fed back to the calculation of the cathode. According to fundamental theories of ECM, electrolyte fluid dynamics and closed-loop control system, there are mainly three research aspects：①the mechanism of electric field, electrolyte's characteristics and flow fluid on efficiency of ECM and shaping process; ②the distribution law of flow fluid factors in complex inter-electrode gap; ③the relationship between the error of curved surface's accuracy and the cathode. Finally the research may provide the theory of forming law for three dimensional curved surfaces in electrochemical machining and the theoretical model of the new closed-loop design method of cathode. This research will contribute to improve the precision and efficiency of cathode design, even to realize the high-precision ECM.

电解加工是一种特种加工工艺方法，可将具有复杂结构且难切削的导体材料快速加工成型，阴极设计是电解加工技术应用中的复杂且重要的问题。本项目针对三维复杂曲面电解加工阴极设计精度和自动化程度较低的问题，通过深入研究三维复杂间隙空间内曲面电解加工成形规律，提出一种将理论分析得到的工件曲面精度偏差反馈到阴极求解过程的高精度、闭环设计新方法。根据电解加工、流体力学和控制系统等理论，重点研究：①间隙内电场、电解液特性及其流动对成形过程的作用机理；②三维复杂极间间隙内流场参数的分布规律；③工件曲面精度偏差与阴极型面之间的基本映射关系。通过上述基础理论与关键技术的研究，构建三维复杂曲面电解加工成形规律的理论和阴极闭环设计新方法的理论模型，突破阴极设计精度和效率受限难题，进而拓宽电解加工的应用领域。

在三维复杂曲面零件的电解加工中，阴极（工具）占据了非常重要的地位，阴极的准确设计可以有效地提高工件电解加工的加工质量和复制精度，与此相反，阴极的偏差也将直接反映在工件型面精度的偏差上。目前，阴极工具设计的难度大和精度较低主要原因在于对复杂极间间隙的成形规律掌握还有待加深，以及阴极设计过程的单向性。.为提高阴极设计精度和效率，本项目的研究工作包括：①对三维复杂曲面加工时大曲率变化的极间间隙进行成形规律的研究，重点分析流场参数的分布特性，解析得到了压力、流速、电导率在复杂间隙内随空间位置变化的分布图，将其代入阴极工具的设计计算；②根据流体力学理论，深入分析了大曲率变化的间隙结构对电解液流场分布的影响机理。为提高复杂极间间隙流场分布的均匀性，提出了分流通道的概念，设计、优化了电解液流场夹具，以平均流速和最小压力为优化目标，优化复杂间隙流场的输入参数。以微孔加工对象，初步探索了超声扰动复杂流场的作用机理；③运用闭环控制理论建立、完善了阴极闭环设计的理论模型，对阴极工具上的截面线进行设计-检测-再设计，采用快速离散Fourier变换确定了将阳极型面形状偏差反馈设计阴极型面的计算模型。以阴极初始型面截面线为设计对象，经过三次闭环设计得到阳极型面的形状误差减小了9.8%。.本项目对三维复杂曲面电解加工成形规律与阴极设计的研究，是对复杂间隙内电解加工成形规律的完善，同时结合闭环控制系统有关理论验证了阴极闭环设计模型的合理性，为解决复杂情况下阴极设计效率、精度受限的难题提供了新的思路。