大型卧式数控电解加工机床导电轴的分析及试验*

唐 霖，郑雅泽，张利峰，李 欧

(1.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021；2.中国兵器内蒙古北方重工业集团有限公司，包头 014030)

大长径比异形内螺旋深孔类零件在武器装备、石油钻采等领域应用广泛[1]。因其材料硬度高、内螺旋线结构复杂，传统机械加工无法满足实际需求，而电解加工具有不受材料力学性能限制、无切削应力、加工效率高等优点，成为该类零件不可替代的加工方式[2-6]。导电轴作为卧式数控电解加工机床的核心部件，其结构的合理性、性能的优劣对实现机床可靠加工有着极大的影响。尤其是在小间隙、大电流、高流速的加工条件下，实现电解加工机床长时间稳定可靠、高精度以及高效率加工，就必须保证机床导电轴结构合理、运行平稳[7]。

众多学者针对现有导电轴存在发热严重、结构变形较大，甚至发生烧蚀和抱轴的情况，开展了大量研究工作。文献[8]主要研究了卧式电解加工机床性能，并进行了性能优化。文献[9]针对大长径比深孔类零件的螺旋线加工，开发了卧式两轴联动数控电解加工机床，成形精度达到±0.07 mm，表面粗糙度为Ra0.8 μm。文献[10]进行了机床整体结构的优化设计，提高了机床结构刚度。文献[11]采用有限元分析方法，研究了电解加工机床静动态特性。文献[12]采用元结构设计理论优化了床身固有频率及静刚度。文献[13]研制了一种可实现复合进给的电解加工机床进给装置，通过实验验证了该装置满足设计要求。文献[14]设计了用于加工复杂深长孔类零件的电解加工机床装置，加工尺寸误差小于±0.03 mm，表面粗糙度值达到Ra0.47 μm。

针对现有导电轴存在发热严重，甚至发生烧蚀的问题，文中提出了一种以对称铜排引电方案为基础适用于大型卧式数控电解加工机床的导电轴总体结构。通过建立导电轴热电耦合模型，进行导电轴温度场仿真分析，开展不同工况对导电轴温度场分布规律的研究，并提出一种放置冷气流的方式可优化导电轴散热性能。将设计的导电轴应用于大型卧式数控电解加工机床，以此验证导电轴结构设计的可靠性。

1 导电轴结构设计

1.1 导电轴整体结构

大型卧式数控电解加工机床导电轴结构主要由引电部分、支撑部分、旋转密封部分以及其他附属配件组成，各部分相互协同配合完成导电轴的导电、旋转、密封等功能。在安装时，先将基板穿过导电轴轴体，调整位置，确保支撑组件可以实现对导电轴的支撑；将支撑组件通过螺栓固定于地板上，完成导电轴的整体安装；调试碳刷架的弹力，使碳刷在压紧导电轴轴体的同时，导电轴轴体可以旋转。导电轴整体结构模型如图1所示。

图1 导电轴整体结构模型

1.2 引电结构

文中设计的电路要实现控制一端旋转，另一端处于静止的稳定可靠引电。碳刷导电是利用弹力将碳刷压紧在导电轴的周向面上，碳刷固定在基板上，实现固定件与相对旋转件的引电，图2为碳刷引电方案原理图。

图2 碳刷引电方案原理

改变碳刷或基板的数量，可以提供不同大小的电流，柔性较高。安装碳刷架时，可以调整碳刷架的角度，使其与导电轴轴体的法向方向呈一定角度，使碳刷在旋转的过程中，受力更均匀，整个旋转过程更加稳定。采用碳刷引电具体方式如下：从电源负极引出电流，通过电缆进入引电装置，依靠基板使碳刷和导电轴接入电流，最后导电轴上的电流导向阴极。提出单侧引电和对称引电两种铜排放置方案，将碳刷架简化为碳刷，简化后的三维模型如图3所示。

图3 导电轴引电铜排放置方案

大型卧式数控电解加工机床的工作电流最高可达20 000 A，随着时间的积累，电流热效应会使电流流经区域产生大量的热。温度的升高易使导电轴发生热变形，这种变形会使导电轴的定位精度降低，严重时还会使导电轴无法工作。将图3两种方案的三维模型文件导入ANSYS软件中，以此作为电场仿真模型，设置面接触系数来模拟实际导电过程中碳刷架与基板以及碳刷架与导电轴轴体之间的导电效率，导电轴经常发生故障的位置处于碳刷和导电轴轴体接触的区域，为了准确分析这些位置在工作时的电流情况，对这些位置的网格进行加密处理，如图4所示。

图4 引电方案网格划分

在设置边界条件时，以引电铜排的侧面作为电流施加的位置，电流的流向为铜排到基板，电流凭借碳刷流入导电轴轴体，需要将导电轴的左端面设置为零电压，这样可以保证电流的流向。两种不同引电方案在达到稳定状态下的电场分布情况如图5所示，单侧引电方案的电场情况如图5(a)所示，电流密度最大的区域产生在引电铜排连接基板的位置；由图5(b)可知，双侧引电的电流密度最大的区域同样产生在引电铜排连接基板的位置，与单侧引电不同的是，采用对称引电铜排的方案，可以使电场在基板两侧分布均匀，并大幅度的降低了最大电流密度。

图5 不同引电方式电流密度分布

对称铜排引电方案最大电流较小，导电轴结构热变形显著减小，可均化电流产生的温度场分布，使热膨胀变形均匀，文中选择对称铜排引电方案开展研究。

1.3 支撑结构

在导电轴装置中，支撑结构的作用主要是对导电轴进行支撑，并能保证导电轴完成预定的旋转功能。采用支撑组件对导电轴轴体进行支撑旋转，支撑组件由主轴支座、轴承、上支架横杆和两侧支撑拉杆组合而成，并用螺母对主轴支座进行固定。该结构可以实现导电轴轴体的精确定位，依靠支座上的螺栓完成导电轴轴体位置的调节，在完成导电轴支撑旋转功能的同时，便于检修拆卸。

1.4 旋转密封结构

导电轴的密封结构采用机械密封结合填料密封的组合方式，以保证导电轴在工作过程中的可靠密封。密封结构如图6所示，密封装置的一级密封为机械密封，采用动环与静环相结合的方式，动环依靠弹力，压紧在衬套上，随导电轴一起旋转，静环依靠张紧力与旋转密封结构的外腔壳紧密接触，与导电轴保持相对静止，动环和静环之间的接触面会有一层致密的液体膜，降低了动环和静环之间的摩擦力，实现密封的同时，完成预设的旋转功能；旋转密封装置的二级密封为填料密封，填充物为有机合成纤维和碳纤维，有利于旋转密封装置的稳定运行。

图6 密封结构

2 导电轴温度场分析

在进行导电轴结构温度场分析时，为减少计算量，提高计算精度，需要将与温度场无关的结构进行简化或做删除处理。建立的物理三维模型如图7所示，只考虑在加工过程中有电流经过的部件，该模型主要包括导电轴轴体、基板、碳刷、铜排等。

图7 导电轴温度场仿真模型

采用ANSYS软件进行导电轴温度场仿真分析，建立导电轴热电耦合模型。设置导电轴和碳刷材料分别为紫铜和石墨，对几何模型进行网格剖分，为得到精准的计算结果，对这些位置进行较细划分，其余区域选用常规自由四面体网格。添加对流换热系数、热辐射系数等进行求解，并进行边界条件和载荷添加。

2.1 导电轴瞬态温度场及热变形

对导电轴进行瞬态温度场分析，电解加工一根完整工件的时长为8 h，将仿真过程分为三个阶段：① 第一阶段，时长600 s，时间步长设置为10 s；② 第二阶段，时长3 000 s，时间步长设置为30 s；③ 第三阶段，时长25 200 s，时间步长设置为180 s。导电轴温度场仿真以及热变形在电流为12 000 A，环境温度为23 ℃的条件下进行。导电轴在加工过程达到稳定状态时，电流密度分布如图8所示，剖面瞬态温度场如图9所示，导电轴热变形如图10所示。

图8 导电轴电流密度图

图9 导电轴剖面瞬态温度场图

图10 导电轴热变形图

由图8可知，电流密度最大的位置在导电轴左端，这是由于碳刷与导电轴连接处面积较小，经过所有碳刷的电流汇集于导电轴左端，导致这些位置电流密度相对较高。

由图9可知，最高温度出现在导电轴左端，导电轴温度随时间推移不断升高，到2 400 s之后，导电轴整体温度场的分布不再变化，达到了稳定的状态。

由图10可知，导电轴在达到稳定状态下，最大热变形区域为最左端基板的上端。导电轴的整体变形除了与自身的温度有关，还受到其他部件形变的影响，即最大热变形是由自身温度和其他部件变形综合影响的结果。

2.2 加工电流对导电轴温度场的影响

在初始环境温度为23 ℃条件下，分别在加工电流为12 000 A、15 000 A以及20 000 A的工况下，对导电轴结构进行温度场分析，导电轴达到稳定状态后的温度场如图11所示。

由图11可知，随着导电轴加工电流的增大，整体结构的温度呈现上升的趋势；导电轴在不同加工电流下，导电轴左端的温度均远大于导电轴右端的温度。

图11 不同加工电流下导电轴的温度场分布

2.3 环境温度对导电轴温度场的影响

加工电流设置为12 000 A，环境温度分别为5,15,25,35 ℃，对导电轴温度场进行分析。导电轴温度场随环境温度的变化规律如图12所示，随着环境温度的升高，导电轴整体结构的温度呈现上升的趋势；在不同环境温度下，最高温度均出现在导电轴左端区域。

图12 温度场分布规律

3 导电轴散热性能优化

长方体ABCD—EFGH表示导电轴箱体，利用Fluent流体分析软件建立的仿真模型如图13所示，通过改善导电轴箱内的流场，来改善导电轴的温度场。将导电轴瞬态温度场的稳态温度，作为导电轴的初始温度，分析不同散热方式对导电轴温度场的改善效果。存在3种散热方案：① 方案Ⅰ，在箱体平面ABCD处设置风源；② 方案Ⅱ，在箱体平面CDEF处设置风源；③ 方案Ⅲ，在箱体平面ABCD、箱体平面CDEF处同时设置风源。

图13 导电轴箱体模型

在加工电流为20 000 A以及环境温度为23 ℃条件下，不同方案的流场分布如图14所示。图14(a)为方案Ⅰ的导电轴周边流场分布，冷空气流经导电轴后，原本均匀的流场发生改变，远离平面ABCD的一侧，有大量的区域无法接触到冷气流，该区域温度明显高于其他区域；采取方案Ⅱ的导电轴周边流场分布如图14(b)所示，导电轴底部仍存在大量的区域无法接触到冷气流；方案Ⅲ的导电轴周边流场分布如图14(c)所示，相较于方案Ⅰ和方案Ⅱ，这种方案使导电轴的大部分结构都可与冷气流充分接触，温度差使导电轴表面的对流换热系数增大，轴箱内温度明显降低。由此可见，方案Ⅲ可显著改善导电轴散热性能。

图14 不同风源的流场分布

进口处的气流设置不同温度，分析使用制冷设备后导电轴热态特性改善的情况。导电轴表面平均温度随进口处温度的不同而变化，如图15所示，轴箱的平均温度与进口温度呈线性正相关关系，进口处温度越低，导电轴的平均温度越低。

图15 轴箱内平均温度随进口温度的变化

在原有的导电轴箱体上，增设制冷设备，将导电轴安装于机床床身上，在导电轴底板和机床床身之间，设置绝缘块，将导电轴装置与床身进行绝缘，保证床身整体的绝缘性。

4 工艺试验

对大型卧式数控电解加工机床而言，其加工电流最高达20 000 A，机床床身长约16 m，阴极与工件之间的加工间隙仅为0.5～1 mm。验证试验在大型卧式数控电解加工机床上进行，通过工艺试验，验证导电轴结构的合理性和稳定性。试验采用的加工参数：加工电压10～15 V；进给速度5 mm·min-1；电解压力1.5 MPa；电解液温度30 ℃。

加工完成后的工件实物如图16(a)所示，工件切片后的实物如图16(b)所示。

图16 加工工件实物

对切片的工件按照加工顺序进行编号，测量并记录加工工件的尺寸，加工完成后测量的切片尺寸误差及表面粗糙度的部分数据见表1。

表1 工件编号及测量值

数据分析表明，工件成型精度达到±0.15 mm，表面粗糙度优于Ra0.8 μm，能够很好的满足实际加工要求。

5 结 论

文中对大型卧式数控电解加工机床导电轴的结构、温度场、散热性能等进行分析，得到结论为

1) 通过建立大型卧式数控电解加工机床导电轴有限元模型，对导电轴进行温度场分析，提出了一种基于对称铜排引电方式的新型导电轴结构。

2) 建立导电轴热电耦合模型，对导电轴进行热变形分析，结果表明最大热变形在基板处，电流对导电轴温升影响显著。采用上表面和侧面同时提供气流的方式可显著改善导电轴散热性能。

3) 在工作电流为15 000 A、进给速度为5 mm·min-1、连续加工14 h条件下，可实现大长径比异形内螺旋深孔类零件的稳定可靠加工，加工工件成形精度达到±0.15 mm，表面粗糙度优于Ra0.8 μm。