侯昱杰，徐佳偉，屈文斌，邱 天，葛永成

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

電解加工是一種基于陽極材料溶解原理實(shí)現(xiàn)零件加工成形的先進(jìn)制造工藝方法，它可以加工任何導(dǎo)電的金屬材料［1］，而且不受材料力學(xué)性能限制，在航空、航天、能源等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用［2］。電解加工實(shí)踐表明，實(shí)際電解加工過程中陽極溶解量與理論計(jì)算的溶解量有差別，通常是實(shí)際溶解量小于理論計(jì)算量，極少數(shù)情況下實(shí)際溶解量會大于理論計(jì)算量。為了確切表示實(shí)際溶解質(zhì)量與理論溶解質(zhì)量的差別，引入電流效率的概念，用以表征陽極實(shí)際溶解金屬所占的耗電量對通過陽極總電量的有效利用率［3］。電流效率是反映電解加工特性最靈敏、最實(shí)用的參數(shù)。電流密度是指單位時間內(nèi)通過單位面積的電量，它是影響電流效率的主要因素，在實(shí)際加工過程中，電流密度對電流效率有著極為重要的影響［4］。因此，為了便于工程應(yīng)用，通常在實(shí)際加工之前采用測試方法測定電流效率曲線。

電流效率曲線能夠直觀反映出電流密度對電解加工效率的影響，在低電流密度時，電流效率值接近于0；在高電流密度時，電流效率值趨向于1.4%。電流效率曲線的橫坐標(biāo)為電流密度，縱坐標(biāo)為電流效率。通常測繪一條精準(zhǔn)的電流效率曲線需要設(shè)置若干個測試點(diǎn)，為了保證實(shí)驗(yàn)所繪得的效率曲線的可靠性，又會在每個測試點(diǎn)重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)［5］。因此，一條準(zhǔn)確的電流效率曲線通常需要經(jīng)歷近百次的實(shí)驗(yàn)操作，測試裝置的操作方便程度將決定實(shí)驗(yàn)的勞動強(qiáng)度和測試時長。此外，長時間連續(xù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)也會導(dǎo)致電化學(xué)溶解特性測試裝置過早損壞。而目前設(shè)計(jì)的測試裝置普遍存在費(fèi)時、效率低、浪費(fèi)工件材料、加工成本高等問題。為此，本文開發(fā)了一種操作簡單、可靠的新型電化學(xué)溶解特性測試裝置，對快速地繪制電流效率曲線有著重要意義。

1 測試裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的新型電化學(xué)溶解特性檢測裝置如圖1所示。該裝置由陰極桿1、上蓋2、緊固搭扣3、陽極引電裝置4、底座5、抵桿6、頂件桿7等組成。上蓋結(jié)構(gòu)較為簡單，上蓋板包含陰極桿，在其兩端還有電解液進(jìn)水口和出水口，用以保障加工過程中間隙內(nèi)電解液及時更新。底座的結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，下方是一個頂件裝置，方便取件放件；側(cè)邊是一個陽極引電裝置，保障加工過程陽極工件平穩(wěn)供電；上端面裝有矩形橡膠密封圈，能有效防止電解液的溢出；中央裝有零件夾持塊，不同形狀的零件夾持塊能夠夾持不同規(guī)格的加工試樣。上蓋與底座間通過搭扣鎖的形式連接，可使整個裝置連接更為緊密，防止電解液泄漏。

圖1 新型電化學(xué)溶解特性檢測裝置

加工過程中，根據(jù)加工需求選擇相應(yīng)的零件夾持塊，并校正零件夾持塊與陰極桿的相對位置。按照規(guī)范要求清洗加工試樣，吹干并稱重后放入零件夾持塊中，隨后調(diào)正上蓋與底座位置，壓緊緊固搭扣。接通電解液循環(huán)系統(tǒng)和加工電源，其中，上蓋的陰極桿與電源負(fù)極相連，底座的陽極引電裝置與電源正極相連。調(diào)整加工間隙至合理范圍，打開電解液循環(huán)系統(tǒng)和加工電源，開始電流效率曲線測試試驗(yàn)。加工結(jié)束后，斷開電解液循環(huán)系統(tǒng)和加工電源，打開上蓋板，通過底座下方頂件桿頂出加工試樣。清洗加工試樣，吹干稱重，并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。重復(fù)上述試驗(yàn)過程，直至完成所有效率曲線采樣點(diǎn)的試樣加工。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 頂件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電化學(xué)特性測試過程中，需要進(jìn)行若干次的加工試驗(yàn)，為方便更換加工試樣，本文設(shè)計(jì)了頂件結(jié)構(gòu)。圖2是連在底座底面的頂件桿，該頂件桿設(shè)計(jì)成帶有一個階梯形狀的階梯桿，并通過圖3所示的抵桿限定其位置。安裝于底座側(cè)面的抵桿靠近大端一側(cè)裝有一根彈簧，彈簧的兩端分別固定于抵桿大端和底座側(cè)面，且彈簧處于拉伸狀態(tài)。加工過程結(jié)束后，需要取出加工好的零件，此時輕拉抵桿消除其對頂件桿的限位作用，隨后推動頂件桿將加工試樣從夾持塊中頂出，就能順利取出并置換加工試樣。抵桿與頂件桿的裝配如圖4所示。

圖2 頂件桿

圖3 抵桿

圖4 頂件桿與抵桿的裝配

2.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電化學(xué)特性測試過程中，電解液從進(jìn)口端流入，經(jīng)由電解液流道沖刷加工間隙，再由電解液出口端流出。在此過程中電解液很容易從兩側(cè)泄漏，影響加工過程的穩(wěn)定性。為此本文在底座上設(shè)計(jì)了隔液槽，如圖5所示，加工前在其中嵌入橡膠墊。加工過程中，通過壓緊上蓋和底座上的搭扣，擠壓橡膠墊避免電解液在加工過程中泄漏，從而使電解液能夠完全從設(shè)計(jì)好的電解液通道流出，維持電解液流道沿程水壓恒定，保正加工過程穩(wěn)定可靠。圖5中件2表示矩形密封圈，該密封圈嵌于底座和夾持塊之間，防止高速流動的電解液從下方滲漏，造成安全隱患。

2.3 引電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為方便陽極工件引電，本文設(shè)計(jì)了引電結(jié)構(gòu)，如圖6所示。定桿2是一根帶有螺紋的階梯桿，該桿一端固定在底座上，另一端依次套有彈簧3、擋板6和彈簧4，可以通過旋轉(zhuǎn)外側(cè)螺母5調(diào)節(jié)擋板位置。動桿1也是一根階梯桿，其一端有螺紋、一端是光桿。光桿一端插入底座直達(dá)陽極加工試樣側(cè)壁，螺紋一端通過螺母與擋板相連。擋板卡在動桿的階梯上，壓迫動桿與陽極加工試樣緊密接觸。當(dāng)加工完成需要更換試樣時，手動向外側(cè)拉動擋板通過螺母迫使動桿與陽極試樣分離，從而方便取出加工試樣。

圖5 底座俯視圖

圖6 陽極引電結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

電化學(xué)溶解特性測試是掌握材料電解加工特性的重要環(huán)節(jié)，但是，電化學(xué)溶解特性測試過程通常復(fù)雜而繁瑣。本文在充分掌握電化學(xué)溶解特性測試原理的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種新型電化學(xué)溶解特性測試裝置。對其中的加工試樣夾持結(jié)構(gòu)、頂件結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、引電結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，使得試驗(yàn)測試過程操作簡單、結(jié)果可靠，能夠很好滿足電化學(xué)溶解特性測試的實(shí)驗(yàn)需求。