一種新型電化學溶解特性測試裝置開發*

侯昱杰，徐佳偉，屈文斌，邱 天，葛永成

（揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

電解加工是一種基于陽極材料溶解原理實現零件加工成形的先進制造工藝方法，它可以加工任何導電的金屬材料［1］，而且不受材料力學性能限制，在航空、航天、能源等領域中有著廣泛的應用［2］。電解加工實踐表明，實際電解加工過程中陽極溶解量與理論計算的溶解量有差別，通常是實際溶解量小于理論計算量，極少數情況下實際溶解量會大于理論計算量。為了確切表示實際溶解質量與理論溶解質量的差別，引入電流效率的概念，用以表征陽極實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、最實用的參數。電流密度是指單位時間內通過單位面積的電量，它是影響電流效率的主要因素，在實際加工過程中，電流密度對電流效率有著極為重要的影響［4］。因此，為了便于工程應用，通常在實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為電流密度，縱坐標為電流效率。通常測繪一條精準的電流效率曲線需要設置若干個測試點，為了保證實驗所繪得的效率曲線的可靠性，又會在每個測試點重復多次實驗［5］。因此，一條準確的電流效率曲線通常需要經歷近百次的實驗操作，測試裝置的操作方便程度將決定實驗的勞動強度和測試時長。此外，長時間連續重復實驗也會導致電化學溶解特性測試裝置過早損壞。而目前設計的測試裝置普遍存在費時、效率低、浪費工件材料、加工成本高等問題。為此，本文開發了一種操作簡單、可靠的新型電化學溶解特性測試裝置，對快速地繪制電流效率曲線有著重要意義。

1 測試裝置整體結構設計

本文設計的新型電化學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。上蓋結構較為簡單，上蓋板包含陰極桿，在其兩端還有電解液進水口和出水口，用以保障加工過程中間隙內電解液及時更新。底座的結構相對比較復雜，下方是一個頂件裝置，方便取件放件；側邊是一個陽極引電裝置，保障加工過程陽極工件平穩供電；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 新型電化學溶解特性檢測裝置

加工過程中，根據加工需求選擇相應的零件夾持塊，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，隨后調正上蓋與底座位置，壓緊緊固搭扣。接通電解液循環系統和加工電源，其中，上蓋的陰極桿與電源負極相連，底座的陽極引電裝置與電源正極相連。調整加工間隙至合理范圍，打開電解液循環系統和加工電源，開始電流效率曲線測試試驗。加工結束后，斷開電解液循環系統和加工電源，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，并記錄相應數據。重復上述試驗過程，直至完成所有效率曲線采樣點的試樣加工。

2 關鍵結構設計

2.1 頂件結構設計

在電化學特性測試過程中，需要進行若干次的加工試驗，為方便更換加工試樣，本文設計了頂件結構。圖2是連在底座底面的頂件桿，該頂件桿設計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。安裝于底座側面的抵桿靠近大端一側裝有一根彈簧，彈簧的兩端分別固定于抵桿大端和底座側面，且彈簧處于拉伸狀態。加工過程結束后，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 密封結構設計

在電化學特性測試過程中，電解液從進口端流入，經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泄漏，影響加工過程的穩定性。為此本文在底座上設計了隔液槽，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計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 引電結構設計

為方便陽極工件引電，本文設計了引電結構，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，可以通過旋轉外側螺母5調節擋板位置。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陽極加工試樣側壁，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。當加工完成需要更換試樣時，手動向外側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 陽極引電結構

3 結語

電化學溶解特性測試是掌握材料電解加工特性的重要環節，但是，電化學溶解特性測試過程通常復雜而繁瑣。本文在充分掌握電化學溶解特性測試原理的基礎上，開發了一種新型電化學溶解特性測試裝置。對其中的加工試樣夾持結構、頂件結構、密封結構、引電結構等進行了精心設計，使得試驗測試過程操作簡單、結果可靠，能夠很好滿足電化學溶解特性測試的實驗需求。