復雜型面零件電解加工夾具結構設計與工藝試驗

王 暉

（新疆生產建設兵團興新職業技術學院，新疆 鐵門關 841007）

0 引言

電解加工作為一種特殊的加工工藝，通過電化學溶解方法來實現金屬材料的脫離，該技術加工效率高，同時在加工過程中不存在機械切削力，因而被廣泛地應用于非傳統加工領域中。工裝夾具的設計是影響復雜型面零件電解工藝質量的一個重要因素[1]，涉及到磁場、電場、流場等多種物理和化學場之間的耦合作用，因此需要采用專門的工裝夾具來實現。本文針對某種復雜型面的零件（葉片型零件），通過對夾具結構類型、電解液的流動形式、夾具的密封性及耐蝕性等影響因素展開研究，進而對夾具結構進行設計，并通過工藝試驗驗證所設計夾具的合理性。

1 復雜型面零件電解加工原理

圖1 為復雜型面零件電解加工的基本原理示意圖。從圖1 可以看出，電源正電極連接著毛坯，將工具的陰極與電源負極相連。陰極和毛坯之間存在較小的間隙，當電源接通時，電源正負極之間會產生一個恒定的電壓。相對于材料而言，陰極作直線進給運動，在工件一端加工完畢后，陰極沿著原來的路線回到原位，將陰極替換，再把毛坯放入到另一側。

圖1 電解加工原理示意圖

在對復雜型面零件等工裝進行設計研制時，夾具起到的影響是至關重要的，要時刻考慮夾具對工件所起到的定位、安裝及夾緊等作用[2]。除此以外，還要使得工具的陰極與工件的陽極二者之間始終保持較高的定位精度。所以，在對夾具進行設計時應滿足下列要求：

1）夾具在安裝拆卸過程中要快捷方便的同時，還應具備可靠的夾緊力；

2）保持夾具良好的封閉性能，杜絕電解液因密封性差而產生泄露的現象；

3）要具備較好的耐腐蝕性以及絕緣性，以延長其使用壽命；

4）電解液的流通通道布局應合理，流場的均勻性保持良好；

5）引電區域要有足夠大的范圍，同時不能妨礙電解加工的進行；

6）夾具的尺寸設計應遵循滿足需求為原則，以達到節省成本的目的。

2 電解加工夾具結構及其升降裝置的設計

2.1 夾具的整體結構與零部件安裝位置

電解加工的夾具結構不但可以實現對工件的定位和夾持，還可以在一定區域內制造出具有較好密封性能的加工環境，從而確保陰極和工件的精確定位[3]。由于在電解時，夾具與高速的電解液有直接的接觸，同時也會產生一定的沖擊，因此，該夾具的主要材質選擇了環氧樹脂。環氧樹脂具有良好的絕緣性、結構強度和密封性，能夠滿足電解加工的要求。夾具的整體構造示意圖如圖2 所示。

在圖2 中，各個零件的裝配位置都被合理地設置在夾具的底座上，以確保工具陰極在進給過程中不會與各零件發生干擾。電源的正電極借助引線裝置連接到毛坯上，負電極則由陰極連接桿傳導電流，至此，電解加工的正負電極實現了完全接通。同時，引電裝置還可以保證工件的穩定性，確保其在加工過程中不會產生松動。隔離板采用了絕緣技術，保證了引電裝置不會與電解液直接接觸，從而有效地避免了電池的腐蝕。通過將工件從—側夾緊，使毛坯與定位座內壁緊密結合，可防止工件松動。定位塊1 的作用是防止電解液在加工時向工件的背面流動，造成電解液缺乏，局部流場均勻性降低。此次研究所使用產品的毛坯尺寸為6 mm×18 mm×60 mm，根據工件的尺寸調整定位塊1 和定位塊2 的大小。

2.2 電解液供液方式及升降裝置

電解液的供給模式直接關系到電解工藝的加工精度和工藝品質。本研究采用了側流式的供液模式，電解液從進液口進入陰極，再從陰極的—邊流到陰極和陽極工件的加工孔中，最后從陰極的另—端流出來。該流量模式具有良好的可控性，可以很好地控制電解液的流速和壓力的波動，從而保證電解產物的及時排放，以達到改善流場穩定性的目的。流管采用304 不銹鋼材質的接頭進行連接，由于電解加工機床的工作區域較小，為了增加夾具左邊的組裝空間，在夾具的上蓋位置設置了進液口，在夾具的另外一側設置了排液口。

夾具必須安裝在升降裝置上，以完成與機床主軸的組裝。此升降裝置可根據實際工裝的需要調整夾具的高度，以保證夾具與機床主軸之間具有較高的精度，升降裝置結構如圖3 所示。由圖3 可知，該裝置主要由支撐塊、連接塊、滑塊、擋板、楔形塊以及平移塊等部分構成。兩個平移塊共4 排通孔，可根據裝夾工藝的需要調整升降裝置前后位置。楔形塊的上側以及滑塊的下側都是傾斜的，且彼此緊固，可通過推動滑塊的運動來調節夾具的夾持高度。在擋板上設有螺釘孔，用螺絲將滑塊緊固。此外，夾具底座和滑板上表面也是利用螺栓固定的。

圖3 升降裝置結構示意圖

3 夾具電解加工工藝試驗研究

在設計好夾具及其組件后，進行現場安裝和調試。試驗表明，該裝置安裝、拆卸方便，陰極進給后退不會干擾其他零件，且具有良好的密封性能。結合自行研發的電解加工機床開展加工試驗，機床本體由進給裝置和工作臺組成，進給裝置具有X、Y、Z、B、C 5個軸，各軸的運動精度高，可保證精密加工。電源系統包括電源主體和短路保護，電源為大功率脈沖電源，電壓的調節范圍為0～40 V，電流可高達3 000 A。控制系統可通過點動或者手輪進行控制軸的運行，可控制面板上觀察到電流的變化以及電解液壓力的大小，可調節電解液溫度，還可調節數控系統的開關、電解液開關等。電解液系統可通過多級過濾，將電解的雜質分離出，更新電解液，使電解液多次循環使用，保證加工的穩定進行。連續進行15 min 的陰極進給后，零件的兩個型面基本加工完畢。整個電解工藝沒有出現任何的短路故障，最大電流維持在35 A，并且電流的起伏比較穩定。

復雜型面零件加工完成后，對其表面粗糙度進行檢測，表面輪廓測量儀器為威爾WALE 公司所生產的粗糙度輪廓儀。測量精度為采樣間隔設置0.2 μm，測量速度設置為0.4 mm/s。采用粗糙度輪廓儀測量工件的輪廓，多次測量結果與標準的輪廓尺寸進行偏差計算，可得到尺寸偏差數據。粗糙度檢測儀器為美國ZYGO 公司所生產的白光干涉儀，該儀器可以進行3D表面檢測、表面粗糙度檢測。測量時選用10XMirau 鏡頭，垂直掃描范圍為847 μm×847 μm，鏡頭的移動范圍為160 mm×160 mm，可用拼接功能測量較大范圍的表面形貌，垂直分辨力達0.001 μm。采用白光干涉儀分別多次測量小圓弧面和大圓弧面的表面粗糙度值結果顯示，葉盆的Ra值為0.408μm，Rz值為3.33 μm，葉背的Ra值為0.447 μm，Rz值為3.67 μm，零件表面粗糙度較低，設計的夾具滿足預期要求。

4 結語

隨著我國社會經濟的逐漸發展，各種復雜型面的零件及其附屬產品在交通、模具、航天等行業領域中得到了廣泛應用。因此，對復雜型面等難加工的零件類型進行研究顯得十分有必要。本文以某種復雜型面零件為例，從專用的夾具結構、電解液流動方式、夾具的抗腐蝕、導電性等方面入手，提出了夾具結構和電解液流動布置的合理設計，并對電解加工工藝進行試驗，整個加工過程可靠穩定，利用有關儀器對其進行了表面粗糙度測試。結果顯示，所設計的零件具有較好的工作性能，能夠滿足復雜曲面零件的電解加工要求。