复杂型面零件电解加工夹具结构设计与工艺试验

王 晖

（新疆生产建设兵团兴新职业技术学院，新疆 铁门关 841007）

0 引言

电解加工作为一种特殊的加工工艺，通过电化学溶解方法来实现金属材料的脱离，该技术加工效率高，同时在加工过程中不存在机械切削力，因而被广泛地应用于非传统加工领域中。工装夹具的设计是影响复杂型面零件电解工艺质量的一个重要因素[1]，涉及到磁场、电场、流场等多种物理和化学场之间的耦合作用，因此需要采用专门的工装夹具来实现。本文针对某种复杂型面的零件（叶片型零件），通过对夹具结构类型、电解液的流动形式、夹具的密封性及耐蚀性等影响因素展开研究，进而对夹具结构进行设计，并通过工艺试验验证所设计夹具的合理性。

1 复杂型面零件电解加工原理

图1 为复杂型面零件电解加工的基本原理示意图。从图1 可以看出，电源正电极连接着毛坯，将工具的阴极与电源负极相连。阴极和毛坯之间存在较小的间隙，当电源接通时，电源正负极之间会产生一个恒定的电压。相对于材料而言，阴极作直线进给运动，在工件一端加工完毕后，阴极沿着原来的路线回到原位，将阴极替换，再把毛坯放入到另一侧。

图1 电解加工原理示意图

在对复杂型面零件等工装进行设计研制时，夹具起到的影响是至关重要的，要时刻考虑夹具对工件所起到的定位、安装及夹紧等作用[2]。除此以外，还要使得工具的阴极与工件的阳极二者之间始终保持较高的定位精度。所以，在对夹具进行设计时应满足下列要求：

1）夹具在安装拆卸过程中要快捷方便的同时，还应具备可靠的夹紧力；

2）保持夹具良好的封闭性能，杜绝电解液因密封性差而产生泄露的现象；

3）要具备较好的耐腐蚀性以及绝缘性，以延长其使用寿命；

4）电解液的流通通道布局应合理，流场的均匀性保持良好；

5）引电区域要有足够大的范围，同时不能妨碍电解加工的进行；

6）夹具的尺寸设计应遵循满足需求为原则，以达到节省成本的目的。

2 电解加工夹具结构及其升降装置的设计

2.1 夹具的整体结构与零部件安装位置

电解加工的夹具结构不但可以实现对工件的定位和夹持，还可以在一定区域内制造出具有较好密封性能的加工环境，从而确保阴极和工件的精确定位[3]。由于在电解时，夹具与高速的电解液有直接的接触，同时也会产生一定的冲击，因此，该夹具的主要材质选择了环氧树脂。环氧树脂具有良好的绝缘性、结构强度和密封性，能够满足电解加工的要求。夹具的整体构造示意图如图2 所示。

在图2 中，各个零件的装配位置都被合理地设置在夹具的底座上，以确保工具阴极在进给过程中不会与各零件发生干扰。电源的正电极借助引线装置连接到毛坯上，负电极则由阴极连接杆传导电流，至此，电解加工的正负电极实现了完全接通。同时，引电装置还可以保证工件的稳定性，确保其在加工过程中不会产生松动。隔离板采用了绝缘技术，保证了引电装置不会与电解液直接接触，从而有效地避免了电池的腐蚀。通过将工件从—侧夹紧，使毛坯与定位座内壁紧密结合，可防止工件松动。定位块1 的作用是防止电解液在加工时向工件的背面流动，造成电解液缺乏，局部流场均匀性降低。此次研究所使用产品的毛坯尺寸为6 mm×18 mm×60 mm，根据工件的尺寸调整定位块1 和定位块2 的大小。

2.2 电解液供液方式及升降装置

电解液的供给模式直接关系到电解工艺的加工精度和工艺品质。本研究采用了侧流式的供液模式，电解液从进液口进入阴极，再从阴极的—边流到阴极和阳极工件的加工孔中，最后从阴极的另—端流出来。该流量模式具有良好的可控性，可以很好地控制电解液的流速和压力的波动，从而保证电解产物的及时排放，以达到改善流场稳定性的目的。流管采用304 不锈钢材质的接头进行连接，由于电解加工机床的工作区域较小，为了增加夹具左边的组装空间，在夹具的上盖位置设置了进液口，在夹具的另外一侧设置了排液口。

夹具必须安装在升降装置上，以完成与机床主轴的组装。此升降装置可根据实际工装的需要调整夹具的高度，以保证夹具与机床主轴之间具有较高的精度，升降装置结构如图3 所示。由图3 可知，该装置主要由支撑块、连接块、滑块、挡板、楔形块以及平移块等部分构成。两个平移块共4 排通孔，可根据装夹工艺的需要调整升降装置前后位置。楔形块的上侧以及滑块的下侧都是倾斜的，且彼此紧固，可通过推动滑块的运动来调节夹具的夹持高度。在挡板上设有螺钉孔，用螺丝将滑块紧固。此外，夹具底座和滑板上表面也是利用螺栓固定的。

图3 升降装置结构示意图

3 夹具电解加工工艺试验研究

在设计好夹具及其组件后，进行现场安装和调试。试验表明，该装置安装、拆卸方便，阴极进给后退不会干扰其他零件，且具有良好的密封性能。结合自行研发的电解加工机床开展加工试验，机床本体由进给装置和工作台组成，进给装置具有X、Y、Z、B、C 5个轴，各轴的运动精度高，可保证精密加工。电源系统包括电源主体和短路保护，电源为大功率脉冲电源，电压的调节范围为0～40 V，电流可高达3 000 A。控制系统可通过点动或者手轮进行控制轴的运行，可控制面板上观察到电流的变化以及电解液压力的大小，可调节电解液温度，还可调节数控系统的开关、电解液开关等。电解液系统可通过多级过滤，将电解的杂质分离出，更新电解液，使电解液多次循环使用，保证加工的稳定进行。连续进行15 min 的阴极进给后，零件的两个型面基本加工完毕。整个电解工艺没有出现任何的短路故障，最大电流维持在35 A，并且电流的起伏比较稳定。

复杂型面零件加工完成后，对其表面粗糙度进行检测，表面轮廓测量仪器为威尔WALE 公司所生产的粗糙度轮廓仪。测量精度为采样间隔设置0.2 μm，测量速度设置为0.4 mm/s。采用粗糙度轮廓仪测量工件的轮廓，多次测量结果与标准的轮廓尺寸进行偏差计算，可得到尺寸偏差数据。粗糙度检测仪器为美国ZYGO 公司所生产的白光干涉仪，该仪器可以进行3D表面检测、表面粗糙度检测。测量时选用10XMirau 镜头，垂直扫描范围为847 μm×847 μm，镜头的移动范围为160 mm×160 mm，可用拼接功能测量较大范围的表面形貌，垂直分辨力达0.001 μm。采用白光干涉仪分别多次测量小圆弧面和大圆弧面的表面粗糙度值结果显示，叶盆的Ra值为0.408μm，Rz值为3.33 μm，叶背的Ra值为0.447 μm，Rz值为3.67 μm，零件表面粗糙度较低，设计的夹具满足预期要求。

4 结语

随着我国社会经济的逐渐发展，各种复杂型面的零件及其附属产品在交通、模具、航天等行业领域中得到了广泛应用。因此，对复杂型面等难加工的零件类型进行研究显得十分有必要。本文以某种复杂型面零件为例，从专用的夹具结构、电解液流动方式、夹具的抗腐蚀、导电性等方面入手，提出了夹具结构和电解液流动布置的合理设计，并对电解加工工艺进行试验，整个加工过程可靠稳定，利用有关仪器对其进行了表面粗糙度测试。结果显示，所设计的零件具有较好的工作性能，能够满足复杂曲面零件的电解加工要求。