侯昱杰，徐佳伟，屈文斌，邱 天，葛永成

（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

电解加工是一种基于阳极材料溶解原理实现零件加工成形的先进制造工艺方法，它可以加工任何导电的金属材料［1］，而且不受材料力学性能限制，在航空、航天、能源等领域中有着广泛的应用［2］。电解加工实践表明，实际电解加工过程中阳极溶解量与理论计算的溶解量有差别，通常是实际溶解量小于理论计算量，极少数情况下实际溶解量会大于理论计算量。为了确切表示实际溶解质量与理论溶解质量的差别，引入电流效率的概念，用以表征阳极实际溶解金属所占的耗电量对通过阳极总电量的有效利用率［3］。电流效率是反映电解加工特性最灵敏、最实用的参数。电流密度是指单位时间内通过单位面积的电量，它是影响电流效率的主要因素，在实际加工过程中，电流密度对电流效率有着极为重要的影响［4］。因此，为了便于工程应用，通常在实际加工之前采用测试方法测定电流效率曲线。

电流效率曲线能够直观反映出电流密度对电解加工效率的影响，在低电流密度时，电流效率值接近于0；在高电流密度时，电流效率值趋向于1.4%。电流效率曲线的横坐标为电流密度，纵坐标为电流效率。通常测绘一条精准的电流效率曲线需要设置若干个测试点，为了保证实验所绘得的效率曲线的可靠性，又会在每个测试点重复多次实验［5］。因此，一条准确的电流效率曲线通常需要经历近百次的实验操作，测试装置的操作方便程度将决定实验的劳动强度和测试时长。此外，长时间连续重复实验也会导致电化学溶解特性测试装置过早损坏。而目前设计的测试装置普遍存在费时、效率低、浪费工件材料、加工成本高等问题。为此，本文开发了一种操作简单、可靠的新型电化学溶解特性测试装置，对快速地绘制电流效率曲线有着重要意义。

1 测试装置整体结构设计

本文设计的新型电化学溶解特性检测装置如图1所示。该装置由阴极杆1、上盖2、紧固搭扣3、阳极引电装置4、底座5、抵杆6、顶件杆7等组成。上盖结构较为简单，上盖板包含阴极杆，在其两端还有电解液进水口和出水口，用以保障加工过程中间隙内电解液及时更新。底座的结构相对比较复杂，下方是一个顶件装置，方便取件放件；侧边是一个阳极引电装置，保障加工过程阳极工件平稳供电；上端面装有矩形橡胶密封圈，能有效防止电解液的溢出；中央装有零件夹持块，不同形状的零件夹持块能够夹持不同规格的加工试样。上盖与底座间通过搭扣锁的形式连接，可使整个装置连接更为紧密，防止电解液泄漏。

图1 新型电化学溶解特性检测装置

加工过程中，根据加工需求选择相应的零件夹持块，并校正零件夹持块与阴极杆的相对位置。按照规范要求清洗加工试样，吹干并称重后放入零件夹持块中，随后调正上盖与底座位置，压紧紧固搭扣。接通电解液循环系统和加工电源，其中，上盖的阴极杆与电源负极相连，底座的阳极引电装置与电源正极相连。调整加工间隙至合理范围，打开电解液循环系统和加工电源，开始电流效率曲线测试试验。加工结束后，断开电解液循环系统和加工电源，打开上盖板，通过底座下方顶件杆顶出加工试样。清洗加工试样，吹干称重，并记录相应数据。重复上述试验过程，直至完成所有效率曲线采样点的试样加工。

2 关键结构设计

2.1 顶件结构设计

在电化学特性测试过程中，需要进行若干次的加工试验，为方便更换加工试样，本文设计了顶件结构。图2是连在底座底面的顶件杆，该顶件杆设计成带有一个阶梯形状的阶梯杆，并通过图3所示的抵杆限定其位置。安装于底座侧面的抵杆靠近大端一侧装有一根弹簧，弹簧的两端分别固定于抵杆大端和底座侧面，且弹簧处于拉伸状态。加工过程结束后，需要取出加工好的零件，此时轻拉抵杆消除其对顶件杆的限位作用，随后推动顶件杆将加工试样从夹持块中顶出，就能顺利取出并置换加工试样。抵杆与顶件杆的装配如图4所示。

图2 顶件杆

图3 抵杆

图4 顶件杆与抵杆的装配

2.2 密封结构设计

在电化学特性测试过程中，电解液从进口端流入，经由电解液流道冲刷加工间隙，再由电解液出口端流出。在此过程中电解液很容易从两侧泄漏，影响加工过程的稳定性。为此本文在底座上设计了隔液槽，如图5所示，加工前在其中嵌入橡胶垫。加工过程中，通过压紧上盖和底座上的搭扣，挤压橡胶垫避免电解液在加工过程中泄漏，从而使电解液能够完全从设计好的电解液通道流出，维持电解液流道沿程水压恒定，保正加工过程稳定可靠。图5中件2表示矩形密封圈，该密封圈嵌于底座和夹持块之间，防止高速流动的电解液从下方渗漏，造成安全隐患。

2.3 引电结构设计

为方便阳极工件引电，本文设计了引电结构，如图6所示。定杆2是一根带有螺纹的阶梯杆，该杆一端固定在底座上，另一端依次套有弹簧3、挡板6和弹簧4，可以通过旋转外侧螺母5调节挡板位置。动杆1也是一根阶梯杆，其一端有螺纹、一端是光杆。光杆一端插入底座直达阳极加工试样侧壁，螺纹一端通过螺母与挡板相连。挡板卡在动杆的阶梯上，压迫动杆与阳极加工试样紧密接触。当加工完成需要更换试样时，手动向外侧拉动挡板通过螺母迫使动杆与阳极试样分离，从而方便取出加工试样。

图5 底座俯视图

图6 阳极引电结构

3 结语

电化学溶解特性测试是掌握材料电解加工特性的重要环节，但是，电化学溶解特性测试过程通常复杂而繁琐。本文在充分掌握电化学溶解特性测试原理的基础上，开发了一种新型电化学溶解特性测试装置。对其中的加工试样夹持结构、顶件结构、密封结构、引电结构等进行了精心设计，使得试验测试过程操作简单、结果可靠，能够很好满足电化学溶解特性测试的实验需求。