復(fù)雜型面零件電解加工夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝試驗(yàn)

劉永杰，孫倫業(yè)，葉世康，楊碩，肖順

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

電解加工是一種利用金屬陽極的電化學(xué)溶解原理達(dá)到材料去除的特種加工工藝，具有加工效率高、工具陰極無損耗、不受金屬材料硬度和韌性等切削性能的限制、表面質(zhì)量好，加工過程無機(jī)械切削力等諸多優(yōu)點(diǎn)，在非傳統(tǒng)制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。夾具設(shè)計(jì)是影響電解加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，由于電解加工過程中涉及磁場(chǎng)、電場(chǎng)、流場(chǎng)等多物理、化學(xué)能場(chǎng)作用，必須封裝在專用工裝夾具中來實(shí)施。與傳統(tǒng)夾具的設(shè)計(jì)原則不同，電解加工夾具除了要實(shí)現(xiàn)工件定位準(zhǔn)確，還要保證加工區(qū)域內(nèi)電解液流場(chǎng)流動(dòng)的均勻性和穩(wěn)定性，并要求夾具體耐腐蝕性與密封性好，加工過程中避免出現(xiàn)大量漏液和缺液等現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電解加工夾具的設(shè)計(jì)問題，開展了許多研究工作。劉嘉等[2]在分析葉盤加工復(fù)雜流道特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出了一種新型三維復(fù)合流場(chǎng)模式，該流場(chǎng)模式下的專用夾具有5個(gè)進(jìn)、出液口，可顯著改善側(cè)流式、W式流場(chǎng)的缺陷。陳文兵等[3]設(shè)計(jì)了一種適用于多種規(guī)格葉片的可調(diào)式夾具，該夾具由定位部件和夾緊部件組成，定位部件保證了夾持端前后兩側(cè)對(duì)稱，夾緊部件從工件的上下前后方向同時(shí)實(shí)現(xiàn)夾緊，克服了目前葉片夾具剛性差、成本高、不易調(diào)整的難題。

針對(duì)某型復(fù)雜型面零件，分析了電解加工過程中，夾具的結(jié)構(gòu)方式、電解液流動(dòng)形式、夾具密封性和防腐蝕等影響葉片成型精度和加工質(zhì)量的關(guān)鍵問題[4]，對(duì)夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后開展了電解加工工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)夾具的可靠性以及電解液流動(dòng)方式的合理性。

1 電解加工原理

電解加工原理如圖1所示，毛坯接電源正極，工具陰極接電源負(fù)極，陰極與毛坯之間保持較小的間隙，接通電源后在兩極間隙中施加恒定電壓，同時(shí)具有一定壓力的電解液從加工間隙中高速流過[5]，帶走電解產(chǎn)物與熱量。陰極相對(duì)材料做直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，加工完成零件的一面后，陰極沿原路徑返回至初始位置，然后更換陰極，重新裝夾毛坯，完成另一面的加工。

圖1 電解加工原理

在進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮夾具對(duì)工件要起到安裝、定位和夾緊的作用，同時(shí)需保證工件陽極和工具陰極之間較高的定位精度[6]。因此，需要滿足以下要求：

（1）夾具裝拆要方便快捷，同時(shí)夾緊力要可靠。

（2）夾具要有良好的密封性，避免出現(xiàn)加工過程中電解液的大量泄漏。

（3）夾具具有良好的絕緣和耐腐蝕性[7]。

（4）電解液流道布局合理，保持良好的流場(chǎng)均勻性。

（5）要有足夠的引電區(qū)域，且不阻礙加工的進(jìn)行。

（6）夾具尺寸以滿足需求為原則，降低制造成本。

2 夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 夾具的整體結(jié)構(gòu)與零部件安裝位置

電解加工夾具的作用除了實(shí)現(xiàn)工件的定位和夾緊，還要形成封閉的加工環(huán)境，實(shí)現(xiàn)陰極和工件之間的精確定位。夾具在加工過程中與高速流動(dòng)的電解液直接接觸，同時(shí)還要承受電解液的沖擊，因此采用環(huán)氧樹脂作為夾具的基體材料。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的絕緣性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及密封性能，能夠滿足電解加工的要求。圖2所示為夾具的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 夾具整體結(jié)構(gòu)

如圖3所示，各零部件的安裝位置合理安排在夾具底座上，保證了工具陰極在進(jìn)給的同時(shí)不會(huì)與各零部件產(chǎn)生干涉。

如圖3所示，電源正極通過引電裝置接通至毛坯，電源負(fù)極則通過陰極連桿進(jìn)行導(dǎo)電，至此電解加工的正負(fù)兩極完成接通。引電裝置還起到固定工件的作用，保證工件在加工過程中不會(huì)松動(dòng)。隔離板經(jīng)過絕緣處理，確保引電裝置不與電解液產(chǎn)生直接接觸，防止被腐蝕。鑲塊從側(cè)面夾緊工件，使毛坯與定位座內(nèi)壁緊密貼合，進(jìn)一步防止工件出現(xiàn)松動(dòng)的情況。

圖3 夾具底座結(jié)構(gòu)

定位塊1是為了在加工過程中阻止電解液流至工件背面，從而造成電解液缺液、流場(chǎng)局部均勻性變差的問題。本研究所用零件毛坯尺寸為6 mm×18 mm×60 mm，根據(jù)工件的尺寸，定位塊1和定位塊2的大小可進(jìn)行調(diào)整。

2.2 電解液供液方式

電解液供液方式是影響電解加工過程的加工精度以及加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。本研究采用側(cè)流式供液方式，電解液從進(jìn)液口流入，流經(jīng)陰極的一側(cè)，然后流入陰極與陽極工件之間的加工間隙，最后從陰極另一側(cè)流出[8]。該流動(dòng)方式可控性強(qiáng)，電解液流速變化和壓力波動(dòng)得到有效控制[9]，有利于電解產(chǎn)物的及時(shí)排出，提高流場(chǎng)的穩(wěn)定性，流動(dòng)方式如圖4所示。

圖4 測(cè)流式供液方式

夾具的進(jìn)液口與出液口如圖5所示，流管由兩個(gè)304不銹鋼材料制成的轉(zhuǎn)接塊接通。因?yàn)殡娊饧庸C(jī)床的加工區(qū)域有限，為了增加夾具左半部分的安裝空間，進(jìn)液口設(shè)置于夾具上蓋，夾具另一側(cè)為出液口。

圖5 夾具的進(jìn)液口與出液口

3 升降裝置

如圖6所示，夾具需安裝在升降裝置上與機(jī)床主軸進(jìn)行裝配。升降裝置可根據(jù)實(shí)際工裝需要調(diào)整夾具安裝高度，保證夾具與機(jī)床主軸之間較高的定位精度，其組成部分為：平移塊、楔形塊、滑塊、擋板、支撐塊、連接板。具體結(jié)構(gòu)如圖7所式。

圖6 夾具裝配示意圖

圖7 升降裝置結(jié)構(gòu)

如圖7所示，2個(gè)平移塊共有4排通孔，可根據(jù)裝夾過程中的需要調(diào)整升降裝置的前后位置。楔形塊的上表面與滑塊的下表面均為斜面，兩者緊密貼合在一起，通過推動(dòng)滑塊移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)夾具的高度調(diào)整。擋板上有螺紋孔，通過擰緊螺栓實(shí)現(xiàn)滑塊的固定。夾具底座與滑塊上表面通過螺栓實(shí)現(xiàn)固定。升降裝置原理如圖8所示。

圖8 升降裝置原理

4 電解加工實(shí)驗(yàn)

在完成夾具和各零部件的設(shè)計(jì)后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝配調(diào)試。測(cè)試結(jié)果顯示，夾具裝拆方便，陰極的進(jìn)給與回退不會(huì)與其他部件產(chǎn)生干涉，夾具密封性達(dá)到預(yù)期要求。夾具和陰極實(shí)物如圖9所示。

圖9 工裝夾具實(shí)物

結(jié)合課題組自行研發(fā)的電解加工機(jī)床開展加工試驗(yàn)，加工參數(shù)見表1。

表1 電解加工試驗(yàn)參數(shù)

陰極在分別持續(xù)進(jìn)給15 min后，零件的兩個(gè)型面基本加工完成。整個(gè)電解加工過程中，無火花短路現(xiàn)象發(fā)生，最大電流保持在35 A，電流波動(dòng)較為平穩(wěn)。加工后的工件如圖10所示。

圖10 工件實(shí)物

加工完成后，對(duì)復(fù)雜型面零件的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示，葉盆的Ra值為0.408 μm，Rz值為3.33 μm，葉背的Ra值為0.447 μm，Rz值為3.67 μm，如圖11所示，零件表面粗糙度較低，設(shè)計(jì)的夾具滿足預(yù)期要求。

圖11 表面粗糙度

5 結(jié)語

文中結(jié)合某型復(fù)雜型面零件，研究分析了專用夾具整體結(jié)構(gòu)、電解液流動(dòng)方式、防腐蝕、導(dǎo)電等若干關(guān)鍵問題，設(shè)計(jì)了合理的電解液流動(dòng)布局形式和夾具結(jié)構(gòu)形式。最后，開展了電解加工工藝試驗(yàn)，加工過程穩(wěn)定可靠，并用粗糙度儀檢測(cè)了零件的表面粗糙度，結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)夾具工作可靠，達(dá)到了復(fù)雜型面零件的電解加工要求。