復(fù)雜孔電解液系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

李 博 王崇樓 范植堅(jiān) 唐 霖

（1.西安工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心；2.西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

電解加工屬于電解池一類，工件陽極和工具陰極分別接到外電源正負(fù)極，工件陽極以陰極的形狀為模子通過氧化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)材料蝕除［1］。 電解加工系統(tǒng)由機(jī)床、電源、電解液系統(tǒng)3 個(gè)主要實(shí)體和相應(yīng)的操作、控制系統(tǒng)及其軟件組成［2~4］。 電解液通過離心泵到達(dá)零件的加工區(qū)域，整個(gè)過程中，工件的陽極不斷溶解，附加產(chǎn)物被電解液帶走，再經(jīng)過壓濾機(jī)回流至電解槽中。 由于深孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，線槽深、纏角大，為確保陽線與陰線的合格成型，必須保證加工區(qū)域電解液的溫度、濃度、壓力和流量相對穩(wěn)定。 因此，筆者針對維持電解液系統(tǒng)的各裝置進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)與探討，并在此基礎(chǔ)上完成零件的加工。

1 電解液系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1電解液池

1.1.1電解液確定

電解加工電解液是以水為溶劑的電解質(zhì)溶液， 零件的加工過程中電解液起著導(dǎo)電介質(zhì)、反應(yīng)介質(zhì)的作用，同時(shí)以高速流動(dòng)及時(shí)帶走反應(yīng)蝕出物，電解加工中陰極的反應(yīng)產(chǎn)物不能是陽極溶解后在陰極上的沉積，因此一般選用堿金屬的中性鹽水溶液。

電解液分為線性電解液和非線性電解液，線性電解液活性高，腐蝕嚴(yán)重，加工內(nèi)螺旋深孔時(shí)影響線性精度，而非線性電解液，當(dāng)陽極電位處于一定范圍時(shí)，會出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象，能夠抑制陽極表面的雜散腐蝕，提高復(fù)制精度，對簡化陰極的設(shè)計(jì)和縮短陰極的制造周期具有重要意義［5~7］，常用的電解液主要有 NaCl、NaClO3和 NaNO3。 表1列出了常用的電解液配方。

表1 常用的電解液配方

試驗(yàn)選用的炮管材料屬于鐵基合金，具體的試驗(yàn)情況如圖1 所示， 分別選用9%（1 號試件）、10%（2 號試件）和 15%（3 號試件）的 NaCl 溶液對試件材料進(jìn)行試加工，整個(gè)加工過程的參數(shù)設(shè)置為：電壓10~24V，電流80~120A，初始加工間隙0.5mm。

圖1 零件試驗(yàn)

由加工過程可知：9%的NaCl 溶液加工后材料表面質(zhì)量好， 但易短路，10%的NaCl 溶液加工后材料表面質(zhì)量較好， 短路不嚴(yán)重，15%的NaCl溶液加工后材料表面質(zhì)量好， 不存在短路現(xiàn)象。因此從加工穩(wěn)定度和精度方面考慮，電解液選用濃度為15%的NaCl 溶液。

1.1.2電解液池設(shè)計(jì)

電解液池主要有箱式和池式兩種，池式槽適用于大工件的加工，容量大，電解液在池中迂回有利于電解生成物沉淀［8］。

如圖2 所示電解液池結(jié)構(gòu)呈迷宮形，有利于電解產(chǎn)物的沉淀。

圖2 電解液池結(jié)構(gòu)

大口徑深孔電解加工池容積按加工對象的需要設(shè)計(jì)，加工過程中最大電流可達(dá)10 000A 左右，按電流1 000A 需3~5m3估算容積，槽的容積設(shè) 計(jì) 為 50m3。 池 的 外 壁 厚 300mm， 深 度 為2 000mm，上沿高出地面500mm。

加工大口徑深孔的電解液系統(tǒng)需要6 臺兩種不同類型泵，主泵和溶鹽泵向加工間隙提供電解液；冷卻泵用于冷卻加工電源和電纜；熱液泵與冷水泵通過板式交換器調(diào)節(jié)電解液的溫度；螺桿泵與壓濾機(jī)一道凈化電解液。 電解液系統(tǒng)里各泵的分布如圖3 所示。

圖3 電解液系統(tǒng)里各泵的分布

1.2泵的選型

常用泵的類型有葉片式泵、容積式泵、轉(zhuǎn)子泵及其他類型（如電磁泵）等［9］。 根據(jù)電解加工電解液的狀況和參數(shù)計(jì)算，結(jié)合參考文獻(xiàn)［10］確定各泵的類型、型號。

復(fù)雜深孔電解加工電解液的流速u 為25~30m/s， 參考炮管加工間隙將過水面積S 確定為250mm2，由此可計(jì)算流量Q=uS，計(jì)算得到流量Q為22.5~27.0m3/h。 選擇主泵的流量為30~40m3/h。復(fù)雜深孔電解加工電解液的壓力p 要求為1.5~2.0MPa，由 H=p/ρg 計(jì)算得到泵的揚(yáng)程 H 為 161~185m。 因此主泵選擇7 級離心泵。

其余各泵只需要滿足加工過程中電解液壓力達(dá)到0.2~0.3MPa，選用單級離心泵即可。 由于螺桿泵可輸送含固體顆粒的液體，結(jié)合電解產(chǎn)物選用螺桿泵對電解液進(jìn)行壓濾。

1.3壓濾裝置設(shè)計(jì)

壓濾機(jī)主要起到凈化電解液的作用，圖4 為壓濾機(jī)的三維結(jié)構(gòu)，加工過程主要通過濾布凈化電解液，因電解液具有腐蝕性，故板框壓濾機(jī)材料應(yīng)選用耐腐蝕型材料，大口徑的炮管原則上過濾面積越大越好，本設(shè)計(jì)過濾面積系數(shù)選擇6m2/10000A，壓力為 6×9.8×104N。

圖4 壓濾機(jī)

1.4熱交換裝置設(shè)計(jì)

電解加工會產(chǎn)生大量熱量，采用熱交換器維持電解液溫度，加工區(qū)的電解液因溫度高而由熱進(jìn)口進(jìn)，冷出口出，電解槽中的電解液由冷進(jìn)口進(jìn)，熱出口出（圖5），不同溫度的液體經(jīng)熱交換器循環(huán)，回流至池式電解槽中。

圖5 板式熱交換器

2 管道的布局設(shè)計(jì)及泵的安裝

2.1管道的布局設(shè)計(jì)

根據(jù)電解液腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，泵的管道均選用不銹鋼材料，在管道安裝時(shí)應(yīng)盡量減少彎頭的出現(xiàn)，凡有閥門處，若兩端均為不銹鋼材料，則需要兩個(gè)活節(jié)［11］。

考慮場地限制并結(jié)合實(shí)際要求，電解液系統(tǒng)管線布局如圖6 所示。

2.2泵的安裝

復(fù)雜深孔電解加工各裝置的連接安裝如圖7所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在臥式電解機(jī)床和電源系統(tǒng)指標(biāo)穩(wěn)定的條件下，加工參數(shù)為：選用15%的NaCl 溶液，電解液壓力1.2~1.8MPa， 電解液溫度32~35℃， 電壓9V。 圖8 所示為試加工好的零件切片。

圖6 電解液系統(tǒng)管線布局

圖7 復(fù)雜深孔電解加工各裝置的連接安裝

圖8 加工好的零件切片

通過對加工好的零件切片進(jìn)行測量，陽線的尺寸為φ153.86mm， 陰線的尺寸為φ158.64mm，通止樣柱測量均合格，表面粗糙度為Ra0.47μm，達(dá)到零件圖紙上的要求，驗(yàn)證了電解液系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

4.1通過對大口徑材料分析試驗(yàn)確定選用濃度15%的NaCl 溶液， 進(jìn)行了電解液池參數(shù)的設(shè)計(jì)、不同類型泵相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，結(jié)合實(shí)際對各裝置和管道進(jìn)行了相關(guān)安裝和設(shè)計(jì)。

4.2在機(jī)床、電源系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，對加工零件進(jìn)行測量分析，由測量數(shù)據(jù)判斷可滿足零件圖紙的要求，證明所設(shè)計(jì)的電解液系統(tǒng)滿足零件加工生產(chǎn)的要求。