复杂孔电解液系统设计与试验验证

李 博 王崇楼 范植坚 唐 霖

（1.西安工程大学工程训练中心；2.西安工业大学机电工程学院）

电解加工属于电解池一类，工件阳极和工具阴极分别接到外电源正负极，工件阳极以阴极的形状为模子通过氧化反应实现材料蚀除［1］。 电解加工系统由机床、电源、电解液系统3 个主要实体和相应的操作、控制系统及其软件组成［2~4］。 电解液通过离心泵到达零件的加工区域，整个过程中，工件的阳极不断溶解，附加产物被电解液带走，再经过压滤机回流至电解槽中。 由于深孔内部结构极其复杂，线槽深、缠角大，为确保阳线与阴线的合格成型，必须保证加工区域电解液的温度、浓度、压力和流量相对稳定。 因此，笔者针对维持电解液系统的各装置进行相应的设计与探讨，并在此基础上完成零件的加工。

1 电解液系统设计

1.1电解液池

1.1.1电解液确定

电解加工电解液是以水为溶剂的电解质溶液， 零件的加工过程中电解液起着导电介质、反应介质的作用，同时以高速流动及时带走反应蚀出物，电解加工中阴极的反应产物不能是阳极溶解后在阴极上的沉积，因此一般选用碱金属的中性盐水溶液。

电解液分为线性电解液和非线性电解液，线性电解液活性高，腐蚀严重，加工内螺旋深孔时影响线性精度，而非线性电解液，当阳极电位处于一定范围时，会出现钝化现象，能够抑制阳极表面的杂散腐蚀，提高复制精度，对简化阴极的设计和缩短阴极的制造周期具有重要意义［5~7］，常用的电解液主要有 NaCl、NaClO3和 NaNO3。 表1列出了常用的电解液配方。

表1 常用的电解液配方

试验选用的炮管材料属于铁基合金，具体的试验情况如图1 所示， 分别选用9%（1 号试件）、10%（2 号试件）和 15%（3 号试件）的 NaCl 溶液对试件材料进行试加工，整个加工过程的参数设置为：电压10~24V，电流80~120A，初始加工间隙0.5mm。

图1 零件试验

由加工过程可知：9%的NaCl 溶液加工后材料表面质量好， 但易短路，10%的NaCl 溶液加工后材料表面质量较好， 短路不严重，15%的NaCl溶液加工后材料表面质量好， 不存在短路现象。因此从加工稳定度和精度方面考虑，电解液选用浓度为15%的NaCl 溶液。

1.1.2电解液池设计

电解液池主要有箱式和池式两种，池式槽适用于大工件的加工，容量大，电解液在池中迂回有利于电解生成物沉淀［8］。

如图2 所示电解液池结构呈迷宫形，有利于电解产物的沉淀。

图2 电解液池结构

大口径深孔电解加工池容积按加工对象的需要设计，加工过程中最大电流可达10 000A 左右，按电流1 000A 需3~5m3估算容积，槽的容积设 计 为 50m3。 池 的 外 壁 厚 300mm， 深 度 为2 000mm，上沿高出地面500mm。

加工大口径深孔的电解液系统需要6 台两种不同类型泵，主泵和溶盐泵向加工间隙提供电解液；冷却泵用于冷却加工电源和电缆；热液泵与冷水泵通过板式交换器调节电解液的温度；螺杆泵与压滤机一道净化电解液。 电解液系统里各泵的分布如图3 所示。

图3 电解液系统里各泵的分布

1.2泵的选型

常用泵的类型有叶片式泵、容积式泵、转子泵及其他类型（如电磁泵）等［9］。 根据电解加工电解液的状况和参数计算，结合参考文献［10］确定各泵的类型、型号。

复杂深孔电解加工电解液的流速u 为25~30m/s， 参考炮管加工间隙将过水面积S 确定为250mm2，由此可计算流量Q=uS，计算得到流量Q为22.5~27.0m3/h。 选择主泵的流量为30~40m3/h。复杂深孔电解加工电解液的压力p 要求为1.5~2.0MPa，由 H=p/ρg 计算得到泵的扬程 H 为 161~185m。 因此主泵选择7 级离心泵。

其余各泵只需要满足加工过程中电解液压力达到0.2~0.3MPa，选用单级离心泵即可。 由于螺杆泵可输送含固体颗粒的液体，结合电解产物选用螺杆泵对电解液进行压滤。

1.3压滤装置设计

压滤机主要起到净化电解液的作用，图4 为压滤机的三维结构，加工过程主要通过滤布净化电解液，因电解液具有腐蚀性，故板框压滤机材料应选用耐腐蚀型材料，大口径的炮管原则上过滤面积越大越好，本设计过滤面积系数选择6m2/10000A，压力为 6×9.8×104N。

图4 压滤机

1.4热交换装置设计

电解加工会产生大量热量，采用热交换器维持电解液温度，加工区的电解液因温度高而由热进口进，冷出口出，电解槽中的电解液由冷进口进，热出口出（图5），不同温度的液体经热交换器循环，回流至池式电解槽中。

图5 板式热交换器

2 管道的布局设计及泵的安装

2.1管道的布局设计

根据电解液腐蚀性强的特点，泵的管道均选用不锈钢材料，在管道安装时应尽量减少弯头的出现，凡有阀门处，若两端均为不锈钢材料，则需要两个活节［11］。

考虑场地限制并结合实际要求，电解液系统管线布局如图6 所示。

2.2泵的安装

复杂深孔电解加工各装置的连接安装如图7所示。

3 试验验证

在卧式电解机床和电源系统指标稳定的条件下，加工参数为：选用15%的NaCl 溶液，电解液压力1.2~1.8MPa， 电解液温度32~35℃， 电压9V。 图8 所示为试加工好的零件切片。

图6 电解液系统管线布局

图7 复杂深孔电解加工各装置的连接安装

图8 加工好的零件切片

通过对加工好的零件切片进行测量，阳线的尺寸为φ153.86mm， 阴线的尺寸为φ158.64mm，通止样柱测量均合格，表面粗糙度为Ra0.47μm，达到零件图纸上的要求，验证了电解液系统的稳定性。

4 结论

4.1通过对大口径材料分析试验确定选用浓度15%的NaCl 溶液， 进行了电解液池参数的设计、不同类型泵相关参数的设计和计算，结合实际对各装置和管道进行了相关安装和设计。

4.2在机床、电源系统稳定的前提下，通过试验验证，对加工零件进行测量分析，由测量数据判断可满足零件图纸的要求，证明所设计的电解液系统满足零件加工生产的要求。