电化学加工-刘铭木.doc

专 业： 学 生 姓 名： 指 导 老 师： 院 系： 电化学加工论文 摘要：本文利用电化学进行加工的各种方法的研究。电化学加工是通过化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的特种加工。近几十年来，借助高新科学技术，在精密电铸、复合电解加工、电化学微细加工等发展较快。目前电化学加工已成为一种不可缺少的微细加工方法。关键词:电化学加工、加工设备、微细加工 、去毛刺 1.电化学加工的概述中国在20世纪50年代就开始应用电解加工方法对炮膛进行加工，现已广泛应用于航空发动机的叶片，筒形零件、花键孔、内齿轮、模具、阀片等异形零件的加工。近年来出现的重复加工精度较高的一些电解液以及混气电解加工工艺,大大提高了电解加工的成型精度,简化了工具阴极的设计，促进了电解加工工艺的进一步发展。利用电化学反应对金属材料进行加工的方法。与机械加工相比，电化学加工不受材料硬度、韧性的限制，已广泛用于工业生产中。常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。电化学加工的基本原理是用两片金属作为电电极，通电并浸入电解溶液中，形成通路。导线和溶液中均有电流通过。但是金属导线和电解溶液是两类性质不同的导体，前者是靠自由电子在外电场大的作用下沿一定方向移动导电的：后者是靠溶液中正、负离子移动而导电的，是离子导体。当上述两类导体形成通路时，在金属片和溶液的界面上产生交换电子的反应，机电化学反应。2.电化学加工的特点电化学反映具有很高的反应速度，反应速率远远高于其他的制造工艺,其电流密度达到10500安/厘米；两电极的距离很小，约为0.11毫米，且阴极对阳极被加工工件作相对运动；电解液在电极间隙高速通过,具有高液压、高流速，带走反应中产生的大量金属溶解产物和气体以及热量。其流体动力学状态至为复杂。 电解加工工艺与一般的机制工艺相比较，具有以下特点： 能同时进行三维的加工，一次加工出形状复杂的型面、型腔、异形孔；由于加工中工件与刀具（阴极）不接触,不会产生切削力和切削热,不生成毛刺；与材料的机械性能(如硬度、韧性、强度)无关，因此可加工一般机制工艺难以加工的高硬度、高韧性、高强度材料，如硬质合金、淬火钢、耐热合金、钛合金，但与材料的电化学性质、化学性质、金相组织密切有关。3.电化学加工设备简史：1958年美国阿诺卡特公司首先研制出世界第一台电解加工机床，用于叶片加工。此后，日本和西方各国相继研究和生产了多种电解加工机床，使这一工艺得到日益广泛的应用。中国电解加工工艺始于60年代初，首先用于航空工业中加工叶片，兵器工业加工大炮膛线，后来推广到其他民用工业，如汽车、拖拉机制造业加工锻模，汽轮机制造业加工整体叶轮，还用于花键、异形孔的加工。工件和阴极分别接在直流电源的正负极。电解液由液泵经管路高速通过工件和阴极之间狭小的间隙。通电后工件发生电化学阳极溶解，当阳极均匀进给时，工件就可按照阴极的形状不断溶解，形成和阴极相反的型面和型腔。由此可见，电解加工的工艺设备包括三部分：电解加工机床、直流电源、电解液系统。对于电解加工机床的基本要求是进给速度均匀稳定、足够的刚性和必要的抗蚀性、排气措施。对于直流电源的要求是：高的稳压精度和迅速、可靠的短路保护装置。这是因为电解加工时电流很大，电极间隙小，为了保证加工精度和避免烧损短路，应该重视上述两项指标。对于电解液系统则要求供液稳定，并具有处理电解产物的能力。 以电化学去毛刺加工为例介绍。电化学去毛刺设备，属于利用电化学原理去除工件多余金属的电化学加工设备，配备不同的电极夹具可去除气动、液动阀、泵体、转子、齿轮及零件内部交叉孔、窄缝、窄槽等整个金属机械零件因金属切削加工而产生的毛刺，并将去毛刺棱边光整、精修加工为光滑圆弧，也可用于油泵、油嘴等零件盛油槽及直槽的成型加工以及轴类内腔的扩孔与抛光等。更可用于热处理后大批量精加工，使用非线性电解液对设备和人身无害。毛刺是金属切削加工的必然产物，难以完全避免。毛刺的存在，不仅影响产品的外观，而且影响产品的装配、使用性能和寿命。随着高科技的发展、产品性能的提高，对产品质量的要求越来越严格，去除机械零件的毛刺就愈加重要。属材料向高强、高硬、高韧方向的发展，机械产品中复杂整体构件日益增多，去毛刺的难度也随之增大，传统的手工去毛刺作业很难满足上述发展对去毛刺的要求，各种机械化、自动化去毛刺新技术、新工艺应运而生。电化学去毛刺是一种先进的去毛刺技术，是电化学加工（电解加工）技术中发展较快、应用较广的一项新工艺。作为电化学加工一种特殊的应用形式，它对加工工件无机械作用力，容易实现自动化或半自动化，适合去除高硬度、高韧性金属零件的毛刺，可以在工件的特定部位进行限定加工。电化学去毛刺设备己有系列化产品，在汽车发动机、通用工程机械、航空航天、气动液压等众多行业得到广泛应用，是电化学加工机床中生产批量较大，应用领域较广的重要装备。4.电化学加工技术1) 微细电化学加工技术。微细加工在许多工业领域中有着重要而广阔的应用前景，是当今最为活跃的研究领域之一微细加工技术源于半导体集成电路制造工艺，但发展至今其内涵已经大大拓宽，不局限于IC工艺中的硅片刻蚀技术，LIGA、LIGALIKE、微细电加工、微细束流加工及微细切削等多种加工技术已经成为微细加工技术中的重要组成部分。南京航夸航天大学机电学院的朱 荻，王明环，明平美，张朝阳开展了微细电化学加工技术的试验研究工作，内容包括微细电铸和微细电解加工讨论了微细电化学加工的工艺特点和主要技术步骤针对若干典型微结构，提出了相应的微细电化学加工方法和技术方案。朱荻等研究人员从微细电铸和微细电解加工两个方面研究了微细电化学加工技术。首先是微细电铸。电铸是LIGA技术中一个重要的不可替代的组成部分朱荻等几位专家采取与LIGA技术类似的过程，进行了微小零件制造的研究主要工艺步骤包括采用不锈钢片作为基底材料，在其上均匀涂覆感光胶，然后进行曝光和蚀刻等步骤，在金属基底上形成带有特定图案的感光胶层将带有图案胶层的金属模版放人电铸槽内进行电沉积，金属离子在模版上衬底材料裸露处沉积，直至将其填满；然后将金属沉积物和感光胶层分离，得到的金属结构就是所需的微细零件采用该方法制备的微型铜齿轮在微细电铸过程中，同时采用了高频脉冲电流和高速冲液的方法，使电沉积在电化学极化度较高的情况下进行，从而细化了晶粒，获得了致密的金属沉积层另外，还试验了压力正负交变等措施，利用较强的压力扰动，及时排除阴极上的吸附气泡，消除了阴极吸附气泡造成的针孑L和麻点等问题采取了低应力工作液，并对过程参数进行优化，控制了沉积应力，避免了变形在微细电解加工方面。在脉冲电解加工的基础上，采取工具往复运动方式，在加工周期中，先施加一个对刀电压，工具电极进给至工件阳极，进行零位对刀；然后工具电极回退，使间隙至所需要的数值，施加相对较高的加工电压进行加工；加工后切断加工电压，工具电极回退到较大间隙，进行充分的电解液冲刷以排出加工产物同时采用超短脉宽脉冲电流，以提高加工的定域性，利于微细加工并将超短脉冲电流、低浓度电解液及加工间隙的实时检测和调整等技术结合，实现微米级精度的加工2）电化学去毛刺电化学去毛刺是一种先进的去毛刺技术，是电化学加工技术中发展较快、应用较广的一项新工艺。作为电化学加工一种特殊的应用形式，它对加工工件无机械作用力，容易实现自动化或半自动化，适合去除高硬度、高韧性金属零件的毛刺，可以在工件的特定部位进行限定加工。对于手工难以处理、可达性差的复杂内腔部位，尤其是交叉孔相贯线的毛刺，利用电化学去毛刺有着明显的优势。电化学去毛刺对加工棱边可取得较高的边缘均一性和良好的表面质量，具有去除毛刺效果好、安全可靠、高效等优点，一般情况和传统工艺相比，效率可提高10倍以上。所以为了获得高质量的齿轮，应用电化学光整加工工艺对齿轮齿面进行光整加工去除毛刺的基础研究,对于提高我国机械制造业在国际上的竞争力,促进我国经济的发展,有着重要的意义。零件与直流电源的正极相连,称为阳极,而由黄铜制作的管状工具与电源负极相连,称为阴极,其外表面涂绝缘层, 两极之间保持一定的间隙让循环的电解液从间隙中通过. 当阳极和阴极浸入溶液并通入直流电后,在直流电场作用下,随着阳极的溶解,在工件表面上形成一层电阻较大而电导率较小的粘性液膜,亦称钝化膜, 覆盖在工件表面的低凹处,使该处的工件表面不受或少受电化学溶解腐蚀,而锐边毛刺部位由于突出在工件表面,受电场、温度场及流场作用的影响,加速了离子的扩散与迁移过程,此处难以形成钝化膜,且突出的毛刺部位的电流密度很大,毛刺很快被溶解,迅速形成圆角, 调整加工时间可控制圆角 R 小于四分之一。作者根据齿轮光整加工的国内外现状，结合大连理工大学多年来在非传统光整加工方面的研究基础，将脉冲电化学光整加工技术应用于齿轮齿面的光整加工中，来改善齿轮表面质量，提高其使用性能及寿命指标。作者从脉冲电化学光整加工机理出发，研究和探讨了加工间隙、电流密度、电解液成份、脉冲参数(脉冲频率、脉冲宽度及占空比等)等工艺参数对脉冲电化学光整加工过程所产生的影响，得到了相关参数对零件加工精度及表面质量的影响规律。 研究齿轮的脉冲电化学光整加工技术。结合脉冲电化学光整加工工艺特性及齿轮生产中的特点，设计了多种齿轮脉冲电化学光整加工方案，并选择齿轮式阴极展成法作为最终试验方案；建立了齿轮式阴极展成法齿轮脉冲电化学光整加工间隙变化规律模型，实验研究了齿轮脉冲电化学光整加工过程。研究和应用脉冲电化学齿轮光整加工技术，必须有高频、窄脉冲、大功率脉冲电源作为保证条件。研究人员还根据现代电力电子技术发展状况，研制出了一种基于新型高频开关器件(IGBT)的高频大功率脉冲电源，电源的频率最高可达20KHz，电源的频率与占空比分别独立可调，具有数字控制与调节功能，电源的结构简单、性能稳定可靠，符合研究脉冲电化学齿轮光整加工技术应用条件。 研究齿轮脉冲电化学光整加工过程中电极间相对滑动速度的变化规律。在此基础上，提出了变角速度控制齿轮脉冲电化学光整加工技术方案，设计了基于单片机控制的齿轮脉冲电化学光整加工系统，为进一步提高齿轮加工精度及解决有关修形问题创造了条件。3）.其他电化学加工技术电解抛光是以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而达到工件表面光亮度增大的效果。电解抛光比机械抛光效率高，精度高，且不受材料的硬度和韧性的影响，有逐渐取代机械抛光的趋势。电解抛光的基本原理与电解加工相同，但电解抛光的阴极是固定的,极间距离大,去除金属量少。电解抛光时，要控制适当的电流密度。电流密度过小时金属表面会产生腐蚀现象，且生产效率低；当电流密度过大时，会发生氢氧根离子或含氧的阴离子的放电现象，且有气态氧析出，从而降低了电流效率。电镀是用电解的方法将金属沉积于导体(如金属)或非导体(如塑料、陶瓷、玻璃钢等)表面，从而提高其耐磨性,增加其导电性,并使其具有防腐蚀和装饰功能。对于非导体制品的表面，需经过适当地处理，使其形成导电层后,才能进行电镀。电镀时,将被镀的制品接在阴极上，要镀的金属接在阳极上。电解液是用含有与阳极金属相同离子的溶液。通电后，阳极逐渐溶解成金属正离子，溶液中有相等数目的金属离子在阴极上获得电子随即在被镀制品的表面上析出，形成金属镀层。例如在铜板上镀镍，以含硫酸镍的水溶液作电镀液。通电后，阳极上的镍逐渐溶解成正离子，而在阴极的铜板表面上不断有镍析出。 电刻蚀又称电解刻蚀。应用电化学阳极溶解的原理在金属表面蚀刻出所需的图形或文字。其基本加工原理与电解加工相同。由于电刻蚀所去除的金属量较少，因而无需用高速流动的电解液来冲走由工件上溶解出的产物。加工时,阴极固定不动。5.总结近阶段,电解加工的研究重点及应用领域主要会集中在以下几个方向:(1) 电化学微精加工的深入研究电化学加工技术具有加工机理的独特优势以及在微精甚至在纳米加工领域进一步研究探索的空间,但还必须在自身工艺规律认识和完善的基础上不断创新。具体应关注: 进一步完善硬件系统,如微进给系统及微控工作台的性能及可靠性的提升;加工过程自动检测与适应控制研发的深化; 微精加工机理的研究，尤其是中、高频率脉冲电流条件下,微精加工电化学反应系统动力学等方面的深入研究。(2) 脉冲电源的深化研发微秒级脉冲电源的工程化完善以及在工业领域的大力推广应用。纳秒级脉冲电源、群脉冲电源、逆变式脉冲电源的性能完善。(3) 理论成果向实际应用的转化。诸如加工间隙的检测与控制、阴极数字化设计、电解加工过程的模拟与仿真等均是电化学加工的关键技术,不能仅仅在各种基金支