第四章 电化学加工ppt课件.ppt

1 电化学加工 ElectrochemicalMachiining简称ECM 包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀 涂覆加工两大类 第四章电化学加工 2 4 1电化学加工原理及分类4 2电解加工4 3电解磨削4 4电铸 涂镀及复合加工 3 4 1电化学加工原理及分类 一 电化学加工的基本原理 一 电化学加工的过程图1所示为电化学加工的原理 两片金属铜 Cu 板浸在导电溶液 例如氯化铜 CuCl2 的水溶液中 此时水 H2O 离解为氢氧根负离子OH 和氢正离子H CuCl2离解为两个氯负离子2Cl 和二价铜正离子Cu2 当两个铜片接上直流电形成导电通路时 导线和溶液中均有电流流过 在金属片 电极 和溶液的界面上就会有交换电子的反应 即电化学反应 溶液中的离子将作定向移动 Cu2 正离子移向阴极 在阴极上得到电子而进行还原反应 沉积出铜 4 在阳极表面Cu原子失掉电子而成为Cu2 正离子进入溶液 溶液中正 负离子的定向移动称为电荷迁移 在阳 阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应 这种利用电化学反应原理对金属进行加工 图4 1中阳极上为电解蚀除 阴极上为电镀沉积 常用以提炼纯铜 的方法即电化学加工 5 图4 1电解 电镀 液中的电化学反应 6 二 电解质溶液电解质 溶于水后能导电的物质 分为强电解质和弱电解质 电解液 电解质的水溶液 溶液中正负离子的电荷相等 所以整个溶液保持电的中性 7 三 电极电位在电解质溶液中 活泼金属表面带负电 溶液带正电 形成双电层 由于双电层的存在 在金属和它的盐溶液之间形成电位差 成为金属的电极电位 由于它在金属和其盐溶液中的溶解和沉积相平衡时的电位差 又称为平衡电极电位 8 9 10 四 电极的极化极化现象 当有电流流过时 电极的平衡状态遭到破坏 阳极的电极电位正移 阴极的电极电位负移 超电位 极化后的极电位和平衡电位的差值 浓差极化电化学极化 11 五 金属的钝化和活化钝化使金属阳极溶解过程的超电位升高 使电解速度减慢 活化 使金属膜破坏的过程称为活化 12 二 电化学加工分类1 利用电化学阳极溶解进行加工 电解加工 电解抛光等 2 利用化学阴极沉积 涂覆进行加工 电镀 涂镀 电铸等 3 利用电化学加工和其他加工方法相结合的电化学复合加工 电解磨削等 13 表4 1电化学加工分类 电解加工可以加工复杂成型模具和零件 例如汽车 拖拉机连杆等各种型腔锻模 航空 航天发动机的扭曲叶片 汽轮机定子 转子的扭曲叶片 炮筒内管的螺旋 膛线 来复线 齿轮 液压件内孔的电解去毛刺及扩孔 抛光等 电镀 电铸可以复制复杂 精细的表面 14 一 电解加工过程及其特点电解加工 electrochemicalmachining ECM 是利用金属在电解液中发生阳极溶解反应而去除工件上多余的材料 将零件加工成形的一种方法 4 2电解加工 15 1 直流电源2 工具阴极3 工件阳极4 电解液泵5 电解液 加工时 工件接电源正极 阳极 按一定形状要求制成的工具接负极 阴极 工具电极向工件缓慢进给 并使两极之间保持较小的间隙 通常为0 02 0 7mm 利用电解液泵在间隙中间通以高速 5 50m s 流动的电解液 在工件与工具之间施加一定电压 阳极工件的金属被逐渐电解蚀除 电解产物被电解液带走 直至工件表面形成与工具表面基本相似的形状为止 16 图中的细竖线表示通过阳极 工件 和阴极 工具 间的电流 竖线的疏密程度表示电流密度的大小加工开始时 工件阳极与工具阴极的形状不同 工件表面上的各点至工具表面的距离不等 因而各点的电流密度不等 阳极与阴极距离较近的地方通过的电流密度较大 电解液的流速也较高 阳极溶解的速度也就较快 而距离较远的地方 电流密度就小 阳极溶解就慢 由于工具相对工件不断进给 工件表面上各点就以不同的溶解速度进行溶解 电解产物不断被电解液冲走 直至工件表面形成与工具表面基本相似的形状为止 17 加工范围广 不受材料本身强度 硬度和韧性的限制 可加工高强度 高硬度和高韧性等难切削的金属材料 如淬火钢 钛合金 硬质合金 不锈钢 耐热合金 可加工叶片 花键孔 炮管膛线 锻模等各种复杂的三维型面 以及薄壁 异形零件等 2 生产效率高 约为电火花加工的5 10倍以上 在某些情况下比切削加工的生产率还高 且加工生产率不直接受加工质量的限制 故一般适宜于大批量零件的加工 3 表面质量好 加工中无切削力和切削热的作用 所以不产生由此引起的变形和残余应力 加工硬化 毛刺 飞边 刀痕等 可以达到较低的表面粗糙度 Ra1 25 0 2 m 和 0 1mm左右的平均加工精度 电解微细加工钢材的精度可达 10 70 m 适合于加工易变形或薄壁零件 4 加工过程中工具电极理论上无损耗 可长期使用 因为工具阴极材料本身不参与电极反应 其表面仅产生析氢反应 同时工具材料又是抗腐蚀性良好的不锈钢或黄铜等 所以除产生火花短路等特殊情况外 工具阴极基本上没有损耗 电解加工的特点 18 不易达到较高的加工精度和加工稳定性 原因 影响间隙电场和流场稳定性的参数多 难控制 阴极设计制造困难 精度难保证 附属设备多 占地面积大 机床要有足够的刚度和防腐性能 造价高 一次性投资大 电极工具的设计修正比较麻烦 难适于单件生产 电解液要妥善处理 电解加工缺点和局限性 19 电解加工的优点和缺点都很突出 关于正确选择电解加工工艺 我国专家提出了三原则 适于加工难加工材料适于加工相对复杂零件的加工适于大批量另加加工 同时满足 可考虑使用电解加工 20 二 电解加工的电极反应 阳极处 电极电位最负的先反应 阴极处 电极电位最正的先反应 21 例钢在NaCl水溶液中电解加工的电极反应 阳极反应Fe 2eFe 2E0 0 59VFe 3eFe 3E0 0 323V 4OH 4eO2 2H2OE0 0 867V2CL 2eCL2 E0 1 334V可见 Fe失去电子的反应先进行 但不可能产生三价铁离子和气体 Fe 2 2OH Fe OH 2 墨绿色的絮状物 沉淀为4Fe OH 2 2H2O O24Fe OH 3 黄褐色沉淀 22 阴极反应按可能性为2H 2eH2 E0 0 42VNa eNa E0 2 69V按照电极反应的基本原理 电极电位最正的粒子将首先在阴极反应 因此 在阴极上只会析出氢气 而不可能沉淀出钠 23 电解加工过程中 由于水的分解消耗 电解液的浓度逐渐变大 而电解液中的Cl 和Na 仅起导电作用 本身并不消耗 因此对于NaCl电解液 只要过滤干净 适当添加水分 就可长期使用 工具也可长期使用 24 三 电解液 如何正确选用电解液很重要 否则不会得到满意的加工结果 有时配方保密 一 电解液作用 作为介质传递电流 在电场作用下进行化学反应 阳极溶解 带走加工产物 散热 冷却 25 对电解液要求 具有足够的蚀除速度 即较高的生产率 有较高的加工精度和表面质量 阳极反应为不容向化合物 26 二 电解液分类 电解液可分为中性盐溶液 酸性溶液 碱性溶液三大类 中性盐溶液的腐蚀性小 使用时较安全 故应用最普遍 最常用的有NaCl NaNO3和NaClO3三种电解液 NaCl 生产率高 成本低 安全 加工精度低 NaNO3 生产率低 成本高 加工精度高 NaClO3 生产率前两者中间 成本高 安全性差 电解液中使用添加剂可以改善电解液的性能 27 28 三 电解液参数对加工过程的影响电解液浓度 温度 PH值 粘性对加工过程都有影响 浓度越大 温度越高 导电率高 腐蚀能力强 电解液温度受夹具 绝缘材料等限制 一般不超过60摄氏度 电解液质量分数和温度变化影响加工精度的稳定性 电解液粘度影响间隙中电解液流动特性 29 四 电解液的流速和流向电解液必须有足够的流速 把电解产物冲走 带走热量 有正向流动 反向流动和横向流动 30 五 电解液出水口的布局出口水的流向和出水口的布局影响加工效果 31 四 电解加工的基本工艺规律 电解加工生产率 单位时间内去除金属的量 影响因素 工件材料的电化学当量电流密度电解液其他参数 一 生产率及其影响因素 32 电化学当量对生产率的影响电化学当量愈大 生产率愈高 实际电蚀量为 33 电流密度对生产率的影响电流密度越高 生产率越高 但在增加电流密度的同时 电压也随着增高 因此应以不击穿加工间隙 引起火花放电 造成局部短路 34 加工间隙对生产率的影响加工间隙越小 电解液的电阻越小 电流密度越大 蚀除速度也就越高 但间隙太小会引起火花放电或间隙通道内电解液流动受阻 蚀除物排除不畅 以至产生局部短路 反而使生产率下降 因此间隙较小时应加大电解液的流速和压力 35 此外电源电压 电解液种类 工件材料的化学成分和组织结构都对生产率有影响 36 二 精度成型规律1端面平衡间隙2法向平衡间隙3侧面平衡间隙4平衡间隙理论的应用5影响加工间隙的其他因素 电流效率 工具形状 电解液流向 电源电压波动 37 1端面平衡间隙 垂直进给方向 加工过程达到稳定时阴极端面和工件间的间隙 38 2法向平衡间隙当工件端面和进给方向不垂直时 端面法线方向的间隙可表示为 可见法向间隙大于端面平衡间隙 39 3侧面平衡间隙 40 4平衡间隙理论的应用1 计算加工过程中各种电极间隙2 设计电极时计算阴极尺寸和修正量3 分析加工精度4 选择加工参数 41 三 表面质量影响表面质量的主要因素1 工件材料的合金成分 金相组织及热处理状态对表面粗糙度影响很大 2 工艺参数对表面质量影响很大 3 阴极表面表面质量 42 五 提高加工精度的主要措施如下 脉冲电流电解加工 小间隙电解加工 改进电解液 混气电解加工 43 六 电解加工设备 电解加工的基本设备包括直流电源 机床及电解液系统三大部分 1 直流电源电解加工常用的直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源 44 表直流电源的特点及应用 45 2 机床要求机床要有足够的刚性 要保证进给系统的稳定性 要有好的防腐措施和安全措施 电解加工机床多采用伺服电极或直流电极无级调速进给系统实现自动控制 46 3 电解液系统组成有泵 电解液槽 过滤装置 管道和阀 47 1深孔扩孔加工深径比大于5的深孔 用传统切削加工方法加工 刀具磨损严重 表面质量差 加工效率低 目前采用电解加工方法加工 4 2000mm 100 8000mm的深孔 加工精度高 表面粗糙度低 生产率高 电解加工深孔 按工具阴极的运动方式可分为固定式和移动式两种 七 电解加工工艺及其应用 48 49 2 型孔加工对形状复杂 尺寸较小的四方 六方 椭圆等通孔和不通孔采用电解加工可以提高生产率和产品质量 采用端面进给法 为了避免锥度 阴极侧面绝缘 50 3 型腔加工用于锻模 加工复杂型腔时 可在阴极对应处开增液孔或增液缝使得电解液流场均匀 避免短路烧伤现象 51 4 套料加工用于加工等截面的大面积异型孔或用于等截面薄型零件下料 52 5 叶片加工涡轮发动机 增压器 汽轮机等的叶片 叶身型面形状比较复杂 要求精度高 加工批量大 采用机械加工难度大 生产率低 加工周期长 而采用电解加工则不受叶片材料硬度和韧性的限制 在一次行程中就可加工出复杂的叶身型面 生产率高 表面粗糙度小 电解加工整体叶轮在我国已得到普遍应用 53 如图所示 叶轮上的叶片是采用套料法逐个加工的 加工完一个叶片 退出阴极 分度后再加工下一个叶片 在采用电解加工以前 加工叶片是经精密锻造 机械加工 抛光后镶到叶轮轮缘的槽中 再焊接而成 加工量大 周期长 而且质量不易保证 电解加工整体叶轮 只要把叶轮坯加工好后 直接在轮坯上加工叶片 加工周期大大缩短 叶轮强度高 质量好 54 6 电解倒棱去毛刺机械加工中去毛刺的工作量很大 尤其是去除硬而韧的金属毛刺 需要很多的人力 电解倒棱去毛刺可以大大提高工效 左图是齿轮的电解去毛刺装置 工件齿轮套在绝缘柱上 环形电极工具也靠绝缘柱定位安放在齿轮上而 保持约3 5mm间隙 根据毛刺大小而定 电解液在阴极端部和齿轮的端面齿面间流 阴极和工件问通上20v以上的电压 电压高些 间隙可大些 约1min就可去除毛刺 55 电解刻字时 字头接阴极 见图 工件接阳极 二者保持大约0 1mm的电解间隙 中间滴注少量的钝化型电解液 在大约l一2s的时间内完成工件表面的刻字工作 目前可以做到在金属表面刻出黑色的印记 也可在经过发蓝处理的表面上刻出白色的印记 利用同样的原理 改变电解液成分并适当延长放电时间 就可实现在工件表面刻印花纹 7 电解刻字 56 8 电解抛光利用金属在电解液中的电化学阳极溶解对工件表面进行腐蚀抛光 只是一种表面光整加工方法 用于改善工件表面粗糙度和物理力学性能 不对工件进行形状和尺寸加工 57 复合电解磨削是利用电解作用与机械磨削作用相结合而进行加工的复合加工 一 复合电解磨削的基本原理复合电解磨削所用的阴极工具是含有磨粒的导电砂轮 电解磨削过程中 金属主要是靠电化学作用腐蚀下来 导电砂轮起磨去电解产物阳极钝化膜和整平工件表面的作用 4 3电解磨削 58 导电砂轮1与直流电源的阴极相联 被加工工件2 硬质合金车刀 接阳极 它在一定的压力下与导电砂轮相接触 加工区域中送入电解液3 在电解和机械磨削的双重作用下 车刀的后刀面很快被磨光 电解磨削原理图 59 电流从工件3通过电解液5而流向磨轮 形成通路 于是工件 阳极 表面的金属在电流和电解液的作用下发生电解作用 电化学腐蚀 被氧化成为一层极薄的氧化物或氢氧化物薄膜4 阳极薄膜 但阳极薄膜迅速被导电砂轮中磨粒刮除 在阳极工件上又露出新的金属表面并被继续电解 这样电解作用和刮除薄膜的磨削作用交替运行 工件被连续加工 直至达到一定的尺寸精度和表面粗糙度 1磨料砂轮 2导电砂轮结合剂铜或石墨 3工件 4电解产物 阳极钝化薄膜 5电解液 60 复合电解磨削的特点 a 加工范围广 加工效率高由于电解作用和工程材料的机械性能关系不大 因此 只要选择合适的电解液就可以用来加工任何高硬度 高韧性的金属材料 加工硬质合金时 与普通的金刚石砂轮磨削相比 电解磨削的加工效率要高3 5倍 b 工件的加工精度和表面质量高由于砂轮只起刮除阳极薄膜的作用 磨削力和磨削热都很小 不会产生磨削裂纹和烧伤现象 因而能提高加工表面质量和加工精度 一般表面粗糙度可优于Ra0 16 m 61 c 砂轮的磨损量小普通刃磨时 碳化硅砂轮磨削硬质合金其磨损量为硬质合金质量的4 6倍 电解磨削时仅为硬质合金切除量的50 100 与普通金刚石砂轮磨削相比 电解磨削砂轮的损耗速度仅为它们的1 5 1 10 可显著降低成本 采用电解磨削加工不仅比单纯用金刚石砂轮磨削时效率提高2 3倍 而且大大节省金刚石砂轮 一个金刚石导电砂轮可用5 6年 62 d 对机床 工具腐蚀相对较小由于电解磨削是靠砂轮磨粒来刮除具有一定硬度和粘度的阳极钝化膜 由此电解液中不能含有活化能力很强的活性离子 如Cl 离子 一般使用腐蚀能力较弱的NaNO3 NaNO2等为主的电解液 以提高电解成形精度和有利于机床 工具的防锈 防蚀 63 二 影响电解磨削生产率和加工质量的因素 一 影响生产率主要因素1 电化学当量 用于电解磨削时有机械磨削作用的存在 节省了电解蚀除金属用的电能 2 电流密度 提高电流密度可以加速阳极溶解 提高措施为提高工作电压 缩小电极间隙 减小电解液电阻率 提高电解液温度 3 磨轮与工件间的导电面积 尽可能增大导电面积提高生产率 4磨削压力 磨削压力大生产率高 过大 容易引起磨料磨损或脱落 64 二 影响加工精度的因素1电解液 影响阳极表面钝化膜性质 从而影响表面质量 2阴极导电面积和磨粒轨迹3被加工材料性质4机械因素 机床的成形运动精度 夹具精度 磨轮精度等 65 三 影响表面粗糙度的因素1电参数 是主要因素 2电解液3工件材料性质4机械因素 66 三 电解磨削用电解液及设备1 电解液 针对要求亚硝酸盐适于电解磨削 2 电解磨削设备 包括直流电源 电解液系统和电解磨床 电解磨床和一般磨床相仿 使用专门的导电砂轮 磨粒为烧结刚玉 白刚玉等 最常用金刚石导电砂轮 67 四 复合电解磨削的应用 电解磨削由于集中了电解加工和机械磨削的优点 生产中经常用来磨削一些高硬度材料的零件 如 各种硬质合金刀具 量具 挤压拉丝模 轧辊等 普通磨削难以加工的小孔 深孔 薄壁筒 细长杆件等 68 一 电铸加工电铸成型是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的 即在原模上通过电化学方法沉积金属 然后分离以制造或复制金属制品 但电铸与电镀又有不同之处 电镀时要求得到与基体结合牢固的金属镀层 以达到防护 装饰等目的 而电铸则要电铸层与原模分离 其厚度也远大于电镀层 4 4电铸 涂镀及复合镀加工 69 电铸原理如图所示 在直流电源的作用下 金属盐溶液中的金属离子在阴极获得电子而沉积在阴极母模的表面 阳极的金属原子失去电子而成为正离子 源源不断地补充到电铸液中 使溶液中的金属离子浓度保持基本不变 当母模上的电铸层达到所需的厚度时取出 将电铸层与型芯分离 即可获得型面与型芯凹 凸相反的电铸模具型腔零件的成型表面 70 特点 1 复制精度高 可以做出机械加工不可能加工出的细微形状 如微细花纹 复杂形状等 表面粗糙度Ra可达0 1 m 一般不需抛光即可使用 2 母模材料不限于金属 有时还可用制品零件直接作为母模 3 表面硬度可达35 50HRC 所以电铸型腔使用寿命长 4 电铸可获得高纯度的金属制品 如电铸铜 它纯度高 具有良好的导电性能 十分有利于电加工 71 5 电铸时 金属沉积速度缓慢 制造周期长 如电铸镍 一般需要一周左右 6 电铸层厚度不易均匀 且厚度较薄