复合电化学加工(上课6)

1、电化学加工技术第五章 复合电化学加工复合电化学加工5.1电解磨削（ECG）5.2电解光整加工（EP）5.3电化学机械光整加工（ECMP）5.4超声波-电化学复合加工5.5电解-电火花复合加工（ECDM）5.6电解辅助在线削锐磨削北理工珠海学院化工学院应用化学5.1 电解磨削5.1.1 电解磨削的基本原理和特点5.1.2 影响电解磨削生产率和加工质量的因素5.1.3 电解磨削用电解液及其设备5.1.4 电解磨削的应用北理工珠海学院化工学院应用化学电解磨削的基本原理和特点v电解磨削（Electrochemical Grinding） 20世纪50年代初美国人研究发明的复合加工。 电解磨削是电解加工

2、的种特殊形式，利用阳极金属电化学腐蚀作用和机械磨削作用相结合的加工方法，它是靠金属的溶解(占95%98%)和机械磨削(占2%5%)的综合作用来实现加工的 比电解加工更好的加工精度和表面质量；比机械磨削更高的效率。北理工珠海学院化工学院应用化学电解磨削的基本原理和特点v 电解磨削原理电解作用和磨削电解作用和磨削作用的交替进行作用的交替进行w 工件接直流电源的正极，导电砂轮接负极。磨削时，两者之间保持一定的磨削压力，凸出于磨轮表面的非导电性磨料使工件表面与磨轮导电基体之间形成一定的电解间电解间隙隙（约0.020.05毫米），同时向间隙中供给电解液。在直流电的作用下，工件表面金属发生电解作用，生成阳

3、极膜阳极膜。这些电解产物不断地被砂轮刮除刮除，在阳极工件露出新的金属表面并被继续溶解。北理工珠海学院化工学院应用化学图图5-1 电解磨削加工原理图电解磨削加工原理图7685432191251311101直流电源；2绝缘主轴；3磨轮；4电解液喷嘴；5工件；6电解液泵；7电解液箱；8机床本体；9工作台；10磨料；11结合剂；12电解间隙；13电解液北理工珠海学院化工学院应用化学电解磨削的基本原理和特点v (1) 磨削力小，生产率高。这是由于电解磨削具有电解加工和机械磨削加工的优点。v (2) 加工精度高，表面加工质量好。因为电解磨削加工中，一方面工件尺寸或形状是靠磨轮刮除钝化膜得到的，故能获得比电

4、解加工好的加工精度；另一方面，材料的去除主要靠电解加工，加工中产生的磨削力较小，不会产生磨削毛刺、裂纹等现象，故加工工件的表面质量好。v (3) 设备投资较高。其原因是电解磨削机床需加电解液过滤装置、抽风装置、防腐处理设备等。北理工珠海学院化工学院应用化学电解磨削的基本原理和特点v 电解磨削的特点w 与机械磨削对比加工范围广、效率高：加工高硬度高韧性的金属效率高。与金刚石砂轮磨削硬质合金相比，工效提高工效提高35倍倍较高的加工精度和表面质量；磨一般材料表面粗糙度可达磨一般材料表面粗糙度可达Ra0.1m，磨硬质合金可达镜面。，磨硬质合金可达镜面。砂轮磨损量小、砂轮寿命长。与金刚石砂轮磨削硬质合金

5、相与金刚石砂轮磨削硬质合金相比，砂轮消耗降低比，砂轮消耗降低90%，大降低砂轮成本。，大降低砂轮成本。不易达到锋利的刃口，机床、夹具需防蚀防锈，需要附加设备。北理工珠海学院化工学院应用化学电解磨削的基本原理和特点v电解磨削的特点w 与电解加工对比依靠砂轮磨削作用去除和活化钝化膜，因此，所需电解液压力、流量较小；采用钝化型电解液。电解加工效率比电火花加工高四倍以上，电极损耗极小，可长期使用。 北理工珠海学院化工学院应用化学影响生产率和加工质量的因素v 影响生产率的主要因素w 电化学当量w 电流密度w 磨轮的线速度。（在一定范围内，线速在一定范围内，线速度高，生产率高。一般为度高，生产率高。一般为

6、2030m/s。）w 磨轮与工件间的导电面积（接触面积大，接触面积大，生产率高，尽量保持较大的接触面积。生产率高，尽量保持较大的接触面积。）w 磨削压力（磨削压力以不产生火花放电磨削压力以不产生火花放电又能刮除氧化膜为原则，一般为又能刮除氧化膜为原则，一般为0.10.3MP。）RUi北理工珠海学院化工学院应用化学影响生产率和加工质量的因素v影响加工精度的因素w 电解液成分（形成钝化膜的疏密程度） 。（电解电解液的流量随加工方式而定；电解液浓度一般控制液的流量随加工方式而定；电解液浓度一般控制在在10%左右。左右。）w 阴极导电面积和磨粒轨迹w 被加工材料的性质（各种金属同时溶解）w 机械因素（

7、磨轮、夹具精度，机床成形精度等）北理工珠海学院化工学院应用化学影响生产率和加工质量的因素v影响表面粗糙度的因素w 电参数（电压不能过低或者过高，电流密度同电压）w 电解液（钝化型或者半钝化型的电解液）w 被加工材料的性质w 机械因素（磨粒粒度、磨削压力等）北理工珠海学院化工学院应用化学电解磨削用电解液及其设备v电解液的选择原则w 能够使金属生成结构紧密、粘附力强的钝化膜；w 导电性好，以获得高生产率；w 不锈蚀机床和夹具；w 对人体无害；w 经济。电解液系统由电解液箱、泵、管道和喷嘴组成。电解液系统由电解液箱、泵、管道和喷嘴组成。 电解液喷射方式有三种：标准式用于一般加工；直接式用于大批量生产

8、；刮板式用于加工精度要求的工件。北理工珠海学院化工学院应用化学电解磨削用电解液及其设备v电解磨削用设备w 直流电源：与电解加工设备通用。w 电解液系统小型离心泵，过滤、沉淀装置等。w 电解磨床特别制造的导电砂轮；导电磨轮一般由铜粉和磨料加压烧结而成。可用铜、树脂、石墨作结合剂，以人造金刚石、氧化铝、碳化硅为磨料制成。电解磨床也可由一般磨床改装。北理工珠海学院化工学院应用化学加工方式（表5-1）v平面磨轮磨削v外圈或表面磨削v锥型磨轮加工v成型磨轮磨削北理工珠海学院化工学院应用化学电解磨削的应用vWC的加工电极反应： NaNO2电解磨削加工WCCo阳极反应Co氧化 CoCo22e Co22OHC

9、o（OH）2WC氧化 2NO2N2O42e 强氧化性 2WC4N2O42WO32CO8NONO： 氧化NO2 一部分放出, 一部分溶于液中可能： H2OO2H2e（中性） 2OHO2H2O2e（碱性）北理工珠海学院化工学院应用化学电解磨削的应用Co钝化 CoOCoO吸附 CoOCoOW钝化 WC4OWO2O吸附CO WC4OWO3CO 碱性： WO32OHWO4H2O 或 WO22NaOHNa2WO4H2O 阴极反应 2H2O2e2OHH2 北理工珠海学院化工学院应用化学电解磨削的应用硬质合金刀片氧化铝导电砂轮电解磨削硬质合金车刀和铣刀 表面粗糙度可达Ra0.20.1m，刃口半径小于0.02，

10、平直 度也较普通砂轮磨出的好。金刚石导电砂轮电解磨削加工精密丝杠的硬质合金成型车刀 表面粗糙度可小于Ra0.016m，刃口非常锋利，达到精车丝 杠的要求。 电解液：亚硝酸钠9.6%、硝酸钠0.3%、磷酸氢二钠0.3%、加入少量的丙三醇（甘油），可以改善表面粗糙度。 电压68V，加工时的电解液压力0.1MPa。 比单纯金刚石砂轮磨削时效率提高23倍，而且大大节省金刚 石砂轮，一个金刚石导电砂轮可用56年。北理工珠海学院化工学院应用化学硬质合金轧辊铜粉结合剂人造金刚石导电砂轮： 磨料粒度为601000目，外圆磨轮直径为300，磨削型槽磨轮直径为260。电解液：亚硝酸钠9.6%、硝酸钠0.3%、磷酸

11、氢二钠0.3%、酒石酸钾钠0.1%、其余为水。粗磨加工参数：电压12V，电流密度1525A/2，磨轮转速2900r/min，工件转速16r/min，一次进刀深度2.5。精加工参数：电压10V，工件转速16r/min，工作台移动速度0.6/min。电解磨削加工轧辊，型槽精度为0.02，型槽位置精度为0.01，表面粗糙度Ra0.2m，工件表面不会产生微裂纹，无残余应力，加工效率高，磨削比为138。北理工珠海学院化工学院应用化学5.2电解光整加工（EP）v加工原理：在阳极产生电解作用溶解金属材料，产生光整作用的加工技术。v在质传控制的情况下，在阳极表面会产生一层粘滞层，在粘滞层会发生整平、光滑的作用

12、，最后产生一层钝化层，钝化层会使工件表面具有较高的抗腐蚀能力北理工珠海学院化工学院应用化学影响工件材质钝化特性的主要因素v 金属的性质金属的性质（镍钴铁，若易钝化金属越多，则合金就具有较易钝化的性质）v 电解液成分和电解液成分和pH值值 电解液中含有氧化剂时（碘酸盐、铬酸盐、氯酸盐、硝酸盐）能促使金属钝化，氯离子和其他卤素离子则阻止金属钝化或促使钝化态的活化。pH值影响重大，铬和铁族金属在碱性溶液中比较容易钝化，钨、钼则相反北理工珠海学院化工学院应用化学影响工件材质钝化特性的主要因素v加工参数v电流密度小于临界钝化电流密度时，不会发生钝化现象，若超过此临界值，则超过越多，阳极转入钝化状态越快。

13、v提高流速会使钝化曲线上移（表面金属离子更易扩散到溶液去，减小流体层的浓度和厚度，能使浓差极化降低，阳极膜容易遭到破坏）v温度影响（温度增高将增加反应的活性，使阴极反应速度和溶液中离子迁移速度加快 ，使得阳极极化现象延迟）北理工珠海学院化工学院应用化学加工机制v整平整平（当电解发生时，处于图5-7的ab段,随着电压的上升，电流跟着增大，高点的电场强度比低点高，高点的蚀除速度要比低点快很多，并且去除表面杂质和加工变质层，从而达到整平的效果。175页图5-9所示）v平滑平滑（cd段，阳极溶解速度比生成物的扩散速度快，工件表面和电解液间会形成粘滞层。凸出部分粘滞层较薄，凸点的溶解速度比凹点快，而产生

14、平滑化。阳极电位要小于水电解的电位，不然会破坏粘滞层的稳定，使得光整效果不再出现）v光泽化光泽化（形成钝化膜，膜是由高黏度的液体膜或固体膜所形成的。在膜的微观高点产生很微量的去除，二低点形成保护，而使表面光滑具有光泽） 北理工珠海学院化工学院应用化学加工程序v 前处理v 电解加工程序v 后处理v 检测北理工珠海学院化工学院应用化学加工程序-前处理 阳极的表面状态、材料和洁净状况会影响到光整的效果，因此需前处理v 材料表面检查（金相组织越均匀致密，效果越好，因此需先分析材料是否适合光整加工）v 酸碱洗净（去除表面的杂质和油脂）1. 超声波洗净（去除少量的清洁剂，热纯水配合超声波完成，减少表面的粘

15、附的Cl离子）北理工珠海学院化工学院应用化学加工程序-系统v 电源：直流电源，低压大电流且输出稳定的电源，电压（0-20V），电流（0-18A/cm2），设定准确度（0.05%），反应时间碳化硼碳化硅氧化铝）v 研磨液种类及磨粒浓度（水、汽油、煤油等，浓度30%-50%）北理工珠海学院化工学院应用化学超声注意事项v工具材料的选用：不能选用脆性较大的材料，因为在超声环境中，工具也受超声的作用力。（软钢、弹簧钢、琴钢线等）v超声加工是一种以磨粒撞击工件表面材质的一种成型加工方法。电压：3-15V，电流密度：5-30A/cm2北理工珠海学院化工学院应用化学应用v加工碳化钨时，当进给速度增加3-4倍时

16、，工具的磨耗减少2-3倍。v在相同的参数设定下，都可获得良好的表面质量，但超声-电解复合加工在能源的节省上有较佳的表现。北理工珠海学院化工学院应用化学5.5电解-电火花复合加工（ECDM）v电解加工：良好的表面处理效果、表面完整性、高加工效率、无工具损耗v电火花：高加工精度v关键：加工参数的设定（重要的是临界电压及临界电流密度）北理工珠海学院化工学院应用化学电解-电火花复合加工机理和特点v 电解作用阳极溶解，阴极析出氢气v 氢气泡层形成v 电子穿越氢气泡层，瞬间放电产生电火花v 金属熔融汽化，形成高压气泡v 高压气泡带动电解液流动，冷却并带走金属离子与碎屑北理工珠海学院化工学院应用化学电解-电

17、火花复合加工-影响因素v 加工电流对加工速度的影响v 阴极表面积对加工速度的影响v 工件与工具的间距v 工作液的流速v 若使用脉冲电流为加工电流时，必须同时考虑脉冲宽度对加工速度的影响北理工珠海学院化工学院应用化学应用v孔加工v型腔加工：加工半圆弧二维型面及长方形槽加工，矩形脉冲电源，频率1315Hz，脉宽0.66ms，电火花击穿电压：45-50V，维持电压：20-30V，电解液：含20%NaNO3，以间歇周期供给方式供给。v光整加工：微秒级脉冲加工电流、低浓度电解液、小间隙及不施加外力让电解液流动的加工条件下，可以获得镜面效果。北理工珠海学院化工学院应用化学5.6电解辅助在线削锐磨削ELID

18、v电解式在线削锐磨削：在磨削加工过程中，施以电流使磨轮表面经常保持锐利，以利磨削加工采用以金属（一般为铸铁）充当结合剂固着金刚石磨粒的磨轮作为磨削工具北理工珠海学院化工学院应用化学v 磨轮削正：将磨轮进行机械性削正，以消除磨轮因制造及安装所产生的误差，让削锐平面为一平坦面v 电解削锐：磨轮接阳极，使表面开始产生电解作用。金属离子析出，磨粒开始突出，产生削锐作用。北理工珠海学院化工学院应用化学v金属氧化膜形成：电解析出的金属离子随即在磨轮表面形成致密的氧化膜。因氧化膜不导电，随氧化膜增厚，电阻增加，电流下降v氧化膜消耗：随着磨削加工的进行，磨粒开始损耗，氧化膜亦会剥离磨耗，而使导电性再度升高。v

19、再次电解削锐：随导电性升高，电流量增加，电解作用使磨轮表面金属离子析出，同时让磨粒突出量保持在适当范围，保持削锐状态。北理工珠海学院化工学院应用化学v电解式在线削锐磨削加工法与传统的电解削锐磨削加工法主要的差异来自于氧化膜的形成。v关键在于选择电解液、金属结合剂及控制氧化膜的生成v190页的表5-2北理工珠海学院化工学院应用化学加工设备-研磨机v用一般磨床改装即可适用，具有宽广的适用性v以高效研磨为目的时，机械的刚性要好，主轴动力要充足v以镜面研磨为目的时，因机械的振动会影响加工面的品质，所以没有振动且心轴回转精度高的金属含油轴承或油压、气压等静压轴承较为适用北理工珠海学院化工学院应用化学研磨机v因使用2000#以上之细目磨料，所以作镜面加工时主轴最小进刀单位应为1um以下v因磨轮做削正以及ELID削锐时，必须以较研磨作业时为低的磨轮转速为作业条件，故研磨机的磨轮必须有无级变速装置。如果是磨轮轴回转速度为固定的研磨机时，必须加装适当容量的变频器。北理工珠海学院化工学院应用化学磨轮： 结合剂、磨粒 结合剂：结合剂：ELID研磨的磨轮，必须为金属结合剂的磨轮，才能进行电解削锐。（铸铁纤维结合剂磨