第四章電化學加工.ppt

1、第四章 電化學加工,一 電化學加工原理,陰極： 還原反應(yīng)，陰極沉積 陽極： 氧化反應(yīng)，陽極溶解 電解質(zhì)溶液：電離 強電解質(zhì) 弱電解質(zhì),圖4-1 Cu在CuCl2中的電化學反應(yīng),電極電位,電極電位的形成 金屬、電解質(zhì)溶液 雙電層的形成 電極電位 標準氫電極 標準電極電位：25時，金屬與該金屬離子的有效質(zhì)量分數(shù)為1g/l的溶液中 原電池和電解 原電池：電極電位差 電極材料相同，電解液不同（鹽橋） 電解液相同，電極材料不同 電解：直流電源、電極、電解液,圖4-2原電池示意圖,圖4-3活潑金屬的雙電層,圖4-4不活潑金屬的雙電層,表4-1一些元素的標準電極電位(25C),表4-1（續(xù)1）,表4-1一些

2、元素的標準電極電位(25C),表4-1（續(xù)2）,表4-1（續(xù)3）,電極電位與離子質(zhì)量份數(shù)的關(guān)系,能斯特公式 U=U0（0.059/n)lga U平衡電極電位差（V） U0標準電極電位差（V） N 電極反應(yīng)得失電子數(shù) a 離子的有效質(zhì)量分數(shù) “+”號用于計算金屬； “-”號用于計算非金屬,電極的極化,濃差極化： 離子擴散速度緩慢造成離子的集聚而引起 主要發(fā)生在陽極上 陽極：金屬的溶解與金屬離子的擴散 陰極：H離子的擴散 電化學極化 電子的集聚造成電化學反應(yīng)緩慢而引起 主要發(fā)生在陰極上 陰極：電子集聚 陽極：如果發(fā)生析氧則極化嚴重,圖4-5電極極化曲線i電流密度1陰極端2陽極端,金屬的鈍化與活化,

3、陽極鈍化 現(xiàn)象：超電位升高，電解速度減慢 原因：鈍化膜的產(chǎn)生 活化：金屬鈍化膜的破壞過程 加熱溶液 通入還原性氣體或加入活性離子（Cl-) 機械法,電化學加工的分類,第二節(jié) 電解加工（ECM）,電解加工過程 工件：接正極，陽極溶解 工具：接負極，陰極還原 工作液：NaCl電解液 電解加工的工藝條件 工具和工件之間保持很小的間隙0.11mm 電解液從加工間隙不斷高速（6 30m/s）流過 工件陽極和工具陰極接直流電源（10 24V),圖4-6電解加工示意圖1直流電源2工具陰極3工件陽極4電解液泵5電解液,圖4-7電解加工成形原理,電解加工的特點,1）加工范圍廣 不受金屬材料本身力學性能的限制，可

4、以加工硬質(zhì)合金、淬火鋼、不銹鋼、耐熱合金等高硬度、高強度及韌性金屬材料，并可加工葉片、鍛模等各種復雜型面。 2) 生產(chǎn)率高 約為電火花加工的510倍，在某些情況下，比切削加工的生產(chǎn)率還高，且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。 3) 加工表面質(zhì)量好 可以達到較好的表面粗糙度(Ra1.250.2m)和0.1mm左右的平均加工精度。 4) 無殘余應(yīng)力無變形 由于加工過程中不存在機械切削力，所以不會產(chǎn)生由切削力所引起的殘余應(yīng)力和變形，沒有飛邊毛刺。 5) 工具不損耗 加工過程中陰極工具在理論上不會耗損，可長期使用。,電解加工的主要缺點和局限性,1) 不易達到較高的加工精度和加工穩(wěn)定性。 2

5、) 電極工具的設(shè)計和修正比較麻煩，因而很難適用于單件生產(chǎn)。 3) 電解加工的附屬設(shè)備較多，占地面積較大，機床要有足夠的剛性和防腐性能，造價較高。 4) 電解產(chǎn)物需進行妥善處理，否則將污染環(huán)境。,電解加工時的電極反應(yīng),電解加工鋼：電解液，14%18%的NaCl水溶液 陽極反應(yīng)：失去電子被氧化 可能反應(yīng)： Fe2e Fe+2 （-0.59V） Fe3e Fe+3 （-0.323V） 4OH-4eO2+2H2O （0.867V） 2Cl-2eCl2 （1.334V） 實際反應(yīng)： Fe2e Fe+2 化合反應(yīng)： Fe+2+2OH-Fe（OH）2 （墨綠色的絮狀物 ） 沉淀物的氧化： 4Fe（OH）2+

6、2H2O+O24Fe（OH）3 （黃褐色沉淀）,電解加工時的電極反應(yīng),陰極反應(yīng)：得到電子被還原 可能反應(yīng)： 2H+ +2e H2 （-0.42V） Na+ +e Na (-2.69V) 實際反應(yīng)： 2H+2e H2,電解加工過程中的電能利用,U=Ua+UR+Uc Uc 陰極反應(yīng)壓降：電化學極化 UR 電解液電阻的壓降UR=IR Ua 陽極反應(yīng)壓降： 陽極極化,圖4-8電解加工間隙內(nèi)的電壓分布陽極壓降歐姆壓降陰極壓降,對電解液的基本要求,(1) 具有足夠的蝕除速度 即生產(chǎn)率要高，這就要求電解質(zhì)在溶液中有較高的溶解度和離解度，具有很高的電導率。 (2) 具有較高的加工精度和表面質(zhì)量 電解液中的金屬

7、陽離子不應(yīng)在陰極上產(chǎn)生放電反應(yīng)而沉積到陰極工具上，以免改變工具的形狀及尺寸。 (3) 陽極反應(yīng)的最終產(chǎn)物應(yīng)是不溶性的化合物 這主要是便于處理，且不會使陽極溶解下來的金屬陽離子在陰極上沉積，通常被加工工件的主要組成元素的氫氧化物大都難溶于中性鹽溶液，故這一要求容易滿足。,常見電解液,1. NaCl電解液 特點： 加工速度高（電流效率高、無鈍化、無析氧） 雜散腐蝕嚴重，復制精度較差 價格便宜，應(yīng)用廣泛 質(zhì)量分數(shù)：1418%；溫度25 35 2. NaNO3電解液 特點： 鈍化型電解液，生產(chǎn)率較低 雜散腐蝕小，復制精度高 價格較貴,圖4-10雜散腐蝕能力比較,圖4-9鋼在NaNO3電解液中的極化曲線

8、,常見電解液,3.NaClO3電解液 特點： 同NaNO3電解液，但生產(chǎn)率高，價格昂貴 4.電解液中加添加劑 NaCl電解液：加入少量磷酸鹽產(chǎn)生陽極鈍化 NaNO3電解液：加入少量NaCl提高加工速度 其它添加劑：絡(luò)合劑、光亮劑、緩蝕劑,圖4-12 三種電解液的-i曲線,圖4-11 NaNO3電解液的成形精度,電解液參數(shù)對加工過程的影響,質(zhì)量份數(shù) 電解液的質(zhì)量分數(shù)越大，則其電導率也越高，腐蝕能力越強 NaCl電解液的質(zhì)量分數(shù)常為10 15%，NaNO3電解液為46.7%，NaClO3電解液為49% 加工過程中，NaCl電解液幾乎不消耗， NaNO3電解液和NaClO3電解液則需控制 溫度 溫度

9、越高，電解液的電導率也越高，腐蝕能力越強 一般在3040，最高不能超過60 酸度值 H+離子在陰極形成H2的析出造成OH-離子增加 黏度 氫氧化物的形成使粘度增加，及時去除,常用電解液配方及參數(shù),表4-4電解液配方及電參數(shù),電解液的流速及流向,電解液的流速：10m/s 正向流動：密封裝置簡單，表面質(zhì)量差 反向流動：表面質(zhì)量好，密封裝置復雜 橫向流動：汽輪機葉片的加工,圖4-13電解液的流向a)正向流動b)反向流動c)橫向流動,電解液出水口的布局,出水口的布局： 力求使電解液流線分布均勻，不出現(xiàn)死水區(qū),圖4-14出水口布局對流場的影響,圖4-15流線夾角小于90時形成死水區(qū)a)、b)正向流動c)

10、、d)反向流動,電解加工的基本規(guī)律,（一）生產(chǎn)率及其影響因素 1.金屬的電化學當量 2.電流密度 3.電極間隙大小和蝕除速度的關(guān)系 （二）精度成形規(guī)律 1.端面平衡間隙 2.法向平衡間隙 3.側(cè)面間隙 （三）表面質(zhì)量,（一）生產(chǎn)率及其影響因素,生產(chǎn)率 法拉第電解定律：電解時電極上溶解或析出物質(zhì)的量（質(zhì)量m或體積V），與電解電流I 和電解時間t（即電荷量Q=It)成正比: m=KIt V=It 質(zhì)量電化學當量與體積電化學當量的關(guān)系K= 考慮到電流效率=（實際蝕除量/理論蝕除量）100% m= KIt V= It,表4-5一些常見金屬的電化學當量,電流密度和生產(chǎn)率的關(guān)系,電流I=iA i為電流密度

11、(10100A/cm2) 故 V= iAt （4-6） 又 V=Ah，va=h/t 故 va= i (4-7） 說明蝕除速度與該處的電流密度成正比 電流密度越高，生產(chǎn)率越高，但電流密度太高： 出現(xiàn)火花放電 析出氯、氧等氣體 電解液溫度升高，沸騰氣化造成局部短路,電極間隙大小和蝕除速度的關(guān)系,電阻率與電導率的關(guān)系=1/ I=UR/R=URA/ （4-8） i=I/A=UR/ （4-9） 故 va= UR/ （4-10） U=Ua+Uc+UR 且Ua+Uc約為23V UR=U-2 或 URU UR=C va= C/ 或 va= C （4-13） 即：蝕除速度與電極間隙成反比 或：蝕除速度與電極間隙

12、之乘積為常數(shù) 經(jīng)積分推導：,圖4-17va與間的雙曲線關(guān)系,圖4-16蝕除過程示意圖1陰極工具2蝕除速度3工件,（二）精度成形規(guī)律,1.端面平衡間隙 工件的蝕除速度Va與陰極的進給速度Vc相等時的加工間隙將穩(wěn)定不變，稱之為端面平衡間隙b，據(jù)式（4-10）：,圖4-18 加工間隙的變化過程,可見：陰極進給速度越大，平衡間隙越小，兩者可互相補償 平衡間隙過小，將引起局部堵塞，造成火花放電或短路 合適的平衡間隙：0.250.3mm,加工間隙與陰極進給調(diào)節(jié),加工間隙和陰極進給距離L、起始間隙0和端面平衡間隙b的關(guān)系：,圖4-20-t曲線,引入兩個無因次數(shù)值：,圖4-19 加工間隙的變化,2.法向平衡間

13、隙,當進給面為斜面時，法向進給速度vn=vccos，故法向平衡間隙n:,圖4-21法向進給速度及法向間隙,說明法向平衡間隙比端面平衡間隙大（1/cos）倍,3.側(cè)面間隙,側(cè)面間隙s:,圖4-22側(cè)面間隙,h進給深度 b端面平衡間隙 說明側(cè)面間隙s與工具進給深度h(h=vct)為拋物線關(guān)系。 將側(cè)面絕緣，只留一寬度為b的工作圈，則側(cè)面間隙與進給深度無關(guān)，只取決于工作邊寬度b,4.平衡間隙理論的應(yīng)用,1) 計算加工過程中各種電極間隙，例如端面、斜面、側(cè)面的間隙。 2) 設(shè)計電極時計算陰極尺寸及修正量，亦即根據(jù)工件形狀尺寸計算陰極形狀尺寸。 3) 分析加工精度，如整平比以及由于毛坯留量不均引起的誤差

14、，陰極、工件原始位置不一致引起的誤差等。 4) 選擇加工參數(shù)，如電極間隙、電源電壓、進給速度等。,（三）電解加工的表面質(zhì)量,1) 工件材料的合金成分、金相組織及熱處理狀態(tài)對表面粗糙度的影響很大。 2) 工藝參數(shù)對表面質(zhì)量也有很大影響。 3) 陰極表面條紋、刻痕等都會相應(yīng)地復印到工件表面，所以陰極表面要注意加工。,五.提高電解加工精度的途徑,(一) 脈沖電流電解加工 電解液均勻化，攪拌作用 (二) 小間隙電解加工 間隙越小，加工精度越高 (三) 改進電解液 (四) 混氣電解加工 1) 增加了電解液的電阻率，減少了雜散腐蝕，使電解液向非線性方面轉(zhuǎn)化。 2) 降低電解液的密度和粘度，增加流速，均勻流

15、場。,圖4-26混氣電解加工效果對比a)不混氣b)混氣,圖4-27混氣電解加工示意圖1工件2陰極工具3擴散部4混合部5引導部,電解加工的基本設(shè)備,(一) 直流電源 (二) 機床 (三) 電解液系統(tǒng),圖4-29電解液系統(tǒng)示意圖1電解液槽2過濾網(wǎng)3管道4泵用電動機5離心泵6加工區(qū)7過濾器8安全閥9壓力表10閥門,電解加工工藝及其應(yīng)用,1.深孔擴孔加工 2.型孔加工 3.型腔加工 4.套料加工 5.葉片加工 6.電解倒棱去毛刺 7.電解刻字 8.電解拋光 9.數(shù)控展成電解加工,1.深孔加工,難加工材料如高溫耐熱、高強度鎳基合金、鈷基合金上深孔、彎曲小孔、截面變化的竹節(jié)孔 加工深小孔有兩種方法: 普通

16、電解加工 電液束加工: 用0.025 to 0.05 mm 的玻璃噴嘴。,深孔擴孔加工,深徑比大于5的深孔，用傳統(tǒng)切削加工方法加工，刀具磨損嚴重，表面質(zhì)量差，加工效率低。 目前采用電解加工方法加工42000mm、1008000mm的深孔，加工精度高，表面粗糙度低，生產(chǎn)率高。 電解加工深孔，按工具陰極的運動方式可分為固定式和移動式兩種。,圖4-31移動式陰極深孔擴孔示意圖,圖4-32深孔擴孔用的移動式陰極1后引導2陰極錐體3出水孔4前引導5密封圈6接頭及入水孔,圖4-30固定式陰極深孔擴孔原理圖1電解液入口2絕緣定位套3工件4工具陰極5密封墊6電解液出口,2.型孔加工,對一些形狀復雜、尺寸較小的

17、四方、六方、橢圓、半圓等形狀的通孔和不通孔，機械加工很困難，可采用電解加工。 槍炮管內(nèi)表面膛線 噴油嘴內(nèi)圓弧槽的加工,圖4-34 噴油嘴內(nèi)圓弧槽的加工,圖4-33 端面進給式型孔加工,3.型腔加工,鍛模屬型腔模，形狀復雜，硬度、表面質(zhì)量要求高，但精度中等，棱邊銳度不高，適合電解加工 其他型腔模：玻璃模、壓鑄模、冷鐓模、橡膠模、注塑模,圖4-35增液孔的設(shè)置,4.套料加工,用套料加工法可以加工： 等截面的大面積異型孔 等截面薄型零件,圖4-37套料陰極工具,圖4-36異形零件,5.葉片加工,航天發(fā)電機的整體渦輪轉(zhuǎn)子 汽輪機轉(zhuǎn)子,圖4-38電解加工整體葉輪,6.電解倒棱去毛刺,圖4-39齒輪的電解

18、去毛刺,第三節(jié) 電解磨削,一、電解磨削的基本原理和特點 二、影響電解磨削生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的因素 三、電解磨削用電解液及其設(shè)備 四、電解磨削的應(yīng)用,電解磨削的基本原理,原理 電解作用+機械磨削 即用機械力將陽極工件表面的鈍化膜不斷去除,圖4-41電解磨削原理圖1導電砂輪2電解液3工件,圖4-42電解磨削加工過程原理圖1磨粒2結(jié)合劑3工件4陽極薄膜5電極間隙及電解液,電解磨削與機械磨削比較,(1) 加工范圍廣，加工效率高 由于它主要是電解作用，因此只要選擇合適的電解液就可以用來加工任何高硬度與高韌性的金屬材料，例如磨削硬質(zhì)合金時 與普通的金剛石砂輪磨削相比較，電解磨削的加工效率要高35倍。 (2)

19、 可以提高加工精度及表面質(zhì)量 因為砂輪并不主要磨削金屬，磨削力和磨削熱都很小，不會產(chǎn)生磨削毛刺、裂紋、燒傷現(xiàn)象 一般表面粗糙度可優(yōu)于Ra0.16m。 (3) 砂輪的磨損量小 例如磨削硬質(zhì)合金，普通刃磨時，碳化硅砂輪的磨損量為切除硬質(zhì)合金質(zhì)量的46倍 電解磨削時，砂輪的磨損量不超過硬質(zhì)合金切除量的50%100% 與普通金剛石砂輪磨削相比較，電解磨削用的金剛石砂輪的損耗速度僅為它們的1/51/10，可顯著降低成本。,二、影響電解磨削生產(chǎn)率的主要因素,1.電化學當量 法拉第電解定律 2.電流密度 提高工作電壓 縮小間隙 減小電解液的電阻率 提高電解液溫度 3.磨輪(陰極)與工件間的導電面積 4.磨削

20、壓力,圖4-43中極法電解磨削1普通砂輪2工件3電解液噴嘴4鈍化膜(陽極薄膜)5中間電極,影響加工精度的因素,1.電解液 鈍化性電解液：硼酸鹽、磷酸鹽 2.陰極導電面積和磨粒軌跡 采用碗狀砂輪 3.被加工材料的性質(zhì) 4.機械因素 機床的運動精度 夾具精度 磨輪精度,影響表面粗糙度的因素,1.電參數(shù) 工作電壓 電流密度 2.電解液 鈍化型 半鈍化型 3.工件材料性質(zhì) 4.機械因素 磨料粒度 磨削壓力,電解磨削用電解液,對電解磨削液的要求 1) 能夠使金屬表面生成結(jié)構(gòu)緊密、粘附力強的鈍化膜，以獲得良好的尺寸精度和表面粗糙度。 2) 導電性好，以獲得高生產(chǎn)率。 3) 不銹蝕機床及工夾具。 4) 對人

21、體和環(huán)境無危害，確保人身健康。 5) 經(jīng)濟效果好，價格便宜，來源豐富，在加工中不易消耗。 常見電解磨削液 表4-8 磨削硬質(zhì)合金用電解液 表4-9 硬質(zhì)合金和鋼料組合“雙金屬”用電解液 表4-10 磨削低碳鋼和中碳鋼的電解液,電解磨削的應(yīng)用,(一) 硬質(zhì)合金刀具的電解磨削 (二) 硬質(zhì)合金軋輥的電解磨削 (三) 電解珩磨 (四)電解研磨,圖4-45電解珩磨簡圖1工件2珩磨頭3磨條,圖4-47 電解研磨加工,電鑄加工,電鑄加工的原理 陰極:導電原模 陽極：電鑄材料 電解液：電鑄材料的金屬鹽 電鑄的基本設(shè)備 (1) 電鑄槽 (2) 直流電源 (3) 攪拌和循環(huán)過濾系統(tǒng) (4) 加熱和冷卻裝置,圖4

22、-49電鑄原理圖1電鍍槽2陽極3直流電源4電鑄層5原模(陰極)6攪拌器7電鑄液8過濾器9泵10加熱器,電鑄加工的特點,1) 能準確、精密地復制復雜型面和細微紋路。 2) 能獲得尺寸精度高、表面粗糙度小于Ra0.1m的復制品，同一原模生產(chǎn)的電鑄件一致性極好。 3) 借助石膏、石蠟、環(huán)氧樹脂等作為原模材料，可把復雜零件的內(nèi)表面復制為外表面，外表面復制為內(nèi)表面，然后再電鑄復制，適應(yīng)性廣泛。,電鑄加工的應(yīng)用范圍,1) 復制精細的表面輪廓花紋，如壓制唱片、VCD、DVD光盤的壓模，工藝美術(shù)品模、紙幣、證券、郵票的印刷版。 2) 復制注塑用的模具、電火花型腔加工用的電極工具。 3) 制造復雜、高精度的空心零件和薄壁零件，如波導管等。 4) 制造表面粗糙度標