第6章電化學(xué)加工.ppt

1、1，第6章電化學(xué)加工，2，6.1概述，電化學(xué)加工是特種加工的一個重要分支，已經(jīng)成為一種成熟的特種加工技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。根據(jù)加工原理，電化學(xué)加工可分為以下三類：(1)利用電化學(xué)陽極溶解原理去除工件材料。(2)利用電化學(xué)陰極沉積原理進(jìn)行電鍍。(3)將電化學(xué)加工與其他加工方法相結(jié)合的電化學(xué)復(fù)合加工。3，6.2電化學(xué)加工的基本原理，6.2.1電化學(xué)反應(yīng)過程如果將兩個銅片插入氯化銅水溶液中(見下圖)，由于溶液中含有OH和Cl負(fù)離子以及H和Cu2正離子，當(dāng)兩個銅片分別連接到DC電源的正極和負(fù)極時，形成導(dǎo)電通路，電流流過溶液和導(dǎo)線。在外加電場的作用下，金屬導(dǎo)體和溶液中的自由電子定向運動，在銅電極和

2、溶液的界面上發(fā)生電子得失的電化學(xué)反應(yīng)。其中，溶液中的Cu2陽離子向陰極移動，在陰極表面獲得電子進(jìn)行還原反應(yīng)，沉積銅。在陽極表面，銅原子失去電子并發(fā)生氧化反應(yīng)，成為Cu2正離子并進(jìn)入溶液。電子在陰極和陽極表面的獲得和損失的化學(xué)反應(yīng)稱為電化學(xué)反應(yīng)，通過這種電化學(xué)反應(yīng)加工金屬的方法是電化學(xué)加工。其中，電化學(xué)溶解在陽極上，電化學(xué)沉積在陰極上。4，電化學(xué)反應(yīng)過程圖，5，6.2.2電極電位，1。電極電勢的形成當(dāng)任何金屬被插入到含有金屬離子的水溶液中時，在金屬/溶液界面上將形成一定的電荷分布，從而形成一定的電勢差，這被稱為金屬的電極電勢。2.標(biāo)準(zhǔn)電極電位所謂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是指在給定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，金屬

3、相對于統(tǒng)一電位參考標(biāo)準(zhǔn)的平衡電極電位值。平衡電極電位的可逆反應(yīng)速度，即氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的速度相等，沒有電流通過金屬/溶液界面，沒有物質(zhì)溶解或沉淀，即建立了穩(wěn)定的雙電層。在這種情況下，電極稱為可逆電極，相應(yīng)的電極電位稱為可逆電極電位或平衡電極電位。7，6.2.3電極1的極化。濃度極化是由電極/溶液界面上的離子濃度和電解過程中整體溶液濃度之間的差異引起的。在電化學(xué)加工過程中，金屬離子從陽極表面溶解，并從陽極金屬/溶液界面逐漸擴散到溶液的深部，因此陽極金屬/溶液界面處的陽極金屬離子濃度高于本體溶液中的濃度。電極電化學(xué)極化的反應(yīng)過程包括反應(yīng)物的遷移和轉(zhuǎn)移以及電極/溶液界面上電子的得失。如果電極/溶液

4、界面處電子的獲得和損失速率，即電化學(xué)反應(yīng)的速率滯后于其它步驟的速率，將導(dǎo)致電極表面上的電荷積累，并且規(guī)則是陽極電勢將被校正，陰極電勢將更負(fù)。由慢電化學(xué)反應(yīng)引起的電極極化現(xiàn)象稱為電化學(xué)極化。9，3。電阻極化是由于電解過程中陽極金屬表面形成鈍化氧化膜或其他覆蓋層，使電流難以通過，導(dǎo)致陽極電位為正，陰極電位為負(fù)。因為該膜是無源的，并且該膜的形成是由鈍化引起的，所以電阻極化也稱為鈍化極化。10、6.2.4金屬的鈍化和活化，1)全部處于活化和溶解狀態(tài)如圖(a)所示，2)活化鈍化和超鈍化的變化過程如圖(b)所示，3)活化不完全鈍化和超鈍化狀態(tài)如圖(c)所示，(a)整個區(qū)域是活化和溶解，(b)鈍化區(qū)域(2)

5、生產(chǎn)率高，加工生產(chǎn)率不受加工精度和表面粗糙度的直接限制。(3)加工質(zhì)量好。(4)可用于加工薄壁和易變形零件。(5)工具的陰極無損耗。電化學(xué)加工機理電化學(xué)加工是一種特殊的加工方法，它利用金屬在電解液中電化學(xué)陽極溶解的原理形成工件。3.電化學(xué)加工中電極反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位決定了在一定條件下相應(yīng)金屬離子參與電極反應(yīng)的順序。14，6.3.2企業(yè)內(nèi)容管理的基本法律，1。電解加工生產(chǎn)率可以定性分析和定量計算，深刻揭示電解加工過程規(guī)律的基本規(guī)律是法拉第定律。金屬陽極溶解時，溶解量和通過電量符合法拉第定律。2.法拉第電流效率定律可以用來根據(jù)電量計算任何溶解物質(zhì)的量，并且在理論上不受電解液成分、濃度、溫度、壓力、

6、電極材料、形狀等因素的影響。3.電化學(xué)加工的速度與普通加工的速度相似。人們希望掌握工件加工表面法向的去除(加工)線速度。4.加工間隙是電解加工的核心技術(shù)要素，直接影響加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率，也是設(shè)計刀具陰極和選擇加工參數(shù)的主要依據(jù)。15，6.3.3電解液，1。電解質(zhì)的功能、要求和分類1)電解質(zhì)的功能電解質(zhì)是電解槽的基本組成部分，是電化學(xué)加工中陽極溶解的載體。電解液的正確選擇是電解加工最基本的條件。電解液的主要功能如下：(1)與工件陽極和工具陰極形成電化學(xué)反應(yīng)的電極系統(tǒng)，從而實現(xiàn)所需的電化學(xué)加工過程。同時，所含的導(dǎo)電離子也是電解槽中傳輸電流的介質(zhì)，這是電解槽最基本的功能。(2)消除電解產(chǎn)物，

7、控制極化，使陽極溶解能夠正常連續(xù)進(jìn)行。(3)及時帶走電化學(xué)加工過程中產(chǎn)生的熱量，使加工區(qū)域不會過熱而導(dǎo)致沸騰和蒸發(fā)，從而保證正常加工。電解液的一般要求是加工精度高、效率高、表面質(zhì)量好、實用性強。然而，隨著電解加工的發(fā)展，對電解液提出了新的要求。根據(jù)不同的起點，有些要求可能不同，甚至是矛盾的。電解質(zhì)的基本要求包括以下四個主要方面。(1)電化學(xué)特性。(2)物理特性。(3)穩(wěn)定性。(4)實用性。17，2。常用電解質(zhì)及其選擇原則1)電解質(zhì)選擇原則2)常用電解質(zhì)當(dāng)前生產(chǎn)實踐中常用的電解質(zhì)是中性電解質(zhì)中的氯化鈉、亞硝酸鈉和三氧化二氯化鈉。3)低濃度復(fù)合電解液如上所述，近年來開發(fā)的低濃度復(fù)合電解液對提高鈦合

8、金的加工性能、鎳基鑄造合金的表面質(zhì)量以及鐵基合金或金屬的加工精度具有顯著的效果。18，3。電解液流程圖，19，6.3.4電化學(xué)加工設(shè)備，1。電化學(xué)加工設(shè)備的組成和基本要求1)電化學(xué)加工設(shè)備的組成包括三個主要實體：機床本體、整流電源、電解液系統(tǒng)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。2)電解加工設(shè)備的基本要求(1)機床剛性強。(2)進(jìn)給速度穩(wěn)定。(3)設(shè)備具有良好的耐腐蝕性。(4)電氣系統(tǒng)抗干擾能力強。(5)高電流導(dǎo)電性好。(6)安全措施齊全。發(fā)動機控制模塊機床1)發(fā)動機控制模塊機床的主要類型2)發(fā)動機控制模塊機床的主要部件3。電解加工電源是電解加工設(shè)備的核心部分。電解加工機床和電解液系統(tǒng)的規(guī)格取決于電源的輸出電流。

9、同時，電源的調(diào)壓穩(wěn)定性和短路保護系統(tǒng)的功能影響加工精度、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。電解質(zhì)系統(tǒng)電解質(zhì)系統(tǒng)的功能是以一定的壓力、足夠的流量和合適的溫度提供干凈的電解質(zhì)5.控制系統(tǒng)發(fā)動機控制模塊控制系統(tǒng)必須包括三個部分：參數(shù)控制、循環(huán)控制、保護和聯(lián)鎖。22，6.3.5發(fā)動機控制模塊的應(yīng)用，1。模具型腔加工近年來，模具結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，材料性能不斷提高。預(yù)淬硬鋼、不銹鋼、高鎳合金鋼、粉末合金、硬質(zhì)合金和超塑性合金等難加工材料的比重日益增加。因此，電解加工對于難加工材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在模具制造業(yè)中日益顯現(xiàn)。電化學(xué)加工在模具制造領(lǐng)域占有重要地位。23，2。葉片型面加工效率高，生產(chǎn)周期短；加工質(zhì)量好；電解液逆向流動，流

10、場均勻穩(wěn)定；然而，設(shè)備和陰極比較復(fù)雜，因此有必要使用三頭或斜進(jìn)給機床和復(fù)合雙作用陰極。該方案已在國外自動化生產(chǎn)線上采用，并已在國內(nèi)部分新機器葉片的試制中得到應(yīng)用。3.異形孔和小孔加工?；鹋谏砉芴啪€加工傳統(tǒng)的身管膛線制造工藝是線擠壓法，生產(chǎn)效率高，但線擠壓沖頭制造困難。為了保證在線擠壓過程中塑性變形均勻，筒體外壁只能由等直徑的圓鋼制成，在線擠壓后，根據(jù)筒體的整體尺寸去除多余的金屬，從而造成毛坯材料的嚴(yán)重?fù)p失以及校正、電鍍、回火等一系列輔助工序。整體葉輪的加工通常，整體葉輪在高速、高壓或高溫下工作，制造材料多為難切削材料，如不銹鋼、鈦合金或耐高溫合金；此外，其整體結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的葉片型面使得制造非常困

11、難，并成為生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵。6.電解去毛刺電解去毛刺加工間隙大，加工時間短，因此工具陰極可以采用固定陰極加工方法，不需要相對工件進(jìn)給，機床不需要工作進(jìn)給系統(tǒng)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。然而，工具的陰極必須相對于工件正確定位。數(shù)控展成電解加工數(shù)控展成電解加工工具的陰極形狀簡單(棒、球、帶)，設(shè)計制造方便，適用范圍廣，大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，適應(yīng)多品種、小批量產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，彌補了小批量、單件加工經(jīng)濟性差的缺點。8.微精密電解加工仍處于研究和實驗階段，其應(yīng)用僅限于一些特殊場合，如電子工業(yè)中微零件的電化學(xué)蝕刻(美國IBM公司)、微淺槽加工(荷蘭飛利浦公司)和微軸電解拋光(日本東京大學(xué))，均取得了良好的

12、加工效果，精度達(dá)到了微米級。微直寫加工、微群縫加工和微孔電液束加工，以及電解與超聲波、電火花和機械相結(jié)合形成的復(fù)合微精密技術(shù)顯示出良好的應(yīng)用前景。26，6.4電鑄和電刷鍍加工，電化學(xué)加工是一種利用電化學(xué)陽極溶解原理去除工件材料的材料還原加工。相反，基于電化學(xué)陰極沉積原理的電鍍加工(添加劑加工)主要包括電鍍、電鑄和刷鍍。27，6.4.1電鑄，1。電鑄原理電鑄的基本加工原理如下圖所示。電鑄材料作為陽極，母模作為陰極，電鑄材料的金屬鹽溶液作為電鑄溶液。在DC電源的作用下，陽極被電解，金屬材料被電解成金屬陽離子，金屬陽離子進(jìn)入電鑄液，然后被吸引到陰極進(jìn)行電子還原，并沉積在母模上。當(dāng)陰極母模上的電鑄層逐

13、漸變厚至預(yù)定厚度時電鑄工藝對母模沒有損傷，因此母?？梢杂谰弥貜?fù)使用，同一母模生產(chǎn)的電鑄件重復(fù)精度極高。(3)借助石膏、石蠟、環(huán)氧樹脂等。復(fù)雜零件的內(nèi)表面可以復(fù)制為外表面，或者外表面可以復(fù)制為內(nèi)表面，然后電鑄和復(fù)制。電鑄有一些局限性。(1)生產(chǎn)率低。由于電流密度太高，沉積金屬的結(jié)晶粗糙且強度低。通常，電鑄金屬層為0.020.5毫米/小時，加工時間長。(2)母模制造技術(shù)要求高。(3)有時脫模困難。電鑄的基本設(shè)備電鑄的基本設(shè)備如下。(1)電鑄槽。為了避免腐蝕，鋼板通常是焊接的，內(nèi)襯鉛板、橡膠或塑料。小罐可以由陶瓷、玻璃或搪瓷制品制成；大型儲罐可以由內(nèi)襯耐酸磚的水泥制成。(2) DC電源。電壓在320

14、伏可調(diào)，電流和功率可以滿足(條件電流密度達(dá)到)1530 A/dm2。常用的硅整流器或晶閘管DC電源。(3)混合和循環(huán)過濾系統(tǒng)。其功能是減少濃差極化，增加電流密度，提高電鑄質(zhì)量。(4)加熱和冷卻裝置。常用蒸汽和電加熱，用吹風(fēng)機或自來水冷卻。電鑄工藝流程電鑄工藝流程包括母模制作、表面處理、電鑄、打底脫模和鑄件檢驗。5.電鑄加工的應(yīng)用1)激光視盤目前，電鑄加工是唯一能夠滿足生產(chǎn)原始光盤模型所需的復(fù)制精度的加工技術(shù)。2)電鑄薄膜電鑄薄膜是生產(chǎn)厚度薄、面積大、尺寸精度高的零件的最經(jīng)濟的制造方法。電鑄鎳膜主要用于防腐元件、印刷電路板焊點、無石棉墊片和防火膜。此外，電鑄鎳墨膜被用作太陽能吸收元件。33，3)

15、電鑄網(wǎng)格元件電鑄網(wǎng)格元件是指具有規(guī)則孔圖案的薄膜元件。這種電鑄廣泛用于咖啡和糖過濾器、電動剃須刀和篩子。此外，電鑄網(wǎng)組件通常用于印刷行業(yè)。4)可以通過電鑄制作母模來制造LIGA微電子鑄件，然后通過微成形技術(shù)來翻轉(zhuǎn)大量的微元件。它還可以直接電鑄微元件，包括各種微齒輪、微懸臂梁、薄膜等元件，并進(jìn)一步組裝微型電機、微型機械臂、微型閥門等。34，6.4.2電刷鍍，1。電刷鍍技術(shù)的原理和特點在電刷鍍中，工件連接到電源的負(fù)極，電刷鍍筆連接到電源的正極。用絕緣套包裹并浸有特殊電鍍液的電刷鍍筆“粘”在工件的電鍍部分并作相對運動。在陰極工件上，鍍液中的金屬離子在電場的作用下與電子結(jié)合，還原成金屬原子并沉積形成鍍層。與槽鍍相比，電刷鍍具有以下特點。(1)不需要鍍液，局部表面可以直接刷鍍，設(shè)備簡單，操作方便，不受工件尺寸和形狀的限制，可以在現(xiàn)場使用。(2)電刷鍍液種類多，可刷鍍的金屬也多，因此很容易實現(xiàn)復(fù)合鍍。一套設(shè)備可以刷金、銀、銅、鐵、錫、鎳、鎢、銦等金屬。(3)目前，可采用電刷鍍技術(shù)的基材幾乎包括所有的金屬結(jié)構(gòu)材料，如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、不銹鋼、鎳基合金、銅基合金、鋁基合金等。涂層與基體金