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电化学加工技术,电化学加工技术,一、电化学加工的概述 二、电化学加工的原理 三、电化学加工的设备及组成 四、电化学加工的分类介绍 五、电化学加工的发展前景,第一章 电化学加工概述,电化学加工（Electro-chemical Machining, 简称ECM）是利用电极在电解液中发生的电化学作用对金属材料进行成形加工，已经广泛应用于涡轮、齿轮、异型孔等复杂型面、型孔的加工以及炮管内膛线加工和去毛刺等工艺过程。,1.1 电化学加工的特点 （1）优点：电化学加工可以加工复杂的三维曲面，且不留下条纹痕迹。采用不锈钢制造的阴极工具，可以把许多初步形成的零件加工到具有极高的外形尺寸要求。因此在加工燃气和蒸汽透平的叶片及膛线的基础上逐渐迅速发展起来，其特点有无应力加工、无毛刺加工、工具和工件不接触，工具无磨损。 （2）缺点：电化学加工不能加工 非导电材料以及有尖锐的内角（r0.2）、在实心材料上不能一步加工出盲孔、电化学加工设备容易腐蚀和生锈。,1.2 提高电化学加工精度的途径1.2.1 脉冲电流电化学加工 脉冲电流电化学加工具有如下特点 （1）脉冲电流加工时在阳极金属表面形成的钝化膜不同与直流加工。表面为坚固的蓝黑色光亮表面。 （2）脉冲电流加工为间歇加工，使电蚀物有足够的时间排除，电解液流动通畅，改善流场，提高加工的稳定性。 （3）脉冲电流加工可以采用小间隙进行加工，充分发挥小间隙加工工艺的优越性。,（4）脉冲电流加工速度低于直流加工。1.2.2 小间隙电化学加工 常用于家用余量分布不均匀，及零件表面微观不平，各处加工间隙不均匀的零件加工。 采用小间隙加工，对提高加工精度、生产率是有力的。但对液流阻力增大，电流密度大，使电解液温升快、压力高，还易发生短路。1.2.3 混气电化学加工 混气电化学加工是将一定压力的气体与电解液混合在一起，然后进入加工区进行电化学加工。,混气电化学加工主要特点是提高了加工精度，尤其是成型精度；简化了阴极的设计与制造。 电解液混入气体之后增加了电解液的电阻率，减少了杂散腐蚀，降低了电解液的密度和粘度，增加流速，均匀流场。 混气电解液的主要缺点是，由于其电流密度的下降，使生产率比不混气下降了1/31/2。,第二章 电化学加工基本原理,在阴、阳极表面发生得失电子的化学反应即称为电化学反应，利用这种电化学反应作用加工金属的方法就是电化学加工。其中，阳极上为电化学溶解，阴极上为电化学沉积。,第三章 电化学加工的设备及组成,电化学加工的设备主要包括直流电源、机床、及电解液系统三大部分。3.1 直流电源 电解加工中常用的直流电源为硅整流电源及晶闸管电源。硅整流电源先用变压器把380V的交流电变为低电压的交流电，而后再用大功率硅二极管将交流电整成直流。为了能无级调压，目前生产中采用有：扼流式饱和电抗器调压、自饱和式电抗器调压、晶闸管调压。,3.2 机床,电化学加工机床的任务是安装夹具、工件和阴极工具，并实现其相对运动，传送直流电和电解液，它与一般金属切削机床的主要区别是： （1）机床的刚性：电化学加工机床的工具和工件系统必须有足够的刚度，否则会引起机床部件的过大变形，改变工具和工件之间的相互位置，造成短路烧伤。 （2）进给速度的稳定性：金属的阳极溶解量随时间的增加而增大，进给速度不稳定，阴极相对工件的各个截面的电解时间就不同，影响加工精度，这时内孔、膛线、花键等的截面零件的影,响更为严重。 （3）安全与防腐：电化学加工过程中产生大量的氢气，如不及时排除，可能因短路而引起爆炸，必须采取排氢防爆措施。另外，电解液及其他电化学产生的物质具有一定的腐蚀性，所以电解液、机床部件等系统应密封良好，防止渗漏。 3.3 工具、工件及电解液 (1)阴极工具 电化学加工中，广泛用于制造工具的材料是铝、黄铜、青铜、铜、石墨、不锈钢、镍铜合金等。,(2)阳极工件 工件材料的性质，必须是良导体。装夹工件的夹具由绝缘材料制成，环氧树脂或玻璃纤维是电化学加工理想的夹具材料。这些材料具有良好的热稳定性和低湿性。 (3)电解液系统 电解液系统主要有泵、电解液槽、过滤器、管道及阀等。 电化学加工的泵一般都是离心泵，它的轴承与泵腔是分开的。 电化学加工对电解液的要求：(1)具有足够的蚀除速度，即生产效要高，要求电解质在溶液中有较强的溶解度和离解度，具有很高的电导率。,(2)具有较高的加工精度和表面质量 ，电解液中的金属阳离子不应在阴极上产生放电反应而沉积到阴极工具上，以免改变工具的形状尺寸。 (3)阳极反应的最终产物是不溶性的化合物，这主要是便于处理，不会影响到阴极的工具尺寸。,第四章 电化学加工的分类,电化学加工有三种不同的类型。第类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电解抛光等；第类是利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等；第 类是利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。,4.1 电解加工,4.1.1 电解加工的原理 电解加工的基本原理就是将电镀中阳极金属的溶解现象应用于金属加工。,电解加工使用具有一定形状的工具或电极，工具接阴极，工件接阳极。电解液由泵送到工件和工具的狭小间隙，该间隙为初始间隙，工具电极按规定的形状尺寸制定，与工件表面对置。当电解液以520m/s的速度流经它们的初始间隙时，在工具阴极和工件阳极间接通一定的直流电压，就有电流经电解液流过，使工件与阴极接近的部分开始电解。同时阴极以一定的速度向工件进给，达到预定的加工深度时，就获得所需要的加工形状。,4.1.2 电解加工的特点 (1)能以简单的直线进给运动一次加工出复杂的型面和型腔，如锻模、叶片等，设备构成简单； (2)可以加工高硬度、高强度和高韧性等难以切削加工的金属材料，如淬火钢、钛合金、不锈钢、硬质合金等； (3) 加工过程中无切削力和切削热，工件不产生内应力和变形，适合于加工易变形和薄壁类零件；,(4)加工后的零件无毛刺和残余应力，加工表面粗糙度Ra可以达到0.21.6m，尺寸精度：内孔可以达到0.030.05mm、型腔可以达到0.50.20mm； (5)与其它加工方法相比，生产率较高； (6)加工过程中工具电极（阴极）基本不损耗。,4.1.3 电解液 电解液对电解加工的各项工艺指标有很大的影响，在电解加工过程中作为导电介质传递电流，使金属工件在电场作用下能够进行电化学反应，不断地被溶解蚀除，通过电解液的流动，及时把电解产物和热量带走。电解液影响加工生产率、加工精度和加工表面质量，是电解加工的重要条件。 常用的电解液：NaCl 蚀除效率高，有杂散腐蚀NaNO3 钝化型电解液NaClO3 钝化型电解液,4.1.4 电解加工的应用电解去毛刺 机械加工后的金属零件都可能产生毛刺，大批量生产时，去毛刺的工作量也很大，特别是硬而韧工件上的毛刺，需要占用很多的人力，耗费许多时间。电解去毛刺可以大大提高工效，还可以避免机械方式或手工方式去毛刺对已加工表面产生的损坏。 电解去毛刺是通过电化学原理使得毛刺表面(阳极)的电流极大从而溶解，并通过一定压力的电解液带走。,去毛刺时，工具阴极与工件一般是相对静止的，去毛刺的时间与阴极和工件间的间隙、施加在两者上的电压和电解液种类及浓度有关。为了减少杂散腐蚀，电解液浓度要比电解加工时低，压力也小。 用NaCI电解液去毛刺，电解液浓度一般用6%，电解液压力取0.40.3 MPa；间隙选择的范围是0.10.8 mm；电压15V左右；电解液的流向应便于将毛刺冲离工件和阴极，以免毛刺引起的短路。,齿轮电解去毛刺 1-电解液 2-工具 3-齿轮,电解加工型孔 四方孔、六方孔及多边孔、椭圆、半圆等异形孔无论是通孔还是盲孔，都不便采用常规的机械加工方法加工，如果采用电解加工、则是很容易实现的，既可保证型孔的形状精度，又能满足生产率的要求。 型孔的加工一般采用端面进给方式，为了避免孔壁锥度可以将阴极工具的侧面绝缘。绝缘层与阴极要粘结牢固，以防止电解液的冲刷力将绝缘层冲坏。,绝缘层的厚度，工作部分0.150.2mm；非工作部分0.30.5mm。当电解液正向流动时，绝缘层与阴极工具刃边的间隙必须大于0.252mm，如果刃边的间隙等于零，电解液排出阻力大，容易造成底部间隙突然扩大，这种现象会随着加工深度的增加而更加突出。,电解加工实例：切断,电解穿孔,电解加工整体叶轮,4.2 电解抛光,电解抛光是一种表面光整加工方法，利用金属在电解液中的电化学阳极溶解作用使阳极凸起部分发生选择性溶解以形成平滑表面的方法。电解抛光不改变工件形状和尺寸，只降低工件的表面粗糙度和改善表面物理机械性能。 电解抛光的特点 （1）抛光的表面不会产生变质层无附加应力并可去除或减小原有的应力层 （2）对难于用机械抛光的硬质材料软质材料以及薄壁形状复杂细小的零件和制品都能加工,（3）抛光时间短而且可以多件同时抛光生产效率高 （4）电解抛光所能达到的表面粗糙度与原始表面粗糙度有关一般可提高两级。,4.3 电铸 4.3.1 电铸加工的原理 电铸的基本加工原理如下图所示，将电铸材料作为阳极，原模作为阴极，电铸材料的金属盐溶液做电铸液。在电源的作用下，电铸溶液中的金属离子在阴极导电原模上还原成金属，沉积于导电原模表面，同时阳极金属源源不断地电解变成离子溶解到电铸液中进行补充，使电铸液中金属离子的浓度保持不变，当阴极导电原模上的电铸层逐渐增加，达到要求厚度时，停止电铸，将电铸件与原模分离，获得与原模型面相反的电铸件，这种电铸件的形状和表面粗糙度与原模相似。,4.3.2 电铸加工的特点 (1) 高复制精度。电铸是一种精密的金属零件制造技术，能获得到其他制造难以达到的复制精度。电铸产生的铸件可以成为其他制造所需要的原模，并且表面精度极佳。 (2) 原模可永久性重复使用。电铸加工过程对原模无任何损伤，所以原模可永久性重复使用，而同一原模生产的电铸件重复精度极高。 (3) 借助石膏、石蜡、环氧树脂等作为原模材料，可把复杂零件的内表面复制为外表面，或外表面复制为内表面，然后再电铸复制。,电铸加工也存在一定局限性 (1) 生产率低。由于电流密度过大易导致沉积金属的结晶粗大，强度低。一般每小时电铸金属层为0.020.5 mm，加工时间长。 (2) 原模制造技术要求高。 (3) 有时存在一定的脱模困难。 4.3.3 电铸加工应用 （1）激光视盘 目前，电铸加工是唯一能满足生产光盘原模所需复制精度的工艺技术。 （2）电铸薄膜,电铸薄膜是生产厚度薄、面积广并且要求尺寸精度高元件的最经济的制造方法。电铸镍薄膜主要应用在抗腐蚀元件、PCB 板的焊接点、无石棉衬垫及防火薄膜。另外，一种电铸的墨化镍薄膜被用作太阳能吸收元件。 (3)电铸网状元件 电铸网状元件是指包含规则孔洞图案的薄膜元件。这种电铸制造被广泛的用在咖啡及糖的滤网、电动刮胡刀具和筛子。此外，电铸网状元件还常用在印刷业。,(4)微型电铸件 LIGA（光刻、电铸和注塑）制造可以利用电铸制造生产原模，再以微成形技术大量翻制微型构件。也可以直接电铸微型构件，包括微齿轮、微悬臂梁、薄膜等各式各样的元件，进一步组装微电机、微机械臂、微型阀等。,4.4 涂镀加工4.4.1 涂镀加工的原理 涂镀又称刷镀或无槽电镀，是在金属工件表面局部快速电化学沉积金属的新技术。 转动的工件接直流电源的负极，正极与镀笔相接，镀笔端部的不溶性石墨电极用脱脂棉套包住，镀液饱蘸在脱脂棉中或另再浇注，多余的镀液流回容器。镀液中的金属正离子在电场的作用下在阴极表面获得电子而沉积涂镀在阴极表面可达到自0.001mm直至0.5mm以上的厚度。,4.4.2 涂镀技术的应用范围 （1）修复失效的零部件表面，恢复尺寸和几何形状，设施超差品补救。例如各种轴、轴瓦、套类零件磨损后，以及加工中尺寸超差报废时，可用表面涂镀以恢复尺寸。 (2) 填补零件表面上的划伤、凹坑、点蚀等缺陷，例如机床导轨、活塞油缸、印刷电路板的修补。 (3) 大型、复杂、单件小批量工件的表面局部镀镍、铜、锌、镉、钨等防腐层、耐腐层，改善表面性能。例如各类塑料模具表面涂镀镍层后，很容易抛光至Ra=0.1m甚至更好的表面粗糙度。,4.5 电解磨削4.5.1 电解磨削的加工原理 电解磨削是电化学加工的种特殊形式，是电解与机械的复合加工方法。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。 加工原理如下图所示，加工过程中，磨轮(砂轮)不断旋转，磨轮上凸出的砂粒与工件接触，形成磨轮与工件间的电解间隙。电解液不断供给，磨轮在旋转中，将工件表面由电化学反应生成的钝化膜除去，继续进行电化学反应，如此反复不断，直到加工完毕。,电解磨削的阳极溶解机理与普通电解加工的阳极溶解机理是相同的。不同之处在于：电解磨削中，阳极钝化膜的去除是靠磨轮的机械加工去除的，电解液腐蚀力较弱；而一般电解加工中的阳极钝化膜的去除，是靠高电流密度去破坏(不断溶解)或靠活性离子(如氯离子)进行活化，再由高速流动的电解液冲刷带走的。,4.5.2 电解磨削的特点 (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。 (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。 (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。,4.5.3 电解磨削的应用 电解磨削广泛应用于平面磨削、成型磨削和内外圆磨削。图4-7(a)、(b)分别为立轴矩台平面磨削、卧轴矩台平面磨削的示意图。图4-8为电解成型磨削示意图，其磨削原理是将导电磨轮的外圆圆周按需要的形状进行预先成型，然后进行电解磨削。,图4-7 平面磨削示意图,图4-8 电解磨削成型原理图,4.6 电解超声复合加工 电解超声加工是指辅以超声振动的复合电解加工。目前多用于难加工材料的深小孔及表面光整。 右图为电解超声复合加工小孔的示意图。工件接电源正极，工具接负极（钢丝、钨丝），直流电压618V，电解液由20%盐水溶液加磨料混合而成。,加工时，工件表面在电解液中产生阳极溶解，电解产物阳极钝化膜被超声振动的工具及磨料蚀除，由于超声振动引起的空化作用，加快了阳极溶解过程的进行，使加工速度和加工质量大大提高。,第五章 电化学加工的技术前景,电化学是物理化学的重要组成部分，它不仅与无机化学、有机化学、分析化学等学科有关，还渗透到环境科学、能源科学、生物学和金属工业、加工制造业等诸多领域。 电化学加工是电化学理论在制造领域的工业应用，已成为制造业不可缺少的实用技术。 电化学加工是通过电化学反应对工件材料进行去除或光整加工，或在其上镀覆金属、合金或复合材料，或利用金属离子阴极电沉积原理制取产品的特种加工。,5.1 电解加工技术的发展 (1)高频、窄脉冲电流电解加工 脉冲电流电解加工采用脉冲电源代替传统的直流电源，可以工作在比传统直流更高的电流密度和更小的加工间隙下，显著改善了加工的复制精度。脉冲电流电解加工提供了更多的可调参数，为过程控制提供了便利。 (2)电解微细加工 电解加工技术已被成功地应用在电子工业中微小零件的电化学蚀刻加工中。与传统化学蚀刻,相比，电化学方法更容易控制和维护，对环境的影响也小得多。 （3）数控展成电解加工 在数控电解加工中，电极的几何形状和结构显著地影响着电解液流动、电场分布和间隙分布。目前已经开发了许多种电极，如柱状电极、球头电极、片状电极和锥状电极。这些电极各具特色，如柱状电极和片状电极由于加工面积较大，所以加工速度较快；球头电极适应性广，具有更大的柔性。,5.2 电镀加工新技术镀覆纳米晶粒镀层 纳米镀涉及纳米晶、纳米多层膜、纳米复合镀、纳米阵列、纳米线等技术，给电镀技术、电镀产品质量提供了一个新的领域、新的境界。 一般情况下纳米晶都可以提高硬度、耐磨性和抗蚀性。有时还涉及到磁性及其他功能的改变。脉冲电镀 应用直流电镀和一般的镀液，在高新技术的发展中，已显得有局限性，而脉冲电镀具有广阔的应用前景。,