《电化学加工》PPT课件.ppt

特种加工Non-traditional Machining,第四章 电化学加工（Electrochemical Machining),第四章 电化学加工,1.电化学加工的概念2.,第一节 电化学加工的基本原理及分类,（一）电化学加工过程,阳极：氧化 溶解CuCu+2+2e阴极：还原 沉积Cu+2+2e Cu电化学反应在阴、阳极表面发生得失电子的化学反应,第一节 电化学加工原理及分类,（三）电极电位,金属原子结构:电子+金属阳离子 双电层现象动态过程(活泼金属)Fe Fe2+2eFe2+2e Fe 电极电位(平衡电极电位)产生在金属和它的盐溶液之间的电位差,第一节 电化学加工原理及分类,（三）电极电位,双电层现象动态过程(不活泼金属)Cu2+2e CuCu Cu2+2e,标准电极电位以标准氢电极电位为基准，测量各种元素的电极电位（表4-1）,原电池,第一节 电化学加工原理及分类,（四）电极的极化,两极间无电流通过时：平衡电极电位两极间有电流通过时：极化现象阳极：电极电位向正移阴极：电极电位向负移超电位：极化后的电极电位与平衡电极电位之差产生电极极化的原因：浓差极化（阳极）电化学极化（阴极）,图4-5电极极化曲线,第一节 电化学加工原理及分类,1.浓差极化（在阳极）,电流密度,第一节 电化学加工原理及分类,2.电化学极化（在阴极）,电流密度,第一节 电化学加工原理及分类,（五）金属的钝化和活化,成相理论在表面形成薄膜（氧化物、氢氧化物或盐类）吸附理论在表面形成氧的吸附层,第一节 电化学加工原理及分类,活化：,活化方法,机械破坏,物理活化（加热溶液）,化学活化（活性离子Cl-）,金属钝化膜破坏的过程,（五）金属的钝化和活化,第一节 电化学加工原理及分类,二、电化学加工分类,第一节 电化学加工原理及分类,一、电解加工过程及其特点 电解加工是利用金属在电解液中的电化学反应（阳极溶解），将工件加工成形的。,第二节 电解加工,0.52MPa,1024V,图4-3 电解加工成形原理示意图,电解加工的特点（优点）,加工范围广生产效率高电火花加工的510倍加工质量较好Ra值：1.250.2m；加工精度：0.1mm无机械力作用无残余应力、无变形阴极工具理论上不损耗,第二节 电解加工,电解加工的特点（缺点）,加工稳定性差，达不到高精度要求工具设计、制造麻烦机床附属设备比较多，体积大，造价高环境污染问题,第二节 电解加工,二、电解加工时的电极反应,（一）钢在氯化钠水溶液中电解加工的电极反应（1）阳极反应 1）Fe-2eFe2+Fe-3eFe3+2）40H-4e O2 3）2Cl-2e Cl2 Fe2+2OH-Fe（OH）2 4Fe（OH）2+2H2O+O2 4Fe（OH）3,第二节 电解加工,二、电解加工时的电极反应,（一）钢在氯化钠水溶液中电解的电极反应（2）阴极反应 1）2H+2eH2 2）Na+eNa,第二节 电解加工,二、电解加工时的电极反应,（二）电解加工过程中的电能利用 电解加工时，加工电压是使阳极不断溶解的总能源。欲在两极间形成一定加工电流使阳极达到较高的溶解速度，加工电压要大于或等于两部分电势之和。一部分是电解液电阻形成的欧姆电压；另一部分是进行阳极反应和阴极反应所必须的电压，它由阴阳极本身的电极电位和极化产生的各种超电位组成。,第二节 电解加工,电压利用：5%-30%抵消极化产生的超电位；70%-95%用于克服间隙电解液的电阻。电流效率：与阳极极化程度有关。,三、电解液,电解液的作用作为导电介质，传递电流产生电化学反应排屑、散热（一）对电解液的基本要求有足够的蚀除速度保证加工精度和表面质量性能稳定、腐蚀性小最终产物为不溶性物质，便于排屑,第二节 电解加工,三、电解液,（二）三种常用的电解液中性：NaCl，NaNO3，NaClNO3酸性：HCl，H NO3，H2SO4碱性：NaOH，KOH,第二节 电解加工,1.NaCl电解液,NaCl电解液的特点：易溶解、电离度高导电性好含有活化Cl-离子钝化膜小适应面广、价廉杂散腐蚀严重，复制精度差,第二节 电解加工,2.NaNO3电解液,属于钝化型电解液,加工表面：利用超钝化区，加工速度快,非加工表面：利用钝化区，起保护作用,钝化型电解液的应用,第二节 电解加工,钢在NaNO3电解液中的极化曲线,杂散损失,图4-10 杂散腐蚀能力比较,a）,b),a）硝酸钠电解液 b）氯化钠电解液,第二节 电解加工,切断间隙：由于阳极钝化膜的作用，当加工间隙大于某临界间隙时 电流效率为零，称该临界间隙为切断间隙,3.NaClNO3电解液,特性与NaNO3电解液相似,价格贵 强氧化剂 属于消耗性电解液 Cl-离子，杂散损失,第二节 电解加工,三种电解液的-i 曲线,ia,ia,切断间隙：由于阳极钝化膜的作用，当加工间隙大于某临界间隙时 电流效率为零，称该临界间隙为切断间隙,切断电流密度：切断间隙下的电流密度,第二节 电解加工,三种电解液的性能对比,第二节 电解加工,改善电解液性能的方法,NaNO3电解液+NaCl 生产率,电解液+络合剂、光亮剂 Ra,NaCl电解液+磷酸盐成型精度,第二节 电解加工,（三）电解液参数对加工过程的影响,浓度,电解液的温度,电解液的粘度,粘度,电解液的浓度,第二节 电解加工,（四）电解液的流速及流向,正向流动易于密封产物流过侧面间隙反向流动结构复杂加工性能好横向流动结构简单较浅的型腔加工,正向流向,反向流向,横向流向,第二节 电解加工,四、电解加工的基本工艺规律,1.生产率及其影响因素生产率：单位时间内被电解蚀除的金属量，用mm3/min或g/min表示。电化学当量对生产率的影响 实践和科学研究表明，电解时电极上溶解或析出物质的量（质量m或体积V），与电解电流I和电解时间t成正比，即与电荷量（Q=It）成正比。其比例系数称为电化学当量，这一规律即法拉第电解定律：,m电极上溶解或析出物质的质量g；K被电解物质的质量电化学当量g/(A.h)V电极上溶解或析出物质的体积mm3；-被电解物质的体积电化学当量mm3/(A.h)I电解电流A；t电解时间h。,V=It,m=KIt,法拉第电解定律可用来根据电荷量计算任何被电解金属的数量。但实际电解加工时，被电解掉的金属会小于所计算的理论值。为此引入了电流效率。,电流效率,即：（实际金属蚀除量/理论计算蚀除量）100%,那么实际蚀除量为：,1.电解方法加工一模具的30mm40mm方孔，工件为碳钢，阴极为黄铜，电解液为18NaCl溶液，加工温度30，孔的深度为8.0mm,若要求6分钟加工完毕，问需要多大的加工电流？如果换用12V电压，1000A容量的电源进行加工，此时可以达到的进给速度是多少？加工进入平衡状态时的平衡间隙是多大？（注：30时18NaCl电解液的电导率0.232-1cm-1，碳钢的体积电化学当量2.22mm3/(Amin)或=133mm3/(Ah)）,电流密度对生产率的影响=iA 式中-加工电流；i电流密度；A加工面积 蚀除速度为垂直于加工工件表面方向的蚀除速度（也就是生产率）va=h/t=i,i取决于电源电压、电极间隙的大小、电解液的电导率,加工间隙对蚀除速度（生产率）的影响 从公式中得出：简化计算：UR=U-2蚀除速度与该处的电流效率、被电解物质的体积电化学当量、电导率、电解质的欧姆电压成正比，而与加工间隙成反比。,端面平衡间隙 设加工起始间隙为0，如果阴极不动，加工间隙逐渐增加，蚀除速度逐渐减小。如果阴极以恒定速度vc向工件进给，则加工间隙逐渐减小，而蚀除速度相应增大（式4.10）。当工件的蚀除速度va与阴极的进给速度vc相等，两者将达到动态平衡。此时的加工间隙稳定不变，称为端面平衡间隙b b=UR/Vc 从公式中可见,阴极进给速度vc较大时，达到平衡时的间隙b较小。,vc,va,0,vc,va,b,2.精度成形规律,图 加工间隙的变化过程,法向平衡间隙 端面平衡间隙是指垂直于进给方向的阴极端面与工件间的间隙。而法向平衡间隙指工具的端面与进给方向成一斜角。n=b/cos 得知：法向平衡间隙比端面平衡间隙大1/cos倍.,vn,vc,负极电极,正极工件,法向进给速度及法向间隙,注：只有小于或等于45且精度要求不高时，才用此式。,侧面间隙 当电解加工型孔时，决定尺寸和精度的是侧面间隙s，若电解液为NaCl，阴极侧面不保护绝缘，则工件型孔侧壁始终被电解，势必形成“喇叭口”，如下图（a）所示。,侧面间隙公式推导得：当阴极工具侧面不绝缘时，侧面任一点的间隙，将随工具进给深度h而变化，且为一抛物线关系。故，应对加工件的侧壁按如图（b）进行绝缘，只留一宽度为b的工作圈。,平衡间隙理论的应用 a.计算加工过程中各种电极间隙，从而推算加工后工件的 形状和尺寸；b.根据工件的形状尺寸要求，设计工具阴极尺寸及修正量；c.分析加工误差产生的主要原因；d.选择合理的加工参数，如电极间隙、电源电压、进给速度等。平衡间隙理论的最重要的应用就是设计阴极尺寸。,影响加工间隙的因素 b=UR/Vc 1)电流效率2)电导率3)加工电压U4)体积电化学当量 5)阴极进给速度Vc,（三）表面质量,表面质量1.表面粗糙度 Ra1.250.16m2.表面力学性能 无残余应力、冷作硬化、烧伤等影响表面质量的因素1.材料的合金成分、金相组织及热处理状态2.工艺参数（电流密度、电解液流速、电解液温度）3.阳极表面形貌（条纹、刻痕等）,第二节 电解加工,五、提高电解加工精度的途径,（一）脉冲电流电解加工原因：1.消除加工间隙内电解液电导率不均匀性。2.脉冲电流电解加工使阴极在电化学反应中析出的氢气是断续的，呈脉冲状。,第二节 电解加工,（二）小间隙电解加工由Va=C/,第二节 电解加工,（三）改进电解液1.复合电解液2.采用低质量分数（低浓度）电解液。,第二节 电解加工,1.混气电解加工原理及优缺点混气电解加工：就是将一定压力的气体（主要是压缩空气）用混气装置使它与电解液混合在一起，使电解液成为包含无数气泡的气液混合物，然后送入加工区进行电解加工。,（四）混气电解加工,第二节 电解加工,1.优点1）提高电解液的电阻率，减少了杂散腐蚀，使电解液向非线性方面转化。2）降低电解液的密度和粘度，增加流速，均匀流场。2.气液混合比气液混合比是指混入电解液的气体流量与电解液流量之比。即,第二节 电解加工,六、电解加工的基本设备,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整流电源。,机床,电解液系统,电解液的净化过滤方法自然沉淀法介质过滤法离心过滤法,第二节 电解加工,机床对电解加工机床的要求1）机床的刚性2）进给速度的稳定性3）防腐绝缘4）安全措施,七、电解加工工艺及其应用,1.深孔扩孔加工,优点：设备简单，操作方便，生产率高缺点：电源功率较大，加工精度及Ra不太均匀，阴极刚性弱,第二节 电解加工,2.型孔加工,用于形状复杂、尺寸较小的型孔加工，如四方孔、椭圆等非圆形状的通孔或不通孔的加工,多采用端面进给 方式,阴极侧面须绝缘。内锥面高度1.53.5mm,第二节 电解加工,3.型腔加工,用于尺寸较大、形状复杂的型腔加工，生产率高，表面质量好，但加工精度不太高。多用于锻模型腔加工，精度控制在0.10.2mm。也采用端面进给法。,阴极设计制造是关键。用成型精度高的电解液或混气加工时，阴极设计较易。为使流场均匀，阴极对应处加开增液孔。,近年发展用简单形状电极的数控电解加工，柔性好，减少准备时间，电源容量小，但加工速度降低,第二节 电解加工,4.套料加工,用于等截面的大面积异型孔或异型零件的加工，端面进给加工方式。,零件尺寸精度由阴极片内腔口保证，偶尔短路烧伤时，只需更换阴极片。,增液孔1mm,5.叶片加工,叶片型面复杂，精度要求较高，加工批量大，电解加工效果好。加工方式有单面加工和双面加工。机床有立式和卧式两种。多用NaCl电解液混气加工。,电解加工整体叶轮已普遍应用，直接在轮坯上套料加工叶片（等截面），叶轮强度高，质量好，加工周期大大缩短。,数控展成电解加工整体叶轮（南航）,第二节 电解加工,6.电解倒棱去毛刺,机加工中去毛刺工作量很大，电解去毛刺效率高，节省费用。,加工原理是尖角处电流密度最高。,去毛刺时间与加工电压、加工间隙及电解液参数有关。,第二节 电解加工,7.电解刻字,电解刻字则可以在那些常规的机械刻字不能进行的表面上刻字。电解刻字时，字头接阴极，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12s的时间内完成工件表面刻出黑色的印记。,第二节 电解加工,8.电解抛光,电解抛光也是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的，它只是一种表面光整加工方法，用于降低工件的表面粗糙度和改善表面物理力学性能，而不用于对工件进行形状和尺寸加工。,第二节 电解加工,8.电解抛光,8.电解抛光,电解液的成分、比例对抛光质量有着决定性的影响电参数（阳极电位、电流密度）电解液温度及其搅拌情况金属的金相组织与原始表面状态,影响电解抛光质量的因素：,第二节 电解加工,电铸的加工原理,第四节 电铸、涂镀及复合镀加工,1-电铸槽 2-阳极3-直流电源 4-电铸层5-原模 6-搅拌器7-电铸液 8-过滤器9-泵 10-加热器,一、电铸加工,（二）电铸的基本设备,原模表面处理,电铸至规定厚度,衬背处理,脱模,清洗干燥,成品,（1）电铸槽（2）直流电源（3）搅拌和循环过滤系统（4）加热和冷却装置,（三）电铸加工的工艺过程及要点,第四节 电铸、涂镀及复合镀加工,二、涂镀加工,第四节 电铸、涂镀及复合镀加工,1.特点：无需镀槽、设备轻便、工艺灵活、沉积速度快、镀层种类多、组织致密、结合能力高、适用范围广、镀液稳定、对环境污染小、经济效益高。但需人工操作、劳动的强度大较。,2.涂镀加工应用：表面修复和表面改性3.涂镀加工的基本设备4.涂镀加工的工艺过程及要点,三、复合镀加工,复合镀概念：在金属工件表面镀金属镍或钴的同时，将磨料作为镀层的一部分也一起镀到工件表面上，故称为复合镀。,第四节 电铸、涂镀及复合镀加工,