特种加工--电化学加工课件

第六章第六章 电化学加工电化学加工一、电化学加工的原理与特点一、电化学加工的原理与特点1.1.电化学加工的原理电化学加工的原理当当两个铜片两个铜片接上直流电形成导电回路时，导线接上直流电形成导电回路时，导线和溶液中均有电流流过，和溶液中均有电流流过，在金属片在金属片(电极电极)和溶液的和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。溶。溶液中的离子将作定向移动，液中的离子将作定向移动，Cu2+Cu2+正离子移向阴极，正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。在阴极上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。在在阳阳极极表表面面CuCu原原子子失失掉掉电电子子而而成成为为Cu2+Cu2+正正离离子子进进入入溶溶液液。溶溶液液中中正正、负负离离子子的的定定向向移移动动称称为为电电荷荷迁迁移移。在在阳阳、阴阴电电极极表表面面发发生生得得失失电电子子的的化化学学反反应应称称为为电电化化学学反反应应。这这种种利利用用电电化化学学反反应应原原理理对对金金属属进进行行加加工工(图图1)1)中中,阳阳极极上上为为电电解解蚀蚀除除，阴阴极极上上为为电电镀镀沉沉积积，(常常用用以以提提炼炼纯纯铜铜)的的方法即电化学加工。方法即电化学加工。图1 电化学反应CuCu 当用当用10102020氯化钠作电解液，以铜氯化钠作电解液，以铜为工具加工碳钢时，电化学反应式如下：为工具加工碳钢时，电化学反应式如下：2H+2eH2Fe-2eFe+Fe+2OH-Fe(OH)2 阴极反应:NaCl Na+Cl-H2O H+OH-水溶液中:阳极反应:电解池中电位分布电位分布原因电位分布原因Na+H+Cl-OH-FeFeH2Fe(OH)32.电化学加工的分类电化学加工有三种不同的类型。第第类类是是利利用用电电化化学学反反应应过过程程中中的的阳阳极极溶溶解解来来进进行行加加工工，主主要要有有电电解解加加工工和和电电化化学学抛抛光光等等；第第类类是是利利用用电电化化学学反反应应过过程程中中的的阴阴极极沉沉积积来来进进行行加加工工，主主要要有有电电镀镀、电电铸铸等等；第第 类类是是利利用用电电化化学学加加工工与与其其他他加加工工方方法法相相结结合合的的电电化化学学复复合合加加工工工工艺艺进进行行加加工工，目目前前主主要要有有电电解解磨磨削削、电电化化学学阳阳极极机机械械加加工工(其其中中还还含含有有电电火火花花放放电电作作用用)。电电化化学学加加工工的的类类别别如如表表1 1所所示示。本本节节主主要要介介绍绍电电解解加加工工、电电铸铸成成型型、电电解解磨磨削削，其其它它的的电电化化学学加加工工请请参参考考相相关资料。关资料。表表1 1 电化学加工分类电化学加工分类3.3.电化学加工的适用范围电化学加工的适用范围电电化化学学加加工工的的适适用用范范围围，因因电电解解和和电电镀镀两两大大类工艺的不同而不同类工艺的不同而不同。电电解解加加工工可可以以加加工工复复杂杂成成型型模模具具和和零零件件，例例如如汽汽车车、拖拖拉拉机机连连杆杆等等各各种种型型腔腔锻锻模模，航航空空、航航天天发发动动机机的的扭扭曲曲叶叶片片，汽汽轮轮机机定定子子、转转子子的的扭扭曲曲叶叶片片，炮炮筒筒内内管管的的螺螺旋旋“膛膛线线”(来来复复线线)，齿齿轮轮、液液压压件件内内孔孔的的电电解解去去毛毛刺刺及扩孔、抛光等。及扩孔、抛光等。电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。第一节第一节 电解加工的机理和基本规律电解加工的机理和基本规律一一电解电解加工的原理及特点加工的原理及特点1 1基本原理基本原理电解加工是利用金属在电解液中的电解加工是利用金属在电解液中的“电化学阳电化学阳极溶解极溶解”来将工件成型的来将工件成型的。如图所示，在工件。如图所示，在工件(阳极阳极)与工具与工具(阴极阴极)之间接上直流电源，之间接上直流电源，使工使工具阴极与工件阳极具阴极与工件阳极间保持较小的加工间隙间保持较小的加工间隙(0.1(0.10.8 mm)0.8 mm)，间隙中通过，间隙中通过高速流动的电解液高速流动的电解液。这时工件这时工件阳极开始溶解阳极开始溶解。开始时两极之间的间。开始时两极之间的间隙大小不等，间隙小处电流密度大，阳极金属隙大小不等，间隙小处电流密度大，阳极金属去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。度慢。随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。工具的形状复制到工件上。电解加工原理图2)2)电解加工的特点电解加工的特点 (1)(1)能能加加工工各各种种硬硬度度和和强强度度的的材材料料。只只要要是金属，不管其硬度和强度多大，都可加工。是金属，不管其硬度和强度多大，都可加工。(2)(2)生生产产率率高高，约约为为电电火火花花加加工工的的5 51010倍倍，在在某某些些情情况况下下，比比切切削削加加工工的的生生产产率率还还高高，且且加加工工生生产产率率不不直直接接受受加加工工精精度度和和表表面面粗粗糙糙度度的的限制。限制。(3)(3)表表面面质质量量好好，电电解解加加工工不不产产生生残残余余应应力力和和变变质质层层，又又没没有有飞飞边边、刀刀痕痕和和毛毛刺刺。在在正正常情况下，表面粗糙度常情况下，表面粗糙度RaRa可达可达0.20.21.25 m1.25 m。(4)(4)阴阴极极工工具具在在理理论论上上不不损损耗耗，基基本本上上可长期使用。可长期使用。电电解解加加工工当当前前存存在在的的主主要要问问题题是是加加工工精精度度难难以以严严格格控控制制，尺尺寸寸精精度度一一般般只只能能达达到到0.150.150.30 0.30 mmmm。此此外外，电电解解液液对对设设备备有有腐腐蚀作用蚀作用，电解液的处理也较困难。，电解液的处理也较困难。第二节第二节 电解加工设备电解加工设备电解加工的基本设备包括电解加工的基本设备包括直流电源、机床及电解液系统三大部分直流电源、机床及电解液系统三大部分。1)1)直流电源直流电源电解加工常用的电解加工常用的直流电源为硅整流电直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源源和晶闸管整流电源，其主要特点及应用，其主要特点及应用见表见表2 2。表2 直流电源的特点及应用2)2)机床机床电电解解加加工工机机床床的的任任务务是是安安装装夹夹具具、工工件件和和阴阴极极工工具具，并并实实现现其其相相对对运运动动，传传送送电电和和电电解解液液。电电解解加加工工过过程程中中虽虽没没有有机机械械切切削削力力，但但电电解解液液对对机机床床主主轴轴和和工工作作台台的的作作用用力力是是很很大大的的，因因此此要要求求机机床床要要有有足足够够的的刚刚性性；要要保保证证进进给给系系统统的的稳稳定定性性，如如果果进进给给速速度度不不稳稳定定，阴阴极极相相对对工工件件的的各各个个截截面面的的电电解解时时间间就就不不同同，影影响响加加工工精精度度；电电解解加加工工机机床床经经常常与与具具有有腐腐蚀蚀性性的的工工作作液液接接触触，因因此此机机床床要要有有好好的的防防腐腐措施和安全措施措施和安全措施。3)3)电解液系统电解液系统在在电电解解加加工工过过程程中中，电电解解液液不不仅仅作作为为导导电电介介质质传传递递电电流流，而而且且在在电电场场的的作作用用下下进进行行化化学学反反应应，使使阳阳极极溶溶解解能能顺顺利利而而有有效效地地进进行行，这这一一点点与与电电火火花花加加工工的的工工作作液液的的作作用用是是不不同同的的。同同时时电电解解液液也也担担负负着着及及时时把把加加工工间间隙隙内内产产生生的的电电解解产产物物和和热热量量带带走走的的任任务务，起起到到更更新和冷却的作用。新和冷却的作用。电电解解液液可可分分为为中中性性盐盐溶溶液液、酸酸性性盐盐溶溶液液和和碱碱性性盐盐溶溶液液三三大大类类。其其中中中中性性盐盐溶溶液液的的腐腐蚀蚀性性较较小小，使使用用时时较较为为安安全全，故故应应用用最最广广。常常用的电解液有用的电解液有NaClNaCl、NaNONaNO3 3、NaClONaClO3 3 三种三种。n NaCl NaCl 电解液价廉易得，对大多数金属而言，其电电解液价廉易得，对大多数金属而言，其电流效率均很高，加工过程中损耗小并可在低浓度下使流效率均很高，加工过程中损耗小并可在低浓度下使用，应用很广。用，应用很广。其缺点是电解能力强，散腐蚀能力强，其缺点是电解能力强，散腐蚀能力强，使得离阴极工具较远的工件表面也被电解使得离阴极工具较远的工件表面也被电解，成型精度成型精度难于控制，复制精度差难于控制，复制精度差；对机床设备腐蚀性大，故适；对机床设备腐蚀性大，故适用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。NaNONaNO3 3电电解解液液在在浓浓度度低低于于30%30%时时，对对设设备备、机机床床腐腐蚀蚀性性很很小小，使使用用安安全全。但但生生产产效效率率低低，需需较较大大电电源源功功率，故适用于成型精度要求较高的工件加工率，故适用于成型精度要求较高的工件加工。NaClONaClO3 3电电解解液液的的散散蚀蚀能能力力小小，故故加加工工精精度度高高，对对机机床床、设设备备等等的的腐腐蚀蚀很很小小，广广泛泛地地应应用用于于高高精精度度零零件件的的成成型型加加工工。然然而而，NaClONaClO3 3是是一一种种强强氧氧化化剂剂，虽虽不不自自燃燃，但但遇遇热热分分解解的的氧氧气气能能助助燃燃，因因此此使使用用时时要要注注意意防防火安全。火安全。电解平衡常数 横向流动的结构横向流动的结构:用于叶片等零件加工和浅模腔的修复。用于叶片等零件加工和浅模腔的修复。2)2)工具电极的结构工具电极的结构(电解液的循环电解液的循环)正向流动的结构正向流动的结构:密封装置简单，加工精度较低；密封装置简单，加工精度较低；反向流动的结构反向流动的结构:密封装置复杂，加工精度较高。密封装置复杂，加工精度较高。正向正向反向反向横向横向第三第三 节节 电解加工工艺应用电解加工工艺应用 目目前前，电电解解加加工工主主要要应应用用在在深深孔孔加加工工、叶叶片片(型型面面)加加工工、锻锻模模(型型腔腔)加加工工、管管件件内内孔孔抛抛光光、各各种种型型孔孔的的倒倒圆圆角角和和去去毛毛刺刺、整整体叶轮的加工等方面。体叶轮的加工等方面。图图3 3是是用用电电解解加加工工整整体体叶叶轮轮，叶叶轮轮上上的的叶叶片片是是采采用用套套料料法法逐逐个个加加工工的的。加加工工完完一一个个叶叶片片，退退出出阴阴极极，经经分分度度后后再再加加工工下下一一个个叶片。叶片。图3 电解加工整体叶轮 可用于加工各种可用于加工各种复杂型腔、型孔、型面复杂型腔、型孔、型面(如如叶片叶片)以及深孔和套料等，在大批大量生产中可以及深孔和套料等，在大批大量生产中可用来去毛刺。用来去毛刺。第四节第四节 电解磨削电解磨削1 1加工原理及特点加工原理及特点1)1)加工原理加工原理电电解解磨磨削削是是电电解解加加工工的的种种特特殊殊形形式式，是是电电解解与与机机械械的的复复合合加加工工方方法法。它它是是靠靠金金属属的的溶溶解解(占占95%95%98%)98%)和和机机械械磨磨削削(占占2%2%5%)5%)的的综综合合作作用用来来实实现现加加工工的的。加加工工原原理理如如图图6 6所所示示。加加工工过过程程中中，磨磨轮轮(砂砂轮轮)不不断断旋旋，磨磨轮轮上上凸凸出出的的砂砂粒粒与与工工件件接接触触，形形成成磨磨轮轮与与工工件件间间的的电电解解间间隙隙。电电解解液液不不断断供供给给，磨磨轮轮在在旋旋转转中中，将将工工件件表表面面由由电电化化学学反反应应生生成成的的钝钝化化膜膜除除去去，继继续续进进行行电化学反应，如此反复不断，直到加工完毕电化学反应，如此反复不断，直到加工完毕。电电解解磨磨削削的的阳阳极极溶溶解解机机理理与与普普通通电电解解加加工工的的阳阳极极溶溶解解机机理理是是相相同同的的。不不同同之之处处在在于于：电电解解磨磨削削中中，阳阳极极钝钝化化膜膜的的去去除除是是靠靠磨磨轮轮的的机机械械加加工工去去除除的的，电电解解液液腐腐蚀蚀力力较较弱弱；而而一一般般电电解解加加工工中中的的阳阳极极钝钝化化膜膜的的去去除除，是是靠靠高高电电流流密密度度去去破破坏坏(不不断断溶溶解解)或或靠靠活活性性离离子子(如如氯氯离离子子)进进行行活活化化，再再由由高高速流动的电解液冲刷带走的。速流动的电解液冲刷带走的。图 6 电解磨削加工原理图2)特点特点(1)(1)磨磨削削力力小小，生生产产率率高高。这这是是由由于于电电解解磨磨削削具具有有电电解加工和机械磨削加工的优点。解加工和机械磨削加工的优点。(2)(2)加加工工精精度度高高，表表面面加加工工质质量量好好。因因为为电电解解磨磨削削加加工工中中，一一方方面面工工件件尺尺寸寸或或形形状状是是靠靠磨磨轮轮刮刮除除钝钝化化膜膜得得到到的的，故故能能获获得得比比电电解解加加工工好好的的加加工工精精度度；另另一一方方面面，材材料料的的去去除除主主要要靠靠电电解解加加工工，加加工工中中产产生生的的磨磨削削力力较较小小，不不会会产产生生磨磨削削毛毛刺刺、裂裂纹纹等等现现象象，故故加加工工工工件件的的表面质量好。表面质量好。(3)(3)设备投资较高设备投资较高。其原因是电解磨削机床需加电解。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。液过滤装置、抽风装置、防腐处理设备等。2 2电解磨削的应用电解磨削的应用 电电解解磨磨削削广广泛泛应应用用于于平平面面磨磨削削、成成型型磨磨削削和和内内外外圆圆磨磨削削。图图7(a)7(a)、(b)(b)分分别别为为立立轴轴矩矩台台平平面面磨磨削削、卧卧轴轴矩矩台台平平面面磨磨削削的的示示意意图图。图图8 8为为电电解解成成型型磨磨削削示示意意图图，其其磨磨削削原原理理是是将将导导电电磨磨轮轮的的外外圆圆圆圆周周按按需需要要的的形形状状进进行行预预先先成成型，然后进行电解磨削。型，然后进行电解磨削。图7 平面磨削示意图 图 8 电解成型磨削原理图二二 电铸成型电铸成型1电铸成型原理及特点电铸成型原理及特点1)成型原理成型原理 与大家熟知的与大家熟知的电镀原理相似电镀原理相似，电铸成型是电铸成型是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成型利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的加工的，即在，即在原模上通过电化学方法沉积金属，原模上通过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品然后分离以制造或复制金属制品。但电铸与电。但电铸与电镀又有不同之处，镀又有不同之处，电镀时要求得到与基体结合电镀时要求得到与基体结合牢固的金属镀层牢固的金属镀层，以达到防护、装饰等目的。，以达到防护、装饰等目的。而而电铸则要电铸层与原模分离，其厚度也远大电铸则要电铸层与原模分离，其厚度也远大于电镀层。于电镀层。第五节第五节 阴极沉积加工阴极沉积加工 电铸原理如图所示，在直流电源的作用下，金属盐溶液中的金属离子在阴极获得电子而沉积在阴极母模的表面。阳极的金属原子失去电子而成为正离子，源源不断地补充到电铸液中，使溶液中的金属离子浓度保持基本不变。当母模上的电铸层达到所需的厚度时取出，将电铸层与型芯分离，即可获得型面与型芯凹、凸相反的电铸模具型腔零件的成型表面。电铸成型的原理Cu2)特点特点 (1)(1)复复制制精精度度高高，可可以以做做出出机机械械加加工工不不可可能能加加工工出出的的细细微微形形状状(如如微微细细花花纹纹、复复杂杂形形状状等等)，表表面粗糙度面粗糙度RaRa可达可达0.1 m0.1 m，一般不需抛光即可使用。，一般不需抛光即可使用。(2)(2)母母模模材材料料不不限限于于金金属属，有有时时还还可可用用制制品品零零件直接作为母模件直接作为母模。(3)(3)表表面面硬硬度度可可达达353550HRC50HRC，所所以以电电铸铸型型腔腔使用寿命长。电铸使用寿命长。电铸FeFe (4)(4)电铸可获得高纯度的金属制品电铸可获得高纯度的金属制品，如电铸铜，如电铸铜，它纯度高，具有良好的导电性能，十分有利于电它纯度高，具有良好的导电性能，十分有利于电加工。加工。(5)(5)电电铸铸时时，金金属属沉沉积积速速度度缓缓慢慢，制制造造周周期长期长。如电铸镍，一般需要一周左右。如电铸镍，一般需要一周左右。(6)(6)电电铸铸层层厚厚度度不不易易均均匀匀，且且厚厚度度较较薄薄，仅仅为为4 48 8 mmmm左左右右。电电铸铸层层一一般般都都具具有有较较大大的的应应力力，所所以以大大型型电电铸铸件件变变形形显显著著，且且不不易易承承受受大大的的冲冲击击载载荷荷。这这样样，就就使使电电铸铸成成型型的的应用受到一定的限制。应用受到一定的限制。2 2电铸设备电铸设备电电铸铸设设备备(如如图图所所示示)主主要要包包括括电电铸铸槽槽、直直流流电电源源、搅搅拌拌和和循循环环过过滤滤系系统统、恒恒温温控控制制系系统统等。等。电铸槽、直流电源、搅拌和循环过滤系统、恒温控制系统等1)电铸槽电铸槽电铸槽材料的选取以不与电铸槽材料的选取以不与电解液作用引起腐蚀为原则电解液作用引起腐蚀为原则一般用钢板焊接，一般用钢板焊接，内衬铅板或聚氯乙烯薄板内衬铅板或聚氯乙烯薄板等。等。2)直流电源直流电源电电铸铸采采用用低低电电压压大大电电流流的的直直流流电电源源。常常用用硅硅整整流流，电电压为压为6 612 V12 V左右，左右，并可调。并可调。3)搅拌和循环过滤系统搅拌和循环过滤系统为了降低电铸液的为了降低电铸液的浓差极化浓差极化，加大电流密度，减少加加大电流密度，减少加工时间，提高生产速度工时间，提高生产速度，最好在，最好在阴极运动的同时加速阴极运动的同时加速溶液的搅拌溶液的搅拌。搅拌的。搅拌的方法有循环过滤法、超声波或机方法有循环过滤法、超声波或机械搅拌等械搅拌等。循环过滤法不仅可以使溶液搅拌，而且在。循环过滤法不仅可以使溶液搅拌，而且在溶液不断反复流动时进行过滤溶液不断反复流动时进行过滤。4)恒温控制系统 电电铸铸时时间间很很长长，所所以以必必须须设设置置恒恒温温控控制制设设备备。它它包包括括加加热热设设备备(加加热热玻玻璃璃管管、电电炉炉等等)和和冷冷却却设设备备(冷水或冷冻机等冷水或冷冻机等)。3电铸的应用电铸的应用电电铸铸具具有有极极高高的的复复制制精精度度和和良良好好的的机机械械性性能能，已已在在航航空空、仪仪器器仪仪表表、精精密密机机械械、模模具具制制造造等等方方面面发挥日益重要的作用。发挥日益重要的作用。课后习题课后习题2、3、4写在最后写在最后成功的基成功的基础在于好的学在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits38谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way讲师：XXXXXX XX年XX月XX日