电化学加工--课件

第四章电化学加工电化学加工（电化学加工（Electrochemical machining，ECM）电解加工、电解抛光去除金属电镀、涂覆、电铸沉积金属一、电化学加工基本原理历史历史1834年：法拉第发现电化学作用原理20世纪3050年代才开展大规模应用关键：法拉第定律关键：法拉第定律第一定律在镀液进行电镀时(电解)阴极上所“附积”的金属重量(或阳极所溶蚀者)与所通过的电量成正比。第二定律在不同镀液中以相同的电量进行电镀时，其各自附积出来的重量与其化学当量成正比。上述第一定律中的“电量”，即为电流强度与时间的乘积，理论单位是库仑。一、电化学加工基本原理（一）电化学加工过程以电化学反应为基础对金属进行加工的方法称为电化学加工1.正离子移向阴极得到电子还原2.负离子移向阳极失掉电子氧化（阳极金属失去电子进入溶液）一、电化学加工基本原理（二）电解质溶液凡溶于水之后能导电的物质就是电解质，电解质溶液即为电解液。NaCl、NaNO3、NaClO3水是一种弱电解质，只能有很少一部分离解成H及OH 水是极性分子，吸附电解质正、负离子。一、电化学加工基本原理（三）电极电位 产生在金属和它的盐溶液之间的电位差能斯特公式：平衡电极电位：溶解、沉淀平衡标准氢电极为基准一、电化学加工基本原理（四）电极的极化n平衡电极电位：溶解、沉淀平衡n电流通过，平衡状态破坏，阳极电极电位向正移、阴极电位向负移，这种现象称为极化1.浓差极化:阳极2.电化学极化：阴极3.钝化极化：阳极的超电位升高，电解速度减慢 一、电化学加工基本原理（五）金属的钝化和活化n钝化：在电解加工中阳极溶解随电流的增 大而突然减小以至停止的现象。成相理论：氧化物、氢氧化物或盐薄膜 吸附理论：氧的吸附层n活化：破坏钝化膜的过程 加热、通入还原气体、机械刮二、电化学加工应用利用阳极溶解电解：电解：通过电化学反应从工件表面去除金属利用阴极上的沉积作用电镀：电镀：在工件表面沉积金属：材料表面装饰保护电铸：电铸：在阴极上沉积实现附着加工复合加工 第二节 电解加工原理原理阳极溶解阳极溶解 工作液高速冲走电解腐蚀物工作液高速冲走电解腐蚀物 一、电解加工过程 一、电解加工过程1020V201500A20.110.52MPa550ms20NaCl3040二、工艺特点优点优点加工范围广：只要导电，无论软、硬、脆加工范围广：只要导电，无论软、硬、脆加工过程无机械作用力，无残余应力和变形加工过程无机械作用力，无残余应力和变形工具电极理论上无消耗（阴极）工具电极理论上无消耗（阴极）表面质量好于电火花加工表面质量好于电火花加工Ra1.25mRa0.2m(电解）Ra2.5mRa0.32m(电火花精加工）加工效率高于电火花加工（加工效率高于电火花加工（5 5 10倍）二、工艺特点缺点缺点难达到较高的加工精度和加工稳定性难达到较高的加工精度和加工稳定性工具电极设计和修正麻烦，难适用于单件生产工具电极设计和修正麻烦，难适用于单件生产存在污染、腐蚀存在污染、腐蚀设备投资大设备投资大二、工艺特点采用电解加工的三原则采用电解加工的三原则难加工材料难加工材料难加工形状难加工形状有一定的批量有一定的批量三、电解加工时的电极反应反应复杂工件材料不是纯金属不是单一盐溶液温度、压力、流速1417NaCl，铁（钢）?H2NaFe2+Fe3+O2Cl2?FeCu三、电解加工时的电极反应?H2NaFe2+Fe3+O2Cl2?Fe阳极反应阳极反应Fe2eFe2U=0.59VFe3eFe3U=0.323V4OH4eO2U=0.867V2Cl2eCl2U=1.334V阳极：电极电位越负越容易失去电子，被氧化结论：阳极Fe2eFe2溶解阴极反应阴极反应2H2eH2U=0.42VNaeNaU=2.69V阴极：电极电位越正越容易得到电子，被还原结论：阴极2H2eH2析出氢气Cu四、电解液基本作用：基本作用：作为导电介质传递电流在阴、阳极之间进行电化学反应，使阳极溶解冷却、排屑、更新电解液四、电解液基本要求：n生产率高n 导电能力要强n 阴离子不在阳极上析出n 不选用钝化性电解液n具有较高的加工精度和表面质量n 阳离子不能沉积到阴极n 钝化性电解液n阳极反应产物应是不溶性的化合物n 便于处理、过滤、排放、连续使用n 小孔时：排屑、可溶性四、电解液中性、酸性、碱性常用中性盐三种：NaCl、NaNO3、NaClO3四、电解液NaCl优点：生产率高，强电解质，导电能力强，含有Cl，无析氧，不会生成钝化膜表面粗糙度小价格便宜缺点：缺点：n n 尺寸精度低，杂散腐蚀严重。尺寸精度低，杂散腐蚀严重。n n 对机床腐蚀严重对机床腐蚀严重四、电解液NaNO3优点：精度高，尺寸易控制，杂散腐蚀小使用安全，腐蚀小，价廉钝化性电解液缺点：缺点：n n 电流效率低，生产率低电流效率低，生产率低n 阴极氨气析出，NaNO3被消耗四、电解液NaClO3优点：精度高，杂散腐蚀小，尺寸易控制，表面粗糙度小，导电能力与NaCl差不多腐蚀作用小。缺点：缺点：n n 价格价格贵n安全防火，强氧化剂，易燃五、电解液参数对加工过程的影响五、电解液参数对加工过程的影响浓度及温度电解液PH值粘度 五、电解液参数对加工过程的影响五、电解液参数对加工过程的影响1.1.浓度及温度浓度及温度电解液浓度及温度的变化都将影响腐蚀速度及加工精度 浓度电导率生产率加工精度温度电导率生产率加工精度一般不超过60，在3040范围内。浓度太大、杂散腐蚀严重，NaCl20NaNO3、NaClO3虽溶解度较高，但浓度30时非线性变差。NaCl：常用20NaClO3：1535电解液PH值：中性阴极H放电析出，OH聚集碱化，PH值铁、镍合金在碱性中容易钝化酸化：硼酸添加剂粘度 温度粘度氢氧化物含量增高，粘度升高。五、电解液参数对加工过程的影响五、电解液参数对加工过程的影响六、电解液的流速及流向六、电解液的流速及流向流速：10m/s 氢气、金属氢氧化物冲走，热量带走。流向：正向：简单，氢气、氢氧化物多，加工精度、表面粗糙度降低。反向：与正向相反横向：较浅的型腔模。六、电解液的流速及流向六、电解液的流速及流向七、出水口的布局流线窄槽、孔七、出水口的布局电解加工实例：穿孔电电极极极极电电极极极极进给进给绝缘层绝缘层工件工件工件工件电电解液解液解液解液电电极极极极电电极极极极进给进给工件工件工件工件电电解液解液解液解液电解加工实例：切断电解加工实例：型腔电解加工实例：其它成品成品成品成品电电极极极极进给进给内内内内外外外外绝缘层绝缘层废废料料料料电电解液解液解液解液废废料料料料电电解液解液解液解液电电解套料解套料解套料解套料型面加工：电解加工整体叶轮型面加工：电解加工整体叶轮型面加工：电解加工整体叶轮型面加工：电解加工整体叶轮型面加工：电解加工整体叶轮型面加工：电解加工整体叶轮电解磨削 靠阳极金属的电化学溶解（占靠阳极金属的电化学溶解（占9598）和机械磨削作用（占）和机械磨削作用（占 25）相结合进行的复合加工）相结合进行的复合加工电解磨削基本原理：基本原理：电解磨削：由电解腐蚀作用和机械磨削作用相结合进行加工。电解、刮除（磨削）交替进行。电解刮除（磨削）电解磨削与机械磨削比：加工范围广，各种硬、韧金属材料加工范围广，各种硬、韧金属材料加工范围广，各种硬、韧金属材料加工范围广，各种硬、韧金属材料工件表面粗糙度与砂轮磨粒粗细无关工件表面粗糙度与砂轮磨粒粗细无关工件表面粗糙度与砂轮磨粒粗细无关工件表面粗糙度与砂轮磨粒粗细无关砂轮的磨损量小砂轮的磨损量小砂轮的磨损量小砂轮的磨损量小切削温度低，不易变形、裂纹切削温度低，不易变形、裂纹切削温度低，不易变形、裂纹切削温度低，不易变形、裂纹切削力很小，可加工刚度差的零件切削力很小，可加工刚度差的零件切削力很小，可加工刚度差的零件切削力很小，可加工刚度差的零件加工效率高于普通磨削加工效率高于普通磨削加工效率高于普通磨削加工效率高于普通磨削3 35 5倍倍倍倍机床、刀具要有防锈措施，附属设备机床、刀具要有防锈措施，附属设备机床、刀具要有防锈措施，附属设备机床、刀具要有防锈措施，附属设备工艺特点电解磨削与电解加工比：活化：机械，刮除小型离心泵形状、尺寸：砂轮相对工件成形运动来控制工艺特点工艺特点第四节电铸、涂镀及复合镀加工电铸、表面局部涂镀和复合镀电铸、表面局部涂镀和复合镀：利用电镀液中金属正离子在电场的作用下，镀覆沉积到阴极上去的过程。电铸加工：ElectroForming电镀和电刷镀原理直流直流电源源镀液液镀笔笔盘子子工件工件电刷刷镀工作原理工作原理电镀原理原理电镀和电刷镀产品电镀和电刷镀产品各种电化学方法的比较工艺名称 电解加工 电解磨削 电铸加工电镀与电刷度加工原理电化学去除加工电化学去除加工电化学附着加工电化学附着加工阳极溶解机械磨削作用5电解作用95阴极沉积剥取沉积层阴极沉积附着在表面三、超声加工超声加工（UltraSonicMachining）超声波：高于16000Hz超声波在各种介质中传播，其运动轨迹都按余弦函数规律变化超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质密度等有关超声波可传递很强的能量超声波会产生反射、干涉和共振现象 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，强化了加工过程的进行超声波超声波发生器发生器冷却水换能器变幅杆工具头泵液体磨料工件超声加工原理超声加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作用的结果。其中，以磨粒不断冲击为主由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声加工 超声加工的工艺特点适合加工各种硬脆材料玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，但加工效率较低。加工质量较好由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤表面粗糙度较低，可达Ra0.630.08um尺寸精度可达0.03mm适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。超声加工的工艺特点工具材料工具可用较软的材料、做成较复杂的形状不需要工具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面超声加工机床结构比较简单，操作、维修也比较方便。生产率较低超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产率较低。成形孔加工成形孔加工异异形孔加工形孔加工型腔加工型腔加工雕刻雕刻切割切割外螺外螺纹内内螺螺纹表面表面研研磨和抛光磨和抛光应用实例第五章激光加工激光：受激辐射产生的放大光特点：新的先进加工方法非接触加工非接触加工。激光可视作“光刀”，无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件可对多种金属、非金属加工，特别是高硬度、高脆性及高熔点材料与数控系统配合组成激光加工中心，实现多种加工目的激光束能量密度高，是局部加工，加工速度快，热影响区小，工件变形小，后续加工量小 生产效率高，激光加工原理全反射全反射镜工作物工作物质部分反射部分反射镜激光束激光束镀金反射金反射镜透透镜工件工件高高压充充电源源触触发电路路电容容光光泵激光束激光束激光加工原理1.激光加工的原理：利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度靠光热效应来加工各种材料。应用：打孔切割微调焊接热处理 激光存储激光的特性强度高时间和空间都可集中单色性好单色性：指光的波长为一个确定的数值（光谱范围）0=605.7nm,=0.00047nm,10-8nm相干性：相干时间：是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时间间隔。方向性好发散角可以小到0.1X10-3sr.激光加工原理激光加工材料的物理过程激光加工：把激光作热源，对材料进行热加工。过程：光照吸收光变热加热气化熔融溅出材料对激光能量的吸收反射折射透射导电率高的材料反射率高铜不能加工，铝难于加工铜不能加工，铝难于加工激光加工原理材料加热厚0.010.1m动能增加：自由电子热运动。材料的破坏（气化和熔化）激光光点中心：1010/s温度梯度：106/m气化熔化：爆炸性气化不同材料不一样：解聚碳化热应力碎裂激光加工原理激光加工的特点几乎可以加工任何材料精密微细加工，光斑可聚焦到微米级非接触加工加工装置比较简单影响因素多，需反复试验找合理的参数飞溅物，通风采用激光加工必然性激光加工，如：焊接、切割、打孔、打标、热处理和微加工等，解决了许多常规方法无法解决的难题大大提高了工作效率和加工质量，是先进加工系统必不可少的发达国家的制造业已经步入“光加工”时代激光加工方法功能切割可对铝、铜、镍、陶瓷等材料进行切割加工出各种图形，切割深度2.5mm打孔最小孔径0.03mm，并可对其他金属如：铝、铜、非金属金刚石、硬质合金、陶瓷、塑料上打孔标记能在多种金属材料上做简单的文字、数字标记焊接可对铝、铜、金、银、镍等金属材料进行点焊、对焊或密封焊 接，焊接熔深2.5mm雕刻适用于多种金属/非金属材料，复杂平面艺术图形激光切割激光切割特色切缝窄，工件变形小非接触与计算机配合高速加工切割非金属是其它方法不切割非金属是其它方法不可比的可比的激光打孔激光打孔的特色速度快，效率高，尤其高密度群孔加工大深径比，传统不大于1：10，激光在碳钢上 加工0.25mm的小孔深径比达65：1可加工硬脆软材料可在难加工材料上加工斜孔激光标记激光标记的特色便于对原材料、半成品、在制品、产品进行分类便于使用、防止假冒 激光标记特点可标记条形码、数字符号图案激光焊接激光焊接的优势速度快，效率高，深度大，变形小大深宽比，5：1，最大10：1可焊接难熔材料可进行微型焊接激光雕刻特点适用于多种金属/非金属材料复杂平面艺术图形三维激光内雕刻激光内雕刻在计算机控制下利用激光作为加工手段，在各种形状的透明水晶玻璃中雕刻出各种立体图案、文字、人物肖像等的设备。激光内雕技术主要用于水晶工艺品的激光内雕刻有传统的机械雕刻方法有无法比拟的优点：采用计算机控制技术和高精度、高效率的伺服控制系统，适应了采用计算机控制技术和高精度、高效率的伺服控制系统，适应了现代化生产的高效率、快节奏的要求现代化生产的高效率、快节奏的要求采用激光加工手段，在水晶玻璃内部雕刻出由精细明亮的点组成采用激光加工手段，在水晶玻璃内部雕刻出由精细明亮的点组成的精美立体图案的精美立体图案利用激光聚焦技术，与水晶体不接触却可在水晶内雕刻出永不磨利用激光聚焦技术，与水晶体不接触却可在水晶内雕刻出永不磨灭的立体图案灭的立体图案激光玻璃内雕刻或标识系统可广泛应用于玻璃装饰行业（如玻璃隔墙、玻璃屏风等）、玻璃制品行业（如玻璃杯、酒杯等）、艺术品行业（如将人像、风景等照片刻入玻璃内）、玻璃家具行业（如玻璃台桌、家具玻璃门等）、防伪（如酒瓶、调味瓶等）激光雕刻的水晶作品激光雕刻的水晶作品激光的其它应用激光淬火激光淬火是激光快速表面局部淬火工艺的一种高新技术加工，特点:高速加热，高速自冷高速加热，高速自冷硬度高，比常规高硬度高，比常规高5-20%淬火应力与变形小淬火应力与变形小激光快速成型加工医学应用：眼科手术等军事应用：对抗演习、雷达、高能束武器信息技术：激光存储（光盘）、光纤通讯第三节激光加工工艺及应用在 254 微米厚已烧结 Greentape 陶瓷材料上的过孔，直径 50 微米在 254 微米厚未烧结 Greentape 陶瓷材料上的过孔，直径 75 微米第三节激光加工工艺及应用第三节激光加工工艺及应用陶瓷0.5mm孔激光打孔叶片0.5mm小孔激光打孔过滤板82万个0.7mm孔(3mm厚不锈钢板)激光三维精细切割航空发动机叶形孔(材料:不锈钢,厚度:1mm,圆角半径:0.1mm)激光三维精细切割大功率电子管栅极(材料:钼,厚度:0.3mm,线宽:0.3mm)激光三维切割奥运参选火炬模型(材料:铝合金,厚度:1mm)氧化铝陶瓷激光精密切割(厚度:1mm/0.3mm)石英精密切割(厚度:5mm)单晶硅片激光精密制孔(厚度:0.46mm)五、水射流加工水刀水射流加工机水刀切割机器零件水刀加砂切割可切割任何材料而不产生热效应或机械应力加砂切割系可完成精密切割铣削型腔削型腔切割切割非金非金属属零件零件切割切割金金属属零件零件水刀切割机器零件水刀切割汽车地毯水刀雕刻木材玻璃雕刻水刀切割：航天工业应用五轴复合材料切割使用超高压水刀清洗的飞机发动机燃烧罐水刀切割：石材及陶瓷业应用加砂水刀在世界各地被运用加砂水刀在世界各地被运用来切割石材及磁砖来切割石材及磁砖水刀切割：造纸业应用纸尿片切割超高压水以3倍音速的速度从喷嘴射出，因此并无水份被切割材料吸收纵切器使用超高压水切割每分钟7000英呎运转速度的卷筒纸水刀切割：食品业应用家禽肉类切割食品切割是超高压水刀切割最早应用之一总结特种加工的对象：难加工零件材料、形状、精度、要求常见的特种加工方法电火花方法电化学方法超声加工激光加工水射流加工