第四讲电化学加工

,精密与特种加工,HIGH EDUCATION PRESS,电化学加工,（,Electrochemical Machining,简称,ECM,）是指通过电化学反应从工件上去除或在工件上镀覆金属材料的特种加工方法,。,1834,年法拉第发现电化学作用原理后，逐渐开发出电镀、电铸、电解加工等。目前电化学加工成为一种必不可少的去除或镀覆金属材料及进行微细加工的重要方法，并被用于兵器、医疗、电子及模具行业中。,特种加工,电化学加工,电,化学,加工的特点,1,、,可,对,任何强度、硬度、韧性,的金属材料进行加工，,加工,难加工材料时,，,其优点尤为突出。,2,、加工过程中不存在机械切削力和切削热，故加工后表面无残余应力、冷硬层、毛刺、棱角、表面质量好,。,3,、加工可以在大面积上同时进行，无需粗精加工分开，具有较高的生产率。,4,、加工过程中监测及自动控制、工具设计、加工精度的提高、作用产物（气体和废液）的处理等有待提高。,电化学加工过程,（原理图黑板上画）,用两片金属作为电极浸入到电解液中，接通直流电源后，电极、导线和电解液就有电流通过。,金属导线,自由电子,电子导电,电解液,离子,离子导电,两种导体构成通过后，金属片和溶液的界面上产生交换电子的反应（即,电化学反应,）。,电化学加工的基本原理,溶液中正离子移向阴极进行还原反应，负离子移向阳极进行氧化反应（或者阳极失去电子而成为正离子进入溶液。,电荷迁移,正负离子间的定向移动。,电化学反应,阴阳极表面产生得失电子的化学反应,电化学加工相关概念,电极电位,电极极化,影响活化的因素,：将电解液加热、通入还原气体,和某些活性离子、采用机械方法破除钝化膜。,电解加工,（简称,ECM,）,是利用金属在电解液中产生,阳极溶解,的原理来去除工件材料的制造技术。电解加工的工具（阴极）不发生溶解，可长期使用。可在一个工序内完成复杂形状的加工。,电解加工是电化学加工中的主要加工方法,，,已成功应用于国防、航空航天、汽车、拖拉机等领域的工业生产。,电解加工,电解加工的过程如图。加工时,工件接直流电源的正极,(,阳极,),，按形状要求制成的工具接负极,(,阴极,),两极间保持,0.11mm,的间隙，具有一定压力（,0.52.5Mpa,）,的电解液从两极间隙中高速,(,560m/s,),流过。,接通直流电源后，工具阴极的凸出部分与工件阳极的电极间隙最小，此处的电流密度最大，单位时间内消耗的电量最多。根据法拉第定律，金属阳极的溶解量与通过的电量成正比。因此工件上与工具阴极凸起部位的对应部位比其他地方溶解迅速,并随即被高速的电解液冲走。同时工具阴极以一定速度,(,0.53mm/min,),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。,电解加工示意图,1-,工具阴极,2-,工件阳极,3-,电解液泵,4-,电解液,5-,直流电源,电解加工的原理和特点,电解加工示意图,1-,直流电源,2-,工具阴极,3-,工件阳极,4-,电解液泵,5-,电解液,电解加工成型原理,电解加工的原理,图,电解加工的特点,（,1,）加工范围广，不受金属材料本身力学性能（硬度、强度）的限制，可加工高硬、高强度及韧性的导电材料和各种复杂形面及用于成批生产具有复杂形状的型腔、型面和型孔以及难切削材料等。其种类繁多如电解磨削、充气电解加工等。,（,2,）电解加工的生产率高，约为电火花加工的,510,倍，,在某些情况下比切削加工的生产率还高。,（,3,）加工过程中工具阴极只发生氢气和沉淀而无溶解作用，理论上不耗损，可长期使用。,(4,）,可获得较好的表面粗糙度，不易达到较高的精度和加工稳定性，难以实现窄缝、小孔的加工。,（,5,）电极工具设计与制造麻烦，工件必须是导电材料,（,6,）电解液对设备与环境有腐蚀和污染作用，需要防腐和无害化处理,(7),能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面和型腔。,(8),加工中无机械切削力和切削热的作用。工件不会产生残余应力、变形及加工变质层，也没有飞边毛剌,，适合于加工易变形或薄壁零件。,(9),加工精度可达,0.1mm,至,0.01mm,；表面粗糙度,Ra,值一般可达,0.8m,，最小,Ra,值可达,0.1m,。,(10),电解加工的附属设备多，造价高，占地面积大，加工稳定性不高。电解液,对机床有腐蚀作用，,电解产物有污染，也应引起重视。,电解液电解产物的处理和回收困难,。,电解加工的电极反应,电解加工的电极反应复杂，原因有二：,1,、一般工件材料不是纯金属；,2,、电解液往往不是该金属的盐溶液，多种成分共存。,另外电解液的浓度、温度、压力、流速对电极反应有影响。以钢在,NaCl,溶液中电解为例说明。,注意：,为了在两极间形成一定加工电流使阳极达到较高的溶解速度，要求加工电压要大于右图三者之和。,1.,生产率,及,其影响因素,电解加工的生产率，以单位时间内去除的金属体积或质量来衡量，用,mm,3,/min,或,g/min,来表示,。,(1),电化学当量对生产率的影响,由实践得知,，,电解时工件阳极上溶解或析出的物质的量与电解电流,I,和电解时间,t,成正比,(2),电流密度对生产率的影响,(3),加工间隙对生产率的影响,电解加工的基本工艺规律,2.,加工精度及其影响,目前生产中提高加工精度的主要措施如下：,(1),脉冲电流电解加工,(2),小间隙电解加工,(3),改进电解液,(4),混气电解加工,3.,表面质量及其影响因素,(1),工件材料的合金成分、金相组织和热处理,(2),工艺参数,(3),工具阴极的表面质量,端面间隙,加工间隙的状态直接影响加工精度，按测量方向分：端,面间隙、法向间隙、侧面间隙。,侧面间隙,平衡间隙理论的应用,影响加工间隙的其它因素,提高加工精度的途径,电解加工的基本设备,近年来电解加工工艺的应用研究有很大发展，除了在加工各种炮膛膛线外，在花键孔、深孔、内齿轮、链轮、叶片、异形零件及模具等方面获得广泛的应用。由于机床费用较高，一般在加工难加工材料、型面复杂、批量大的零件时选用，而单件小批生产多采用电火花加工。,型腔加工,电火花加工的生产率较低，因此对精度要求不太高的矿山机械、农机、拖拉机零件用锻模，正逐渐采用电解加工。,电解整体叶轮,叶身形面形状复杂，精度要求高，加工量大，用电解加工，比机械加工工期短、效率高，,质量好。,电解去毛刺,代替传统的钳工操作，提高工效，节约费用。,电解加工还应用于,深孔的扩孔加工、形孔加工以及抛光,等工艺过程中。,电解加工的应用,电镀,电铸,电刷镀,工艺目的,表面装饰、防腐蚀,复制、成形加工,增大尺寸、改善表面性能,镀层厚度,0.0010.05mm,0.055mm,或以上,0.0010.5mm,或以上,精度要求,只要求表面光亮、光滑,有尺寸及形状精度要求,有尺寸及形状精度要求,镀层牢度,要求与工件牢固粘结,要求与原模能分离,要求与工件牢固粘结,阳极材料,与镀层金属同一材料,与镀层金属同一材料,石墨、铂等钝性材料,镀液,自配,自配,按被镀金属层选用现成供应的涂镀液,工作方式,需要镀槽,需要镀槽,不需要镀槽,电铸加工的工艺过程,原模表面处理,电铸至规定厚度,脱模,成品,清洗干燥,衬背处理,原模设计,精密喷嘴内孔镀铬工艺过程,1,型芯,2,镀铬层,3,镀镍层,4,内孔镀铬层,5,精密喷嘴,电镀技术,电镀技术,是一种用电化学方法在基体（金属或非金属）表面沉积金属或金属化处理的技术。,特点,：能使均匀溶解在溶液中的金属离子有序地在溶液和基体接触表面获得电子、还原成金属原子并沉积在基体表面，形成宏观金属层,镀层。,基本原理,1,、传质步骤：,预镀金属的离子向阴极（工件）表,面或附近迁移,。,2,、表面转化步骤：,金属离子在电极表面的液层中,发生还原反应,。,3,、电化学步骤：,金属离子在阴极上得到电子，还,原成金属原子,。,4,、新相生成步骤：,生成金属或者合金相,。,