特种加工电化学加工公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

第六章第六章 电化学加工电化学加工一、电化学加工原理与特点一、电化学加工原理与特点1.1.电化学加工原理电化学加工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，导线和溶液中都有电流流过，和溶液中都有电流流过，在金属片在金属片(电极电极)和溶液界和溶液界面上就会有互换电子反应，即电化学反应面上就会有互换电子反应，即电化学反应。溶液中。溶液中离子将作定向移动，离子将作定向移动，Cu2+Cu2+正离子移向阴极，在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。上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。第1页第1页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，(惯惯用用以以提提炼炼纯纯铜铜)办办法法即即电电化学加工。化学加工。图1 电化学反应CuCu第2页第2页 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，电化学反应式下列：为工具加工碳钢时，电化学反应式下列：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:第3页第3页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)3第4页第4页n2.电化学加工分类n电化学加工有三种不同类型。第类是利用电化学反应过程中阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等；第类是利用电化学反应过程中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它加工方法相结合电化学复合加工工艺进行加工，当前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。电化学加工类别如表1所表示。本节主要介绍电解加工、电铸成型、电解磨削，其它电化学加工请参考相关资料。第5页第5页表表1 1 电化学加工分类电化学加工分类第6页第6页n3.电化学加工合用范围n电化学加工合用范围，因电解和电镀两大类工艺不同而不同。n电解加工能够加工复杂成型模具和零件，比如汽车、拖拉机连杆等各种型腔锻模，航空、航天发动机扭曲叶片，汽轮机定子、转子扭曲叶片，炮筒内管螺旋“膛线”(来复线)，齿轮、液压件内孔电解去毛刺及扩孔、抛光等。n电镀、电铸能够复制复杂、精细表面。第7页第7页 第一节第一节 电解加工机理和基本规律电解加工机理和基本规律一一电解电解加工原理及特点加工原理及特点1 1基本原理基本原理电解加工是利用金属在电解液中电解加工是利用金属在电解液中“电化学阳极电化学阳极溶解溶解”来将工件成型来将工件成型。如图所表示，在工件。如图所表示，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加工间隙间保持较小加工间隙(0.1(0.10.8 mm)0.8 mm)，间隙中通过，间隙中通过高速流动电解液高速流动电解液。这时。这时工件工件阳极开始溶解阳极开始溶解。开始时两极之间间隙大小。开始时两极之间间隙大小不等，间隙小处电流密度大，阳极金属清除速不等，间隙小处电流密度大，阳极金属清除速度快；而间隙大处电流密度小，清除速度慢。度快；而间隙大处电流密度小，清除速度慢。第8页第8页伴随工件表面金属材料不断溶解，工具阴极伴随工件表面金属材料不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，不断地向工件进给，溶解电解产物不断地被溶解电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐步被加工成靠电解液冲走，工件表面也就逐步被加工成靠近于工具电极形状，如此下去直至将工具形近于工具电极形状，如此下去直至将工具形状复制到工件上。状复制到工件上。电解加工原理图第9页第9页第10页第10页n2)电解加工特点nn (1)能加工各种硬度和强度材料。只要是金属，无论其硬度和强度多大，都可加工。n(2)生产率高，约为电火花加工510倍，在一些情况下，比切削加工生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度限制。n(3)表面质量好，电解加工不产生残余应力和变质层，又没有飞边、刀痕和毛刺。在正常情况下，表面粗糙度Ra可达0.21.25 m。第11页第11页 (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，尺尺寸寸精精度度普普通通只只能能达达到到0.150.150.30 0.30 mmmm。另另外外，电电解解液液对对设设备备有有腐腐蚀蚀作作用用，电解液处理也较困难。，电解液处理也较困难。第12页第12页第二节第二节 电解加工设备电解加工设备电解加工基本设备包括电解加工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惯用电解加工惯用直流电源为硅整流电源直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源和晶闸管整流电源，其主要特点及应用见，其主要特点及应用见表表2 2。第13页第13页表2 直流电源特点及应用第14页第14页n2)机床n电解加工机床任务是安装夹具、工件和阴极工具，并实现其相对运动，传送电和电解液。电解加工过程中虽没有机械切削力，但电解液对机床主轴和工作台作用力是很大，因此要求机床要有足够刚性；要确保进给系统稳定性，假如进给速度不稳定，阴极相对工件各个截面电解时间就不同，影响加工精度；电解加工机床经常与含有腐蚀性工作液接触，因此机床要有好防腐办法和安全办法。第15页第15页n3)电解液系统n在电解加工过程中，电解液不但作为导电介质传递电流，而且在电场作用下进行化学反应，使阳极溶解能顺利而有效地进行，这一点与电火花加工工作液作用是不同。同时电解液也担负着及时把加工间隙内产生电解产物和热量带走任务，起到更新和冷却作用。n电解液可分为中性盐溶液、酸性盐溶液和碱性盐溶液三大类。其中中性盐溶液腐蚀性较小，使用时较为安全，故应用最广。惯用电解液有NaCl、NaNO3、NaClO3 三种。n 第16页第16页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工件表面也被电解使得离阴极工具较远工件表面也被电解，成型精度难成型精度难于控制，复制精度差于控制，复制精度差；对机床设备腐蚀性大，故适合；对机床设备腐蚀性大，故适合用于加工速度快而精度要求不高工件加工。用于加工速度快而精度要求不高工件加工。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，故适合用于成型精度要求较高工件加工率，故适合用于成型精度要求较高工件加工。NaClONaClO3 3电电解解液液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成成型型加加工工。然然而而，NaClONaClO3 3是是一一个个强强氧氧化化剂剂，虽虽不不自自燃燃，但但遇热分解氧气能助燃，因此使用时要注意防火安全。遇热分解氧气能助燃，因此使用时要注意防火安全。电解平衡常数第17页第17页 横向流动结构横向流动结构:用于叶片等零件加工和浅模腔修复。用于叶片等零件加工和浅模腔修复。2)2)工具电极结构工具电极结构(电解液循环电解液循环)正向流动结构正向流动结构:密封装置简朴，加工精度较低；密封装置简朴，加工精度较低；反向流动结构反向流动结构: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18页第18页第三第三 节节 电解加工工艺应用电解加工工艺应用 当当前前，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、各各种种型型孔孔倒倒圆圆角角和和去去毛毛刺刺、整整体体叶轮加工等方面。叶轮加工等方面。图图3 3是是用用电电解解加加工工整整体体叶叶轮轮，叶叶轮轮上上叶叶片片是是采采用用套套料料法法逐逐一一加加工工。加加工工完完一一个个叶叶片片，退出阴极，经分度后再加工下一个叶片。退出阴极，经分度后再加工下一个叶片。第19页第19页图3 电解加工整体叶轮第20页第20页 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21页第21页 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种种特特殊殊形形式式，是是电电解解与与机机械械复复合合加加工工办办法法。它它是是靠靠金金属属溶溶解解(占占95%95%98%)98%)和和机机械械磨磨削削(占占2%2%5%)5%)综综合合作作用用来来实实现现加加工工。加加工工原原理理如如图图6 6所所表表示示。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电电解解间间隙隙。电电解解液液不不断断供供应应，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钝钝化化膜膜除除去去，继继续续进进行行电电化化学学反反应应，如如此此重复不断，直到加工完毕重复不断，直到加工完毕。第22页第22页n电解磨削阳极溶解机理与普通电解加工阳极溶解机理是相同。不同之处于于：电解磨削中，阳极钝化膜去除是靠磨轮机械加工去除，电解液腐蚀力较弱；而普通电解加工中阳极钝化膜去除，是靠高电流密度去破坏(不停溶解)或靠活性离子(如氯离子)进行活化，再由高速流动电解液冲刷带走。第23页第23页图 6 电解磨削加工原理图第24页第24页n2)特点n(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长处。n(2)加工精度高，表面加工质量好。由于电解磨削加工中，一方面工件尺寸或形状是靠磨轮刮除钝化膜得到，故能获得比电解加工好加工精度；另一方面，材料清除主要靠电解加工，加工中产生磨削力较小，不会产生磨削毛刺、裂纹等现象，故加工工件表面质量好。n(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。第25页第25页2 2电解磨削应用电解磨削应用 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外外圆圆圆圆周周按按需需要要形形状状进进行行预预先先成成型型，然然后进行电解磨削。后进行电解磨削。第26页第26页图7 平面磨削示意图 第27页第27页 图 8 电解成型磨削原理图第28页第28页n二 电铸成型n1电铸成型原理及特点n1)成型原理n 与大家熟知电镀原理相同，电铸成型是利用电化学过程中阴极沉积现象来进行成型加工，即在原模上经过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品。但电铸与电镀又有不同之处，电镀时要求得到与基体结合牢固金属镀层，以达到防护、装饰等目标。而电铸则要电铸层与原模分离，其厚度也远大于电镀层。第五节第五节 阴极沉积加工阴极沉积加工第29页第29页 电铸原理如图所表示，在直流电源作用下，金属盐溶液中金属离子在阴极取得电子而沉积在阴极母模表面。阳极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，使溶液中金属离子浓度保持基本不变。当母模上电铸层达到所需厚度时取出，将电铸层与型芯分离，即可取得型面与型芯凹、凸相反电铸模具型腔零件成型表面。第30页第30页电铸成型原理Cu第31页第31页2)特点特点 (1)(1)复复制制精精度度高高，能能够够做做出出机机械械加加工工不不也也许许加加工工出出细细微微形形状状(如如微微细细花花纹纹、复复杂杂形形状状等等)，表表面面粗糙度粗糙度RaRa可达可达0.1 m0.1 m，普通不需抛光即可使用。，普通不需抛光即可使用。(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，因因此此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)电铸可取得高纯度金属制品电铸可取得高纯度金属制品，如电铸铜，如电铸铜，它纯度高，含有良好导电性能，十分有助于电加它纯度高，含有良好导电性能，十分有助于电加工。工。第32页第32页(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，普通需要一周左右。如电铸镍，普通需要一周左右。(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。电电铸铸层层普普通通都都含含有有较较大大应应力力，因因此此大大型型电电铸铸件件变变形形明明显显，且且不不易易承承受受大大冲冲击击载载荷荷。这这样样，就就使使电电铸铸成成型型应应用用受受到一定限制。到一定限制。2 2电铸设备电铸设备电电铸铸设设备备(如如图图所所表表示示)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等。统等。第33页第33页电铸槽、直流电源、搅拌和循环过滤系统、恒温控制系统等第34页第34页1)电铸槽电铸槽电铸槽材料选取以不与电铸槽材料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普普通用钢板焊接，通用钢板焊接，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直直流流电电源源。惯惯用用硅硅整整流流，电电压压为为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减少电铸液为了减少电铸液浓差极化浓差极化，加大电流密度，减少加工加大电流密度，减少加工时间，提升生产速度时间，提升生产速度，最好在，最好在阴极运动同时加速溶液阴极运动同时加速溶液搅拌搅拌。搅拌。搅拌办法有循环过滤法、超声波或机械搅拌等办法有循环过滤法、超声波或机械搅拌等。循环过滤法不但能够使溶液搅拌，并且在循环过滤法不但能够使溶液搅拌，并且在溶液不断重溶液不断重复流动时进行过滤复流动时进行过滤。第35页第35页n4)恒温控制系统 n电铸时间很长，因此必须设置恒温控制设备。它包括加热设备(加热玻璃管、电炉等)和冷却设备(冷水或冷冻机等)。n3电铸应用n电铸含有极高复制精度和良好机械性能，已在航空、仪器仪表、精密机械、模具制造等方面发挥日益主要作用。n第36页第36页课后习题课后习题2、3、4第37页第37页图 刻度盘模具型腔电铸过程图(a)为电铸过程中阴极母模简图，图(b)为母模进行引导线及包扎绝缘处理图，图(c)为电铸，图(d)为电铸产品后处理图。下图为刻度盘模具型下图为刻度盘模具型腔电铸过程。其中图腔电铸过程。其中图(a)为电铸过程中阴极为电铸过程中阴极母模简图，图母模简图，图(b)为母为母模进行引导线及包扎模进行引导线及包扎绝缘处理图，图绝缘处理图，图(c)为为电铸，图电铸，图(d)为电铸产为电铸产品后处理图。品后处理图。第38页第38页