（机械制造及其自动化专业论文）线型复合工具电化学—机械加工金属材料新技术研究.pdf

摘要 摘要 本文研究了线形复合工具电化学机械螺旋式加工方法。分析了 电化学一机械加工的相关基础理论，建立了电化学一机械螺旋式切 割成型及加工系统模型，并在此基础上研制了新型的线型复合工具， 搭建了试验设备，进行了相关的试验和对加工的机理进行了初步的 分析。 首先对电化学一机械加工的基础理论及现状进行了分析，主要 从理论的层面建立了电化学一机械螺旋式切割成型加工系统模型， 并对其进行了分析。 随后以材料学、物理学、电化学基本理论为基础，分析电化学一 机械加工过程的本质特征，结合对各种现有的复合工具制造技术的 深入分析和比较，在此基础上研究并开发了一种具有一定抗拉强度、 排屑性能和较高切割效率的新型线型复合工具，通过进步的理论 分析和试验结果，提出了复合工具的改进方法和建议。 然后，根据试验的需要，通过对现有的电火花线切割机床及钻床 进行一系列的改装，设计并搭建了试验设备，该设备采用了电火花 线切割机床的现有的工作液的循环系统，工作台及运动控制系统， 通过设计相应的联结件和钻床地巧妙融合成一体，使复合工具能进 行较高精度的自旋运动和进给运动，满足了试验的需求。 最后进行了大量的工艺实验。实验内容包括两个方面：研究电 化学一机械螺旋式加工方法的抛光效果，并和气中电火花线切割抛 光进行对比：初步研究了电化学一机械螺旋式加工方法的切割效果 并研究复合工具在加工过程中的各种特性。 本论文较系统地从理论与实践上探讨了线型复合工具电化学一 机械螺旋式切割加工方法，研制新型绝缘螺旋磨料层复合工具，进 行一系列的工艺试验，探索加工机理，取得了良好的效果。 关键词：线型复合工具，电化学一机械加工 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t h i sp a p e rak i n do fm a c h i n e - e l e c t r o c h e m i s t r ym e t h o dw i t ha n e ww i r e c o m b i n e dt o o lh a sb e e ns t u d i e d d u r i n gt h ep e r i o d ， t h e e s s e n t i a lt h e o r yo ft h em a c h i n e e l e c t r o c h e m i s t r ym e t h o dh a sb e e n a n a l y s e d t h es y s t e m i cm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d b a s eo nt h i s ，a k i n do fn e ww i r e c o m b i n e dt o o lh a d b e e nd e v e l o p e d ，t h et e s te q u i p m e n t h a sb e e nd e s i g n e da n db u i l tu p ，a n da ni n v e s t i g a t i o nh a sb e e nm a d ei n t o t h ep o l i s h i n ga n dc u t t i n gf 色a s i b i l i t yo fh a r dm a t e r i a l sw h e nt h en e w m a c h i n e - e l e c t r o c h e m i s t r ym e t h o di sa d o p t e d f i r s to fa 1 1 ，t h ee s s e n t i a lt h e o r yo ft h em a c h i n e e l e c t r o c h e m i s t r y m e t h o dh a sb e e n a n a l y s e d ， a n dt h e s y s t e m i c m o d e ih a sb e e n e s t a b l i s h e d s e c o n d l y ，ak i n do fn e ww i r e - c o m b i n e dt o o lh a db e e nd e v e l o p e d ， t h i sn e wt 0 0 1i sm a d eu pw i t ht h ei n n e re l e c t r o d ea n dt h ee x t e r n a l h e l i c a la b r a s i v e s t h en e ws t r u c t u r eo ft h i sw i r e c o m b i n e dt o o l p r o d u c e ss c r e w ye f f 色c t so fe l e c t r o c h e m i s t r ya n dg r i n dt h r o u g ht h e m o v e m e n to ft u r n i n g t h i sn e wk i n do ft o o lh a sb e e nu s e dt op o l i s h s o m ek i n d so fh a r dm a t e r i a l ss u c ha sd i es t e e l s t a i n l e s ss t e e la n d h a r da 1 1 0 y t h i r d l y ，t h et e s te q u i p m e n th a sb e e nd e s i g n e da n db u i l tu pb yt h e r e f i to faw e d m h sm a c h i n ea n dad r i l l i n gm a c h i n e t h ec i r c l es y s t e m ， w o r k t a b l ea n df e e dc o n t r 0 1s y s t e mo fw e d m h sm a c h i n e ，a n dt h e t u r n i n gs y s t e mo ft h ed r i l l i n gm a c h i n eh a v eb e e na r r a n g e di np a i r so r 口o u p s f i n a l l yl a r g en u m b e r so f t e s th a sb e ed e v e l o p e d o n0 n eh a n d ，t h i s n e wk i n do ft o o lh a sb e e nu s e dt op o l i s hs o m ek i n d so fh a r dm a t e r i a l s s u c ha sd i es t e e l ，s t a i n l e s ss t e e la n dh a r da l l o y a f t e rm a c h i n i n g ，t h e s u r f a c eq u a l i t ya n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h es p e c i m e n sa r e s t u d i e d t h e e x d e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w t h a tt h i s m a c h i n e - e l e c t r o c h e m i s t r ym e t h o dc a ni m p r o v et h es u r f a c er o u g h n e s s a n dd e c r e a s es u r f a c ec r a c k sg r e a t l y 1 na d d i t i o n a l ，t h e r ea r en ow a s t a g e o ft h et o o lt h a tc a nb ef b u n d e dd u r i n gt h ep r o c e s s f i n a l l ya n o r t h o g o n a ld e s i g ni sa d o p t e dt oo p t i m i z et h ep r o c e s sp a r a m e t e r ss o a s t oo b t a i nt h eb e s ti n t e g r a t i v er e s u i t t h ee x p er i m e n tr e v e a l st h a ti ti sa f e a s i b l ea n de f f e c t i v ep o l i s hm e t h o df o ri m p r o v i n gt h es u r f a c ei n t e g r i t y o fh a r dm a t e r i a l s o nt h eo t h e rh a n da ni n v e s t i g a t i o nh a sb e e nm a d e i n t o a n d c u t t i n gf e a s i b i l i t y o fm a t e r i a l s w h e nt h en e w m a c h i n e - e i e c t r o c h e m i s t r ym e t h o di sa d o p t e d a n dt h ew a s t a g eo ft h e t o o lh a sb e es t u d i e dt o o i nt h e p a p a r ， m a c h i n e - e l e c t r o c h e m i s t r y m e t h o dw i t han e w w i r e c o m b i n e dt o o lh a sb e e ns t u d i e d 。ak i n do fn e ww i r e c o m b i n e dt 0 0 1 h a db e e nd e v e i o p e da n di a r g en u m b e r so ft e s to ft h i sm e t h o dh a sb e e d e v e l o p e d t h ef a c ts h o w st h a tt h j sm e t h o di sn o to n l yf 色a s i b l eb u ta l s o e f f e c t u a l k e yw o r d s ：w i r e - c o m b i n e dt 0 0 1 ，m a c h i n e - e l e c t r o c h e m i s t r y i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的学术背景及理论与实际意义 随着经济的进步和工业的发展，厚度在5 0 0 m m 以上的超大厚度模具 以及各种异形零件己大量出现，如果采取传统切削的加工方式，不但浪 费大量的材料和加工工时，而且对大厚度复杂封闭型腔零件的加工几乎 无能为力。如果采用现有的电火花线切割加工方式，虽然能克服以上的 缺点，但是加工效率非常低。而且，当切割厚度不断增加，放电间隙将 难以控制，短路不可避免，导致无法加工。因此，多年来尽管人们想尽 办法，但现有的电火花线切割加工在切割效率上进展缓慢，在切割厚度 上至今尚无新的突破”。，。 另外在模具制造等领域，抛光工序占用整体工时的百分之三十左 右，且抛光效果较差，急需探索一种高质量、高效率的且符合国内实际 生产情况的抛光新方法。 显然，伴随着科学技术和社会的不断发展，现有的加工手段和加工 技术已不能满足工业化的需求。如何实现大厚度工件的切割成型及模具 等超硬材料的高效、高质量抛光已经成为制造业的重要研究课题，迫切 需要发展出一种先进的加工技术以满足工业应用的需要“3 。 本项目提出一种基于线形复合工具的电化学一机械高效率高质量螺 旋式加工的新工艺和新方法。最终的线形复合工具将由螺旋缠绕的砂线 ( 或呈螺旋状的绝缘磨料层) 和芯部的电极组合而成，加工中工具做旋 转运动。工具的结构形状在旋转中将产生螺旋电解效应和螺旋机械切割 效应。由于电解作用具有加工效率高、工具无损耗等优点”“，在本系统 中将作为去除材料的主要手段。而复合工具外围的磨粒在对工件进行磨 削切割的过程中，不仅可有效刮除电解产物和钝化膜，更重要的是加工 产物在复合电极的旋转运动中得以迅速排出，使待加工的金属材料及时 裸露出来，如此反复，从而使加工系统具有很高的材料去除效率。 广东工业大学工学硕士学位论文 传统的电解加工过程中，虽然能获得较好的表面质量但是由于存在 杂散腐蚀作用，其阴极工具设计复杂，且电极与工件之间的间隙控制一 直以来需要采用较为复杂且昂贵的控制系统。电解加工虽然具有高效率 ( 加工效率为电火花加工的5 1 0 倍) ，加工过程稳定，工具电极无损 耗等适合用于加工深型腔零件的优点，然而由于其加工成本及加工精度 等方面的原因制约了电解加工在切割成型方面的应用。“。本项目采用 新型线型复合工具，其制作可望实现标准化，且只要采用合适直径的砂 线( 或制作合适厚度的绝缘磨料层) 就能稳定地得到均匀的电解加工间 隙，降低了机床对控制系统的要求，大大减少了加工成本。而且砂粒对 工件的磨削作用将使得一次加工后的工件有望获得良好的表面质量和 加工精度，这无疑具有巨大的实际应用前景。 本项日的研究将开发一种新的切割方法和工艺，预计不仅能对各种 金属材料进行高效抛光而且可以对较大厚度范围的金属材料进行切割 加工。与现有的电火花线切割相比加j 效率将有望大大提高，并获得更 好的表面质量。该技术的研究成功将为特种加工领域提供一种新的加工 手段，其实际应用前景诱人。 本论文是整个项目研究的一部分，主要研究初级复合工具的制作工 艺、初级试验设备的搭建、线形复合工具的电化学一机械螺旋式抛光的 效果、及探索线形复合工具的电化学一机械螺旋式切割的可行性。本论 文的研究将为整个项目的研究探明方向，打下基础。 1 2 国内外研究现状及发展 目前，国内外尚无采用此种方法进行金属切割成型的先例。 目前的切割加工方法主要有激光切割、磨料射流切割、火焰切割、 等离子切割、砂线切割以及电火花线切割等。其中激光切割、磨料射流 切割、火焰切割以及等离子切割虽然具有较高的切割效率但是它们一般 不适合切割成型厚度在l o o m m 以上的金属材料，且加工精度低表面质量 差1 ”。 第一章绪论 对于厚度较大的难加工金属零件的精密切割成型，电火花线切割虽 然加工速度比较低，但仍然是目前最为有效的一种加工方法。而国内高 速走丝线切割机床要比国外低速走丝线切割机床具有更大的切割厚度， 但一般适应加工厚度在5 0 0 m m 以下的工件，而当被加工工件厚度超过 5 0 0 m m 时，加工稳定性下降，加工逐渐变得困难。这主要是因为在加工 过程中，随着切割厚度不断增加，放电间隙将难以控制，短路不可避免， 致使无法加工。多年来，国内外的研究人员，在大厚度切割方面进行了 大量的研究和探索“8 _ 2 “，对现有的电火花线切割机床进行改造和发展， 采取了各种措施，据报道目前的最大稳定切割厚度为8 0 5 m m ”2 2 “，这基 本上已达到了现有电火花线切割机床的可以稳定加工的极限厚度。 在模具等超硬材料的抛光加工上，人们探索了各种工艺，但是目前 的效果很难令人满意，特别是对线切割加工厚度窄缝、深槽等仍然无能 为力。 近年来，随着玻璃、硅片等硬脆材料及其应用技术的迅速发展，切 割加工硬脆材料的新工艺、新设备不断涌现，其中以砂线切割技术( 属 于磨削加工的范畴) 最为突出。该方法利用砂线往复高速运动完成切割。 目前砂线切割方法已经能对厚度在4 5 0 m 左右的材料( 硅锭) 进行稳定 的切割成型。其切割效率最高可达每分钟6 0 0 平方毫米左右，一次切割 加工的粗糙度小于0 4um ，且切割精度在0 5um 以下。砂线的直径一般 在o 2 m m 至1 2 m m 之间，其制作也已经批量化、标准化。然而，单纯用 砂线加工金属材料，工具寿命很短且效率不高，因此，尚未见有砂线切 割用于金属材料成型的报道”4 。2 。 各种磨料与金属基体的结合工艺，如钎焊技术、电镀技术、涂附技 术等均比较成熟，并且获得的磨料层均具有较高的强度，能直接对较硬 的金属材料进行磨削加工。 电解加工具有加工过程稳定，电极无损耗，加工速度比电火花加工 快5 1 0 倍，加工间隙为电火花加工的1 0 倍以上等特点，适合用于大 型零件的拷贝式加工。早期的阳极切割，由于其加工性质，仅用于精度 要求不高的毛坯切割和下料，一般的纯电解方法不适合切割成型加工 2 6 2 叫 广东工业大学工学硕士学位论文 电解磨削复合加工方法由于综合了电解加工和磨削加工的优点，具 有加工成本较低，加工精度较高的特点，在对零件的抛光和平面及曲面 的加工中有一定的应用。然而，目前国内外电解磨削加工的工具形式多 为砂轮式或拷贝式，尚未见到用于切割方面的报道。”3 且由于砂轮尺寸 较大，也很难应用于窄缝、深槽等领域的抛光。 本项目提出的线型复合工具加工新技术，不仅能够对金属材料进行 高效率的抛光，适用于包括窄缝、深槽的各种场合，而且其新颖的工具 结构巧妙利用了电化学效应和机械磨削效应的各自优势，能拓宽抛光的 领域，提高抛光的质量，还能把电化学机械加工应用在切割成型上，并 且有望最终获得大厚度范围金属材料切割的成功，是一项非常值得研究 的新方法。 本论文的研究处于整个项目的初级阶段，虽然其制作的复合工具、 搭建的试验设备都比较粗糙，但是试验中良好的抛光效果，充分证明了 本项目提出的电化学一机械螺旋式加工方法是值得继续研究的，电证明 了复合工具的初步制作是成功的，这是国内外首次探索并制造这种形式 的工具。特别是后来成功的切割试验，虽然由于时间的关系进行得不多， 研究得不够深入，但是肯定为本方法在超大厚度切割上的突破打下了坚 实的基础。 1 3 课题研究概况 1 3 1 课题来源 本论文的课题来源于郭钟宁教授主持在研的两个项目 1 广东省科技计划项目2 0 0 3 c 1 0 2 0 3 6 2 国家自然科学基金项目5 0 5 7 5 0 4 6 1 3 2 本论文研究的主要内容 ( 1 ) 分析电化学一机械加工过程的本质特征，在此基础上研究并开发一 第一章绪论 种具有一定抗拉强度、排屑性能和较高切割效率的试验型线型复 合工具。 ( 2 ) 制作相应的试验切割装备。 ( 3 ) 研究工作液的组分与配比。并进行单因素试验及正交试验，探索 加工机理。 本论文根据研究内容分五章撰写，第一章为绪论，介绍国内外关于 超大厚度成型及电化学一机械加工的研究现状及本课题的研究意义和 研究方法：第二章通过对电化学一机械加工的基础理论及现状进行了分 析，建立了电化学一机械螺旋式切割成型加工系统模型。第三章以第二 章的基本理论为基础，研究并开发了符合试验要求的新型线型复合工 具，并通过进一步的理论分析和试验结果，提出了复合工具的改进方法 和建议。第四章根据试验的需要，通过对现有的电火花线切割机床及钻 床进行一系列的改装，设计并搭建了试验设备并对主要零件进行了校 核。第五章进行了大量的工艺实验。研究电解液的配方及其对加工的影 响；研究了电化学一机械螺旋式加工方法的抛光效果；研究了电化学一 机械螺旋式加工方法的切割效果；以及研究了复合工具在加工过程中的 各种特性。最后一章进行总结，根据理论分析及实验验证，提出电化学 一机械螺旋式加工的机理。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章电化学一机械螺旋式加工系统模型的 2 1 电解加工的理论基础 2 1 1 电解加工金属去除机理 建立 图2 1 电解加工原理 f i g 2 1p r i n c i p l eo fe c m 电解是电化学基础理论中的一个基本概念。电解的基本原理是电化 学阳极溶解，是指电极在电解液中并在一定外加电压下，在阳、阴两极 的“电极溶液”界面分别发生的氧化反应和还原反应的电化学过程。该 电化学过程可以用下列电极反应方程式描述： 在阳极表面：n i = n “+ 2 p ( 铁阳极溶解) 凡2 + + 2 0 吁一 凡fd j h ) ，j ( 墨绿色絮状物) 4 n ( ) 2 + 2 爿2 d + 0 2 4 凡( o h ) ， ( 黄褐色沉淀物) 在阴极表面：2 h + + 2 p et ( 逸出氢气) 在阳极表面，铁失去电子被氧化，发生阳极溶解的氧化反应；在阴 极表面，氢离子得到电子被还原，即进行还原反应。 第二章电化学一机械螺旋式加工系统模型的建立 2 1 2 电化学双电层理论 金属在含该有金属离子的水溶液中时，金属溶液界面上都会形成一 定的电荷分布，从而形成一定的电位差，我们称这个电位差为该金属的 电极电位。对于电极电位的形成，目前较普遍的解释是电化学双电层理 论。金属溶液界面双电层结构如图2 2 所示。由于各种金属的活泼性( 及 金属键合力的大小) 以及对金属离子的水化作用的强弱不同，会有两种 结构的双电层。对于活泼性强，金属键力小的金属，其金属溶液界面上 “水化作用”占优，则界面溶液一侧会被极性水分子吸引到更多的金属 离子，而在金属界面一侧则有自由电子规则排列，因此形成了图2 2a ) 左边所示的双电层电位分布。反之如果是活泼性差、金属键力强的金属， 则其金属溶液界面上金属表面一侧就会排列更多的带正电的金属离子， 对应溶液一侧则排列着带负电的离子，如此而形成如图2 2a ) 右边所示 的双电层结构。由于双电层的形成，在界面上就产生了一定的电位差， 这个金属，溶液界面双电层中的电位差称为金属的电极电位e ，其在界面 上的分布如图2 2b ) 所示”“。 a ) 两种金属的双电层b ) 双电层的电位分布 图2 2 金属溶液界面双电层示意图 f i g 2 - 2e l e c t r o c h e m i c a ld o u b kl a y e ia tm e t a l s 0 1 u t i o ni n t e r f a c e 2 1 3 电解加工间隙中的流场特性 电解加工间隙的流场特性，是研究电解加工的理论基础，流场影响 霉 广东工业大学工学硕士学位论文 电场，电场也影响流场。流场、电场的分布又都直接影响到电化学溶解 速度，并由此影响到电解加工间隙的分布。电解加工间隙中流过的介质 是气、液、固三相流，而电解产物所占比例很小可忽略，可近似为气液 两相流。 脉冲电流应用于电解加工中改善了流场特性，提高了加工质量。这 是因为脉冲电流的间歇作用和压力波的搅拌作用，改善了加工间隙中的 电解液的流动条件，使两极间的流场更加均匀；也使电解加工间隙可更 小，整平效果更显著；脉冲波也能起到改善电解液的循环、降低温度、 疏散气泡等作用o 。电解液的流动方向对加工精度及表面租糙度有很大 影响，而流场的设计直接影响到了电解液的流动和均匀分布。电解液的 压力和流速与电解能否顺利进行直接相关。电解液的温度对电极反应的 影响也很大，温度不能太高以免恶化极间电场，这样还需要考虑到溶液 的循环和散热等问题。在电解加工时会发现工件表面有一层较薄的黑 膜，这层黑膜阻碍了电极的继续反应。可通过适当增加电解液流速和压 力或者电流密度来去除黑膜，露出光泽的工件表面，使电解顺畅进行。 电解液的流向一般有三种情况：a 为正向流动，b 为反向流动，c 为横 向流动( 侧流) 。某些复杂的型面加工中，还可能存在既有正流，又有 反流这两种流动方式都存在的复合流动方式，如图2 3 所示： 曲口 a ) 正向流动b ) 反向流动c ) 横向流动( 侧流) 图2 3 电解液的流向 f i g 2 3d i r e c t i o no fn o wo fe l e c t r o l y t e 第二章电化学一机械螺旋式加工系统模型的建立 1 正向流动是指电解液从阴极工具中心流入，经加工间隙后，从四 周流出，其电解液流动状态为扩散流。，优点是夹具设计制造简单、密 封装置较简单，缺点是正向流动的流场均匀性较差，加工稳定性低及加 工精度较低、表面粗糙度也较大。若通液孔设计不当，则有可能存在液 流死区而阻碍加工的顺利进行，正向流动多用于加工形状不复杂且精度 要求不高的孑l 、槽等零件以及粗加工等场合。 2 反向流动情况刚好相反，其流场均匀、加工过程稳定且加工精度 较高，可用在加工形状复杂和精度要求较高的型孔、型槽以及异形零件 等场合，但是其夹具设计制造复杂，阴极工具的设计制造也比正向流复 杂得多。 3 横向流动( 侧流) 流场均匀性较好、加工稳定性适中、加工精度 较高且阴极设计制造较简单，但是其夹具设计制造较复杂、对加工形状 的适应性较差、流场的分布控制性不好故一般用在齿轮叶片的加工以及 较浅型腔模的修复加工等场合。 无论正向还是反向流动，当流线在端面间隙内相交而夹角小于等于 9 0 度时，容易产生死水区，不利于加工，应该尽量避免此问题。不同 的流动方式对电解加工夹具的工具阴极的设计有影响。一般来说，形状 复杂且精度要求高的工件可选用反流式或复合式加工，型面简单的工件 可选用正流式加工。 2 1 4 电解加工间隙中的电场特性 加工间隙内电场强度的分布状态、工具形状影响到电流密度的均匀 性，如图2 4 所示。在工件的尖角处电力线比较集中，电流密度较高， 蚀除较快，而在凹角处电力线较稀疏，电流密度低，蚀除速度较慢，所 以电解加工难以获得尖棱尖角的工件外形。在设计工具阴极形状时，要 考虑电场的分布情况”“。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 1 一阴极；2 阳极 图2 4 电力线分布示意图 f i g 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ed i s t r i b u t i n go fe l e c t r i cl i n eo ff b r c e 采用脉冲电流加工，电流处于开一关断一开状态的循环加工过程。当电 流频率在1 k h z 以上时，在t 。f f 期间，通过外电路放电而形成反向电流， 该反向电流起到了去极化的作用，提高了阳极表面的活化度，使阳极溶 解的集中蚀除能力增强；电流频率越高，反向电流越强，去极化能力也 就越强，对极间电解液的搅拌作用也越强，小问隙处电解液的填充性就 更好，能提高加工效率、加工精度以及光洁度。 金属阳极与溶解液界面所形成的双电层对电解抛光影响很大。如图 2 5 所示，不同的金属或同一金属在不同的电解液中所形成的双电层是 不相同的，双电层的电位差也不同。一般情况下，如图a 所示，金属表 面带负电，溶液界面带正电。而当金、银、铜、锌等惰性金属做电极时， 能产生如图b 所示的结果，即金属表面带正电、溶液带负电的双电层”。 寨霾 a ) 图2 - 5 双电层示意图 b ) f i g 2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fd o u b l ee l e c t r o d el a y e r 第二章 电化学一机械螺旋式加工系统模型的建立 2 2 电解加工工艺及发展 2 2 1 传统电解加工 基于电解过程中的阳极溶解原理，并利用一定形状的金属阴极，将 作为阳极的金属工件按一定形状和尺寸加工成型的特种加工工艺称为 电解加工( 图2 6 ) 。 图2 6 直流电解加工示意图 f i g 2 6p t i n c i p l eo fd ce l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g 然而要实现一定尺寸、形状的电解加工，还要有一个完整的加工系 统( 图2 3 ) 去满足电解加工要求的特定工艺条件。 首先，“电极溶液”界面的电化学反应必须被限制在特定的所需区 域。在图2 6 中可以看到，电解过程中的电流密度线是不均匀地分布在 电解液中和电极表面上。电极间距越小的地方电流密度线越密，电化学 反应也就越强烈，阳极被蚀除得就越快。因此保持微小的电极间隙，便 可以把电化学反应集中在阳极金属表面需要被蚀除的特定区域。这样工 具阴极的型面就会被“拷贝”到工件上，从而得到所需的零件形状。在 传统的直流电解加工中，电极的散蚀能力强，为了得到理想的精度，需 要在工具的侧面加绝缘层，并用微小的间隙加工，其范围一般在0 1 1 m m 之内，加工电压一般为1 0 2 4 v 【3 9 ，4 。 另外要保证加工能够稳定进行，必须及时清除加工间隙中的电解产 物。一般可以在加工间隙中不断高速( 6 3 0 m s ) 通过电解液，以保证 广东工业大学工学硕士学位论文 带走阳极溶解产物和电解电流通过电解液时所产生的热量，并去极化。 有时由于加工型面太复杂，或者加工间隙太小，不能直接通过高速电解 液，还要采取工具定时回退的方法清除电解产物，这样导致了加工效率 的降低。 传统的直流电解加工散蚀强，加工间隙较大，加工精度较低。 卜直流电源2 一工具阴极3 一工件阳极4 一电解液泵5 一电解液 图2 7 电解加工系统原理图 f i g 2 - 7e 1 e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n gs y s t e m 2 2 2 外电场作用下的阳极极化曲线及特征 电解加工中，阳极电极电位e a 相对应阳极电流密度i 。的关系曲线， 称为阳极极化曲线，其反映了电解加工效率与阳极电位的关系。效率的 变化主要取决于阳极电流i 。的高低，阳极金属以及电解液性质等因素。 其主要类型有三种，如图2 8 所示： 1 全部处于活化溶解状态：( 如图2 8 a 所示) 电流密度和阳极金属 溶解作用随阳极电位的提高而增大，阳极金属表面一直处于电化学阳极 溶解状态，即活化状态，铁在盐酸中就是这种状态。 2 活化一钝化一超钝化的变化过程：( 如图2 8 b 所示) 在阳极极化 第二章电化学一机械螺旋式加工系统模型的建立 曲线的初始a b 段，为活化溶解阶段；过了b 点之后，随阳极电位e a 的增 大，阳极电流f a 会突然降低，阳极溶解速度也会剧减，这一现象称为钝 化现象，对应图中b c 段称为过渡钝化区；c d 段随阳极电位e a 的增大， 阳极电流f a 会缓慢上升，称为稳定钝化区；而过了d 点后，随阳极电位 的提高，阳极电流又继续较快地增大，同时阳极溶解速度也相应继续增 大，将对应的d e 段曲线称为超钝化阶段”“。 a ) 整个区域为活化溶解b ) 存在钝化区c ) 存在不完全钝化区 图2 8 三种典型的阳极极化曲线 f i g 2 - 4t h r e et ，p i c a la n o d i cp o l a r i z a t i o nc u r v e s 3 活化一不完全钝化( 抛光) 一超钝化变化状态：图2 8 中c ) 所示的 变化过程与第二种类型基本相似：a b 段称活化区；b d 段( 有的是c d 段) 称不完全钝化区，d e 段进入超钝化区。在不完全钝化区内，随阳极电位 的升高，电流密度和阳极溶解速度变化很小，但阳极溶解还在进行，阳 极表面存在阳极膜，溶解后的表面平滑且有光泽，此不完全钝化区问又 称为抛光区。不完全钝化区电流密度较为恒定且生成可溶性保护钝化 膜，表面粗糙度低m 。 2 2 3 高频脉冲电解加工 脉冲电流电解加工( p u l s ee i e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ，p e c m ) ，按其 加工电电压波形可以分为矩形波或正弦波；按照频率可以分为低频( 数 十h z ) 、宽脉冲( m s 级) 或高频( 数k h z 到数十k h z ) 、窄脉冲( u s 级) 。 广东工业大学工学硕士学位论文 对于超高频脉冲( 数m h z 到百m h z ，脉宽数百n s 到数百p s ) 电解加工 目前尚处于试验研究阶段，成熟的工艺还没有形成。 脉冲电流电解加工是以周期性间歇供电代替传统的直流连续供电使 工件阳极在电解液中发生周期的断续电化学阳极溶解。脉间的( 脉冲间 歇的简称) 的断电间歇可以起到去极化、散热，使间隙的电化学特性、 流场、电场恢复起始状态的作用。这种周期性的通电和断电的过程导致 了电解加工间隙过程物理、化学特性的系列变化，而且脉冲的频率越 高，这种作用就越强烈【4 ，现以脉冲电解加工的共性阐述如下。 1 电流效率曲线的非线性特性的强化：在脉冲条件下，活化、钝化 与超钝化溶解的电流密度区域与直流条件下是不同的，说明脉冲条件下 阳极极化特性有所变化。在脉冲条件下钝化溶解区域扩大，从而使超钝 化在较高的电流密度下发生。可能在某些条件下还加速了阳极表丽从钝 化状态向超钝化状态的过渡过程，但其强化机理目前尚未完全明了。 2 脉冲电流电解加工间隙中流场压力和温度特性变化：首先体现在 与脉冲电流同期生成的氢气压力波上，脉冲电流会导致氢气压力波的生 成，压力波对极间电解液的搅拌作用使脉冲电解加工极间的流场参数趋 于均匀，并改善了电解液对小间隙处的充填能力；另外间隙热交换条件 有所改善，因为脉冲加工中发热的周期仅为较短的脉冲宽度，而随后在 脉间宽度的周期内即散出，导致达到沸点温度的电流密度较直流加工 大，而在同样的峰值电流密度下极间温度则较直流加工为低。以上两种 效应大大减小了最小问隙处因温度过高、流场恶劣而造成的蒸发、空穴 和沸腾而导致的局部钝化、火花和短路等弊病，提高了间隙过程的稳定 性，从而使脉冲电流电解加工的最小稳定间隙较传统直流加工小，间隙 分布的均匀程度较传统直流加工高。 脉冲电流电解加工的间隙过程的物理、化学特性的变化有利于阳极 溶解的集中蚀除能力的加强，有利于加工间隙的缩小和均匀化，可以降 低表面粗糙度和较大幅度地提高电解加工的精度。据报道华南理工大学 用1 0 k h z 的频率加工圆凸台，精度达到o 0 5 m m ，而传统的直流加工一 般为o 1 5 o 3 0 m m 。 第二章电化学一机械螺旋式加工系统模型的建立 2 2 4 超窄脉冲电解加工 超窄脉冲电解加工的加工原理是通过电化学双电层的区域性充电来 达到区域性蚀除。在工具与工件电极之间加上脉冲电压时，电化学双电 层电容就会被周期性地充放电，其充放电的时间常数t 由双电层电容与电 解液电阻的乘积所决定，而电解液电阻的大小会随着电流路径的长短而 变化。因此，两电极靠近的地方电流路径短，电解液电阻小，这里的双 电层电容就会被脉冲电压快速充电，然而在电极距离较远的地方，双电 层电容的充电就会逐渐减弱。双电层电容与电解液电阻组成了一个r c 网络，相当于一个高通滤波器，因此高频脉冲在c 上的压降很小，即高 频脉冲对双电层电容的充电很小。电极间距越大，电解液电阻就越大， c 上的压降就越小，电解作用就越弱。 双电层电容充放电的时间常数可以用来估计可加工的最大电极间 隙( 电极间隙小到这个值时，双电层电容的电压值被充到脉冲电压幅值 的6 3 以上) 。在一维模型中，时间常数为： f 2 c m p d ( 2 1 ) 其中：c 。，为工具和工件特定的双电层电容； p 为特定的电解液电阻； d 为电极间距。 当所加在两电极之间的脉冲电压宽度等于这个时间常数时，该电源 的可加工最大电极间隙就是d 。在这个一维模型里面，双电层电容被充 电的峰值电压与电极间距d 的关系近似于线性关系。而电解反应速度与 双电层电容的压降成指数关系，因此随着电极间隙的增加，电解反应速 度会呈指数关系降低，而在传统直流电解加工的电化学反应速度与电极 间隙呈线性关系。通过提高脉冲的频率和减小脉冲的宽度，超窄脉冲电 解加工可以达到很高的精度，可以单步并行制造出类似l i g a 方法制造的 结构。超窄脉冲电解加工可改善加工工件的表面质量，在较佳的工艺条 件下可采用超窄脉冲电解加工方法获得镜面光度的加工表面。另外，超 窄脉冲电解加工还能获得较高的加工效率和较好的加工稳定性，并且其 工艺简化易于推广。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 5 电化学一机械加工 电化学一机械加工属于复合加工的范畴。电解化学一机械加工大体 包括固接磨料电化学一机械加工和流动磨料电化学一机械加工两种。 在流动磨料电解磨削中，微小的磨料随着电解液一起进入加工区， 工具电极上固定的不织布使之滞留，并带动其对工件表面进行加工。其 基本原理如图2 9 所示： l 阴极2 电刷3 不织布磨片4 电源5 工件6 不织布压块7 电解液 回流槽 图2 9 流动磨料电解磨削原理图 f i g 2 9p r i n c i p l eo fm a c h i n e e l e c t r o c h e m i s t r yp r o c e s sw i t hn o a t i n g a b r a s i v e s 1 6 第二章电化学一机械螺旋式加工系统模型的建立 t 太 1 电极( 阴极) 2 工件( 阳极) 3 电解液4 钝化膜5 磨料6 电刷 图2 1 0 固定磨料电解磨削原理图 f i g 2 10p r i n c i p l eo fm a c h i n e e l e c t r o c h e m i s t r yp r o c e s sw i t hi m m o v a b l e a b r a s i v e s 在固结磨料电化学一机械加工中，采用导电砂轮来去除金属材料， 问隙由磨粒凸起的高度来决定。通常磨削过程仅负责去除工件表面相对 比较柔软的钝化膜，9 0 9 5 的材料去除由电解作用来完成。因此，电 解磨具有生产率高、磨轮损耗低的优点。其原理如图2 1 0 所示。电解磨 削的导电架砂轮和工件必须与机床绝缘，以构成正负极。磨削时工件接 直流电源的阳极，导电磨轮接阴极，磨轮上凸出的磨料使工件与磨轮的 金属基体构成一定的加工间隙( 保证工件与砂轮不短路) ，并对工件产生 一定的接触压力。当电解液输入加工间隙中并接通电源时，电源从工件 通过电解液而流向磨轮，形成通路，于是工件( 阳极) 表层金属发生电化 学腐蚀。 电解磨削使用钝化性电解液，因为钝化性电解液在低电流密度下 易使被加工表层金城生成钝化膜，这层钝化膜只有在大电流密度下才会 遭到破坏而使表面不断溶解，而在低电流密度下钝化膜不会破坏，从而 阻止工件表面的进一步溶解。这层膜有一定的强度，但比金属的强度要 低得多。电解磨削在低电流密度下工作，钝化电解液形成的钝化膜很难 以电解的方式去除，它主要是通过机械作用刮除的，使工件工作表面能 够再被电解。工件表面是高低不平的，磨削时高处的钝化膜首先被磨粒 广东工业大学工学硕士学位论文 刮除露出的金属表面又会重新被电解溶解，溶解的同时又产生了新的钝 化膜。低处的钝化膜因磨粒刮削不到而被保存下来，这样就使得低处的 金属不能溶解，这个过程循环进行，达到所要求的表面粗糙度。一般情 况下，膜厚大约是几个微米，而且膜的硬度和强度大大低于金属本体， 很容易被磨粒刮除。所以磨削时只要选择的参数合理，就可以得到高质 量的表面和很高的效率。 磨削作用是提高电流效率的主要因素，磨粒磨削的目的主要是加速 电解作用，而磨削出来的表面粗糙度大小主要取决于磨粒的机械研磨过 程，电解磨削比纯电解加工和纯机械磨削的质量都好，且速度快。 电解磨削工艺与普通砂轮磨削相比有以下特点： ( 1 ) 较高的磨削效率及生产率 电化学作用蚀除大量金属，并生成钝化膜，再加上砂轮磨削的机械 磨削，使得即使磨削象硬质合金、不锈钢、钛合金或其它高硬度、 高强度、高韧性的金属材料，磨轮也能容易进行加工。 ( 2 ) 高精度、低粗糙度 磨除的钝化膜硬度低，故磨削力、磨削热都小，功率消耗也小，加 上电解液的冷却作用，表面质量好，热应力小，当磨削条件各种参 数选择恰当时，能软得接近镜面的加工效果。 ( 3 ) 工具寿命长，加工成本低 磨削力小，砂轮损耗小，极大地提高了砂轮寿命，比普通砂轮磨削 提高6 8 倍以上，故工具成本低。 ( 4 ) 适应性强。 对凸凹不平的工件，生成的钝化膜高凸处被磨去，金属表面可继续 电解，低凹处钝化膜未磨掉起保护作用，从而很快使整个工件表面 达到整体均平。 ( 5 ) 因机械磨削力小，可磨削低刚度零件 ( 6 ) 可加工大型零件。 电解磨削也存在一些不足，如需要增没专用电源、电解液循环系统 等辅助设施：电解液有腐蚀作用，机床及工件不加工部位应有防护措施， 磨削过程中有刺激气味，电解液雾产生，因而还应加装防护及通风系统 第二章电化学一机械螺旋式加工系统模型的建立 等。 总之电解磨削加工中材料去除主要靠电化学作用( 占7 5 一9 5 ) ， 而砂轮的机械作用主要是去除质地疏松、硬度低的钝化膜，使电解得以 继续，并提高加工质童。因此，在电解磨削整个过程中，切削力和切削 热都很小，工件不易产生裂纹，没有或很少残余应力，能高效率加工出 良好的工件表面。 电解磨削的生产率主要取决于电参数( 即电压及电流密度) ，电解液 的成分。机械因素影响小，故与工件硬度、材料强度无关。且能获得较 高的加工表面质量。 由普通电解磨削可知，电解加工所产生的电解产物的排除靠高速流 动的电解液冲刷作用，且电解液的成分和浓度是影响阳极钝化膜性质和 厚度的主要因素，而钝化膜是否均匀、致密又直接影响加工精度，电解 液主要起电解、冷却和排屑的作用。在实际生产中，当磨削压力大时， 经常使磨料磨损或脱落，堵塞了加工间隙，影响电解液的输入，易引起 火花放电或发生短路、烧伤现象，所以电解液流是否通畅，电解产物是 否能得到及时排出关系到加工中各个指标。 我们课题组设计的螺旋电极能从其特殊、新颖的构造上解决上述易 发生的问题，能保持加工过程中电解液的通畅，并及时排出电解产物。 因此线型复合工具电化学一机械螺旋式加工的方法是一种电化学一机 械加工新方法，它能在保持原有方法加工优点的基础上获得更好的加工 指标。并且其加工间隙可以保持在o 2 m m 左右，有望弥补传统电化学机 械加工在成型领域的不足。 2 3 系统模型的建立： 本研究拟开发的新型复合工具和拟采用的试