第六章 电化学加工.ppt

第六章电化学加工 电化学是研究化学能和电能之间相互转化规律的科学 化学能 电能 第六章电化学加工 应用广泛 第一节电化学加工原理及分类 电化学加工 ElectrochemicalMachining ECM 利用电极在电解液中发生的电化学作用对金属材料进行加工的方法 动画 电化学加工原理 电极反应 在电极上进行的有电子得失的化学反应 阳极 发生氧化反应的电极阴极 发生还原反应的电极 1 利用阳极金属的溶解去除材料的电解加工 2 利用阴极金属的沉积作用进行的镀覆加工 3 利用电化学方法与其他加工方法结合的电化学复合加工 电化学加工按加工原理可以分为三大类 一 电解加工过程及其特点 利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理来去除工件上多余材料 对工件进行成形加工的一种方法 第二节电解加工 工件接阳极 工具接阴极 两极间加直流电压6 24V 极间保持0 1 1mm间隙 在间隙处通以6 60m s高速流动的电解液 形成极间导电通路 工件表面材料不断溶解 其溶解物及时被电解液冲走 工具阴极不断进给 保持极间间隙 1 工作原理 图中的细竖线表示通过阳极 工件 和阴极 工具 间的电流 竖线的疏密程度表示电流密度的大小加工开始时 工件阳极与工具阴极的形状不同 工件表面上的各点至工具表面的距离不等 因而各点的电流密度不等 阳极与阴极距离较近的地方通过的电流密度较大 电解液的流速也较高 阳极溶解的速度也就较快 而距离较远的地方 电流密度就小 阳极溶解就慢 由于工具相对工件不断进给 工件表面上各点就以不同的溶解速度进行溶解 电解产物不断被电解液冲走 直至工件表面形成与工具表面基本相似的形状为止 2 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的限制 可加工硬质合金 耐热合金等 2 电解加工的生产率高 约为电火花加工的5 10倍 3 加工过程中工具阴极理论上不耗损 可长期使用 4 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 二 电解加工时的电极反应 电解液可分为中性盐溶液 酸性溶液 碱性溶液三大类 中性盐溶液的腐蚀性小 使用时较安全 故应用最普遍 最常用的有NaCl NaNO3和NaClO3三种电解液 例 钢在NaCl水溶液中电解加工的电极反应 阳极反应Fe 2eFe 2Fe 2 2OH Fe OH 2 墨绿色的絮状物 4Fe OH 2 2H2O O24Fe OH 3 黄褐色沉淀 阴极反应按可能性为2H 2eH2 Na eNa 不会产生 阳极其它反应 1 生产率及其影响因素 电化学当量对生产率的影响电化学当量愈大 生产率愈高 实际电蚀量为 三 电解加工的基本工艺规律 电流密度对生产率的影响电流密度越高 生产率越高 但在增加电流密度的同时 电压也随着增高 因此应以不击穿加工间隙 引起火花放电 造成局部短路为度 加工间隙对生产率的影响加工间隙越小 电解液的电阻越小 电流密度越大 蚀除速度也就越高 但间隙太小会引起火花放电或间隙通道内电解液流动受阻 蚀除物排除不畅 以至产生局部短路 反而使生产率下降 因此间隙较小时应加大电解液的流速和压力 此外电源电压 电解液种类 工件材料的化学成分和组织结构都对生产率有影响 2 加工精度及其影响因素 不仅与加工间隙有关 还与机床 工艺装备 工具阴极 工件 工艺参数等诸多因素有关 提高加工精度的主要措施如下 脉冲电流电解加工 小间隙电解加工 改进电解液 混气电解加工 3 表面质量及其影响因素 工件材料的合金成分 金相组织和热处理状态 工艺参数 电流密度 电解液的流速大小和温度高低 工具阴极的表面质量 4 工件表面必须除油去锈 5 电解液必须经过滤沉淀 不含固体颗粒杂质 对模具消耗较大 精度要求不太高的矿山机械 农机 拖拉机等所需的锻模已逐渐采用电解加工 四 电解加工的应用 型腔加工 涡轮发动机 增压器 汽轮机等的叶片 叶身型面形状比较复杂 要求精度高 加工批量大 采用机械加工难度大 生产率低 加工周期长 而采用电解加工则不受叶片材料硬度和韧性的限制 在一次行程中就可加工出复杂的叶身型面 生产率高 表面粗糙度小 电解加工整体叶轮在我国已得到普遍应用 2 型面加工 动画 电解加工整体叶轮图 机械加工中去毛刺的工作量很大 尤其是去除硬而韧的金属毛刺 需要很多的人力 电解倒棱去毛刺可以大大提高工效 3 电解倒棱去毛刺 对一些形状复杂 尺寸较小的四方 六方 椭圆 半圆等形状的通孔和不通孔 机械加工很困难 可采用电解加工 4 型孔加工 用套料加工方法可以加工等截面的大面积异形孔或用于等截面薄形零件的下料 5 套料加工 套料阴极工具1 阴极片 2 阴极体 异形零件 1 环境能使金属钝化的介质称为钝化剂 多数钝化剂都是氧化性物质 如氧化性酸 硝酸 浓硫酸 铬酸 氧化性酸的盐 硝酸盐 亚硝酸盐 铬酸盐 重铬酸盐等 氧也是一种较强钝化剂 2 温度降低温度有利于钝化的发生 反之亦然 电化学钝化是阳极极化时 一定条件下 金属的电位发生变化而在电极表面上形成金属氧化物或盐类 这些物质紧密地覆盖在金属表面上成为钝化膜而导致金属钝化 3 有许多因素能够破坏金属的钝态 使金属活化 这些因素包括 活性离子 特别是氯离子 和还原性气体 如氢 非氧化性酸 如盐酸 碱溶液 能破坏两性金属如铝的钝态 机械磨损 阳极钝化现象 第三节复合电解磨削 复合电解磨削是利用电解作用与机械磨削作用相结合而进行加工的复合加工 导电砂轮1与直流电源的阴极相联 被加工工件2 硬质合金车刀 接阳极 它在一定的压力下与导电砂轮相接触 加工区域中送入电解液3 在电解和机械磨削的双重作用下 车刀的后刀面很快被磨光 电解磨削原理图 一 复合电解磨削的基本原理 电流从工件3通过电解液5而流向磨轮 形成通路 于是工件 阳极 表面的金属在电流和电解液的作用下发生电解作用 电化学腐蚀 被氧化成为一层极薄的氧化物或氢氧化物薄膜4 阳极薄膜 但阳极薄膜迅速被导电砂轮中磨粒刮除 在阳极工件上又露出新的金属表面并被继续电解 这样电解作用和刮除薄膜的磨削作用交替运行 工件被连续加工 直至达到一定的尺寸精度和表面粗糙度 1磨料砂轮 2导电砂轮结合剂铜或石墨 3工件 4电解产物 阳极钝化薄膜 5电解液 复合电解磨削所用的阴极工具是含有磨粒的导电砂轮 电解磨削过程中 金属主要是靠电化学作用腐蚀下来 导电砂轮起磨去电解产物阳极钝化膜和整平工件表面的作用 二 复合电解磨削的特点 a 加工范围广 加工效率高由于电解作用和工程材料的机械性能关系不大 因此 只要选择合适的电解液就可以用来加工任何高硬度 高韧性的金属材料 加工硬质合金时 与普通的金刚石砂轮磨削相比 电解磨削的加工效率要高3 5倍 b 工件的加工精度和表面质量高由于砂轮只起刮除阳极薄膜的作用 磨削力和磨削热都很小 不会产生磨削裂纹和烧伤现象 因而能提高加工表面质量和加工精度 一般表面粗糙度可优于Ra0 16 m c 砂轮的磨损量小普通刃磨时 碳化硅砂轮磨削硬质合金其磨损量为硬质合金质量的4 6倍 电解磨削时仅为硬质合金切除量的50 100 与普通金刚石砂轮磨削相比 电解磨削砂轮的损耗速度仅为它们的1 5 1 10 可显著降低成本 采用电解磨削加工不仅比单纯用金刚石砂轮磨削时效率提高2 3倍 而且大大节省金刚石砂轮 一个金刚石导电砂轮可用5 6年 d 对机床 工具腐蚀相对较小由于电解磨削是靠砂轮磨粒来刮除具有一定硬度和粘度的阳极钝化膜 由此电解液中不能含有活化能力很强的活性离子 如Cl 离子 一般使用腐蚀能力较弱的NaNO3 NaNO2等为主的电解液 以提高电解成形精度和有利于机床 工具的防锈 防蚀 三 复合电解磨削的应用 电解磨削由于集中了电解加工和机械磨削的优点 生产中经常用来磨削一些高硬度材料的零件 如 各种硬质合金刀具 量具 挤压拉丝模 轧辊等 普通磨削难以加工的小孔 深孔 薄壁筒 细长杆件等 1 电镀 电镀是应用电化学原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程 既可防腐蚀又可起装饰的作用 在电镀时 一般将需要镀层的零件作为阴极 连接电源负极 而用作镀层的金属 如Ni Cr合金 Au等 作为阳极 连接电源正极 电镀液一般为含镀层金属配离子的溶液 电镀工作原理示意图 第四节阴极沉积加工 现象 银白色的铁制品变成紫红色预处理 抛光 除油 酸洗 水洗等 例 2 电铸 电镀与电铸的区别 电镀层厚度较薄 0 01 0 05mm 电铸镀层厚度较厚 0 05 5mm 电铸目的主要是复制模具 工艺品以及加工高精度的空心 薄壁零件及导管等 电铸加工原理图 3 电刷镀 Thankyouforyourlistening 作业 1 从原理和机理上分析 电化学加工有无可能发展成为 纳米级加工 或 原子级加工 技术 2 阳极钝化现象在电解加工中是优点还是缺点 举例说明 3 何谓电解加工 有何优缺点 4 何谓复合电解磨削 5 电镀和电铸的加工原理是什么 电镀和电铸加工有何不同 目的各是什么 Fe 3eFe 3 4OH 4eO2 2H2O2Cl 2eCl2 阳极其它反应 概率极小 电化学的用途 1 提供化学电源 干电池 蓄电池 燃料电池等 2 氯碱工业 完全靠电解 3 有色金属的冶炼 Na Li K Mg Al 4 生物电化学 细胞膜电势 心电图 脑电波 5 电分离 不同金属由于析出电位不同而实现电解分离 6 电加工 电抛光 电刻 电铸7 材料保护 电化学腐蚀 电化学防腐8 电催化 制氢 烃类氧化 电极材料起关键作用 第六章电化学加工 阴极 阳极 电极反应 在电极上进行的有电子得失的化学反应 阳极 发生氧化反应的电极阴极 发生还原反应的电极 电解质溶液的导电机理 离子的定向移动和电极反应 电解池导电机理示意图 1 工具阴极2 工件阳极3 电解液泵4 电解液5 直流电源 电解加工示意图 1 电解加工的过程 电解加工缺点 电解加工影响因素多 技术难度高 不易实现稳定加工和保证较高的加工精度 工具电极的设计 制造和修正较麻烦 因而很难适用于单件生产 电解加工设备投资较高 占地面积较大 电解液对设备 工装有腐蚀作用 电解产物的处理和回收困难 电解加工过程中 由于水的分解消耗 电解液的浓度逐渐变大 而电解液中的Cl 和Na 仅起导电作用 本身并不消耗 因此对于NaCl电解液 只要过滤干净 适当添加水分 就可长期使用 工具也可长期使用 加工范围广不受材料本身强度 硬度和韧性的限制 可加工高强度 高硬度和高韧性等难切削的金属材料 如淬火钢 钛合金 硬质合金 不锈钢 耐热合金 可加工叶片 花键孔 炮管膛线 锻模等各种复杂的三维型面 以及薄壁 异形零件等 能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面和型腔 进给速度可快达0 3 15mm min 表面质量好加工中无切削力和切削热的作用 所以不产生由此引起的变形和残余应力 加工硬化 毛刺 飞边 刀痕等 可以达到较低的表面粗糙度 Ra1 25 0 2 m 和 0 1mm左右的平均加工精度 电解微细加工钢材的精度可达 10 70 m 适合于加工易变形或薄壁零件 加工过程中工具电极理论上无损耗 可长期使用 因为工具阴极材料本身不参与电极反应 其表面仅产生析氢反应 同时工具材料又是抗腐蚀性良好的不锈钢或黄铜等 所以除产生火花短路等特殊情况外 工具阴极基本上没有损耗 加工生产率高约为电火花加工的5 10倍以上 在某些情况下比切削加工的生产率还高 且加工生产率不直接受加工质量的限制 故一般适宜于大批量零件的加工 电解加工 利用金属在电解液中可以发生阳极溶解原理 将工件加工成型的一种技术 有良好的导电性不使阳极产生钝化有利于阳极溶解 定义 电解液的要求 组成 ZnO NaOH 添加剂电镀反应 2NaOH ZnO H2O Na2 Zn OH 4 阴极