第14讲 电化学加工.ppt

1 第14讲电化学加工 电铸 电解磨削 教学目的 掌握电铸 电解磨削的基本原理和特点 了解电铸 电解磨削的工艺过程 知识点 电铸的特点及用途 电铸工艺流程 电解磨削的特点及用途 2 一 电铸加工 1 电铸加工的原理和特点 原模 电铸层 电铸材料 含电铸材料的金属盐溶液 原理与电镀相同 用导电的原模作阴极 电铸材料作阳极 含电铸材料的金属盐溶液作电铸液 在直流电的作用下 阳极金属被腐蚀成为金属离子进入电铸镀液 阴极原模上电铸层逐渐加厚 当达到预定厚度时 设法与母模分离并取出 即可获得与原模型面凹凸相反的电铸件 电铸是利用金属的电解沉积 翻制金属复制品的加工方法 1 原理 3 2 特点 1 复制精度高 可用制品作为母模 准确地复制形状复杂的成形表面和细微纹路 制件表面粗糙度小 用同一原模能生产多个电铸件 复制品一致性好 2 设备简单 操作容易 成本低 3 电铸速度慢 电铸件厚度薄 壁厚不均匀 尺寸大而薄的铸件容易变形 4 适用制作塑料模型腔 耐腐蚀性好但不宜受冲击 5 可把零件的内表面加工转为母模的外表面加工 制造机械加工无法加工的复杂形面 6 通过电铸加工可获得高纯度的电极 导电性好 7 电铸件有较好的机械强度 不需热处理淬硬 4 3 电铸加工的应用如下 1 可复制精细的表面轮廓花纹 如唱片模 工艺美术品模 纸币 证券 邮票的印刷版等 2 可按制品复制注塑模具和玻璃模型腔 型腔耐腐蚀性好 4 可制造复杂 高精度的空心零件和薄壁零件 如波导管等 5 可制造表面粗糙度标准样块 反光镜 表盘 异型孔喷嘴等特殊零件 3 电铸电火花型腔加工用的电极 导电性好 5 4 电铸材料及用途 1 电铸镍 适用于小型塑料模型腔复制和高精度内表面的加工 质量好 强度和硬度好 表面粗糙度小 电铸时间长 价格昂贵 2 电铸铜 用于电铸电极和电铸镍壳的加固层 导电性好 价格便宜 强度和耐磨性差 不耐酸 3 电铸铁 用于电铸镍壳的加固层和修补磨损的机械零件 成本低 质量差 易腐蚀 6 2 电铸设备 电铸设备主要包括电铸槽 直流电源 恒温控制备 水位自动控制设备 电子换向器和搅拌过滤系统 1 电铸槽由铅板 橡胶或塑料等耐腐蚀材料作衬里 小型的可用陶瓷 玻璃或搪瓷容器 2 直流电源采用低电压大电流的直流电源 常用硅整流或可控硅直流电源 3 恒温控制设备保证电铸液温度基本不变 包括加热器 温度计和恒温控制器 7 4 电子换向器为了改善电铸时尖端放电现象 定期改变阳极及母模的电流方向 而采用电子换向器 5 搅拌过滤系统为了降低电铸液浓度差 加大电流密度 应有搅拌器 为了除去工作液中的固体杂质 应有循环过滤系统 8 3 电铸成形工艺过程 母模设计与制造 母模表面处理 电铸至规定厚度 脱模和加固 清洗干燥 辅助机械加工 成品 1 母模设计与制造 母模的形状与型腔相反 母模尺寸应考虑材料收缩率 沿型腔深度方向应加长5 8mm 以备电铸后切除端面的粗糙度部分 对需脱模的母模 电铸表面应有15 30 的脱模斜度 并进行抛光 使表面粗糙度达Ra0 16 0 08 同时需考虑脱模措施和电铸时的挂装位置 9 在母模的轮廓较深的底部凹 凸不能相差太大 同时尽量避免尖角 母模常用材料有 不锈钢 中碳钢 铝 铜 低熔点合金 有机玻璃 塑料 石膏 石蜡等 母模所用材料有金属和非金属材料之分 其中又可分为可熔型不可熔型等 可根据不同需要进行选择 制造母模的各种材料及其优缺点可参见表4 8 10 11 2 母模表面处理 1 金属母模须钝化处理或镀脱模层处理 钝化处理一般用重铬酸盐溶液处理 镀脱模层一般是镀8 10 m厚的硬铬 形状复杂的母模 可先镀镍再镀铬 脱模困难的深型腔 先喷上一层聚乙烯醇感光剂 经曝光烘干后进行镀银处理 用低熔点合金制成的母模不需要镀脱模层 12 2 石膏或木材制成的母模须防水处理 在电铸前可用喷漆或浸漆的方法进行防水处理 用石膏制成的母模还可采用浸石蜡的方法进行防水处理 3 非金属母模镀导电层处理非金属不导电 不能直接电铸加工 因此要经过镀导电层处理 镀导电层处理一般是在防水处理后进行的 可以采用导电漆的涂敷处理 真空涂膜或阴极溅射处理 常用的是采取化学镀银或化学镀铜处理 为了得到良好的导电层 一般母模需要经两次镀导电层处理 而石膏母模则需进行三次镀银处理 13 4 引导线及包扎处理母模经镀起模层处理及镀导电层处理后需进行引导线及包扎处理 其目的是使导电层能够在电沉积操作过程中良好地通电 并将非电铸表面予以隔离 3 脱模和加固电铸件壁厚较薄 一般要用其它材料在其背面加固 防止变形 机械加工后再镶入模套 最后脱模 常用的脱模方法有 脱模架脱模 化学溶解母模 加工热熔化母模 加热或冷却胀缩分离 14 螺钉脱模 金属母模脱模比较困难 常用脱模架或螺钉脱模 可以用旋转螺钉的方法进行起模 15 如果母模带有螺旋槽 其起模可用图示方法 使铸件6随母模5沿轴线旋转而起模 金属母模用起模架和螺栓将型芯拉出分离的专用工具 16 非金属母模 例如有机玻璃 在加热软化后脱模则比较方便 一般加热温度为100 200 等到冷却至70 80 即可将母模取出 铝制母模可用氢氧化钠溶液溶解母模 对镍层无损伤 黄铜母模可用硝酸溶液溶解母模 对铬层无损伤 低熔点合金和石蜡母模可加热熔化 对电铸层无损伤 较浅的型腔甚至可直接用开水加热后起模 但是母模容易受热变形 损坏 17 加固的方法有喷涂金属 无机粘结 铸铝 浇环氧树脂或低熔点合金 1 喷涂金属一般在电铸件的外层进行 达到一定厚度后机加工 2 无机粘结是将电铸件镶入配车的钢套内用无机粘结剂粘结在一起 粘结层厚度为0 2 0 3mm 3 铸铝是在电铸件的背后加固 4 浇环氧树脂或低熔点合金是浇铸在电铸电极的内壁 防止电极加工时变形 18 电铸型腔与模套组合形式1 卸模架 2 型芯 3 电铸型腔 4 粘接剂 5 模套 6 垫板 最常用的加固方法是采用模套进行加固 加固后再对型腔外形进行起模和机械加工 模套是按电铸件配作的金属套 模套与电铸件之间有少量间隙 在模套内孔和电铸型腔外表面涂一层无机粘结剂后再进行压合 以加强配合强度 19 4 电铸加工实例 实例1刻度盘模具型腔电铸工艺过程 1 母模制作用45号钢制作 表面粗糙度为Ra0 01 m 为方便母模和电铸件加工时的装夹 母模上作一M36的工艺螺孔 为进行引导线及包扎处理 母模中心和四周准备了小螺孔 2 脱模层处理 镀硬铬8 10 m 3 引导线及包扎绝缘处理 用胶木螺钉将绝缘板与母模非铸面固定成一体 导电杆外部套塑料管后拧入母模 20 4 电铸 电铸层为4 5mm时停止电铸 5 电铸后处理 将铸取下后拧入带螺纹的芯轴 夹芯轴车铸件外圆及台阶 按铸件外圆配车铜镶套 铸件与铜套涂无机粘结剂后装配 粘结剂厚度为0 2 0 3mm 再用芯轴定位和夹紧 车镶套外圆和中间孔 取出母模 即得到刻度盘模具型腔 21 实例2精密细微喷嘴内孔电铸工艺过程 表面质量和尺寸精度要求很的精密异形小孔的加工 用除去材料的方法加工是很困难的 而采用精密电铸的方法比较容易解决 镀铬层 黄铜型芯 电铸镍层 内孔镀铬层 22 二 电解磨削 1 电解磨削原理 电解磨削是电解作用和机械磨削相结合的一种复合加工方法 在电解磨削过程中 工件绝大部分余量 98 由电解作用去除 小部分由磨削切除 磨粒的主要作用是去除阳极钝化膜和平整工件表面 电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理加工 加工时 工具电极接直流电源阴极 工件接阳极 两极之间保持一定的间隙 一定压力的电解液从两极间高速流过 将电解产物冲走 电解加工效率比电火花加工高四倍以上 电极损耗极小 可长期使用 23 电解磨削时 工件接直流电源的正极 导电磨轮接负极 导电磨轮与工件之间保持一定的接触压力 凸出的磨料使工件与磨轮的基体金属之间构成一定的间隙 电解液经喷嘴输入间隙中 在加工中 磨轮不断旋转 将工件表面由化学反应形成的硬度较低的钝化膜刮去 新金属露出 继续产生电化学反应 达到加工要求 2 电解磨削的特点 1 加工高硬度高韧性的金属效率高 与金刚石砂轮磨削硬质合金相比 工效提高3 5倍 2 加工精度高 表面质量好 磨一般材料表面粗糙度可达Ra0 1 m 磨硬质合金可达镜面 24 3 砂轮寿命长 与金刚石砂轮磨削硬质合金相比 砂轮消耗降低90 大降低砂轮成本 4 设备需防锈 劳动条件差 磨刀具刃口不锋利 3 电解磨床 电解磨床由机床 电解电源和电解液系统三部分组成 1 机床主轴与床身绝缘 主轴要有足够的精度 有机动慢速转动功能 机床有防腐措施 2 电解电源一般用硅整流直流电源 有无级调压和稳压装置 用石墨磨轮加工硬质合金时 采用交流电源 25 3 电解液系统由电解液箱 泵 管道和喷嘴组成 电解液喷射方式有三种 标准式用于一般加工 直接式用于大批量生产 刮板式用于加工精度要求的工件 4 导电磨轮 导电磨轮一般由铜粉和磨料加压烧结而成 可用铜 树脂 石墨作结合剂 以人造金刚石 氧化铝 碳化硅为磨料制成 为了获得一定的加工间隙 使磨粒凸出于磨轮导电基体一定高度 可采用 反电解 方法获得 26 所谓 反电解 就是与正常加工相反 将磨轮接正极 另一铜片接负极放在电解液中 慢慢转动磨轮使磨轮导电基体电解 露出磨料颗粒 石墨磨轮不能 反电解 适合加工批量小 形状复杂 精度要求不高的工件 可加工硬质合金 金刚石导电磨轮适合磨削硬质合金 氧化铝导电磨轮适合加工除硬质合金以外的各种钢料 适合加工批量大 精度高的工件 27 5 电解液 电解液主要成份有硝酸钠 亚硝酸钠或氯化钠 次氯酸钠 前者用于磨硬质合金 后者用于磨高温合金 6 影响电解磨削的因素 1 工作电压 升高工作电压 则电流密度增大 加速阳极溶解 生产效率高 但对加工精度和表面质量不利 2 磨削压力 磨削压力以不产生火花放电又能刮除氧化膜为原则 一般为0 1 0 3MP 28 3 工件和磨轮的接触面积 接触面积大 生产率高 尽量保持较大的接触面积 4 磨轮的线速度 在一定范围内 线速度高 生产率高 一般为20 30m s 5 电解液的供给量和浓度 电解液的流量随加工方式而定 电解液浓度一般控制在10 左右 7 电解磨削的应用 适合加工硬质合金 高温合金 钛合金 淬火钢 不锈钢等难加工材料 可用于平面磨削 成形磨削和内外圆磨削 29 小结 1 电铸加工是利用金属的电解沉积 翻制金属制品的工艺方法 其基本原理与电镀相同 2 电铸加工时导电母模作阴极 电铸材料作阳极 3 电铸法制模的工艺过程为母模设计与制造 母模表面处理 电铸至规定厚度 脱模和加固 清洗干燥 辅助机械加工 成品 4 金属母模电铸前须钝化处理或镀脱模层处理 以便电铸后易于脱模 钝化处理一般用重铬酸盐溶液处理 镀脱模层一般是镀8 10 m厚的硬铬 5 对非金属母模 在电铸前要进行镀导电层处理 30 6 常用的脱模方法有 脱模架脱模 化学溶解母模 加工热熔化母模 加热或冷却胀缩分离 7 电铸加工的特点 复制精度高 设备简单 操作容易 成本低 可把零件的内表面加工转为母模的外表面加工 制造机械加工无法加工的复杂形面 电铸型腔耐腐蚀 不需热处理 电铸电极导电性好 电铸速度慢 电铸件厚度不均匀 易变形