精密加工与特种加工复习资料.docx

精密加工第六章与第十章 第六章：重点概要 电化学加工的基本原理 电化学加工的分类 电解加工 电化学机械复合加工 阴极沉积加工1. 电化学是研究化学能和电能之间相互转化规律的科学2. 电化学加工的基本原理：当两个铜片接上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片（电极）和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。溶液中的离子将作定向移动：正离子移向阴极并在阴极上得到电子而进行还原反应； 负离子移向阳极并在阳极上失去电子进行氧化反应（也可能是阳极金属原子失掉电子而成为正离子进入溶液。3. 溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移。在阳、阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应。利用电化学反应原理对金属进行加工的方法即电化学加工。 （图中阳极上为电解蚀除，阴极上为电镀沉积，常用以提炼纯铜）4. 电化学加工分类：5. 电解加工是利用金属在电解液中的“电化学阳极溶解”来将工件成型的6. 电解加工的电极反应（钢在NaCl水溶液中电解加工的电极反应）按照电极反应的基本原理，电极电位最负的物质首先在阳极反应， 按照电极反应的基本原理，电极电位最正的离子将首先在阴极反应。因此，在阴极上只会析出氢气，而不可能沉淀出钠。加工综合反应过程为2Fe+4H2O+O2 2Fe（OH）3+ H27. 电解加工的特点（优点）：1、加工范围广，生产效率高（电火花加工的510倍）2、加工质量好（Ra值：1.250.2m；加工精度：0.1mm）3、无机械力作用（无残余应力、无变形）4、阴极工具理论上不损耗8. 电解加工的特点（缺点）：1、不易达到较高的加工精度和加工稳定性。2、电极工具的设计和修正比较麻烦。3、电解加工的附局设备较多，占地面积较大，机床要有足够的刚性和防腐性能，造价高。 4、电解产物需进行妥善处理，否则将污染环境。 9. 电解加工的基本规律: 1. 电化学当量 生产率：以单位时间内去除的金属量来衡量，用mm3/min或g/min表示。 法拉第电解定律：（1）在电极的两相界面处（如金属/溶液界面上）发生电化学反应的物质质量与通过其界面上的电量成正比。这称为法拉第第一定律。理论蚀除量：m=KQ= KIt K-电化学当量 （质量）g/(Ah，单位电量溶解的元素质量（2）在电极上溶解或析出一克当量任何物质所需的电量是一样的，与该物质的本性无关。这称为法拉第第二定律。法拉第常数，F=96500（As/mol）, M/n=kF k=M/nF 阳极溶解金属的理论体积为 V=W/=kIt/=It 体积化学当量 ：单位电量溶解的元素体积 10. 例题：用NaCl电解液在碳钢上加工40mm*70mm的方孔，深度为50mm。若要求10min完成加工，需要多大的电流？如有5000A容量的直流电源，此时的进给速度是多少？需多少时间完成？（解答见书126页）11. 加工间隙的分类。加工间隙可分为底面间隙、侧面间隙和法向间隙三种(见图) 。 底面间隙是沿工具阴极进给方向上的加工间隙；侧面间隙是沿工具阴极进给的垂直方向上的加工间隙；法向间隙是沿工具阴极各点的法向上的加工间隙。12. 影响生产率的因素：（1）电化学当量对生产率的影响 ，电化学当量愈大，生产率愈高（）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：一般来说，加工间隙越小，电解液的电阻越小，电流密度越大，蚀除速度也就越高例：用温度30、质量分数为15%的NaCl电解液，对某一碳钢零件进行固定式阴极电解扩孔，起始间隙为0.2mm（单边，下同），电压为12V。求刚开始的蚀除速度和间隙为1mm时的蚀除速度，并求间隙由0.2mm扩大到1mm所需的时间。（只有提示）（4）其他因素对生产率的影响（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）13. 电解质溶液：电解液的作用1作为导电介质，传递电流，产生电化学反应2排屑3散热对电解液的要求：电化学特性方面 ，物理特性方面 ，稳定性方面 ，实用性方面v 电化学特性方面的要求：电解液中各种正负离子必须并存，相互间只有可逆反应而不相互影响。在工件阳极上必须能优先进行金属离子的阳极溶解，不生成难溶解性钝化膜，以免阻碍阳极溶解过程。因此，电解液中的阴离子常是标准电极电位很正的F-、Cl-、ClO3-等离子。对电解抛光则应能在阳极表面生成可溶性覆盖膜，产生不完全钝化，以获得均匀、光滑的表面。阳离子不会沉积在工具阴极表面，阴极上只发生析氢反应，以免破坏工具阴极型面，影响加工精度。因此，电解液中的阳离子通常是标准电极电位很负的Na+、k+、NH4+等离子。阳极反应的最终产物应能形成不溶性的氢氧化物，以便于净化处理，故常采用中性盐水溶液。但在某些特殊情况下为避免在加工间隙区出现沉淀等异物，则要求能产生易溶性氢氧化物，因而需选用酸性电解液。v 物理特性方面的要求：应是强电解质，即具有高的溶解度和大的离解度。一般用于尺寸加工的电解液应具有高的电导率，以减少高电流密度（高去除率）时的电能损耗和发热量。精加工时则可采用低浓度、低电导率电解液，以便于提高加工精度。尽可能低的黏度，以减少流动压力损失及加快电解产物和热量的迁移过程，也有利于实现小间隙加工。高的热容以减少温升，防止沸腾、蒸发和形成空穴，也有利于实现小间隙、高电流密度加工v 稳定性方面的要求：电解液中消耗性组分应尽量少（因电解产物不易离解），应有足够的缓冲容量以保持稳定的最佳pH值（酸碱度）；电导率及黏度应具有小的温度系数。 实用性方面的要求：对环境污染和人体危害小，对设备产生的腐蚀作用轻；安全，不易燃，不爆炸；无毒、应尽量避免产生Cr+6及NO2-等有害离子；使用寿命长；价格低廉，易于采购。电解液的分类中性：NaCl，NaNO3，NaClO3 酸性：HCl，H NO3， H2SO4 碱性： NaOH，KOHNaCl电解液的特点：易溶解、电离度高导电性好 含有活化Cl-离子钝化膜小 适应面广、价廉 安全无毒 加工稳定，组分及其性能基本不变 对设备的腐蚀性大 杂散腐蚀严重，复制精度差v NaNO3电解液：属于钝化型电解液v NaClO3电解液：特性与NaNO3电解液相似：价格贵， 强氧化剂， 属于消耗性电解液：（ Cl-离子，杂散损失）切断间隙：由于阳极钝化膜的作用，当加工间隙大于某临界间隙时 电流效率为零，称该临界间隙为切断间隙切断电率密度：切断间隙下的电流密度改善电解液性能的方法 使用添加剂或复合电解液三、加工表面质量与加工参数的关系 1、提高表面粗糙度的措施 1）小间隙和高电流密度电解加工 此时突出部位的去除速度将大大高于低凹处，提高了整平效果。 2）脉冲电流电解加工析出的氢气是断续的，呈脉冲状，对电解液起搅拌作用，消除加工间隙内电解液电导率的不均匀化 3）选择与工件材料相适应的电解液（浓度、流速、温度） 4）混气电解加工6.3.6电解加工设备：电解加工的基本设备包括直流电源、机床、电解液系统三大实体及其相应的控制系统。电解加工设备的基本要求： 机床刚性强 进给速度稳定性高 设备耐腐蚀性好 电气系统抗干扰性强 大电流传导性好 安全措施完备电解加工机床的主要类型 电解加工机床按阴极是否固定可分为两类：阴极固定式和阴极移动式。 电解加工机床按整体结构布置形式可分为立式和卧式两大类。 电解加工机床的传动系统 机床的传动系统有液压传动和机械传动两类。 液压传动结构简单，但在低速时稳定性差，易爬行，故目前国内电解加工机床采用液压传动的不多。 机械传动进给系统有三类：一是采用交流电动机，经变速机构实现分级进给运动；二是采用直流电动机晶闸管无级调速系统；三是采用伺服电动机可严格按照控制信号而动作，易调速。后两种在加工过程中可以方便的调速，也易于实现自动控制，机械系统简单，已被大多数机床采用。电解加工对电源的要求： 1）连续可调低电压直流电：824V 2）大加工电流：几千到几万安培 3）恒定电压：稳压精度小于1% 4）具有保护线路5）实用性好电解加工电源的种类因为电解加工必须用直流电，因此电源装置必须把市电提供的交流电整流为直流电。根据整流方式不同，电解电源可分为三类。1）直流发电机组2）硅整流电源3）可控硅整流电源电解液系统的作用：连续而平稳地向加工区供给一定压力的足够流量和合适温度的干净电解液。电解液系统的组成： 主要由电解液泵、电解液槽、过滤器、热交换器和管道、阀、流量计等附件等组成根据电解加工的特点，选用电解加工工艺应考虑下列基本原则： (1)较大批量生产的工件，特别是对工具的损耗严重的工件(如涡轮叶片)的加工。否则采用电解加工成本太高。(2)难切削材料，用传统机械切削的方法难以奏效、甚至无法加工的特殊工程金属材料（导电），如高硬度、高强度或高韧性材料的工件的加工。 (3)复杂结构零件，如三维型面的叶片，三维型腔的锻模、机匣等的加工。 (4)特殊的复杂结构，如薄壁整体结构（刚性差）、深小孔、异型孔、空心气冷涡轮叶片的横向孔、干涉孔、炮管膛线等的加工。 电化学机械复合加工的定义（如电解磨削）由电化学阳极溶解作用和机械加工作用结合起来对金属表面进行加工的复合工艺技术。电化学作用去除金属；机械作用：加速电化学机械复合加工的特点1、加工范围广，生产效率高2、加工精度和表面质量优良，加工后工件表面微观呈现为平顶状，具有极佳的摩擦学特性。3、机械磨具磨损小；4、控制条件好5、成本低电解磨削过程中，金属主要是靠电化学作用腐蚀下来，砂轮起磨去电解产物阳极钝化膜和整平工件表面的作用电解磨削与机械磨削比较，具有以下特点：1） 加工范围广，加工效率高；2） 可以提高加工精度及表面质量3） 砂轮的磨损量小与机械磨削相比，电解磨削的不足之处是：加工刀具等的刃口不易磨得非常锋利；机床、夹具等需采取防腐防锈措施；还需增加吸气、排气装置，以及需要直流电源、电解液过滤、循环装置等附属设备。6.5 阴极沉积加工（电镀）：镀铬；镀铜；镀镍；镀银电铸加工 1、 原理：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液，阴极原模上的电铸层逐渐加厚。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。特点：1）能准确、精密地复制复杂型面和细微纹路 2）能获得尺寸精度高、表面粗糙度小于0.1m复制品，同一原模生产的电铸件一致性极好。 3）借助石膏、石蜡等为原模材料，可把复杂零件的内表面复制为外表面，外表面复制为内表面，然后再复制，适应性广泛。 4）电铸件有较好的机械强度，不需热处理淬硬 5）电铸速度慢；电铸层厚度不易均匀，且厚度较薄，仅为48 mm左右。涂镀1、原理金属表面局部快速电化学沉积金属的新技术2、特点1）不需要镀槽，可以局部表面涂镀 2）涂镀液种类、可涂镀的金属比镀槽多，选用更改方便 3）镀层与基体金属的结合力比槽镀得牢固，镀笔 的移动限制了晶粒的长大和排列，使得镀层中存在大量超细晶粒和高密度的位错4）因工件与镀笔之间有运动，一般需人工操作3、工艺过程 1）表面预处理 2）清洗、脱脂、除锈 3）电净处理 4）活化处理 5）镀底层 6）镀尺寸镀层和工作镀层 7）镀后清洗四、复合镀（略）第10章 超高压水射流加工10.1 超高压水射流加工原理：超高压水射流加工是利用高速水流对工件的冲击作用来去除材料的特点：1) 切割时工件材料不会受热变形，切边质量较好：切口平整，无毛刺，切缝窄，宽度为0.0750.40mm。(2) 加工过程中，作为“刀具”的高速水流不会变“钝”，各个方向都有切削作用，因而切割过程稳定。(3) 切割加工过程中，温度较低，无热变形、烟尘、渣土等，加工产物随液体排除，不会有爆炸或火灾的危险。故可以用来切割加工木材、纸张等易燃材料及制品。(4) 水资源丰富，价廉，属于绿色加工范畴 (5) 加工材料范围广，既可用来加工非金属材料，也可以加工金属材料，而且更适宜于加工切割薄的和软的材料。(6) 加工成本低。材料利用率高，使用的水量也不多（可循环利用），降低成本。节省设计制造费用(7) 对某些材料，夹裹在射流束中的空气将增加噪声，噪声随压射距离的增加而增加。在液体中加入添加剂或调整到合适的正前角，可以降低噪声，噪声分贝值一般低于标准规定。 10.4 超高压水射流加工设备：1. 增压系统，增压系统主要包括增压器、控制器、泵、阀及密封装置等。2. 切割系统：喷嘴是切割系统最重要的零件。喷嘴应具有良好的射流特性和较长的使用寿命。喷嘴的结构取决于加工要求、常用的喷嘴有单孔和分叉两种。 3. 控制系统：可根据具体情况选择机械、气压和液压控制。4. 过滤设备：在进行超高压水射流加工时，对工业用水进行必要的处理和过滤有着重要意义：延长增压系统密封装置、宝石喷嘴等的寿命，提高切割质量，提高运行的可靠性5. 机床床身：机床床身结构通常采用龙门式或悬臂式机架结构，一般都是固定不