电解磨削加工

1、电解磨削加工电解磨削加工 山东大学机械工程学院 高效洁净机械制造教育部重点实验室 2013 Your site hereLOGO 1 2 3 4 目录目录 电解磨削加工原理电解磨削加工原理 电解磨削加工特点电解磨削加工特点 电解磨削加工工艺电解磨削加工工艺 电解磨削加工设备电解磨削加工设备 Your site hereLOGO 1. .电解磨削加工原理电解磨削加工原理 电解磨削时电解磨削时, , 硬质合金工件接直流硬质合金工件接直流 电源正极电源正极, , 导电砂轮接直流电源负极导电砂轮接直流电源负极, , 两者之间保持一定的接触压力两者之间保持一定的接触压力, , 工件与工件与 砂轮表面突出

2、的磨粒保持一定的电解间砂轮表面突出的磨粒保持一定的电解间 隙隙, , 电解液喷嘴向间隙中供给电解液。电解液喷嘴向间隙中供给电解液。 当接通电源后当接通电源后, , 工件表面发生电化学反工件表面发生电化学反 应应, , 硬质合金被电解硬质合金被电解, , 并在其表面上形并在其表面上形 成一层极薄的氧化膜成一层极薄的氧化膜( (电解膜电解膜),),其硬度远其硬度远 低于硬质合金本身。这层氧化膜被高速低于硬质合金本身。这层氧化膜被高速 旋转的金刚石砂轮磨粒不断的刮除并随旋转的金刚石砂轮磨粒不断的刮除并随 着电解液带走，使工件表面的新材料漏着电解液带走，使工件表面的新材料漏 出出, , 继续产生电解反

3、应。电解和氧化膜继续产生电解反应。电解和氧化膜 的刮除交替进行，使硬质合金连续加工的刮除交替进行，使硬质合金连续加工 形成光滑的表面并达到一定的加工精度。形成光滑的表面并达到一定的加工精度。 主轴主轴 电刷电刷直流电源直流电源 导电砂轮导电砂轮 电解液喷嘴电解液喷嘴 工件工件 磨粒磨粒 图图1：电解磨削加工原理图：电解磨削加工原理图 Your site hereLOGO 硬质合金是以坚硬的碳化物（）为主要成分，以添加金硬质合金是以坚硬的碳化物（）为主要成分，以添加金 属（）为粘结剂，经压制烧结而成。电解磨削过程主要是阳极电化属（）为粘结剂，经压制烧结而成。电解磨削过程主要是阳极电化 学反应过程

4、。现以亚硝酸盐为主要成分的电解液加工硬质合金为例，学反应过程。现以亚硝酸盐为主要成分的电解液加工硬质合金为例， 说明其电化学反应过程。说明其电化学反应过程。 一一. .阳极电化学反应阳极电化学反应 （）钴的氧化反应（）钴的氧化反应（金属钴在金属钴在1.2V1.2V时开始溶解时开始溶解）。 （）碳化钛、碳化钨的氧化反应（碳化钨溶解是从（）碳化钛、碳化钨的氧化反应（碳化钨溶解是从1.7开始，开始， 碳化钛到碳化钛到3.0V3.0V才开始溶解）才开始溶解） 在以亚硝酸盐为主要成分的电解液中，碳化钛、碳化钨的阳极氧在以亚硝酸盐为主要成分的电解液中，碳化钛、碳化钨的阳极氧 化，主要是由于具有氧化性的化，

5、主要是由于具有氧化性的 氧化作用的结果。其过程是亚硝酸氧化作用的结果。其过程是亚硝酸 根离子首先在阳极上氧化，并生成根离子首先在阳极上氧化，并生成 ， 再与碳化钛、碳化钨作再与碳化钛、碳化钨作 用，使之氧化。用，使之氧化。 TiCWC, Co eCoCo2 2 2 2 )(2OHCoOHCo 42O N 42O N 42O N eONNO22 42 2 2 Your site hereLOGO 反应中产生的一氧化氮，由于电极上氧或原子氧的作用，立即被反应中产生的一氧化氮，由于电极上氧或原子氧的作用，立即被 氧化为二氧化氮，生成的二氧化氮一部分放出，一部分溶于碱性溶液氧化为二氧化氮，生成的二氧化

6、氮一部分放出，一部分溶于碱性溶液 中，再生成亚硝酸盐。中，再生成亚硝酸盐。 或或 阳极上除了亚硝酸根离子被氧化外，溶液中的水分子或氢氧根离阳极上除了亚硝酸根离子被氧化外，溶液中的水分子或氢氧根离 子也可能在阳极上放电，生成原子氧。子也可能在阳极上放电，生成原子氧。 （中性介质中）（中性介质中） （碱性介质中）（碱性介质中） 生成的原子氧，一部分互相化合生成氧气而放出，一部分吸附在生成的原子氧，一部分互相化合生成氧气而放出，一部分吸附在 活化金属的表面，使残留的碳化钨、碳化钛发生氧化活化金属的表面，使残留的碳化钨、碳化钛发生氧化 NOCOWOONWC82242 342 NOCOTiOONTiC6

7、2232 242 22 22NOONO 2 NOONO OHNaNONaNONaOHNO 2322 22 eHOOH22 2原子氧 eOHOOH22 2原子氧 Your site hereLOGO 虽然阳极上产生的虽然阳极上产生的 和原子氧都能使碳化钛、碳化钨发生氧和原子氧都能使碳化钛、碳化钨发生氧 化，但在亚硝酸盐为主要成分的电解中，化，但在亚硝酸盐为主要成分的电解中， 的作用是主要的。在生的作用是主要的。在生 成高价氧化钨的同时，也有一些低价氧化钨生成。各种氧化钨生成成高价氧化钨的同时，也有一些低价氧化钨生成。各种氧化钨生成 的量，在很大程度上取决于阳极氧化电位，氧化电位越高，生成高的量，

8、在很大程度上取决于阳极氧化电位，氧化电位越高，生成高 价氧化钨俞容易，氧化电位越低，生成低价氧化钨俞容易。生成的价氧化钨俞容易，氧化电位越低，生成低价氧化钨俞容易。生成的 在碱性溶液中，在碱性溶液中， 将进一步发生化学溶解：将进一步发生化学溶解： 二二. .阳极钝化反应阳极钝化反应 电解磨削过程也是工件表面钝化电解磨削过程也是工件表面钝化活化不断交替进行的过程。活化不断交替进行的过程。 根据电化学反应理论，钝化是由于吸附的或成相的氧化层或盐层在根据电化学反应理论，钝化是由于吸附的或成相的氧化层或盐层在 工件表面上形成，而使金属的阳极溶解过程的电位升高或是这一过工件表面上形成，而使金属的阳极溶解

9、过程的电位升高或是这一过 程减慢。程减慢。 （1 1）钴的钝化反应）钴的钝化反应 42O N COWOOWC 3 4 原子氧 COTiOOTiC 2 3 原子氧 42O N 3 WO OHWOOHWO 243 2 Your site hereLOGO （2 2）钨的钝化反应）钨的钝化反应 （3 3）钛的钝化反应）钛的钝化反应 三三. .阴极的电化学反应阴极的电化学反应 热力学数据和实验表明，阴极电化学反应主要是氢气的析出。热力学数据和实验表明，阴极电化学反应主要是氢气的析出。 但是在某些情况下，也可能有其他副反应发生，如金属离子的还但是在某些情况下，也可能有其他副反应发生，如金属离子的还 原或

10、其氧化物的沉积等。原或其氧化物的沉积等。 吸附 OCoOCo CoOOCo COWOOWC 吸附 O 4 2 COWOOWC 3 4 COOTiOOTiC 吸附 3 COTiOOTiC 2 3 22 222HOHeOH Your site hereLOGO 2.电解磨削加工特点电解磨削加工特点 生产率高生产率高 表面质量好表面质量好 精度高精度高 砂轮损耗小砂轮损耗小 Your site hereLOGO 3.电解磨削加工工艺电解磨削加工工艺 （一）主要工艺参数（一）主要工艺参数 （1 1）电流密度及电压）电流密度及电压 电解磨削过程中，生产率随电流密度的增大而提高，电流过大或电解磨削过程中，

11、生产率随电流密度的增大而提高，电流过大或 过小都会降低加工精度及表面质量。电解磨削硬质合金时，电流密度过小都会降低加工精度及表面质量。电解磨削硬质合金时，电流密度 在在110A/cm110A/cm2 2时生产率最高，实际所用的电流密度为时生产率最高，实际所用的电流密度为15-60A/cm15-60A/cm2 2，电压，电压 为为7-10V7-10V。粗磨时电流密度为。粗磨时电流密度为20-30A/cm20-30A/cm2 2，精磨时，精磨时5-6A/cm5-6A/cm2 2。电解磨削。电解磨削 电压不宜过高，否则会产生大量电火花，加剧砂轮磨损，降低工件表电压不宜过高，否则会产生大量电火花，加剧

12、砂轮磨损，降低工件表 面质量。面质量。 （2 2）加工间隙）加工间隙 在一定的电压下，加工间隙小，可获得较高的电流密度，提高在一定的电压下，加工间隙小，可获得较高的电流密度，提高 生产率，是加工表面平整，精度高。但是间隙过小，电解液就不易引生产率，是加工表面平整，精度高。但是间隙过小，电解液就不易引 进或分布不均，容易引起火花放电，加剧砂轮的磨损。一般采用的加进或分布不均，容易引起火花放电，加剧砂轮的磨损。一般采用的加 工间隙为工间隙为0.025-0.05mm0.025-0.05mm。 （3 3）磨削压力）磨削压力 磨削压力增大，生产率也增大，随着压力的不断增大，电解间磨削压力增大，生产率也增

13、大，随着压力的不断增大，电解间 Your site hereLOGO 隙相应减小，容易产生火花放电，并使砂轮磨损加剧。磨削压力过低，氧化隙相应减小，容易产生火花放电，并使砂轮磨损加剧。磨削压力过低，氧化 膜去除不充分，加工效率和表面质量都随之降低。因此磨削压力应以不产生膜去除不充分，加工效率和表面质量都随之降低。因此磨削压力应以不产生 火花放电并能充分刮除氧化膜为原则。一般磨削压力推荐使用火花放电并能充分刮除氧化膜为原则。一般磨削压力推荐使用0.2-0.25MPa0.2-0.25MPa （4 4）工件与磨轮的接触面积）工件与磨轮的接触面积 接触面积增大，直流电源能自动输入较大的电流而使生产率提

14、高，并接触面积增大，直流电源能自动输入较大的电流而使生产率提高，并 且表面质量良好。因此电解磨削时，应使砂轮与工件保持最大的接触面积。且表面质量良好。因此电解磨削时，应使砂轮与工件保持最大的接触面积。 （5 5）砂轮转速）砂轮转速 增大转速，可使电解间隙中的电解液供应充分、交替迅速，同时提高增大转速，可使电解间隙中的电解液供应充分、交替迅速，同时提高 机械磨削作用，是生产率提高。一般砂轮线速度为机械磨削作用，是生产率提高。一般砂轮线速度为1200-2100m/min1200-2100m/min。 （6 6）电解液供给量）电解液供给量 电解液的流量应保证充分并均匀地进入电解间隙。提高电解液流速可

15、电解液的流量应保证充分并均匀地进入电解间隙。提高电解液流速可 提高加工速率，但电解液流速过大提高加工速率，但电解液流速过大, , 容易四处飞溅容易四处飞溅, , 操作不便操作不便, , 且飞溅到工且飞溅到工 件不加工部位件不加工部位, , 会引起不必要的腐蚀。一般立式电解平面磨床电解液的流量会引起不必要的腐蚀。一般立式电解平面磨床电解液的流量 为为5-15L/min, 5-15L/min, 内外圆电解磨床电解液流量为内外圆电解磨床电解液流量为1- 6L/min1- 6L/min。 Your site hereLOGO （二）工件蚀除速度（二）工件蚀除速度 阳极金属溶解的质量阳极金属溶解的质量

16、金属的体积为金属的体积为 式中，式中， 为阳极溶解的金属质量（为阳极溶解的金属质量（ ）和体积（）和体积（ ）；）； 为金属的质量电化当量（为金属的质量电化当量（ ）；）； 为通过两相界面的电量（为通过两相界面的电量（ ）；）； 为电流强度（为电流强度（ ）；）； 为电流通过的时间（为电流通过的时间（ ）；）； 为金属的密度（为金属的密度（ ）；）； 为金属的体积电化当量（为金属的体积电化当量（ ）。）。 实际溶解的金属比计算值低，引入电流效率实际溶解的金属比计算值低，引入电流效率 。 影响电流效率的主要因素有：加工电流密度；阳极金属材料一电解影响电流效率的主要因素有：加工电流密度；阳极金属材

17、料一电解 液成分的匹配以及电解液的浓度、温度等工艺条件。液成分的匹配以及电解液的浓度、温度等工艺条件。 kItkQM ItIt kM V VM, g 3 cm k sAg/ Q sA AI ts 3 /cmg sAcm/ 3 理论蚀除量实际蚀除量/ Your site hereLOGO 工件的实际蚀除量为：工件的实际蚀除量为： 质量：质量： 体积：体积： 加工外圆时，径向长度蚀除速度为：加工外圆时，径向长度蚀除速度为： 又因为又因为 （ 为电解液的电阻率）为电解液的电阻率） 所以所以 tIkM tIV i tA tAi tA V t h va 1 k a U v 1 1 kkR U A A U

18、 RA U A I i 1 Your site hereLOGO （三）提高生产率的途径（三）提高生产率的途径 提高生产率的途径提高生产率的途径 提高电流密度提高电流密度 升高工作电压升高工作电压 缩小电解间隙缩小电解间隙 增大磨轮与工件增大磨轮与工件 间的导电面积间的导电面积 减小电解液减小电解液 的电阻率的电阻率 Your site hereLOGO 电解液电解液 被加工材被加工材 料的性质料的性质 机床和机床和 夹具精度夹具精度 磨轮磨轮 精度精度 阴极阴极 导电面积导电面积 加工精度加工精度 （四）（四）影响加工精度的因素影响加工精度的因素 Your site hereLOGO 4.电

19、解磨削加工设备电解磨削加工设备 电解磨削加工设备一般采用普通机床改装成电解磨削机床。电源设电解磨削加工设备一般采用普通机床改装成电解磨削机床。电源设 备一般采用整流器。备一般采用整流器。 机床改装的一般原则：机床改装的一般原则： （1 1）尽可能利用原有机床机构，这样可以缩短改装时间。）尽可能利用原有机床机构，这样可以缩短改装时间。 （2 2）机床改装后，应具有良好的绝缘性。一般绝缘电阻不小于）机床改装后，应具有良好的绝缘性。一般绝缘电阻不小于 0.50.5兆欧。电解液输送泵的底座不要和机床直接连接，若必要连接时，兆欧。电解液输送泵的底座不要和机床直接连接，若必要连接时， 应在其间加以绝缘。应

20、在其间加以绝缘。 （3 3）机床和夹具的精度必须满足零件精度的要求。）机床和夹具的精度必须满足零件精度的要求。 （4 4）要有完整的电解液输送系统及防护装置，保证电解液不进）要有完整的电解液输送系统及防护装置，保证电解液不进 入机床的润滑面和电动机中以防止电解液四处飞溅。入机床的润滑面和电动机中以防止电解液四处飞溅。 （5 5）加工时尽量是电流不通过滚珠轴承，否则轴承因电触而加）加工时尽量是电流不通过滚珠轴承，否则轴承因电触而加 快磨损，从而降低了机床的精度。快磨损，从而降低了机床的精度。 （6 6）应具有抽走有害气体的装置。）应具有抽走有害气体的装置。 Your site hereLOGO

21、（7 7）加工光洁度较高的零件时，电解液应采取一定的过滤方法，）加工光洁度较高的零件时，电解液应采取一定的过滤方法， 以保持电解液的清洁。以保持电解液的清洁。 直流电源设备主要采用硅（硒）整流器，也可以采用直流发电机，直流电源设备主要采用硅（硒）整流器，也可以采用直流发电机， 其规格按零件大小及电流密度选取。采用硅（硒）整流器时，整流器其规格按零件大小及电流密度选取。采用硅（硒）整流器时，整流器 应采用全波整流，尽可能无级调节电压，并有过电流、过电压保护装应采用全波整流，尽可能无级调节电压，并有过电流、过电压保护装 置。置。 为了减少导电回路的功率损耗，导线截面积尽可能地大些，导线为了减少导电

22、回路的功率损耗，导线截面积尽可能地大些，导线 长度应短些，导线接头的接触要良好。为了便于反接处理磨轮，最好长度应短些，导线接头的接触要良好。为了便于反接处理磨轮，最好 装有正负极换向开关。装有正负极换向开关。 电解磨削外圆，有中技法和导电磨轮磨削法两种。目前用的最广电解磨削外圆，有中技法和导电磨轮磨削法两种。目前用的最广 泛的是中极法。与导电磨轮电解磨削外圆的方法不同之处在于阴极和泛的是中极法。与导电磨轮电解磨削外圆的方法不同之处在于阴极和 磨轮是分开的，在整个加工过程中，金属的去除主要靠阳极（工件）磨轮是分开的，在整个加工过程中，金属的去除主要靠阳极（工件） 与辅助阴极之间的电解作用，砂轮只

23、起到刮除氧化膜整平工件的作用。与辅助阴极之间的电解作用，砂轮只起到刮除氧化膜整平工件的作用。 中极磨削的主要特点是：中极磨削的主要特点是： （1 1）机床的改装较简单，只需增加一个辅助阴极机构与两个绝缘）机床的改装较简单，只需增加一个辅助阴极机构与两个绝缘 顶尖。顶尖。 Your site hereLOGO （2 2）由于磨轮与阴极是分开的，磨轮可采用普通砂轮。）由于磨轮与阴极是分开的，磨轮可采用普通砂轮。 （3 3）阴极导电面积较大，所以电流强度大，生产率均比用导电磨轮）阴极导电面积较大，所以电流强度大，生产率均比用导电磨轮 电解磨削和电火花磨削高。在加工过程中，阴极能始终保持光滑平整，电解

24、磨削和电火花磨削高。在加工过程中，阴极能始终保持光滑平整， 有利于提高精度和光洁度。有利于提高精度和光洁度。 电解磨削机床改装电解磨削机床改装 一、机床的绝缘一、机床的绝缘 在机床的改装的过程中，首先在机床的改装的过程中，首先 要考虑绝缘问题。中极法机床改装要考虑绝缘问题。中极法机床改装 的绝缘部位是床头、两端顶尖和阴的绝缘部位是床头、两端顶尖和阴 极。极。 1.1.床头的绝缘床头的绝缘 在考虑床头绝缘时，尽可能避在考虑床头绝缘时，尽可能避 免电流直接通过顶尖传到工件上。免电流直接通过顶尖传到工件上。 若顶尖与工件接触面积小，则接触电阻就增大，在工件与顶尖接触处产若顶尖与工件接触面积小，则接触

25、电阻就增大，在工件与顶尖接触处产 生的热量大，从而加剧了顶尖和中心孔的磨损，影响加工精度。生的热量大，从而加剧了顶尖和中心孔的磨损，影响加工精度。 普通砂轮普通砂轮 工件阳极工件阳极 电解液喷嘴电解液喷嘴 中间电极中间电极 电源电源 图图2：中间电极法电解磨削结构简图：中间电极法电解磨削结构简图 Your site hereLOGO 2. 2.顶尖绝缘顶尖绝缘 顶尖要求具有良好的绝缘性、刚性、耐腐蚀性及耐磨性，且制造顶尖要求具有良好的绝缘性、刚性、耐腐蚀性及耐磨性，且制造 简单。顶尖绝缘常用的材料有环氧树脂、有机玻璃和夹布胶木等。实践简单。顶尖绝缘常用的材料有环氧树脂、有机玻璃和夹布胶木等。实

26、践 证明，夹布胶木被电解液侵蚀后绝缘性不好。有机玻璃虽然绝缘性能较证明，夹布胶木被电解液侵蚀后绝缘性不好。有机玻璃虽然绝缘性能较 好，但用其作定位基准，刚性较差，不能满足要求。目前普遍采用环氧好，但用其作定位基准，刚性较差，不能满足要求。目前普遍采用环氧 树脂，它的绝缘性和刚性都比前两种材料要好。树脂，它的绝缘性和刚性都比前两种材料要好。 3.3.阴极绝缘阴极绝缘 阴极固定在阴极托架上，两者之间用有机玻璃板绝缘。阴极固定在阴极托架上，两者之间用有机玻璃板绝缘。 二、阴极及阴极托架二、阴极及阴极托架 1.1.阴极的设计与制造阴极的设计与制造 对于中极法电解磨削外圆而言，阴极主要是保证导电面积尽可能对于中极法电解磨削外圆而言，阴极主要是保证导电面积尽可能 大的情况下，使电解液顺利地流入极间间隙中，同时使电