第6章电化学加工.ppt

1、1，第6章电化学加工，2，6.1概述，电化学加工是特种加工的一个重要分支，已经成为一种成熟的特种加工技术，并广泛应用于许多领域。根据加工原理，电化学加工可分为以下三类：(1)利用电化学阳极溶解原理去除工件材料。(2)利用电化学阴极沉积原理进行电镀。(3)将电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工。3，6.2电化学加工的基本原理，6.2.1电化学反应过程如果将两个铜片插入氯化铜水溶液中(见下图)，由于溶液中含有OH和Cl负离子以及H和Cu2正离子，当两个铜片分别连接到DC电源的正极和负极时，形成导电通路，电流流过溶液和导线。在外加电场的作用下，金属导体和溶液中的自由电子定向运动，在铜电极和

2、溶液的界面上发生电子得失的电化学反应。其中，溶液中的Cu2阳离子向阴极移动，在阴极表面获得电子进行还原反应，沉积铜。在阳极表面，铜原子失去电子并发生氧化反应，成为Cu2正离子并进入溶液。电子在阴极和阳极表面的获得和损失的化学反应称为电化学反应，通过这种电化学反应加工金属的方法是电化学加工。其中，电化学溶解在阳极上，电化学沉积在阴极上。4，电化学反应过程图，5，6.2.2电极电位，1。电极电势的形成当任何金属被插入到含有金属离子的水溶液中时，在金属/溶液界面上将形成一定的电荷分布，从而形成一定的电势差，这被称为金属的电极电势。2.标准电极电位所谓的标准电极电位是指在给定的统一标准环境条件下，金属

3、相对于统一电位参考标准的平衡电极电位值。平衡电极电位的可逆反应速度，即氧化反应和还原反应的速度相等，没有电流通过金属/溶液界面，没有物质溶解或沉淀，即建立了稳定的双电层。在这种情况下，电极称为可逆电极，相应的电极电位称为可逆电极电位或平衡电极电位。7，6.2.3电极1的极化。浓度极化是由电极/溶液界面上的离子浓度和电解过程中整体溶液浓度之间的差异引起的。在电化学加工过程中，金属离子从阳极表面溶解，并从阳极金属/溶液界面逐渐扩散到溶液的深部，因此阳极金属/溶液界面处的阳极金属离子浓度高于本体溶液中的浓度。电极电化学极化的反应过程包括反应物的迁移和转移以及电极/溶液界面上电子的得失。如果电极/溶液

4、界面处电子的获得和损失速率，即电化学反应的速率滞后于其它步骤的速率，将导致电极表面上的电荷积累，并且规则是阳极电势将被校正，阴极电势将更负。由慢电化学反应引起的电极极化现象称为电化学极化。9，3。电阻极化是由于电解过程中阳极金属表面形成钝化氧化膜或其他覆盖层，使电流难以通过，导致阳极电位为正，阴极电位为负。因为该膜是无源的，并且该膜的形成是由钝化引起的，所以电阻极化也称为钝化极化。10、6.2.4金属的钝化和活化，1)全部处于活化和溶解状态如图(a)所示，2)活化钝化和超钝化的变化过程如图(b)所示，3)活化不完全钝化和超钝化状态如图(c)所示，(a)整个区域是活化和溶解，(b)钝化区域(2)

5、生产率高，加工生产率不受加工精度和表面粗糙度的直接限制。(3)加工质量好。(4)可用于加工薄壁和易变形零件。(5)工具的阴极无损耗。电化学加工机理电化学加工是一种特殊的加工方法，它利用金属在电解液中电化学阳极溶解的原理形成工件。3.电化学加工中电极反应的标准电极电位决定了在一定条件下相应金属离子参与电极反应的顺序。14，6.3.2企业内容管理的基本法律，1。电解加工生产率可以定性分析和定量计算，深刻揭示电解加工过程规律的基本规律是法拉第定律。金属阳极溶解时，溶解量和通过电量符合法拉第定律。2.法拉第电流效率定律可以用来根据电量计算任何溶解物质的量，并且在理论上不受电解液成分、浓度、温度、压力、

6、电极材料、形状等因素的影响。3.电化学加工的速度与普通加工的速度相似。人们希望掌握工件加工表面法向的去除(加工)线速度。4.加工间隙是电解加工的核心技术要素，直接影响加工精度、表面质量和生产率，也是设计刀具阴极和选择加工参数的主要依据。15，6.3.3电解液，1。电解质的功能、要求和分类1)电解质的功能电解质是电解槽的基本组成部分，是电化学加工中阳极溶解的载体。电解液的正确选择是电解加工最基本的条件。电解液的主要功能如下：(1)与工件阳极和工具阴极形成电化学反应的电极系统，从而实现所需的电化学加工过程。同时，所含的导电离子也是电解槽中传输电流的介质，这是电解槽最基本的功能。(2)消除电解产物，

7、控制极化，使阳极溶解能够正常连续进行。(3)及时带走电化学加工过程中产生的热量，使加工区域不会过热而导致沸腾和蒸发，从而保证正常加工。电解液的一般要求是加工精度高、效率高、表面质量好、实用性强。然而，随着电解加工的发展，对电解液提出了新的要求。根据不同的起点，有些要求可能不同，甚至是矛盾的。电解质的基本要求包括以下四个主要方面。(1)电化学特性。(2)物理特性。(3)稳定性。(4)实用性。17，2。常用电解质及其选择原则1)电解质选择原则2)常用电解质当前生产实践中常用的电解质是中性电解质中的氯化钠、亚硝酸钠和三氧化二氯化钠。3)低浓度复合电解液如上所述，近年来开发的低浓度复合电解液对提高钛合

8、金的加工性能、镍基铸造合金的表面质量以及铁基合金或金属的加工精度具有显著的效果。18，3。电解液流程图，19，6.3.4电化学加工设备，1。电化学加工设备的组成和基本要求1)电化学加工设备的组成包括三个主要实体：机床本体、整流电源、电解液系统和相应的控制系统。2)电解加工设备的基本要求(1)机床刚性强。(2)进给速度稳定。(3)设备具有良好的耐腐蚀性。(4)电气系统抗干扰能力强。(5)高电流导电性好。(6)安全措施齐全。发动机控制模块机床1)发动机控制模块机床的主要类型2)发动机控制模块机床的主要部件3。电解加工电源是电解加工设备的核心部分。电解加工机床和电解液系统的规格取决于电源的输出电流。

9、同时，电源的调压稳定性和短路保护系统的功能影响加工精度、稳定性和经济性。电解质系统电解质系统的功能是以一定的压力、足够的流量和合适的温度提供干净的电解质5.控制系统发动机控制模块控制系统必须包括三个部分：参数控制、循环控制、保护和联锁。22，6.3.5发动机控制模块的应用，1。模具型腔加工近年来，模具结构日益复杂，材料性能不断提高。预淬硬钢、不锈钢、高镍合金钢、粉末合金、硬质合金和超塑性合金等难加工材料的比重日益增加。因此，电解加工对于难加工材料和复杂结构的优势在模具制造业中日益显现。电化学加工在模具制造领域占有重要地位。23，2。叶片型面加工效率高，生产周期短；加工质量好；电解液逆向流动，流

10、场均匀稳定；然而，设备和阴极比较复杂，因此有必要使用三头或斜进给机床和复合双作用阴极。该方案已在国外自动化生产线上采用，并已在国内部分新机器叶片的试制中得到应用。3.异形孔和小孔加工。火炮身管膛线加工传统的身管膛线制造工艺是线挤压法，生产效率高，但线挤压冲头制造困难。为了保证在线挤压过程中塑性变形均匀，筒体外壁只能由等直径的圆钢制成，在线挤压后，根据筒体的整体尺寸去除多余的金属，从而造成毛坯材料的严重损失以及校正、电镀、回火等一系列辅助工序。整体叶轮的加工通常，整体叶轮在高速、高压或高温下工作，制造材料多为难切削材料，如不锈钢、钛合金或耐高温合金；此外，其整体结构和复杂的叶片型面使得制造非常困

11、难，并成为生产过程中的关键。6.电解去毛刺电解去毛刺加工间隙大，加工时间短，因此工具阴极可以采用固定阴极加工方法，不需要相对工件进给，机床不需要工作进给系统和相应的控制系统。然而，工具的阴极必须相对于工件正确定位。数控展成电解加工数控展成电解加工工具的阴极形状简单(棒、球、带)，设计制造方便，适用范围广，大大缩短了生产准备周期，适应多品种、小批量产品研发生产的发展趋势，弥补了小批量、单件加工经济性差的缺点。8.微精密电解加工仍处于研究和实验阶段，其应用仅限于一些特殊场合，如电子工业中微零件的电化学蚀刻(美国IBM公司)、微浅槽加工(荷兰飞利浦公司)和微轴电解抛光(日本东京大学)，均取得了良好的

12、加工效果，精度达到了微米级。微直写加工、微群缝加工和微孔电液束加工，以及电解与超声波、电火花和机械相结合形成的复合微精密技术显示出良好的应用前景。26，6.4电铸和电刷镀加工，电化学加工是一种利用电化学阳极溶解原理去除工件材料的材料还原加工。相反，基于电化学阴极沉积原理的电镀加工(添加剂加工)主要包括电镀、电铸和刷镀。27，6.4.1电铸，1。电铸原理电铸的基本加工原理如下图所示。电铸材料作为阳极，母模作为阴极，电铸材料的金属盐溶液作为电铸溶液。在DC电源的作用下，阳极被电解，金属材料被电解成金属阳离子，金属阳离子进入电铸液，然后被吸引到阴极进行电子还原，并沉积在母模上。当阴极母模上的电铸层逐

13、渐变厚至预定厚度时电铸工艺对母模没有损伤，因此母模可以永久重复使用，同一母模生产的电铸件重复精度极高。(3)借助石膏、石蜡、环氧树脂等。复杂零件的内表面可以复制为外表面，或者外表面可以复制为内表面，然后电铸和复制。电铸有一些局限性。(1)生产率低。由于电流密度太高，沉积金属的结晶粗糙且强度低。通常，电铸金属层为0.020.5毫米/小时，加工时间长。(2)母模制造技术要求高。(3)有时脱模困难。电铸的基本设备电铸的基本设备如下。(1)电铸槽。为了避免腐蚀，钢板通常是焊接的，内衬铅板、橡胶或塑料。小罐可以由陶瓷、玻璃或搪瓷制品制成；大型储罐可以由内衬耐酸砖的水泥制成。(2) DC电源。电压在320

14、伏可调，电流和功率可以满足(条件电流密度达到)1530 A/dm2。常用的硅整流器或晶闸管DC电源。(3)混合和循环过滤系统。其功能是减少浓差极化，增加电流密度，提高电铸质量。(4)加热和冷却装置。常用蒸汽和电加热，用吹风机或自来水冷却。电铸工艺流程电铸工艺流程包括母模制作、表面处理、电铸、打底脱模和铸件检验。5.电铸加工的应用1)激光视盘目前，电铸加工是唯一能够满足生产原始光盘模型所需的复制精度的加工技术。2)电铸薄膜电铸薄膜是生产厚度薄、面积大、尺寸精度高的零件的最经济的制造方法。电铸镍膜主要用于防腐元件、印刷电路板焊点、无石棉垫片和防火膜。此外，电铸镍墨膜被用作太阳能吸收元件。33，3)

15、电铸网格元件电铸网格元件是指具有规则孔图案的薄膜元件。这种电铸广泛用于咖啡和糖过滤器、电动剃须刀和筛子。此外，电铸网组件通常用于印刷行业。4)可以通过电铸制作母模来制造LIGA微电子铸件，然后通过微成形技术来翻转大量的微元件。它还可以直接电铸微元件，包括各种微齿轮、微悬臂梁、薄膜等元件，并进一步组装微型电机、微型机械臂、微型阀门等。34，6.4.2电刷镀，1。电刷镀技术的原理和特点在电刷镀中，工件连接到电源的负极，电刷镀笔连接到电源的正极。用绝缘套包裹并浸有特殊电镀液的电刷镀笔“粘”在工件的电镀部分并作相对运动。在阴极工件上，镀液中的金属离子在电场的作用下与电子结合，还原成金属原子并沉积形成镀层。与槽镀相比，电刷镀具有以下特点。(1)不需要镀液，局部表面可以直接刷镀，设备简单，操作方便，不受工件尺寸和形状的限制，可以在现场使用。(2)电刷镀液种类多，可刷镀的金属也多，因此很容易实现复合镀。一套设备可以刷金、银、铜、铁、锡、镍、钨、铟等金属。(3)目前，可采用电刷镀技术的基材几乎包括所有的金属结构材料，如碳钢、合金钢、铸铁、不锈钢、镍基合金、铜基合金、铝基合金等。涂层与基体金