电化学加工

电化学加工摘要：电化学进行加工的各种方法的研究。电化学加工是通过化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的特种加工。近几十年来，借助高新科学技术，在精密电铸、复合电解加工、电化学微细加工等发展较快。目前电化学加工已成为一种不可缺少的微细加工方法，并在国民经济中发挥着重要作用。关键词:电化学加工、微细加工、一、电化学加工的发展历程早在1834年法拉利发现了电化学作用原理，后又开发出如:电镀，电铸，点解加工等化学方法，并在工业上得到广泛的应用。中国在20世纪50年代就开始应用电解加工方法对炮膛进行加工，现已广泛应用于航空发动机的叶片，筒形零件、花键孔、内齿轮、模具、阀片等异形零件的加工。近年来出现的重复加工精度较高的一些电解液以及混气电解加工工艺,大大提高了电解加工的成型精度,简化了工具阴极的设计，促进了电解加工工艺的进一步发展。利用电化学反应对金属材料进行加工的方法。与机械加工相比，电化学加工不受材料硬度、韧性的限制，已广泛用于工业生产中。常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。电化学加工的基本原理是用两片金属作为电电极，通电并浸入电解溶液中，形成通路。导线和溶液中均有电流通过。但是金属导线和电解溶液是两类性质不同的导体，前者是靠自由电子在外电场大的作用下沿一定方向移动导电的：后者是靠溶液中正、负离子移动而导电的，是离子导体。当上述两类导体形成通路时，在金属片和溶液的界面上产生交换电子的反应，机电化学反应。二、电化学加工的基本原理和特点基本原理：电化学加工的基本原理是用两片金属作为电极，通电并浸入电解溶液中，形成通路。导线和溶液中均有电流通过。但是金属导线和电解溶液是两类性质不同的导体，前者是靠自由电子在外电场大的作用下沿一定方向移动导电的：后者是靠溶液中正、负离子移动而导电的，是离子导体。当上述两类导体形成通路时，在金属片和溶液的界面上产生交换电子的反应，机电化学反应。特点：电化学加工的最大优点是可以用来加工复杂的三维曲面，而且不会留下来条纹痕迹。采用不锈钢制造的阴极工具，可以把很多初步形成的零件加工到具有极高的外形尺寸要求。电化学加工的特点是：1、可对任何金属材料进行形状，尺寸和表面的加工。加工高温合金，钛合金，淬硬钢，硬质合金等难加工金属材料时，有点更加突出。2、加工无机械切削力和切削热的作用，因此加工后表面无冷硬层，残余应力。3、无毛刺加工。4、工具和工件不接触，工具无磨损。5、加工可以在大面积上同时进行，也无需划分粗，精加工，具有较高的生产率。6、电化学作用的产物（气体和废液）对环境有污染，对设备也有腐蚀。三、电化学加工的工艺类型电化学加工按其作用原理课分为三大类。第一类是利用电化学阳极溶解来进行加工，主要有点解加工，电镀抛光等；第二类是利用电化学阴极沉积，涂覆进行加工，主要有电镀，涂镀，电铸等；第三类是利用电化学加工与其他加工方法复合加工工艺，目前主要有电化学加工与机械加工相结合，如电解磨削，电化学阳极机械加工。四、电化学加工设备1958年美国阿诺卡特公司首先研制出世界第一台电解加工机床，用于叶片加工。此后，日本和西方各国相继研究和生产了多种电解加工机床，使这一工艺得到日益广泛的应用。中国电解加工工艺始于60年代初，首先用于航空工业中加工叶片，兵器工业加工大炮膛线，后来推广到其他民用工业，如汽车、拖拉机制造业加工锻模，汽轮机制造业加工整体叶轮，还用于花键、异形孔的加工。工件和阴极分别接在直流电源的正负极。电解液由液泵经管路高速通过工件和阴极之间狭小的间隙。通电后工件发生电化学阳极溶解，当阳极均匀进给时，工件就可按照阴极的形状不断溶解，形成和阴极相反的型面和型腔。由此可见，电解加工的工艺设备包括三部分：电解加工机床、直流电源、电解液系统。对于电解加工机床的基本要求是进给速度均匀稳定、足够的刚性和必要的抗蚀性、排气措施。对于直流电源的要求是：高的稳压精度和迅速、可靠的短路保护装置。这是因为电解加工时电流很大，电极间隙小，为了保证加工精度和避免烧损短路，应该重视上述两项指标。对于电解液系统则要求供液稳定，并具有处理电解产物的能力。五、电化学加工技术1.微细电化学加工技术。微细加工在许多工业领域中有着重要而广阔的应用前景，是当今最为活跃的研究领域之一。微细加工技术源于半导体集成电路制造工艺，但发展至今其内涵已经大大拓宽，不局限于IC工艺中的硅片刻蚀技术，LIGA、LIGA—LIKE、微细电加工、微细束流加工及微细切削等多种加工技术已经成为微细加工技术中的重要组成部分。南京航夸航天大学机电学院的朱荻，王明环，明平美，张朝阳开展了微细电化学加工技术的试验研究工作，内容包括微细电铸和微细电解加工．讨论了微细电化学加工的工艺特点和主要技术步骤．针对若干典型微结构，提出了相应的微细电化学加工方法和技术方案。朱荻等研究人员从微细电铸和微细电解加工两个方面研究了微细电化学加工技术。首先是微细电铸。电铸是LIGA技术中一个重要的不可替代的组成部分．朱荻等几位专家采取与LIGA技术类似的过程，进行了微小零件制造的研究．主要工艺步骤包括采用不锈钢片作为基底材料，在其上均匀涂覆感光胶，然后进行曝光和蚀刻等步骤，在金属基底上形成带有特定图案的感光胶层．将带有图案胶层的金属模版放人电铸槽内进行电沉积，金属离子在模版上衬底材料裸露处沉积，直至将其填满；然后将金属沉积物和感光胶层分离，得到的金属结构就是所需的微细零件．采用该方法制备的微型铜齿轮．在微细电铸过程中，同时采用了高频脉冲电流和高速冲液的方法，使电沉积在电化学极化度较高的情况下进行，从而细化了晶粒，获得了致密的金属沉积层．另外，还试验了压力正负交变等措施，利用较强的压力扰动，及时排除阴极上的吸附气泡，消除了阴极吸附气泡造成的针孑L和麻点等问题．采取了低应力工作液，并对过程参数进行优化，控制了沉积应力，避免了变形．在微细电解加工方面。在脉冲电解加工的基础上，采取工具往复运动方式，在加工周期中，先施加一个对刀电压，工具电极进给至工件阳极，进行零位对刀；然后工具电极回退，使间隙至所需要的数值，施加相对较高的加工电压进行加工；加工后切断加工电压，工具电极回退到较大间隙，进行充分的电解液冲刷以排出加工产物．同时采用超短脉宽脉冲电流，以提高加工的定域性，利于微细加工．并将超短脉冲电流、低浓度电解液及加工间隙的实时检测和调整等技术结合，实现微米级精度的加工。2、电化学去毛刺电化学去毛刺是一种先进的去毛刺技术，是电化学加工技术中发展较快、应用较广的一项新工艺。作为电化学加工一种特殊的应用形式，它对加工工件无机械作用力，容易实现自动化或半自动化，适合去除高硬度、高韧性金属零件的毛刺，可以在工件的特定部位进行限定加工。对于手工难以处理、可达性差的复杂内腔部位，尤其是交叉孔相贯线的毛刺，利用电化学去毛刺有着明显的优势。电化学去毛刺对加工棱边可取得较高的边缘均一性和良好的表面质量，具有去除毛刺效果好、安全可靠、高效等优点，一般情况和传统工艺相比，效率可提高10倍以上。所以为了获得高质量的齿轮，应用电化学光整加工工艺对齿轮齿面进行光整加工去除毛刺的基础研究,对于提高我国机械制造业在国际上的竞争力,促进我国经济的发展,有着重要的意义。零件与直流电源的正极相连,称为阳极,而由黄铜制作的管状工具与电源负极相连,称为阴极,其外表面涂绝缘层,两极之间保持一定的间隙让循环的电解液从间隙中通过.当阳极和阴极浸入溶液并通入直流电后,在直流电场作用下,随着阳极的溶解,在工件表面上形成一层电阻较大而电导率较小的粘性液膜,亦称钝化膜,覆盖在工件表面的低凹处,使该处的工件表面不受或少受电化学溶解腐蚀,而锐边毛刺部位由于突出在工件表面,受电场、温度场及流场作用的影响,加速了离子的扩散与迁移过程,此处难以形成钝化膜,且突出的毛刺部位的电流密度很大,毛刺很快被溶解,迅速形成圆角,调整加工时间可控制圆角R小于四分之一。六、结束语电化学加工概念已被成功地应用在微小零件的加工中，目前已经有基于电化学扫描探针显微镜进行的电解微细加工技术EFAB制作技术、刻蚀剂层技术（CELT）、超微细电极电化学加工技术等多种微细电化学技术的成功应用，它还可以应用于微细零件的光整加工中，并已取得了非常好的工艺效果。但微细电化学加工还有很多关键技术需要改进如工具结构、控制技术、电解液流动、杂散腐蚀等。着相关技术的发展，相信微细电化学加工技术会越来越成熟，其在微细加工领域中也会发挥越来越重要的作用。七、参考文献1.王建业，徐家文.电解加工原理及应用［M］:北京J国防工业出版社，20012.章成军.电解加工原理及应用［J］:现代车用动力，2003.3.朱荻.国外电解加工的研究进展［J］:电加工与模具，2000,(1).4.李小海，王振龙，赵万生.微细电化学加工研究新进展［J］.电加工与模具，2004,(2).