电解加工

电解加工简介唐振邦应化2010一、电解加工的发展及原理电解加工的原理从法拉第定律提出后就已经成型，但实际投入应用却在上世纪三十年代，最初被用作抛光手段，逐渐发展到其他加工领域。电解加工现已成为航空航天制造业中一种关键技术，被广泛地应用在发动机叶片等零部件的生产中。同时电解加工在兵器、汽车、医疗器材、电子、模具等行业中得到了许多应用。电解加工：电解加工时利用金属在电解液中产生的阳极溶解，并借助成型的阴极，将工件按一定形状和尺寸加工成型的一种方法。原理：加工时以工件为阳极，工具电极为阴极。在两极之间狭窄的间隙内强迫电解液通过，由于电解液的流通量一定，因此可以认为间隙不同的地方电流密度不相同。与此同时，两极之间施加直流电压，由于电化学反应的作用，阳极开始不断反应溶解，并且这种溶解速度直接同阴极形状（电流密度）有关，则随着电解进行，阳极就逐渐形成了与阴极模具完全对应的形状。工具阴极工件阳极电解加工原理示意图在阴极与工件之间保持较小的加工间隙(0.1~0.7毫米)，间隙中通过高速(10~60米／秒)流动的电解液。工件接电源的正极，称为阳极，工具接电源的负极，称为阴极，加工无切削力和应力热影响不受加工材料硬度的限制加工过程简单可以用于复杂型腔可大面积、大批量生产加工表面质量好表面粗糙度通常可以达到Ra1.25~0.2um前期投入较大难以获得精确的棱锥普通电解加工的加工精度一般电解液需要更多后续处理一般具有腐蚀性工具阴极制备麻烦电解加工的优点及缺点电解加工效率电解加工除去阳极质量的速度W=ηKItI-电解电流，A；K-被电解物质的重量电化学当量，g/Ah；t-电解时间；η-电流效率系数；考虑到间隙对应面积的话，阳极金属的溶剂速度可以取决于单位面积上的电流密度i=U/ρΔU-外加电压；ρ-电解液的单位率Δ-加工间隙二、电解加工的几个要素：电源、电极、电解液一、电源对于电解加工来说，电源的波形、电压、稳压精度和短路保护功能都直接影响电解加工阳极溶解过程，从而影响电解加工的精度、表面质量、稳定性和经济性，而且机床和电解液系统的规格都取决于电源的输出电流。因此，对于电解加工的技术和工艺，一个合适的工作电源（波形、电压、短路保护时间、稳压精度）尤为重要。历史上早期的电解加工直流电源以直流发电机组为主，占地面积大、噪声大、效率低下。逐渐被大功率的硅二极管电源所取代，硅二极管电源更可靠与稳定，效率功率也更高。其主要缺点是稳压精度低，在5%左右，短路保护时间长，约25ms。70年代的可控硅调压、稳压的直流电源又逐渐取代了硅整流直流电源，使得电源的稳压精度（1%）和短路保护时间大大提高。目前，具有更广阔应用前景的脉冲电源正逐渐进入应用。二、工具负极工具负极的材料要求有较强的抗蚀性，导热性与导电性和较高的熔点（为避免发生短路时被蚀除）。由于电解加工往往适用于复杂型面，工具的阴极极形状是根据零件加工定制和按照不同要求设计，因而往往形貌比较复杂，所以工具电极的材料可加工性要好，并且应有较高的强度，实际选用的时候可以侧重某些要求，经常使用的材料是黄铜和不锈钢。电解液在工具电极中的流动方向分为正水，反水和侧水三种：正水结构时，电解液由工具内腔流入，经加工间隙到工具电极周围流出，结构简单，但电解液流动时分布不够均匀，在被加工表面上会形成“流纹”，光洁度差。且加工通孔时，在打穿的一瞬间不易控制，电解液大量流出，易发生短路。反水结构时电解液则由工具四周流入加工间隙，由工具内腔流出，不会形成较大的流纹。在侧水结构时，电解液由工具的一侧流入，经加工间隙后另一侧流出。此法电解液流动均匀而流畅，不易产生流纹，但结构比较复杂，仅适宜长方形的浅型腔，对于深型腔和截面变化较大的型腔则不宜采用。下图分别为三种不同的电解液流型的示意简图：a.正向流动b.反向流动c.横向流动三、电解液在电解加工过程中，若没有合适的电解液就不能顺利地进行加工，也不能得到满意的加工结果。电解液必须以较高的流速，不断地流过加工间隙，其主要作用知下：1.与被加工材料及工具阴极组成进行电化学反应的电极，即在外电场作用下，在工件和阴极之间传送电流，实现电解加工。2．排除电解产物，使加工能正常进行。3．冷却并带定加工过程中产生的热量，使加工区的温度保持在一定的范围内。电解液的要求1、电解液中的阴离子要保证溶解的阳离子能够迅速的溶解在电解液中，尽量避免形成难溶性钝化膜。2、电解液中的阳离子不能在金属表面沉积，以保证阴极形状的稳定。3、具有较高的电导率和较小的粘度，保证电极表面的反应速度和一定的流速。4、完全无毒、腐蚀性小，以免破坏阴极模具。5、成分稳定，易于配置与重复，经济便宜宜取得。中性溶液是应用最普遍的电解液，常用的有氯化钠、硝酸钠，氯酸钠等。常用的酸性电解液有硫酸和盐酸等。常用的碱性溶液有氢氧化钠。中性溶液酸性溶液碱性溶液1、电导率较酸性和碱性溶液低，但对设备的腐蚀较小，使用安全。2、阳极反应为金属的溶解，与溶液中的负离子生成离子化合物，阴极反应产生氢气。但会生成不溶性氢氧化物以絮状物存在在溶液中，增加电解液的粘度，需要采取一定的净化措施。1、电导率较高，蚀除速度较快，但是腐蚀性强，对设备损害较大。2、电解物呈溶解状态，不生成沉底物。3、加工过程中氢离子会不断消耗，PH值增大，金属离子容易沉积在阴极表面，可以加入如硼酸盐等添加剂或增大流速来防止这一情况。1、对金属无腐蚀作用，但对操作有害。2、会在工件表面形成致密的不溶性氧化膜，阻碍电解加工的进程。故不宜加工一般的金属。通常在在加工钨和硬质合金中使用一定了的碱液。各类电解液的比较三、几种电解加工的新技术•电解加工在很多方面还需要进一步发展和提高，如过程监测和控制、工具设计、电解液处理、加工精度的改善和设备的自动化程度。•针对这些需要，这些年来，陆续出现了诸如超纯水微电解加工、高频窄脉冲电解加工、混气电解加工、计算机电解加工联用等新型加工手段。传统的电解加工的多采用具有腐蚀性的水溶液来作为电解液，容易对加工环境造成污染，对工具阴极及夹具套件都造成腐蚀，损害加工器件。这大大限制了电解加工的使用寿命和其在微电解领域中的运用。日本科学家首先提出了利用超纯水代替传统电解质的电解加工构想。但是通常超纯水中，离子的含量过低，常温常压下，OH-的浓度只有10-7mol/L，电流密度只有10-5A/cm2。达不到电解加工的电流密度的要求。在采用了强酸性阳离子离子交换膜促进水解离的方法后，使得同样的电场强度下，电流密度大为增加，达到了1~10A/cm2，进入了微细电解加工的需要范围。超纯水电解液对加工环境和设备无腐蚀和污染，其电解液的回收处理利用也更为方便。1、超纯水微电解加工超纯水电解加工示意图上面两图反应了离子交换膜在超纯水电解过程中的作用机理。左图是离子交换膜在电解质中进行离子（H+离子）交换的示意图。右图是离子交换膜外电压与电流密度的关系图。可以看到，离子交换膜上的只允许氢离子通过，在增压的开始，氢离子通过的速度随着电压的增加而增加，当电压增加到一定的数值，电解液中氢离子的数目不足，由于其扩散速度达到了一个极限值，此时可认为离子交换膜表面的氢离子浓度为零，电流趋于一个稳定值（扩散电流）。继续增大电压，离子的扩散速度远远小于离子的交换吸附速度，由于两侧的离子浓度差，在膜两侧形成了一个附加电势，在靠近交换膜的离子耗尽区域，迫使水解离生产氢离子和氢氧根离子，从而电流密度开始继续增大，且增大速度十分迅速，直至到达电解加工的需要。2r0xC-QF21E）（Q膜的体积交换容量，c反离子的浓度ε0真空介电常数εr界面层内水的相对介电常F法拉第常数x极间距脉冲电源（PECM）的定义：是指提供的电压和电流是具有一定周期性的的脉冲。简单来说，就是朝负载所加载的电压时断续的，每一次通电后连接一次或者反向的通电，或者停止通电。脉冲电流加工按其加工电流的特性可以分为正弦波或矩形波、低频(数十赫兹)或高频(KI-IZ～数十KHZ)、宽脉冲(ms～数十ms)或窄脉冲(数us～数百us)诸类型。2、脉冲电源在电解加工中的应用一个脉冲电源加工设备示意图脉冲电流的优点：加工区内阳极溶解速度的不均匀，有可能导致阳极析氢气泡附着。形成空穴，溶解死区。脉冲电源在两个脉冲间隙，利用电解液的流动和冲刷，使得间隙内电解液的电导率基本均匀。其析出的氢气也是断续的呈脉冲状，可以对电解液起搅拌作用，有利于电解产物的除去，提高电解加工的加工精度。脉冲电解加工导致间隙过程物理、化学特性的变化有利于阳极溶解的集中蚀除能力的加强，加工的稳定性的增加，从而有利于加工间隙的缩小和均匀，这正好可以解决在直流电解加工中集中蚀除能力弱，散蚀能力强和加工间隙较大的两大问题。在一定的频段内，优选的工艺条件下，随频率的提高，脉宽的变窄，其阳极的集中蚀除能力加强，流场改善，稳定的最小加工间隙明显减小。下图是不同频率的脉冲电源的电解加工的样品的示意图。在电解加工过程中，适当的加工间隙是影响电解加工操作与加工精度的重要参数。一方面，加工间隙要足够小，以保证在一定流速下体系拥有更高的电流密度，从而获得更高的加工速率。并且过大的加工间隙会增加体系的电阻，加大能量的消耗。另一方面，加工间隙过小，会导致电流密度过大，体系温度上升剧烈，电解液阻力增大，蚀除物排除困难，容易发生短路损害。通常电解加工的加工间隙控制在0.2mm~0.6mm，精细加工的间隙可适当更小一些。由于在实际电解过程中，加工间隙受到阳极溶解和加工控制的影响，难以直接测量。而其体系中其他电磁场、电极极化和电解液温度、压力、浓度等因素互相影响。如何有效方便准确的测定加工间隙，在目前还是人们希望解决的一个关键难题。3、间隙检测及数字化技术在电解加工中的应用间隙加工的传统的方法：1、用一个移动显微镜对间隙段面进行观察;2、用机械探针置于阴极内，并在阴极上开孔，探针与工件表面接触测量间隙；3、采用周期停电，停车测量原电池电动势来表征间隙大小的方法。新型的在线、非插入的检测：1、在阴极内埋入一个发射线圈，通过测量工件感应的诱导电涡流来测量间隙。2、采用超声波作为一种在线、非插入的检测。在工件底部安装超声波发射器，通过检测在工件/电解液界面和工具/电解液界面反射超声波的时间差来测量间隙。3、通过研究机床主轴的力和加工电流随随加工间隙的变化而变化的规律，从而尝试使用测量加工电流和力的变化来测量加工间隙的变化。数字化制造技术的运用数字化制造技术在实际的电解加工的主要应用有：1、数字化建模：对于结构复杂的零件，在图纸上设计是十分困难得，利用实体建模软件，在微机上实现三维设计，得到零件的实体造型，能够大大的缩短设计时间。2、数控多维加工：通过数控机床的多轴连用，利用简单形状电极进行多维运动，加工出所要求的工件形状。从而不需要针对每一种具体零件制造专用电极。3、阴极和夹具设计：基于一定的假设条件，把电场、流场简化为数学模型，建立相应的描述间隙中电场、流场分布规律的方程组，再根据实际情况补充边界条件，通过计算机的大量优化设计，模拟加工间隙中的电场、流场，进而指导实际的电解加工。基于电解间隙的分布和实际模具的形貌来设计工作阴极。夹具设计主要是依据电解加工间隙中的流场分布特性，考虑加工中电解液的流动形式、流速、压力等，确保流场的均匀性。4、加工过程中：尝试利用人工智能技术来建立加工效果和加工条件之间有关精度、效率、经济性等定量化的实验模型，并对其加工运动进行模拟和仿真。从而不断修订工艺参数和修正工具阴极，最终仿真出要加工的零件。代替过去主要依靠制作经验来选择加工参数的方式。5、零件的检测数维多控加工示意图