(第八讲)-电化学加工

第四章电化学加工•电化学加工（Electrochemicalmachining，ECM）–电解加工、电解抛光──去除金属–电镀、涂覆、电铸──沉积金属一、电化学加工基本原理•历史–1834年：法拉第发现电化学作用原理–20世纪30～50年代才开展大规模应用•关键：法拉第定律–第一定律──在镀液进行电镀时(电解)阴极上所“附积”的金属重量(或阳极所溶蚀者)与所通过的电量成正比。–第二定律──在不同镀液中以相同的电量进行电镀时，其各自附积出来的重量与其化学当量成正比。–上述第一定律中的“电量”，即为电流强度与时间的乘积，理论单位是库仑。一、电化学加工基本原理（一）电化学加工过程以电化学反应为基础对金属进行加工的方法称为电化学加工1.正离子移向阴极得到电子还原2.负离子移向阳极失掉电子氧化（阳极金属失去电子进入溶液）一、电化学加工基本原理（二）电解质溶液•凡溶于水之后能导电的物质就是电解质，电解质溶液即为电解液。•NaCl、NaNO3、NaClO3•水是一种弱电解质，只能有很少一部分离解成[H]＋及[OH]－水是极性分子，吸附电解质正、负离子。一、电化学加工基本原理（三）电极电位产生在金属和它的盐溶液之间的电位差能斯特公式：anUUlg059.0平衡电极电位：溶解、沉淀平衡标准氢电极为基准一、电化学加工基本原理（四）电极的极化平衡电极电位：溶解、沉淀平衡电流通过，平衡状态破坏，阳极电极电位向正移、阴极电位向负移，这种现象称为极化1.浓差极化:阳极2.电化学极化：阴极3.钝化极化：阳极的超电位升高，电解速度减慢一、电化学加工基本原理（五）金属的钝化和活化钝化：在电解加工中阳极溶解随电流的增大而突然减小以至停止的现象。成相理论：氧化物、氢氧化物或盐薄膜吸附理论：氧的吸附层活化：破坏钝化膜的过程加热、通入还原气体、机械刮二、电化学加工应用•利用阳极溶解–电解：通过电化学反应从工件表面去除金属•利用阴极上的沉积作用–电镀：在工件表面沉积金属：材料表面装饰保护–电铸：在阴极上沉积实现附着加工•复合加工第二节电解加工•原理–阳极溶解–工作液高速冲走电解腐蚀物一、电解加工过程一、电解加工过程10～20V20～1500A∕㎝20.1～1㎜0.5～2MPa5～50m∕s20％NaCl30～40℃二、工艺特点•优点–加工范围广：只要导电，无论软、硬、脆–加工过程无机械作用力，无残余应力和变形–工具电极理论上无消耗（阴极）–表面质量好于电火花加工–Ra1.25μm～Ra0.2μm(电解）–Ra2.5μm～Ra0.32μm(电火花精加工）–加工效率高于电火花加工（5～10倍）二、工艺特点•缺点–难达到较高的加工精度和加工稳定性–工具电极设计和修正麻烦，难适用于单件生产–存在污染、腐蚀–设备投资大二、工艺特点•采用电解加工的三原则–难加工材料–难加工形状–有一定的批量三、电解加工时的电极反应•反应复杂•⑴工件材料不是纯金属•⑵不是单一盐溶液•⑶温度、压力、流速•14％～17％NaCl，铁（钢）?H2↑Na↓Fe2+Fe3+O2Cl2?FeCu三、电解加工时的电极反应?H2↑Na↓Fe2+Fe3+O2Cl2?Fe⑴阳极反应•①Fe－2e→Fe2＋U′=－0.59V•Fe－3e→Fe3＋U′=－0.323V•②4OH－－4e→O2↑U′=0.867V•③2Cl－－2e→Cl2↑U′=1.334V•阳极：电极电位越负越容易失去电子，被氧化•结论：阳极Fe－2e→Fe2＋溶解⑵阴极反应•①2H＋＋2e→H2↑U′=－0.42V•②Na＋＋e→Na↓U′=－2.69V阴极：电极电位越正越容易得到电子，被还原结论：阴极2H＋＋2e→H2↑析出氢气Cu四、电解液基本作用：•作为导电介质传递电流•在阴、阳极之间进行电化学反应，使阳极溶解•冷却、排屑、更新电解液四、电解液基本要求：生产率高导电能力要强阴离子不在阳极上析出不选用钝化性电解液具有较高的加工精度和表面质量阳离子不能沉积到阴极钝化性电解液阳极反应产物应是不溶性的化合物便于处理、过滤、排放、连续使用小孔时：排屑、可溶性四、电解液中性、酸性、碱性常用中性盐三种：NaCl、NaNO3、NaClO3四、电解液NaCl优点：•⑴生产率高，强电解质，导电能力强，含有Cl－，无析氧，不会生成钝化膜•⑵表面粗糙度小•⑶价格便宜缺点：⑴尺寸精度低，杂散腐蚀严重。⑵对机床腐蚀严重四、电解液NaNO3优点：•精度高，尺寸易控制，杂散腐蚀小•使用安全，腐蚀小，价廉•钝化性电解液缺点：电流效率低，生产率低阴极氨气析出，NaNO3被消耗四、电解液NaClO3优点：•精度高，杂散腐蚀小，尺寸易控制，表面粗糙度小，导电能力与NaCl差不多•腐蚀作用小。缺点：价格贵安全防火，强氧化剂，易燃五、电解液参数对加工过程的影响⒈浓度及温度⒉电解液PH值⒊粘度五、电解液参数对加工过程的影响1.浓度及温度电解液浓度及温度的变化都将影响腐蚀速度及加工精度浓度↑电导率б↑生产率↑加工精度↓温度↑电导率б↑生产率↑加工精度↓一般不超过60℃，在30～40℃范围内。浓度太大、杂散腐蚀严重，NaCl＜20％NaNO3、NaClO3虽溶解度较高，但浓度＞30％时非线性变差。NaCl：常用＜20％NaClO3：15％～35％⒉电解液PH值：中性阴极H＋放电析出，OH－聚集碱化，PH值↑铁、镍合金在碱性中容易钝化酸化：硼酸添加剂⒊粘度温度↑粘度↓氢氧化物含量增高，粘度升高。五、电解液参数对加工过程的影响六、电解液的流速及流向流速：10m/s氢气、金属氢氧化物冲走，热量带走。流向：正向：简单，氢气、氢氧化物多，加工精度、表面粗糙度降低。反向：与正向相反横向：较浅的型腔模。六、电解液的流速及流向七、出水口的布局流线窄槽、孔七、出水口的布局电解加工实例：穿孔电极电极进给绝缘层工件电解液电极电极进给工件电解液电解加工实例：切断电解加工实例：型腔电解加工实例：其它成品电极进给内外绝缘层废料电解液废料电解液电解套料■型面加工：电解加工整体叶轮型面加工：电解加工整体叶轮电解磨削靠阳极金属的电化学溶解（占95％～98％）和机械磨削作用（占2％～5％）相结合进行的复合加工电解磨削⒈基本原理：电解磨削：由电解腐蚀作用和机械磨削作用相结合进行加工。电解、刮除（磨削）交替进行。电解刮除（磨削）电解磨削与机械磨削比：▲加工范围广，各种硬、韧金属材料▲工件表面粗糙度与砂轮磨粒粗细无关▲砂轮的磨损量小▲切削温度低，不易变形、裂纹▲切削力很小，可加工刚度差的零件▲加工效率高于普通磨削3～5倍▲机床、刀具要有防锈措施，附属设备工艺特点电解磨削与电解加工比：▲活化：机械，刮除▲小型离心泵▲形状、尺寸：砂轮相对工件成形运动来控制工艺特点第四节电铸、涂镀及复合镀加工•电铸、表面局部涂镀和复合镀：利用电镀液中金属正离子在电场的作用下，镀覆沉积到阴极上去的过程。电铸加工：ElectroForming电镀和电刷镀原理直流电源镀液镀笔盘子工件电刷镀工作原理电镀原理电镀和电刷镀产品电镀和电刷镀产品各种电化学方法的比较工艺名称电解加工电解磨削电铸加工电镀与电刷度加工原理电化学去除加工电化学去除加工电化学附着加工电化学附着加工阳极溶解机械磨削作用5％电解作用95％阴极沉积剥取沉积层阴极沉积附着在表面三、超声加工•超声加工（UltraSonicMachining）–超声波：高于16000Hz•超声波在各种介质中传播，其运动轨迹都按余弦函数规律变化•超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质密度等有关•超声波可传递很强的能量•超声波会产生反射、干涉和共振现象•超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，强化了加工过程的进行超声波发生器冷却水换能器变幅杆工具头泵液体磨料工件超声加工原理•超声加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作用的结果。其中，以磨粒不断冲击为主•由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声加工超声加工的工艺特点•适合加工各种硬脆材料–玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料–淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，但加工效率较低。•加工质量较好–由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤–表面粗糙度较低，可达Ra0.63—0.08um–尺寸精度可达±0.03mm–适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。超声加工的工艺特点•工具材料–工具可用较软的材料、做成较复杂的形状–不需要工具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面•超声加工机床–结构比较简单，操作、维修也比较方便。•生产率较低–超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产率较低。成形孔加工异形孔加工型腔加工雕刻切割外螺纹内螺纹表面研磨和抛光应用实例第五章激光加工•激光：受激辐射产生的放大光•特点：新的先进加工方法–非接触加工。激光可视作“光刀”，无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件–可对多种金属、非金属加工，特别是高硬度、高脆性及高熔点材料–与数控系统配合组成激光加工中心，实现多种加工目的–激光束能量密度高，是局部加工，加工速度快，热影响区小，工件变形小，后续加工量小生产效率高，激光加工原理全反射镜工作物质部分反射镜激光束镀金反射镜透镜工件高压充电源触发电路电容光泵激光束激光加工原理1.激光加工的原理：利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度靠光热效应来加工各种材料。应用：打孔切割微调焊接热处理激光存储⒉激光的特性⑴强度高时间和空间都可集中⑵单色性好单色性：指光的波长为一个确定的数值（光谱范围）λ0=605.7nm,Δλ=0.00047nm,10-8nm⑶相干性：相干时间：是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时间间隔。⑷方向性好发散角可以小到0.1X10-3sr.激光加工原理⒊激光加工材料的物理过程激光加工：把激光作热源，对材料进行热加工。过程：光照﹑吸收→光变热﹑加热→气化﹑熔融﹑溅出⑴材料对激光能量的吸收反射折射透射导电率高的材料反射率高铜不能加工，铝难于加工激光加工原理⑵材料加热厚0.01～0.1μm动能增加：自由电子热运动。⑶材料的破坏（气化和熔化）激光光点中心：1010℃/s温度梯度：106℃/m气化﹑熔化：爆炸性气化不同材料不一样：解聚碳化热应力碎裂激光加工原理⒋激光加工的特点⑴几乎可以加工任何材料⑵精密微细加工，光斑可聚焦到微米级⑶非接触加工⑷加工装置比较简单⑸影响因素多，需反复试验找合理的参数⑹飞溅物，通风采用激光加工必然性•激光加工，如：焊接、切割、打孔、打标、热处理和微加工等，解决了许多常规方法无法解决的难题•大大提高了工作效率和加工质量，是先进加工系统必不可少的•发达国家的制造业已经步入“光加工”时代激光加工方法•功能–切割•可对铝、铜、镍、陶瓷等材料进行切割加工出各种图形，切割深度2.5mm–打孔•最小孔径Ø0.03mm，并可对其他金属如：铝、铜、非金属金刚石、硬质合金、陶瓷、塑料上打孔–标记•能在多种金属材料上做简单的文字、数字标记–焊接•可对铝、铜、金、银、镍等金属材料进行点焊、对焊或密封焊接，焊接熔深2.5mm–雕刻•适用于多种金属/非金属材料，复杂平面艺术图形激光切割•激光切割特色–切缝窄，工件变形小–非接触–与计算机配合高速加工–切割非金属是其它方法不可比的激光打孔•激光打孔的特色–速度快，效率高，尤其高密度群孔加工–大深径比，传统不大于1：10，激光在碳钢上加工0.25mm的小孔深径比达65：1–可加工硬脆软材料–可在难加工材料上加工斜孔激光标记•激光标记的特色–便于对原材料、半成品、在制品、产品进行分类–便于使用、防止假冒激光标记特点–可标记条形码、数字符号图案激光焊接•激光焊接的优势–速度快，效率高，深度大，变形小–大深宽比，5：1，最大10：1–可焊接难熔材料–可进行微型焊接激光雕刻•特点–适用于多种金属/非金属材料–复杂