教學第三章電化學加工課件

非傳統(tǒng)加工第三章電化學加工作者:許坤明副教授

編著學

歷：國立交通大學

材料科學與工程研究所博士現(xiàn)任:國立虎尾科技大學機械製造工程系副教授非傳統(tǒng)加工第三章電化學加工作者:許坤明副教授編著學1第三章電化學加工

ElectrochemicalMachining第一節(jié)電化學加工的基本概念第二節(jié)電化學加工的分類及特點第三節(jié)電解加工第四節(jié)電解磨削第五節(jié)電鑄第六節(jié)電刷鍍第三章電化學加工

ElectrochemicalMac2第一節(jié)電化學加工的基本概念3-1-1電化學反應3-1-2電極電位第一節(jié)電化學加工的基本概念3-1-1電化學反應3電化學反應過程電化學反應過程4產(chǎn)生於金屬和該金屬鹽類溶液之間之電位差金屬的電極電位金屬在本身鹽類溶液中的溶解和沉積達到互相平衡時的電位差平衡電極電位產(chǎn)生於金屬和該金屬鹽類溶液之間之電位差金屬的電極電位金屬在5電子得到與失去的反應過程於電雙層上進行活潑金屬的電雙層不活潑金屬的電雙層電子得到與失去的反應過程於電雙層上進行活潑金屬的電雙層不活潑6鐵與FeCl2水溶液接觸鐵離子與水分子作用(溶解、氧化反應)靜電力作用(沉澱、還原反應)鐵與FeCl2水溶液接觸鐵離子與水分子作用靜電力作用7第三章電化學加工課件8第三章電化學加工課件9(3-1)E`----平衡電極電位(V)E?----標準電極電位(V)n----電極反應得失電子數(shù)，即離子價數(shù)a----離子的有效濃度“＋”號用於計算金屬“一”號用於計算非金屬的電極電位(3-1)E`----平衡電極電位(V)10第二節(jié)電化學加工的分類及特點3-2-1電化學加工的分類3-2-2電化學加工的特點第二節(jié)電化學加工的分類及特點3-2-1電化學加工的分類11電化學陽極溶解加工電解加工電解拋光電化學陽極溶解加工電解加工電解拋光12電化學陰極沉積、塗覆加工電鍍電鑄電化學陰極沉積、塗覆加工電鍍電鑄13電化學複合加工電化學加工機械加工電解磨削電化學複合加工電化學加工機械加工電解磨削14類別加工方法(及原理)加工類型Ⅰ電解加工(陽極溶解)電解拋光(陽極溶解)用於形狀、尺寸加工用於表面加工，去毛邊Ⅱ電鍍(陰極沉積)局部塗鍍(陰極沉積)複合電鍍(陰極沉積)電鑄(陰極沉積)用於表面加工，裝飾用於表面加工，尺寸修復用於表面加工，磨具製造用於製造複雜形狀的電極Ⅲ電解磨削，包括電解珩磨、電解研磨(陽極溶解、機械刮除)電解放電複合加工(陽極溶解，放電蝕除)電化學陽極機械加工(陽極溶解、機械刮除)用於形狀、尺寸加工，超精、光整加工，鏡面加工用於形狀、尺寸加工用於形狀、尺寸加工，高速切斷、下料電化學加工的分類表類別加工方法(及原理)加工類型Ⅰ電解加工(陽極溶解)用於形狀15不受材料強度、韌性及硬度限制廢氣或廢液會對環(huán)境造成污染、也會對設備產(chǎn)生腐蝕作用表面無淬火層、殘餘應力、毛邊或稜角可在大面積上同時進行電化學加工的特點不受材料強度、韌性及硬度限制廢氣或廢液會對環(huán)境造成污染、表16第三節(jié)電解加工

ElectrolyticMachining

3-3-1電解加工原理3-3-2電解加工的極性反應3-3-3電解加工的電壓3-3-4電解加工特點3-3-5電解液3-3-6電解加工之加工參數(shù)3-3-7混氣電解加工3-3-8電解加工的應用第三節(jié)電解加工

ElectrolyticMachini17電解加工示意圖電解加工示意圖18於NaCl水溶液中電解加工鐵基合金水(H2O)NaCl解離於NaCl水溶液中電解加工鐵基合金水(H2O)NaCl解19陽極反應時的電極電位E負的氯離子被陽極吸引負的氫氧根離子被陽極吸引正的二價或三價鐵離子溶解進入電解液中陽極反應時的電極電位E負的氯離子被陽極吸引負的氫氧根離子被20生成沉澱而離開反應系統(tǒng)，沉澱為墨綠色的絮狀物逐漸氧化為的黃褐色沉澱(鐵銹)生成沉澱而離開反應系統(tǒng)，沉澱為墨綠色的絮狀物逐漸氧化為的黃21陰極反應時的電極電位E正的氫離子被吸引到陰極表面正的鈉離子被吸引到陰極表面陰極反應時的電極電位E正的氫離子被吸引到陰極表面正的鈉離22電解加工的電壓電解加工間隙內(nèi)的電壓分佈E≧ER+Ea+E0E≦Ea+E0陽極溶解速度為零溶解速度高電解加工的電壓電解加工間隙內(nèi)的電壓分佈E≧ER+Ea+E023加工電壓E(20V)5%~30%抵消極化產(chǎn)生的反電勢70%~95%克服間隙電阻產(chǎn)生加工電流陽極極化極化程度不大電流效率接近100%極化程度嚴重電流效率低於100%電流消耗於副反應中極化程度十分嚴重電流效率=0金屬溶解是唯一的陽極反應加工電壓E(20V)5%~30%抵消極化產(chǎn)生的反電勢70%24電解加工特點加工範圍硬質(zhì)合金葉片韌性金屬耐熱合金加工速度不受加工精度和表面粗度限制平均加工精度可達±0.1mm左右表面粗糙度Ra可達1.25-0.2um無機械切削力陰極工具消耗柱少加工穩(wěn)定性較低電解產(chǎn)物容易污染環(huán)境機臺需有足夠剛性和防腐性電解加工特點加工硬質(zhì)合金葉片韌性金屬耐熱合金加工速度不受加25混氣電解加工混氣電解加工就是將一定壓力的氣體(二氧化碳、氮氣或壓縮空氣等)用混氣裝置使其與電解液混合在一起，然後送入加工區(qū)中進行電解加工?；鞖怆娊饧庸せ鞖怆娊饧庸ぞ褪菍⒁欢▔毫Φ臍怏w(二氧化碳、氮26電解加工的應用電解加工主要應用在深孔加工、型面加工、型腔加工、管件內(nèi)孔拋光、各種型孔的倒圓角和去毛邊、整體葉片的加工、砲管內(nèi)孔及膛線的加工、螺旋花鍵孔的加工等。電解加工的應用電解加工主要應用在深孔加工、型面加工、型腔加27ㄧ、深孔擴孔加工深孔擴孔加工按陰極的運動形式，可分為固定式和移動式兩種其優(yōu)點有1.一是設備簡單，只需套夾具來保持陰極與工件的同心及起導電和引進電解液的作用2.由於整個加工面同時電解，故生產(chǎn)率高3.操作簡單。但是，陰極要比工件長一些，所需電源的功率較大ㄧ、深孔擴孔加工28固定式陰極深孔擴孔原理圖固定式陰極深孔擴孔原理圖29面進給式型孔加工對於些形狀複雜、尺寸較小的四方，六方、橢圓、半圓等形狀的通孔和不通孔，機械加工很困難。如採用電解加工，則可以提高生產(chǎn)效率及加工質(zhì)量。型孔加工一般採用端面進給方式，為避免錐度，陰極側面必須絕緣。面進給式型孔加工對於些形狀複雜、尺寸較小的四方，六方、橢圓30面進給式型孔加工示意圖面進給式型孔加工示意圖31桿型腔模的電解加工桿型腔模的電解加工為加工連桿、撥叉類鍛模，陰極端面上開有兩孔，孔間有一長槽貫通，電解液從孔及長槽中噴出。一般加工參數(shù)條件為，電壓8~15V，電流密度20~90A/cm2，進給速度0.4~1.5mm/min，電解濃為8%~12%濃度的氯化鈉溶液，壓力為0.5~2MPa，桿型腔模的電解加工桿型腔模的電解加工為加工連桿、撥叉類鍛模，32桿型腔模的電解加工桿型腔模的電解加工33葉片加工葉輪上的葉片是逐個加工的，加工完一個葉片，退出陰極，分度後再加工下一個葉片。加工前之葉片是經(jīng)精密鑄造，機械加工，拋光後鑲到葉輪輪緣的榫槽中，再銲接而成。葉片加工葉輪上的葉片是逐個加工的，加工完一個葉片，退出陰極34電解加工整體葉輪電解加工整體葉輪35電解倒稜角去毛邊齒輪的電解去毛邊裝置，工件齒輪套在絕緣柱上，環(huán)形電極工具也靠絕緣柱定位安放在齒輪上面，保持適當間隙(根據(jù)毛邊大小而定)，電解液在陰極端部和齒輪的端面齒面間流過，陰極和工件間通上20V以上的電壓(電壓高些，間隙可大些)即可去除毛邊。電解倒稜角去毛邊齒輪的電解去毛邊裝置，工件齒輪套在絕緣柱上36齒輪的電解去毛邊齒輪的電解去毛邊37電解刻字電解刻字時，字頭接陰極，工件接陽極，二者保持大約0.1mm的電解間隙，中間滴注少量的鈍化型電解液，即可在短時間內(nèi)完成工件表面的刻字工作，目前可以做到在金屬表面刻出黑色的印記，也可在經(jīng)過發(fā)藍處理的表面上刻出白色的印記。電解刻字電解刻字時，字頭接陰極，工件接陽極，二者保持大約038電解刻字示意圖電解刻字示意圖39電解磨削電解磨削是，結合電解與機械的複合加工法。電解磨削比電解加工具有更好的加工精度和表面粗糙度，比機械磨削有較高的生產(chǎn)率。電解磨削電解磨削是，結合電解與機械的複合加工法。電解磨削比40電解磨削的加工原理電解磨削的加工原理41電鑄原理電鑄加工的原理如圖所示，用可導電的原模作陰極，用電鑄材料(例如紅銅)作陽極，用電鑄材料的金屬鹽(例如硫酸銅)溶液作電鑄鍍液，在直流電源接通下，電鑄液中的金屬離子（正離子）在陰極（工件）上得到電子後還原為金屬沈積於蕊模表面。電鑄原理電鑄加工的原理如圖所示，用可導電的原模作陰極，用電42電鑄原理電鑄原理43電刷鍍電刷鍍的原理如圖所示，電源的負極接於工件，正極接於鍍筆，鍍筆上的不容性陽極用棉花、海綿或泡沫塑料將其包好，蘸上電鍍液直接與工件接觸即可電鍍。加工時將電源接通並轉動工件。電刷鍍電刷鍍的原理如圖所示，電源的負極接於工件，正極接於鍍44電刷鍍的原理電刷鍍的原理45非傳統(tǒng)加工第三章電化學加工作者:許坤明副教授

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歷：國立交通大學

材料科學與工程研究所博士現(xiàn)任:國立虎尾科技大學機械製造工程系副教授非傳統(tǒng)加工第三章電化學加工作者:許坤明副教授編著學46第三章電化學加工

ElectrochemicalMachining第一節(jié)電化學加工的基本概念第二節(jié)電化學加工的分類及特點第三節(jié)電解加工第四節(jié)電解磨削第五節(jié)電鑄第六節(jié)電刷鍍第三章電化學加工

ElectrochemicalMac47第一節(jié)電化學加工的基本概念3-1-1電化學反應3-1-2電極電位第一節(jié)電化學加工的基本概念3-1-1電化學反應48電化學反應過程電化學反應過程49產(chǎn)生於金屬和該金屬鹽類溶液之間之電位差金屬的電極電位金屬在本身鹽類溶液中的溶解和沉積達到互相平衡時的電位差平衡電極電位產(chǎn)生於金屬和該金屬鹽類溶液之間之電位差金屬的電極電位金屬在50電子得到與失去的反應過程於電雙層上進行活潑金屬的電雙層不活潑金屬的電雙層電子得到與失去的反應過程於電雙層上進行活潑金屬的電雙層不活潑51鐵與FeCl2水溶液接觸鐵離子與水分子作用(溶解、氧化反應)靜電力作用(沉澱、還原反應)鐵與FeCl2水溶液接觸鐵離子與水分子作用靜電力作用52第三章電化學加工課件53第三章電化學加工課件54(3-1)E`----平衡電極電位(V)E?----標準電極電位(V)n----電極反應得失電子數(shù)，即離子價數(shù)a----離子的有效濃度“＋”號用於計算金屬“一”號用於計算非金屬的電極電位(3-1)E`----平衡電極電位(V)55第二節(jié)電化學加工的分類及特點3-2-1電化學加工的分類3-2-2電化學加工的特點第二節(jié)電化學加工的分類及特點3-2-1電化學加工的分類56電化學陽極溶解加工電解加工電解拋光電化學陽極溶解加工電解加工電解拋光57電化學陰極沉積、塗覆加工電鍍電鑄電化學陰極沉積、塗覆加工電鍍電鑄58電化學複合加工電化學加工機械加工電解磨削電化學複合加工電化學加工機械加工電解磨削59類別加工方法(及原理)加工類型Ⅰ電解加工(陽極溶解)電解拋光(陽極溶解)用於形狀、尺寸加工用於表面加工，去毛邊Ⅱ電鍍(陰極沉積)局部塗鍍(陰極沉積)複合電鍍(陰極沉積)電鑄(陰極沉積)用於表面加工，裝飾用於表面加工，尺寸修復用於表面加工，磨具製造用於製造複雜形狀的電極Ⅲ電解磨削，包括電解珩磨、電解研磨(陽極溶解、機械刮除)電解放電複合加工(陽極溶解，放電蝕除)電化學陽極機械加工(陽極溶解、機械刮除)用於形狀、尺寸加工，超精、光整加工，鏡面加工用於形狀、尺寸加工用於形狀、尺寸加工，高速切斷、下料電化學加工的分類表類別加工方法(及原理)加工類型Ⅰ電解加工(陽極溶解)用於形狀60不受材料強度、韌性及硬度限制廢氣或廢液會對環(huán)境造成污染、也會對設備產(chǎn)生腐蝕作用表面無淬火層、殘餘應力、毛邊或稜角可在大面積上同時進行電化學加工的特點不受材料強度、韌性及硬度限制廢氣或廢液會對環(huán)境造成污染、表61第三節(jié)電解加工

ElectrolyticMachining

3-3-1電解加工原理3-3-2電解加工的極性反應3-3-3電解加工的電壓3-3-4電解加工特點3-3-5電解液3-3-6電解加工之加工參數(shù)3-3-7混氣電解加工3-3-8電解加工的應用第三節(jié)電解加工

ElectrolyticMachini62電解加工示意圖電解加工示意圖63於NaCl水溶液中電解加工鐵基合金水(H2O)NaCl解離於NaCl水溶液中電解加工鐵基合金水(H2O)NaCl解64陽極反應時的電極電位E負的氯離子被陽極吸引負的氫氧根離子被陽極吸引正的二價或三價鐵離子溶解進入電解液中陽極反應時的電極電位E負的氯離子被陽極吸引負的氫氧根離子被65生成沉澱而離開反應系統(tǒng)，沉澱為墨綠色的絮狀物逐漸氧化為的黃褐色沉澱(鐵銹)生成沉澱而離開反應系統(tǒng)，沉澱為墨綠色的絮狀物逐漸氧化為的黃66陰極反應時的電極電位E正的氫離子被吸引到陰極表面正的鈉離子被吸引到陰極表面陰極反應時的電極電位E正的氫離子被吸引到陰極表面正的鈉離67電解加工的電壓電解加工間隙內(nèi)的電壓分佈E≧ER+Ea+E0E≦Ea+E0陽極溶解速度為零溶解速度高電解加工的電壓電解加工間隙內(nèi)的電壓分佈E≧ER+Ea+E068加工電壓E(20V)5%~30%抵消極化產(chǎn)生的反電勢70%~95%克服間隙電阻產(chǎn)生加工電流陽極極化極化程度不大電流效率接近100%極化程度嚴重電流效率低於100%電流消耗於副反應中極化程度十分嚴重電流效率=0金屬溶解是唯一的陽極反應加工電壓E(20V)5%~30%抵消極化產(chǎn)生的反電勢70%69電解加工特點加工範圍硬質(zhì)合金葉片韌性金屬耐熱合金加工速度不受加工精度和表面粗度限制平均加工精度可達±0.1mm左右表面粗糙度Ra可達1.25-0.2um無機械切削力陰極工具消耗柱少加工穩(wěn)定性較低電解產(chǎn)物容易污染環(huán)境機臺需有足夠剛性和防腐性電解加工特點加工硬質(zhì)合金葉片韌性金屬耐熱合金加工速度不受加70混氣電解加工混氣電解加工就是將一定壓力的氣體(二氧化碳、氮氣或壓縮空氣等)用混氣裝置使其與電解液混合在一起，然後送入加工區(qū)中進行電解加工?；鞖怆娊饧庸せ鞖怆娊饧庸ぞ褪菍⒁欢▔毫Φ臍怏w(二氧化碳、氮71電解加工的應用電解加工主要應用在深孔加工、型面加工、型腔加工、管件內(nèi)孔拋光、各種型孔的倒圓角和去毛邊、整體葉片的加工、砲管內(nèi)孔及膛線的加工、螺旋花鍵孔的加工等。電解加工的應用電解加工主要應用在深孔加工、型面加工、型腔加72ㄧ、深孔擴孔加工深孔擴孔加工按陰極的運動形式，可分為固定式和移動式兩種其優(yōu)點有1.一是設備簡單，只需套夾具來保持陰極與工件的同心及起導電和引進電解液的作用2.由於整個加工面同時電解，故生產(chǎn)率高3.操作簡單。但是，陰極要比工件長一些，所需電源的功率較大ㄧ、深孔擴孔加工73固定式陰極深孔擴孔原理圖固定式陰極深孔擴孔原理圖74面進給式型孔加工對於些形狀複雜、尺寸較小的四方，六方、橢圓、半圓等形狀的通孔和不通孔，機械加工很困難。如採用電解加工，則可以提高生產(chǎn)效率及加工質(zhì)量。型孔加工一般採用端面進給方式，為避免錐度，陰極側面必須絕緣。面進給式型孔加工對於些形狀複雜、尺寸較小的四方，六方、橢圓75面進給式型孔加工示意圖面進給式型孔加工示意圖76桿型腔模的電解加工桿型腔模的電解加工為加工連桿、撥叉類鍛模，陰極端面上開有兩孔，孔間有一長槽貫通，電解液從孔及長槽中噴出。一般加工參數(shù)條件為，電壓8~15V，電流密度20~90A/cm2，進給速度0.4~1.5mm/min，電解濃為8%~12%濃度的氯化鈉溶液，壓力為0.5~2MPa，桿型腔模的電解加工桿型腔模的電解加工為加工連桿、撥叉類鍛模，77桿型腔模的電解加工桿型腔模的電解加工78葉片加工葉輪上的葉片是逐個加工的，加工完一個葉片，退出陰極，分度後再加工下一個葉片。加工前之葉片是經(jīng)精密鑄造，機械加工，拋光後鑲到葉輪輪緣的榫槽中，再銲接而成。葉片加工葉輪上的葉片是逐個加工的，加工完