模具制造工藝4

第5章

其他特種加工5.1電化學(xué)加工電化學(xué)加工（ElectrochemicalMachining/ECM）基本理論形成于19世紀(jì)末，工業(yè)規(guī)模應(yīng)用在20世紀(jì)30~50年代以后1958年，第一臺(tái)電解機(jī)床在美國(guó)Anocut公司面世；1962年，日本Japax公司也生產(chǎn)出電解機(jī)床；……；1960年代（又說1958），中國(guó)在火炮膛線、航空葉片等加工中有應(yīng)用兩大類：（1）去除：從工件上去除金屬的電解加工；（2）沉積：向工件上沉積金屬的電鍍、涂覆加工5.1.1電化學(xué)加工的基本原理1.電化學(xué)腐蝕鋁鍋盛放鹽、醋、醬油等食品會(huì)被腐蝕穿孔，鋼鐵等在潮濕的地方會(huì)生銹，……，這種現(xiàn)象就是電化學(xué)腐蝕，而純鋁、鐵并不發(fā)生這種明顯腐蝕當(dāng)金屬中含有其他合金元素或雜質(zhì)，與能導(dǎo)電的電解液接觸后形成了原電池（微電池），并局部放電，產(chǎn)生了電化學(xué)腐蝕的結(jié)果。電化學(xué)陽極溶解（圖）多年來，人們一直在努力防止或減少這種有害的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。當(dāng)人們掌握了其規(guī)律之后，可以因勢(shì)利導(dǎo)，變有害為有利。第一類導(dǎo)體：金屬，靠自由電子在外電場(chǎng)作用下按一定方向移動(dòng)，稱為電子導(dǎo)體；第二類導(dǎo)體：電解液，靠溶液中的正、負(fù)離子移動(dòng)，離子導(dǎo)體。二者之間交換電子，就是電化學(xué)反應(yīng)。2.電解質(zhì)溶液酸、堿、鹽溶液

百分?jǐn)?shù)表示濃度

克分子濃度

pH值溫度↑，導(dǎo)電能力↑；濃度（不能過高）↑，導(dǎo)電能力↑電解液的離解反應(yīng)（均可逆）

H2O=H++OH－

NaCl=Na++Cl－3.電極電位金屬和它的鹽溶液之間的電位差稱為金屬的電極電位。活潑金屬不活潑金屬4.電極反應(yīng)通電后陽極的主要反應(yīng)：Fe－2e→Fe++Fe+++2OH－→Fe(OH)2↓

（氫氧化亞鐵，墨綠色絮狀物）4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3↓

（氫氧化鐵，黃褐色）陰極的主要反應(yīng)：2H++2e→H2↑電解液中的水不斷被消耗。5.極化與鈍化1）電極的極化通電濃差極化：離子擴(kuò)散、遷移步驟緩慢電化學(xué)極化：電化學(xué)反應(yīng)緩慢2）金屬的鈍化氧化物、氫氧化物、鹽成相理論

吸附理論活化措施：加熱、通反原性氣體、活性離子，機(jī)械作用5.1.2電解加工5.1.2.1電解加工的基本原理與特點(diǎn)1.基本原理2.電解加工的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)加工范圍廣，與被加工材料的機(jī)械性能無關(guān)

可加工硬、強(qiáng)、韌材料可拷貝大而復(fù)雜的形狀，能同時(shí)進(jìn)行三維加工，類似于電火花加工，但無熱作用，可加工易變形件、薄件、韌性大的工件生產(chǎn)效率高

為電火花加工的5~10倍（制造需要量較大的模具）粗糙度?。?.125~0.2），無殘余應(yīng)力，無飛邊、毛刺工具不損耗局限性1）加工穩(wěn)定定性不易控控制，受十十余項(xiàng)因素素影響，電電極設(shè)計(jì)制制造比較費(fèi)費(fèi)事，需多多次試驗(yàn)修修正2）加工精度度有限一般為±0.05~±0.2，難于加工工很細(xì)的窄窄槽、小孔孔、棱角3）設(shè)備投資資大設(shè)備剛性要要求高，附附屬設(shè)備多多，必須重重視防腐4）污染環(huán)境境加工產(chǎn)物難難于處理，，限制使用用（要求電極極材料電阻阻??；導(dǎo)熱熱性好；熔熔點(diǎn)高；一一定剛性——耐液壓；耐耐腐蝕；可可加工。常常用銅、黃黃銅、不銹銹鋼）可用于加工工膛線、花花鍵孔、內(nèi)內(nèi)齒輪、鏈鏈輪、葉片片、異型零零件，模具具型孔、型型腔、復(fù)雜雜型面、深深小孔、套套料（？）），倒棱去去毛刺、拋拋光、刻印印等電解加工與與其它工業(yè)業(yè)電化學(xué)過過程比較有有3個(gè)特點(diǎn)：1）電極反應(yīng)應(yīng)速度高，，電流密度度可達(dá)？500~800A/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于于一般工業(yè)業(yè)電化學(xué)過過程，為其其數(shù)十倍至至數(shù)百倍；；2）電極間距距離甚小，，一般為0.1~1.0mm；需及時(shí)進(jìn)進(jìn)給（0.4~1.5mm/min）3）電解液流流速高（5~60m/s），流量大大，以供給給反應(yīng)物，，排除陽極極溶解產(chǎn)物物和大量的的焦耳熱。。5.1.2.2電解加工設(shè)設(shè)備1.機(jī)床1）剛性要求求好2）進(jìn)給穩(wěn)定定，3）防腐、絕絕緣4）安全措施施氫氣有爆炸炸危險(xiǎn)類型：立式式（C型，框型）），臥式（單面面，雙面）），固定陽陽極式2.直流電源要求：大功率低電壓（6~24）V，大電流（（103~104）A，電流密度度一般為40~50A/cm2，甚至100A/cm2合適的容量量范圍，良好的穩(wěn)壓壓精度可靠的短路路保護(hù)、火火花保護(hù)、、事故保護(hù)護(hù)類型：硅整整流電源；；晶閘管整整流電源；；脈沖電源源（過去不不用，現(xiàn)在在用）3.電解液循環(huán)環(huán)過濾系統(tǒng)統(tǒng)構(gòu)成：泵，，槽，過濾濾器，管，，閥等5.1.2.3電解加工的的基本規(guī)律律1.生產(chǎn)率1）金屬的電電化學(xué)當(dāng)量量法拉第電解解定律m0=kItv0=ωIt理論上不受受電解液濃濃度、溫度度、壓力、、電極材料料及形狀等等因素的影影響，實(shí)際際上v=ηv0=ηωItη接近近100%，有有時(shí)時(shí)大大于于100%（晶晶間間腐腐蝕蝕））2）電電流流密密度度i電流流密密度度i不能能過過大大，，否否則則，，將將出出現(xiàn)現(xiàn)火火花花，，析析出出Cl2、O2等，，溫溫度度上上升升，，短短路路I=iA體積積加加工工速速度度va=V/t=ηηωωAI3）電電極極間間隙隙間隙隙↓↓，，蝕蝕除除速速度度↑↑間隙隙過過小小，，將將引引起起火火花花放放電電或或電電解解產(chǎn)產(chǎn)物物（（特特別別是是H2）排排泄泄不不暢暢，，降降低低蝕蝕除除速速度度或或易易被被臟臟物物堵堵死死而而引引起起短短路路（4）電電解解液液電解解液液的的作作用用：：a）傳傳遞遞電電流流b）進(jìn)進(jìn)行行電電化化學(xué)學(xué)反反應(yīng)應(yīng)（（在在電電場(chǎng)場(chǎng)作作用用下下）），，使使陽陽極極溶溶解解能能順順利利而而有有控控制制地地進(jìn)進(jìn)行行c）更更新新、、冷冷卻卻及時(shí)時(shí)地地把把加加工工間間隙隙內(nèi)內(nèi)產(chǎn)產(chǎn)生生的的電電解解產(chǎn)產(chǎn)物物及及熱熱量量帶帶走走壓力力0.49~1.96MPa；速速度度？？75m/s5~60m/s對(duì)電電解解液液的的基基本本要要求求：：具有有足足夠夠的的蝕蝕除除速速度度高導(dǎo)導(dǎo)電電率率具有較高的的加工精度度和表面質(zhì)質(zhì)量分散能力低低陽極反應(yīng)的的最終產(chǎn)物物應(yīng)是不溶溶性物質(zhì)不含能在陰陰極上沉積積的離子性能穩(wěn)定操作安全，，無毒腐蝕性小價(jià)廉常用電解液液（此3種為中性，，還有酸性性或堿性電電解液）：：a）NaCl14~18%，25~35℃b）NaNO3散蝕能力小小得多，腐腐蝕作用小小，安全缺點(diǎn)：電流流效率低，，生產(chǎn)率低低，有氨氣氣析出，NaNO3會(huì)消耗，價(jià)價(jià)格為NaCl的2倍c）NaClO3（氯酸鈉））導(dǎo)電能力強(qiáng)強(qiáng)，生產(chǎn)率率與NaCl相近，腐蝕蝕作用小，，缺點(diǎn)：價(jià)格格為NaCl的5倍，要注意意防火表5.1常用電解液液的特點(diǎn)比比較NaClNaNO3NaClO3加工速度高低較高加工精度較低較高較高表面質(zhì)量加工鐵基合金和鎳基鍛造合金光潔度較高加工有色金屬合金光潔度較高加工鐵合金光潔度較高腐蝕性大較小/高濃度下較小/高濃度下成本低較低高安全性安全，無毒助燃（氧化劑）助燃/強(qiáng)氧化劑適用范圍廣。精度要求不很高的鐵基合金、鎳基合金等有色金屬及精度要求較高的鐵基合金、鎳基合金鐵基合金、黃銅，擴(kuò)孔、去毛刺等損耗無有（析出氨氣）表5.2常見金屬材材料電解加加工使用的的電解液鋼與鐵基合金NaCl5%~20%50~/LNaNO320%~30%100~/LNaClO3100~/L鎳與鎳基合金NaCl50~/LNaNO3100~/LNaClO3100~/L鈦和鈦合金NaCl50~/LNaClO3100~/LNaCl（/L）+NaBr（/L）+NaF（/L）鋁與鋁合金NaNO310%~20%100~/L銅與銅合金NaNO320%~30%NaNO3（20%~35%）+NaCl（3%~5%）鎢與硬質(zhì)合金NaOH40~/LNaOH（8%~16%）+NaCl（2%）+酒石酸（8%~16%）+CrO3（0.2%~0.5%）添加劑電解加工的的電壓：10~20V進(jìn)給速度：：等截面穿穿孔加工2~10mm/min，變截面的的型面、型型腔0.5~5mm/min電解液的流流動(dòng)方式：：平行流動(dòng)動(dòng)（正、反反、側(cè)），，徑向流動(dòng)動(dòng)（正、反反）2.加工精度平衡間隙工件蝕除速速度=陰極進(jìn)給速速度一般為0.12~0.8mm，最好為0.25~0.3mm3.表面質(zhì)量粗糙度，表表面層物理理化學(xué)性質(zhì)質(zhì)表面缺陷有有：流紋，，燒傷，晶晶界腐蝕影響因素：：工藝參數(shù)電流密度i，電解液流流速（快、、慢），溫溫度（高、、低）工件材料合金成分，，金相組織織，熱處理理狀態(tài)陰極的表面面質(zhì)量5.1.2.4提高電解加加工精度的的途徑1.混氣加工1）增加了電電解液的電電阻率，減減少了雜散散腐蝕2）改變電解解液的流動(dòng)動(dòng)特性2.小間隙電解解加工3.脈沖電流電電解加工電解產(chǎn)物將將有足夠的的時(shí)間排除除，使加工工區(qū)的電解解液迅速更更新，從而而改善流場(chǎng)場(chǎng)，提高加加工穩(wěn)定性性4.改進(jìn)電解液液5.1.2.5電解加工工工藝及應(yīng)用用1.型腔加工增液孔2.拉絲模擴(kuò)孔孔3.電化學(xué)拋光光特別適合于于復(fù)雜表面面和內(nèi)表面面5.1.3電解磨削5.1.3.1基本原理（（圖）陽極溶解+機(jī)械磨削（扒去氧化化膜）5.1.3.2電解磨削的的特點(diǎn)1）與機(jī)械磨磨削比，加加工范圍廣廣，生產(chǎn)效效率高2）與電解加加工比，加加工精度高高，表面質(zhì)質(zhì)量好3）砂輪損耗耗小缺點(diǎn)：磨刃刃口不易鋒鋒利，需防防銹5.1.3.3電解磨削在在模具加工工中的應(yīng)用用1）磨削難加加工的材料料2）減少粗加加工3）提高加工工效率4）拋光電解拋光工工場(chǎng)5.1.4電鑄成形電鑄加工的的特點(diǎn)可概概括為“微、脆、慢慢”1）能準(zhǔn)確、、精密地復(fù)復(fù)制復(fù)雜型型面和細(xì)微微紋路。做做皮紋2）能獲得尺尺寸精度高高、表面粗粗糙度值Ra小于0.1微米的復(fù)制制品，用同同一原模生生產(chǎn)多個(gè)電電鑄件時(shí)，，形狀、尺尺寸的一致致性好。3）可把復(fù)雜雜零件的內(nèi)內(nèi)表面復(fù)制制為外表面面，然后再再電鑄復(fù)制制。反之亦亦然，適應(yīng)應(yīng)性廣。4）金屬制品品純度高。。5）加工速度度慢（0.02~0.05mm/h）、效率低低。6）能獲得的的制件厚度度不大（4~8mm），且不夠夠均勻，存存在較大內(nèi)內(nèi)應(yīng)力，強(qiáng)強(qiáng)度不高，，性能較脆脆。電鑄加工的的應(yīng)用唱片模、工工藝美術(shù)品品模、印刷刷版（紙幣幣、證券、、郵票等））；注塑模、電電火花成形形電極；復(fù)雜、高精精度的空心心薄壁件（（如波導(dǎo)管管）；表面粗糙度度標(biāo)準(zhǔn)樣塊塊、反光鏡鏡、表盤、、異型孔噴噴嘴等特殊殊零件電鑄工藝過過程（1）第一種產(chǎn)品圖紙→→母模設(shè)計(jì)計(jì)→制造金金屬母模→→去油、鍍鍍脫模層→→電沉積（（電鑄）→→加固→脫脫模→機(jī)械械加工→成成品或產(chǎn)品圖紙→→母模設(shè)計(jì)計(jì)→制造非非金屬母模?！逑础?、防水處理理→鍍導(dǎo)電電膜→電沉沉積（電鑄鑄）→加固固→脫?！鷻C(jī)械加工工→成品（2）第二種用于大量生生產(chǎn)或電鑄鑄電極產(chǎn)品圖紙→→母模設(shè)計(jì)計(jì)→制造標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)母?！粗脐幠Ｄ！俜粗浦颇改！婋婅T前處理理→電沉積積（電鑄））→加固→→脫模→機(jī)機(jī)械加工→→成品母模設(shè)計(jì)要要點(diǎn)：形狀相反；；需考慮收收縮率；粗粗糙度愈小小愈好；必必要時(shí)應(yīng)有有脫模斜度度；邊緣適適當(dāng)加大（（后去除））；凹、凸凸不能相差差太大，盡盡量避免尖尖角母模材料：：金屬或非非金屬5.2化學(xué)加工利用酸、堿堿、鹽等化化學(xué)溶液與與金屬發(fā)生生化學(xué)反應(yīng)應(yīng)，使金屬屬溶解，改改變工件尺尺寸和形狀狀5.2.1化學(xué)蝕刻（化銑）（以門板模模具制造為為例）5.2.2照相化學(xué)腐腐蝕加工蝕刻工序利用相片和和電腦技術(shù)術(shù)制成圖案案底片(菲林)；將底片粘貼貼到涂有光光阻介質(zhì)涂涂層且干凈凈的工件表表面；將工件置于于紫外線燈燈照射下，，并在顯影影液中顯影影，將曝光光部位清除除；將工件浸入入酸液(硝酸或氯化化鐵？)池中或?qū)⑺崴嵋簢婌F至至工件表面面，控制時(shí)時(shí)間，清洗洗5.3超聲波加工工跨機(jī)械、電電、光3個(gè)學(xué)科1950年代起步（（日本），，我國(guó)50年代末開始始5.3.1超聲波加工工基本原理與與特點(diǎn)次聲波＜16Hz（次/s）聲波＞16~2××104Hz超聲波＞2×104~107Hz蝙蝠、狗、、鯨、海豚豚等可聞特超聲波（（微波超聲聲）＞0.5×109Hz超聲振動(dòng)驅(qū)驅(qū)動(dòng)磨粒撞撞擊脆性工工件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)加工（穿穿孔、切割割等）特點(diǎn)：1）加工脆性性不導(dǎo)電材材料(陶瓷、玻璃璃、寶石等等)；2）工具簡(jiǎn)單單，通用？？設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)簡(jiǎn)單3）對(duì)工件作作用力小5.3.2設(shè)備超聲波發(fā)生生器5.3.3基本工藝規(guī)規(guī)律5.3.4應(yīng)用切削，磨削削，光整加加工，塑性性加工，磨磨料沖擊加加工，焊接接5.4激光加工1960年代開始發(fā)發(fā)展起來5.4.1原理與特點(diǎn)點(diǎn)能量高度集集中，局部部高溫達(dá)104℃，功率密密度達(dá)108~1010w/cm2特點(diǎn)：1）不需要工工具，不存存在工具損損耗，無接接觸加工（（無力的作作用），能能量及其移移動(dòng)速度均均可調(diào)，可可實(shí)現(xiàn)多種種加工目的的2）幾乎能加加工任意材材料，特別別適用于高高硬度、高高脆性、高高熔點(diǎn)的材材料3）加工速度度快，效率率高，熱影影響區(qū)小，，加工質(zhì)量量穩(wěn)定4）適合加工工小孔、窄窄縫，光斑斑可聚焦到到微米級(jí)5）可穿越透透明材料，，如對(duì)真空空管內(nèi)部進(jìn)進(jìn)行焊接特點(diǎn)：6）與電子束束加工等比比較，裝置置簡(jiǎn)單，不不要求抽真真空系統(tǒng)7）需反復(fù)試試驗(yàn)，尋找找合理參數(shù)數(shù)，為減少少反射，工工件