第四章電化學(xué)加工特種加工課件

§4電化學(xué)加工§4電化學(xué)加工§4.1電化學(xué)加工原理及分類§4.2電解加工§4.3電解磨削§4.4電鑄、電鍍及復(fù)合鍍加工§4.1電化學(xué)加工原理及分類電化學(xué)加工（ElectrochemicalMachining：ECM）包括從工件上去除金屬的電解加工和在工件上沉積金屬的電鑄加工兩大類，屬于通過電化學(xué)反應(yīng)去除工件材料或在其上鍍覆金屬材料的非傳統(tǒng)加工方法?！?.1電化學(xué)加工原理及分類電化學(xué)加工基本過程1－陽極；2-電解液；3-陽離子；4-電流方向；5-電子流方向；6-陰離子；7-陰極§4.1電化學(xué)加工原理及分類電解質(zhì)溶液基本概念電解質(zhì)：溶于水后能導(dǎo)電的物質(zhì)，鹽酸（HCl）、氫氧化鈉（NaOH）、食鹽（NaCl）、氯酸鈉（NaClO3）等酸、堿、鹽。電解質(zhì)溶液：電解質(zhì)與水形成的溶液。質(zhì)量分?jǐn)?shù)：電解液中所含電解質(zhì)的多少。電離：物質(zhì)溶解于水時，離解成自由移動的離子的過程?！?.1電化學(xué)加工原理及分類電極電位(a)活潑金屬的雙電層

(b)不活潑金屬的雙電層

U

Ub

Ua§4.1電化學(xué)加工原理及分類雙電層的電位分布

U-金屬與溶液間的雙電層電位差；Ua-雙電層緊密部分的電位差；Ub-雙電層分散部分的電位差；a-緊密層；b-分散層；c-溶液§4.1電化學(xué)加工原理及分類金屬的電極電位在金屬和其鹽溶液之間的電位差。當(dāng)金屬溶解和沉積互相平衡時的電極電位，又稱為平衡電極電位。電極電位的測量25℃時，金屬離子有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1g/L，金屬的電極電位與標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位差，成為標(biāo)準(zhǔn)電極電位?！?.1電化學(xué)加工原理及分類能斯特公式用于計(jì)算不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時的電極電位?！?.1電化學(xué)加工原理及分類原電池原理任何兩種金屬插入某一電解液中，兩金屬表面與電解液都形成雙電層，兩金屬之間存在電位差，有導(dǎo)線連接時，有電流通過。通過原電池原理使金屬溶解過程非常緩慢，可以利用外電場，促進(jìn)電子移動過程的加劇。§4.1電化學(xué)加工原理及分類電極的極化平衡電極電位是沒有電流通過電極時的情況，當(dāng)有電流通過時，電極的平衡狀態(tài)遇到破壞，使陽極電位正向移動（代數(shù)值增大）、陰極電位負(fù)向移動（代數(shù)值減?。O化后的電極電位與平衡電位的差值成為超電位，電流密度增加，超電位也增加?！?.1電化學(xué)加工原理及分類電極的極化（續(xù)）§4.1電化學(xué)加工原理及分類電極的極化（續(xù)）極化：當(dāng)有電流通過電解池時，電極的平衡狀態(tài)被破壞，陽極電位向正移，陰極的電位向負(fù)移動，這一現(xiàn)象稱為極化。超電位：極化后的電極電位與平衡電位的差值稱為超電位。濃差極化&電化學(xué)極化§4.1電化學(xué)加工原理及分類濃差極化在外電場的作用下，如果陽極表面液層中金屬離子的擴(kuò)散與遷移速度較慢，來不及擴(kuò)散到溶液中去，使陽極表面造成金屬離子堆積，引起了電位值增大（即陽極電位向正移），這就是濃差極化。陰極的濃差極化較小。使?jié)獠顦O化減小的措施（加速電極表面離子的擴(kuò)散和遷移速度）提高電解液流速以增強(qiáng)其攪拌作用；升高電解液溫度等§4.1電化學(xué)加工原理及分類電化學(xué)極化

電化學(xué)極化主要發(fā)生在陰極上，從電源流入的電子來不及轉(zhuǎn)移給電解液中的陽離子，在陰極上積累過多的電子使陰極電位向負(fù)移，從而形成電化學(xué)極化。陽極上的電化學(xué)極化一般是很小的，但當(dāng)陽極上產(chǎn)生析氧反應(yīng)時，就會產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的電化學(xué)極化。電化學(xué)極化影響因素電化學(xué)極化僅僅取決于反應(yīng)本身，即電極材料和電解液成分，此外還與溫度、電流密度有關(guān)。溫度升高，反應(yīng)速度加快，電化學(xué)極化減??；電流密度愈高，電化學(xué)極化也愈嚴(yán)重?！?.1電化學(xué)加工原理及分類金屬的鈍化鈍化：金屬陽極溶解過程中超電位升高，電解速度減慢的現(xiàn)象。成相理論：陽極表面形成了一層緊密的極薄的由氧化物、氫氧化物或鹽等物質(zhì)組成的覆蓋層。吸附理論：金屬表面形成氧的吸附層。氧的吸附作用和致密薄膜層的共同作用造成了鈍化現(xiàn)象。§4.1電化學(xué)加工原理及分類金屬的活化利用陽極溶解原理的電化學(xué)加工時，若陽極溶解過程緩慢，會影響生產(chǎn)率?；罨菏菇饘兮g化膜破壞的過程稱為活化。影響活化的因素加熱電解液；通入還原性氣體或某些活性離子（Cl-）；采用機(jī)械辦法破壞鈍化膜等?！?.1電化學(xué)加工原理及分類§4.2電解加工電解加工是繼電火花加工之后發(fā)展較快、應(yīng)用較廣泛的一項(xiàng)新工藝?！?.2電解加工§4.2.1電解加工過程及特點(diǎn)§4.2.2電解加工時的電極反應(yīng)§4.2.3電解液§4.2.4電解加工的基本規(guī)律§4.2.5提高電解加工精度的途徑§4.2.6電解加工的基本設(shè)備§4.2.7電解加工工藝及其應(yīng)用§4.2.1電解加工過程及特點(diǎn)電解加工利用金屬在電解液中的電化學(xué)陽極溶解，將工件加工成形。電解加工示意圖1-工具陰極2-工件陽極3-電解液泵4-電解液5-直流電源§4.2.1電解加工過程及特點(diǎn)電解加工成形原理圖中細(xì)豎線的疏密程度表示兩極間的電流密度的大小，在加工剛開始時，兩極之間距離近的地方通過的電流密度較大，電解液流速也較高，陽極的溶解速度就比較快。當(dāng)工具相對于工件不斷進(jìn)給，直至得到工件表面和陰極工作表面基本相似的形狀。工具工件電流§4.2.1電解加工過程及特點(diǎn)電解加工的優(yōu)點(diǎn)加工范圍廣（高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、復(fù)雜型面）；生產(chǎn)率較高，約為電火花加工的5~10倍，且加工生產(chǎn)率不直接受到加工精度和表面粗糙度的限制；可達(dá)到較好的表面粗糙度Ra1.25~0.2μm和±0.1mm的平均精度；加工過程不存在機(jī)械切削力，無殘余應(yīng)力和變形，無飛邊和毛刺；陰極工具不耗損，可長期使用?！?.2.1電解加工過程及特點(diǎn)電解加工的缺點(diǎn)不易達(dá)到較高的精度和加工穩(wěn)定性，雜散腐蝕嚴(yán)重，難以實(shí)現(xiàn)窄縫、小孔的加工；電極工具設(shè)計(jì)與制造麻煩，難適應(yīng)單件生產(chǎn)；附屬設(shè)備較多，占地面積大，要求機(jī)床具有足夠的剛度和防腐蝕性，造價高；電解液對環(huán)境有污染，需要無害化處理。§4.2.1電解加工過程及特點(diǎn)選擇電解加工工藝的原則：難加工材料；復(fù)雜形狀零件；大批量生產(chǎn)。同時滿足上述三個原則時，選擇電解加工比較合理?！?.2.2電解加工時的電極反應(yīng)電極反應(yīng)過程基本原理電極電位最負(fù)的物質(zhì)首先在陽極反應(yīng)；電極電位最正的物質(zhì)首先在陰極反應(yīng)?！?.2.2電解加工時的電極反應(yīng)電能的利用加工電壓是使陽極不斷溶解的總能源。等于電解液電阻形成的歐姆電壓與兩極反應(yīng)所必須的電壓之和（由陰陽兩極本身的電極電位和極化產(chǎn)生的各種超電位組成）；電解加工時的濃差極化一般不大，所以電壓主要取決于電化學(xué)極化和鈍化。陽極溶解不僅與加工電壓有關(guān)，更加取決于電流效率?！?.2.2電解加工時的電極反應(yīng)電能的利用（續(xù)）當(dāng)陽極極化嚴(yán)重時，導(dǎo)致電極電位與溶液中某些陰離子相差不多，除產(chǎn)生陽極溶解外，還產(chǎn)生一些副反應(yīng)，使得電流效率降低，例如陽極析氧。陽極鈍化金屬成為高價金屬離子溶解§4.2.3電解液電解液的主要作用導(dǎo)電提供電化學(xué)反應(yīng)的場所及時帶走電解產(chǎn)物和冷卻§4.2.3電解液對電解液的要求具有足夠的蝕除速度高的導(dǎo)電率陰離子具有較正的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，以免產(chǎn)生析氧反應(yīng)；具有較高的加工精度和表面質(zhì)量陽離子具有較負(fù)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，以免在陰極上沉積，改變工具形狀和尺寸；陽極產(chǎn)物為不溶性化合物§4.2.3電解液常用電解液NaCl電流效率近100%幾乎完全電離，導(dǎo)電能力強(qiáng)價格、貨源有優(yōu)勢，應(yīng)用最廣泛雜散腐蝕較嚴(yán)重§4.2.3電解液常用電解液NaClO3、NaNO3鈍化型電解液，非線性電解液ABCDE§4.2.3電解液NaCl與NaClO3、NaNO3的對比電流效率生產(chǎn)效率陰極會有氨氣析出NaClO3較貴Cl－的雜散腐蝕作用§4.2.3電解液電解液的參數(shù)選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)雜散腐蝕（NaCl）非線性（NaClO3、NaNO3

）加工過程電解質(zhì)消耗引起的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化溫度30～40℃較合適控制電解液PH值控制電解液的粘度§4.2.3電解液電解液的流速需要具有足夠的流速，帶走電解產(chǎn)物（氫氣和金屬氫氧化物等）和熱量，10m/s左右；電流密度增加時，流速要相應(yīng)增加。電解液的流向正向、反向、橫向§4.2.3電解液電解液出水口布局§4.2.4電解加工的基本規(guī)律（一）生產(chǎn)率及其影響因素生產(chǎn)率用單位時間去除的金屬量來衡量（mm3/min，g/min）法拉第電解定律影響因素：電化學(xué)當(dāng)量、電解電流、電解時間、電解液§4.2.4電解加工的基本規(guī)律電化學(xué)當(dāng)量與生產(chǎn)率電極溶解或析出物質(zhì)的量與電荷量（Q＝It）成正比，比值成為電化學(xué)當(dāng)量。（＝100％）§4.2.4電解加工的基本規(guī)律利用法拉第電解定律求金屬的蝕除量

例1

某廠用NaCl電解液電解一批零件，要求在64mm厚的低碳鋼板上加工直徑為25mm的通孔。已知中空電極內(nèi)孔直徑13.5mm，每個孔限5min加工完，求需要用多大電流？如果電解電流用5000A，求電解時間？（已知低碳鋼的體積電化學(xué)當(dāng)量為）§4.2.4電解加工的基本規(guī)律求電解一個孔的金屬去除量：根據(jù)法拉第電解定律求需用電流：求當(dāng)電流為5000A時單孔加工時間：§4.2.4電解加工的基本規(guī)律電流密度與生產(chǎn)率實(shí)際電流密度決定于電源電壓、電極間隙、電解液導(dǎo)電率。§4.2.4電解加工的基本規(guī)律電極間隙與蝕除速度（與電解液溫度和濃度有關(guān)）§4.2.4電解加工的基本規(guī)律電極間隙與蝕除速度§4.2.4電解加工的基本規(guī)律電極間隙與蝕除速度固定式陰極電解加工時，電解時間與加工間隙的關(guān)系推導(dǎo)?！?.2.4電解加工的基本規(guī)律例2用溫度為30度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的NaCl電解液（查表知其電導(dǎo)率為），對某一碳鋼零件進(jìn)行固定式陰極電解擴(kuò)孔，起始間隙為0.2mm，電壓為12V，求剛開始時的蝕除速度和間隙為1mm時的蝕除速度，并求間隙從0.2mm到1mm所需的時間。（已知鋼的體積電化學(xué)當(dāng)量為，假定陽極、陰極的壓降之和為2V。）§4.2.4電解加工的基本規(guī)律電解液歐姆壓降：開始的蝕除速度：間隙為1mm時的蝕除速度：這個過程需要的時間：§4.2.4電解加工的基本規(guī)律（二）精度成形規(guī)律端面平衡間隙：加工過程達(dá)到穩(wěn)定時的加工間隙。工件蝕除速度等于陰極進(jìn)給速度時的加工間隙。端面平衡間隙與陰極進(jìn)給速度成反比。端面平衡間隙在0.25~0.3mm左右較合適?！?.2.4電解加工的基本規(guī)律端面平衡間隙（續(xù)）任何時刻的加工間隙⊿與陰極進(jìn)給距離L的關(guān)系§4.2.4電解加工的基本規(guī)律端面平衡間隙（續(xù)）根據(jù)曲線，可以利用查圖表法求任何時刻的加工間隙?！?.2.4電解加工的基本規(guī)律法向平衡間隙§4.2.4電解加工的基本規(guī)律側(cè)面間隙§4.2.4電解加工的基本規(guī)律平衡間隙理論的應(yīng)用根據(jù)陰極形狀推算加工后工件的形狀和尺寸；根據(jù)工件形狀和尺寸設(shè)計(jì)電極形狀和尺寸；分析加工精度；選擇加工間隙、電壓、進(jìn)給速度等加工參數(shù)?！?.2.4電解加工的基本規(guī)律影響加工間隙的其他因素電流效率電導(dǎo)率加工電壓加工間隙內(nèi)工具形狀，電場強(qiáng)度的分布狀態(tài)電解液的流動方向§4.2.4電解加工的基本規(guī)律表面質(zhì)量的影響因素工件材料（成分、金相組織、熱處理狀態(tài)等）工藝參數(shù)（電流密度、電解液流速和溫度等）陰極電極表面質(zhì)量（三）表面質(zhì)量§4.2.5提高電解加工精度的途徑脈沖電流電解加工小間隙電解加工改進(jìn)電解液混氣電解加工§4.2.5提高電解加工精度的途徑脈沖電流電解加工脈沖間隔時間內(nèi)，利用電解液的流動和沖刷使加工間隙內(nèi)電解液電導(dǎo)率基本均勻；由于使陰極析氫呈現(xiàn)脈沖狀，對電解液起到攪拌作用，有利于電蝕產(chǎn)物的去除。脈沖電流－同步振動電解加工§4.2.5提高電解加工精度的途徑小間隙電解加工端面——整平

加工間隙越小，則突出部位去除越快，整平效果越好。側(cè)面——孔的成形精度§4.2.5提高電解加工精度的途徑改進(jìn)電解液鈍化性電解液和復(fù)合電解液低質(zhì)量分?jǐn)?shù)電解液（加工效率低）§4.2.5提高電解加工精度的途徑混氣電解加工用混氣裝置將一定壓力的氣體與電解液混合，使電解液成為包含無數(shù)氣泡的氣液混合物，進(jìn)行電解加工。提高成形精度，簡化電極設(shè)計(jì)§4.2.5提高電解加工精度的途徑混氣電解加工裝置§4.2.5提高電解加工精度的途徑混氣電解加工提高精度的原因使電解液向非線性轉(zhuǎn)化小間隙處壓力高、氣泡體積小、電解液電阻率低、電解作用強(qiáng)；大間隙處壓力低、氣泡體積大、電解液電阻率高、電解作用弱；降低電解液粘度，增加流速、均勻流場。氣液混合比§4.2.6電解加工的基本設(shè)備電解加工包括三大部分：直流電源（脈沖電源）機(jī)床（剛度、進(jìn)給穩(wěn)定性、安全性）電解液系統(tǒng)（凈化）§4.2.7電解加工工藝及其應(yīng)用深孔擴(kuò)孔加工固定式移動式§4.2.7電解加工工藝及其應(yīng)用型孔加工用于形狀復(fù)雜、尺寸較小的四方、六方、橢圓等形狀的通孔和盲孔。一般采用端面進(jìn)給法?！?.2.7電解加工工藝及其應(yīng)用型孔加工噴油嘴內(nèi)圓弧的槽加工§4.2.7電解加工工藝及其應(yīng)用型腔加工陰極的設(shè)計(jì)問題較突出；復(fù)雜型腔表面加工時，在陰極上加工增液孔、增液縫，保持電解液流場的均勻性?！?.2.7電解加工工藝及其應(yīng)用套料加工§4.2.7電解加工工藝及其應(yīng)用葉片加工§4.2.7電解加工工藝及其應(yīng)用其他電解加工電解倒棱去毛刺電解刻字電解拋光數(shù)控展成電解加工§4.3電解磨削§4.3.1電解磨削的基本原理和特點(diǎn)§4.3.2影響電解磨削生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的因素§4.3.3電解磨削用電解液及其設(shè)備§4.3.4電解磨削的應(yīng)用§4.3.1電解磨削的基本原理和特點(diǎn)電解磨削（ElectrochemicalGrinding）20世紀(jì)50年代初美國人研究發(fā)明的復(fù)合加工。利用陽極金屬電化學(xué)腐蝕作用和機(jī)械磨削作用相結(jié)合的加工方法，主要依靠電化學(xué)作用蝕除金屬（95%~98%），機(jī)械作用主要是去除電解產(chǎn)物陽極鈍化膜。比電解加工更好的加工精度和表面質(zhì)量；比機(jī)械磨削更高的效率。§4.3.1電解磨削的基本原理和特點(diǎn)電解磨削原理——電解作用和磨削作用的交替進(jìn)行工件接直流電源的正極，導(dǎo)電砂輪接負(fù)極。磨削時，兩者之間保持一定的磨削壓力，凸出于磨輪表面的非導(dǎo)電性磨料使工件表面與磨輪導(dǎo)電基體之間形成一定的電解間隙（約0.02～0.05毫米），同時向間隙中供給電解液。在直流電的作用下，工件表面金屬發(fā)生電解作用，生成陽極膜。這些電解產(chǎn)物不斷地被砂輪刮除，在陽極工件露出新的金屬表面并被繼續(xù)溶解?！?.3.1電解磨削的基本原理和特點(diǎn)電解磨削的特點(diǎn)與機(jī)械磨削對比加工范圍廣、效率高：高硬度、高韌性的材料；較高的加工精度和表面質(zhì)量；砂輪磨損量??；不易達(dá)到鋒利的刃口，機(jī)床、夾具需防蝕防銹，需要附加設(shè)備?！?.3.1電解磨削的基本原理和特點(diǎn)電解磨削的特點(diǎn)與電解加工對比依靠砂輪磨削作用去除和活化鈍化膜，因此，所需電解液壓力、流量較小；采用鈍化型電解液?！?.3.2影響生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的因素影響生產(chǎn)率的主要因素電化學(xué)當(dāng)量電流密度磨輪與工件間的導(dǎo)電面積磨削壓力§4.3.2影響生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的因素影響加工精度的因素電解液成分（形成鈍化膜的疏密程度）陰極導(dǎo)電面積和磨粒軌跡被加工材料的性質(zhì)（各種金屬同時溶解）機(jī)械因素（磨輪、夾具精度，機(jī)床成形精度等）§4.3.2影響生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的因素影響表面粗糙度的因素電參數(shù)（電壓不能過低或者過高，電流密度同電壓）電解液（鈍化型或者半鈍化型的電解液）被加工材料的性質(zhì)機(jī)械因素（磨粒粒度、磨削壓力等）§4.3.3電解磨削用電解液及其設(shè)備電解液的選擇原則能夠使金屬生成結(jié)構(gòu)緊密、粘附力強(qiáng)的鈍化膜；導(dǎo)電性好，以獲得高生產(chǎn)率；不銹蝕機(jī)床和夾具；對人體無害；經(jīng)濟(jì)。§4.3.3電解磨削用電解液及其設(shè)備電解磨削用設(shè)備直流電源：與電解加工設(shè)備通用。電解液系統(tǒng)小型離心泵，過濾、沉淀裝置等。電解磨床特別制造的導(dǎo)電砂輪；（銅基、石墨）電解磨床也可由一般磨床改裝。§4.3.4電解磨削的應(yīng)用硬質(zhì)合金刀具、軋輥的電解磨削不僅能夠提高磨削效率，而且可以大大減少砂輪消耗，降低成本?！?.3.4電解磨削的應(yīng)用電解珩磨對小孔、深孔、薄壁筒等零件進(jìn)行電解珩磨，能夠達(dá)到較高的生產(chǎn)效率和較好的表面粗糙度?！?.3.4電解磨削的應(yīng)用電解研磨采用鈍化型電解液，利用機(jī)械研磨去除工件表面微觀不平度各高點(diǎn)的鈍化膜，使得金屬裸露再次形成鈍化膜，從而實(shí)現(xiàn)鏡面加工?！?.3.4電解磨削的應(yīng)用電解在線修整（ElectrolyticIn-processDressing:ELID）磨削§4.4電鑄、電鍍及復(fù)合鍍加工電鑄加工的原理利用電鍍液中金屬正離子在電場的作用下，鍍覆沉積到陰極上去的過程。§4.4電鑄、電鍍及復(fù)合鍍加工電鑄加工的特點(diǎn)能準(zhǔn)確、精密地復(fù)制復(fù)雜型面和細(xì)微紋路；能獲得尺寸精度高、表面粗糙度小于Ra0.1μm的復(fù)制品，電鑄件一致性極好；適應(yīng)性廣泛?！?.4電鑄、電鍍及復(fù)合鍍加工電鑄加工的應(yīng)用范圍復(fù)制精細(xì)表面輪廓花紋；復(fù)制注塑用模具、電火花型腔加工用電極；制造復(fù)雜、高精度的空心零件和薄壁零件；制造表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊、反光鏡、表盤、異形孔噴