【教学课件】第4章电化学加工.ppt

第4章 电化学加工,4.1 电化学加工的原理与特点1.电化学加工的原理图7-1所示为电化学加工的原理。两片金属铜(Cu)板浸在导电溶液，例如氯化铜(CuCl2)的水溶液中，此时水(H2O)离解为氢氧根负离子OH和氢正离子H+，CuCl2离解为两个氯负离子2Cl和二价铜正离子Cu2+。当两个铜片接上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片(电极)和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。溶液中的离子将作定向移动，Cu2+正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。,在阳极表面Cu原子失掉电子而成为Cu2+正离子进入溶液。溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移。在阳、阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应。这种利用电化学反应原理对金属进行加工(图7-1中阳极上为电解蚀除，阴极上为电镀沉积，常用以提炼纯铜)的方法即电化学加工。,图4-1 电解(电镀)液中的电化学反应,电化学加工相关概念,电解质溶液电极电位电极极化金属的钝化和活化,电解质溶液,电解质电解液电解液浓度电离强电解质,电极电位,金属和他的盐溶液接触时，即使不加电压，也会有电子得失的反应：Fe放入FeCl2溶液中，界面上的铁就有与水分子作用生成水化铁离子的倾向，电子留在金属表面：Fe Fe+2+2e 随着金属晶体进入溶液数目增多，金属上负电荷增加，溶液中正电荷增加，由于静电引力的作用，铁离子的溶解速度逐渐变慢。溶液中的铁离子也有沉积到金属表面上去的倾向：Fe+2+2e Fe,电极电位,动态平衡双电位电极电位：金属和其盐溶液 之间的电位差。测量：标准电极电位,电极极化,浓差极化：在外电场的作用下，在阳极过程中，电化学反应进行的很快，而电极表面液层中金属离子的扩散和迁移的速度较慢，来不及扩散到溶液中去，使阳极表面造成金属离子堆积，引起电位值增大。电化学极化：电化学反应中某一步骤反应缓慢引起，主要发生在阴极上，从电源流入的电子来不及转移给电解液中的氢离子，因而会在阴极上积累很多的电子，使阴极电位向负转移，形成电化学极化。,金属的钝化和活化,钝化：阳极表面生成一层钝化性氧化膜，使金属表面失去活性。阳极表面层电阻增大，电流减少，阳极溶解速度减慢，影响加工效率和表面质量。活化：使金属膜破坏的过程,电化学加工,阳极溶解：电解，电解抛光阴极沉积：电镀，电刷镀，复合电镀，电铸复合加工：电解磨削，电解电火花复合加 工，电解电火花研磨加工，超声 电解加工,2.电化学加工的分类电化学加工有三种不同的类型。第类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等；第类是利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等；第 类是利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。电化学加工的类别如表7-1所示。本节主要介绍电解加工、电铸成型、电解磨削，其它的电化学加工请参考相关资料。,表4-1 电化学加工分类,3.电化学加工的适用范围电化学加工的适用范围，因电解和电镀两大类工艺的不同而不同。电解加工可以加工复杂成型模具和零件，例如汽车、拖拉机连杆等各种型腔锻模，航空、航天发动机的扭曲叶片，汽轮机定子、转子的扭曲叶片，炮筒内管的螺旋“膛线”(来复线)，齿轮、液压件内孔的电解去毛刺及扩孔、抛光等。电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。,第二节 电解加工1电解加工的原理及特点1)基本原理电解加工是利用金属在电解液中的“电化学阳极溶解”来将工件成型的。如图7-2所示，在工件(阳极)与工具(阴极)之间接上直流电源，使工具阴极与工件阳极间保持较小的加工间隙(0.10.8 mm)，间隙中通过高速流动的电解液。这时，工件阳极开始溶解。开始时，两极之间的间隙大小不等，间隙小处电流密度大，阳极金属去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。,随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。,图4-2 电解加工原理图,2)特点电解加工与其他加工方法相比较，它具有下列特点:(1)能加工各种硬度和强度的材料。只要是金属，不管其硬度和强度多大，都可加工。(2)生产率高，约为电火花加工的510倍，在某些情况下，比切削加工的生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。(3)表面质量好，电解加工不产生残余应力和变质层，又没有飞边、刀痕和毛刺。在正常情况下，表面粗糙度Ra可达0.21.25 m。,(4)不存在机械切削力，所以不会产生由机械切削力引起的残余应力和变形，没有飞边毛刺。（5）阴极工具在理论上不损耗，基本上可长期使用。电解加工当前存在的主要问题是加工精度难以严格控制，尺寸精度一般只能达到0.150.30 mm。此外，电解液对设备有腐蚀作用，电解液的处理也较困难。,电解加工的电极反应,阳极反应 Fe2e Fe+2Fe3e Fe+3 4OH-4e O2+2H2O 2Cl-2e Cl2,电解加工的电极反应,按照电极反应的基本原理，电极电位最负的粒子将首先在阳极反应。因此，在阳极上首先是铁失去电子成为二价铁离子，不会以三价铁离子的形式溶解，更不可能析出氧气和氯气。溶入电解液Fe+2的又与OH-离子化合，生成Fe(OH)2沉淀：Fe+2+2OH-Fe(OH)2（墨绿色的絮状物）4Fe（OH）2+2H2O+O2 4Fe（OH）3（黄褐色沉淀）,电解加工的电极反应,阴极反应 2H+2e H2 Na+e Na 按照电极反应的基本原理，电极电位最正的粒子将首先在阴极反应。因此，在阴极上只会析出氢气，而不可能沉淀出钠。,电解加工过程中的电能,电解液,传递电流在电场的作用下进行电化学反应，使阳极溶解顺利进行将加工间隙内产生的电解产物及热量带走，更新和冷却,电解液,较高的溶解度：电导率小，提高生产率所含金属阳离子必须具有较负的电极电位：以免沉积到阴极上，改变工具的形状和尺寸。阳极产物是不溶性的化合物,电解液,电解液可分为中性盐溶液、酸性溶液、碱性溶液三大类。中性盐溶液的腐蚀性小，使用时较安全，故应用最普遍。最常用的有NaCl、NaNO3和NaClO3三种电解液，,电解液,NaCl电电解液：强电解质，导电性强，蚀除速度高，价格便宜，使用范围广。加工精度低。NaNO3电解液：钝化型电解液，在超钝化区加工。,电解液,NaNO3电解液：切断间隙：0.78mm，切断电流密度。NaClO3电解液:腐蚀小，加工精度高；价格昂贵。,电解液,电解液参数对加工过程的影响：浓度、温度、粘度、PH值等,电解液,电解液的流动对加工过程的影响：流速 流向 流场的均匀性,电解加工的工艺规律,生产率及影响因素：单位时间内蚀除的金属量，影响因素有：电化学当量、电流密度、电解液、电极间隙。电化学当量的影响：法拉第电解定律：电极上析出的物质的质量或体积与电解电流和电解时间成正比，即与电荷量成正比，其比例系数称为电化学当量。,实际加工时，阳极可能会出现其他反应，从而额外消耗电荷量，实际电解掉的金属会小于理论值，引入电流效率：,电流密度和生产率的关系,电流I和电流密度：用垂直于表面方向的蚀除速度来衡量生产率：,电极间隙和蚀除速度的关系,间隙愈小，电解液的电阻愈小，电流密度大，电解速度快。,加工精度,阴极的型面精度：设计精度和制造精度阴极的复制精度：间隙阴极的重复精度：间隙间隙：端面间隙、法向间隙、侧面间隙,端面间隙,阴极不动，加工间隙将逐渐增加，蚀除速度逐渐减小。阴极以恒定速度进给，则加工间隙逐渐减小，而蚀除速度将增加。当工件的蚀除速度与阴极的进给速度相等时，两者达到动态平衡，加工间隙稳定不变，称为端面平衡间隙：,端面间隙,端面平衡间隙是加工过程达到稳定的加工间隙。此前加工间隙由起始间隙向端面平衡间隙过渡。实际加工时间决定于加工深度和进给速度，不能拖延很长，加工结束时往往加工间隙大于端面平衡间隙。任意时刻的加工间隙:,法向平衡间隙,工具端面与进给方向成一角度，则法向进给分速度：底面越倾斜，偏差越大。角度小于45度时，可采用此式，大于45度，按侧面间隙计算。,侧面间隙,进给深度h处对应侧面间隙为x，该处在x方向的蚀除速度为，微小时间dt后，x方向产生增量：,平衡间隙理论的应用,计算加工过程中的间隙，推算加工后工件的形状和尺寸设计工具阴极分析加工误差产生的原因选择合理的加工参数：电极间隙、电源电压、进给速度。,影响加工间隙的其它因素,电流效率在加工过程中的变化：工件材料成分和组织状态不一致，电解液的温度浓度的变化都会影响电流效率加工间隙内工具形状，电场强度的分布状态，影响电流密度的均匀性：尖角变圆电解液的流动方向：入口处新鲜电解液，蚀除能量强，间隙、加工精度、表面质量好。加工电压的变化：加工电压升高导致端面平衡间隙增大，控制稳压。,表面质量,工件材料的合金成分、金相组织：成分多、杂质多、组织不均匀、晶粒粗大、不一致，影响表面粗糙度。工艺参数：电流密度高，加工间隙小，有利阳极均匀溶解。电解液流速过低会导致产物排出不及时，造成表面缺陷。过高会引起流场不均影响表面质量。阴极表面的条纹、刻痕。,提高电解加工精度的途径,脉冲电流电解加工小间隙加工改进电解液混气电解加工,脉冲电流电解加工,消除加工间隙内电解液电导率的不均匀性析氢是断续的，呈脉冲状，可对电解液起搅拌作用。,小间隙加工,凸出部分和低凹部分蚀除速度：若加工间隙小，则凸出部分的蚀除速度大大高于低凹处，提高表面精度。但间隙过小，电流密度大，电解液温度高，易引起短路。,改进电解液,复合电解液：在NaCl中加入少量Na2MoO4、NaWO4。低浓度电解液,混气电解加工,原理：将一定压力的气体（压缩空气、二氧化碳、氮气）经气道进入气液混合腔，与电解液混合，使电解液成为含有无数气泡的气液混合物，进入加工间隙内进行电解加工。,混气电解加工,气体的作用：增加了电导率，使电解液向非线性方向转化。间隙小处压力高，气泡体积小，电阻率低，电解作用强；间隙大时正好相反。,电解加工的基本设备,直流电源：硅整流电源、晶闸管整流电源，输出电压824V，加工电流几千到几万安。机床：足够的刚度，工具电极稳定的进给速度，足够的精度，防腐绝缘性能好电解液系统自动控制系统,表4-2 直流电源的特点及应用,1)直流电源电解加工常用的直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源，其主要特点及应用见表4-2。,2)机床电解加工机床的任务是安装夹具、工件和阴极工具，并实现其相对运动，传送电和电解液。电解加工过程中虽没有机械切削力，但电解液对机床主轴和工作台的作用力是很大的，因此要求机床要有足够的刚性；要保证进给系统的稳定性，如果进给速度不稳定，阴极相对工件的各个截面的电解时间就不同，影响加工精度；电解加工机床经常与具有腐蚀性的工作液接触，因此机床要有好的防腐措施和安全措施。,3)电解液系统在电解加工过程中，电解液不仅作为导电介质传递电流，而且在电场的作用下进行化学反应，使阳极溶解能顺利而有效地进行，这一点与电火花加工的工作液的作用是不同的。同时电解液也担负着及时把加工间隙内产生的电解产物和热量带走的任务，起到更新和冷却的作用。电解液可分为中性盐溶液、酸性盐溶液和碱性盐溶液三大类。其中中性盐溶液的腐蚀性较小，使用时较为安全，故应用最广。常用的电解液有NaCl、NaNO3、NaClO3 三种。,NaCl 电解液价廉易得，对大多数金属而言，其电流效率均很高，加工过程中损耗小并可在低浓度下使用，应用很广。其缺点是电解能力强，散腐蚀能力强，使得离阴极工具较远的工件表面也被电解，成型精度难于控制，复制精度差；对机床设备腐蚀性大，故适用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。NaNO3电解液在浓度低于30%时，对设备、机床腐蚀性很小，使用安全。但生产效率低，需较大电源功率，故适用于成型精度要求较高的工件加工。NaClO3电解液的散蚀能力小，故加工精度高，对机床、设备等的腐蚀很小，广泛地应用于高精度零件的成型加工。然而，NaClO3是一种强氧化剂，虽不自燃，但遇热分解的氧气能助燃，因此使用时要注意防火安全。,3.电解加工应用日前，电解加工主要应用在深孔加工、叶片(型面)加工、锻模(型腔)加工、管件内孔抛光、各种型孔的倒圆和去毛刺、整体叶轮的加工等方面。,电解加工的应用,1.深孔扩孔加工,优点：设备简单，操作方便，生产率高缺点：电源功率较大，加工精度及Ra不太均匀，阴极刚性弱,2.型孔加工,用于形状复杂、尺寸较小的型孔加工，如四方孔、椭圆等非圆形状的通孔或不通孔的加工,多采用端面进给 方式,阴极侧面须绝缘。内锥面高度1.53.5mm,3.型腔加工,用于尺寸较大、形状复杂的型腔加工，生产率高，表面质量好，但加工精度不太高。多用于锻模型腔加工，精度控制在0.10.2mm。也采用端面进给法。,阴极设计制造是关键。用成型精度高的电解液或混气加工时，阴极设计较易。为使流场均匀，阴极对应处加开增液孔。,近年发展用简单形状电极的数控电解加工，柔性好，减少准备时间，电源容量小，但加工速度降低,4.套料加工,用于等截面的大面积异型孔或异型零件的加工，端面进给加工方式。,零件尺寸精度由阴极片内腔口保证，偶尔短路烧伤时，只需更换阴极片。,增液孔1mm,5.叶片加工,叶片型面复杂，精度要求较高，加工批量大，电解加工效果好。加工方式有单面加工和双面加工。机床有立式和卧式两种。多用NaCl电解液混气加工。,电解加工整体叶轮已普遍应用，直接在轮坯上套料加工叶片（等截面），叶轮强度高，质量好，加工周期大大缩短。,数控展成电解加工整体叶轮,6.电解倒棱去毛刺,机加工中去毛刺工作量很大，电解去毛刺效率高，节省费用。,加工原理是尖角处电流密度最高。,去毛刺时间与加工电压、加工间隙及电解液参数有关。,智能控制的电化学齿轮修形工艺源于电解去毛刺和倒圆角,工件与磨轮保持一定接触压力，突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙。电解液从中流过时，工件产生阳极溶解，表面生成一层氧化膜，其硬度远比金属本身低，易被刮除，露出新金属表面，继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行，实现加工。,电解磨削效率比机械磨削高，且磨轮损耗远比机械磨削小，特别是磨削硬质合金时，效果更明显。,电解磨削,第三节 电解磨削,1加工原理及特点1)加工原理电解磨削是电解加工的种特殊形式，是电解与机械的复合加工方法。它是靠金属的溶解(占95%98%)和机械磨削(占2%5%)的综合作用来实现加工的。加工原理如图7-6所示。加工过程中，磨轮(砂轮)不断旋转，磨轮上凸出的砂粒与工件接触，形成磨轮与工件间的电解间隙。电解液不断供给，磨轮在旋转中，将工件表面由电化学反应生成的钝化膜除去，继续进行电化学反应，如此反复不断，直到加工完毕。,电解磨削的阳极溶解机理与普通电解加工的阳极溶解机理是相同的。不同之处在于：电解磨削中，阳极钝化膜的去除是靠磨轮的机械加工去除的，电解液腐蚀力较弱；而一般电解加工中的阳极钝化膜的去除，是靠高电流密度去破坏(不断溶解)或靠活性离子(如氯离子)进行活化，再由高速流动的电解液冲刷带走的。,图4-6 电解磨削加工原理图,2)特点(1)磨削力小，生产率高。这是由于电解磨削具有电解加工和机械磨削加工的优点。(2)加工精度高，表面加工质量好。因为电解磨削加工中，一方面工件尺寸或形状是靠磨轮刮除钝化膜得到的，故能获得比电解加工好的加工精度；另一方面，材料的去除主要靠电解加工，加工中产生的磨削力较小，不会产生磨削毛刺、裂纹等现象，故加工工件的表面质量好。(3)设备投资较高。其原因是电解磨削机床需加电解液过滤装置、抽风装置、防腐处理设备等。,2电解磨削的应用 电解磨削广泛应用于平面磨削、成型磨削和内外圆磨削。图7-7(a)、(b)分别为立轴矩台平面磨削、卧轴矩台平面磨削的示意图。图7-8为电解成型磨削示意图，其磨削原理是将导电磨轮的外圆圆周按需要的形状进行预先成型，然后进行电解磨削。,图7-7 平面磨削示意图,图4-8 电解成型磨削原理图,第四节 电铸成型1电铸成型原理及特点1)成型原理与大家熟知的电镀原理相似，电铸成型是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的，即在原模上通过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品。但电铸与电镀又有不同之处，电镀时要求得到与基体结合牢固的金属镀层，以达到防护、装饰等目的。而电铸则要电铸层与原模分离，其厚度也远大于电镀层。,电铸原理如图7-4所示，在直流电源的作用下，金属盐溶液中的金属离子在阴极获得电子而沉积在阴极母模的表面。阳极的金属原子失去电子而成为正离子，源源不断地补充到电铸液中，使溶液中的金属离子浓度保持基本不变。当母模上的电铸层达到所需的厚度时取出，将电铸层与型芯分离，即可获得型面与型芯凹、凸相反的电铸模具型腔零件的成型表面。,图4-4 电铸成型的原理,2)特点(1)复制精度高，可以做出机械加工不可能加工出的细微形状(如微细花纹、复杂形状等)，表面粗糙度Ra可达0.1 m，一般不需抛光即可使用。(2)母模材料不限于金属，有时还可用制品零件直接作为母模。(3)表面硬度可达3550HRC，所以电铸型腔使用寿命长。(4)电铸可获得高纯度的金属制品，如电铸铜，它纯度高，具有良好的导电性能，十分有利于电加工。,(5)电铸时，金属沉积速度缓慢，制造周期长。如电铸镍，一般需要一周左右。(6)电铸层厚度不易均匀，且厚度较薄，仅为48 mm左右。电铸层一般都具有较大的应力，所以大型电铸件变形显著，且不易承受大的冲击载荷。这样，就使电铸成型的应用受到一定的限制。2电铸设备铸设备(如图7-4所示)主要包括电铸槽、直流电源、搅拌和循环过滤系统、恒温控制系统等。,1)电铸槽电铸槽材料的选取以不与电解液作用引起腐蚀为原则。一般用钢板焊接，内衬铅板或聚氯乙烯薄板等。2)直流电源电铸采用低电压大电流的直流电源。常用硅整流，电压为612 V左右，并可调。3)搅拌和循环过滤系统为了降低电铸液的浓差极化，加大电流密度，减少加工时间，提高生产速度，最好在阴极运动的同时加速溶液的搅拌。搅拌的方法有循环过滤法、超声波或机械搅拌等。循环过滤法不仅可以使溶液搅拌，而且在溶液不断反复流动时进行过滤。,4)恒温控制系统 电铸时间很长，所以必须设置恒温控制设备。它包括加热设备(加热玻璃管、电炉等)和冷却设备(冷水或冷冻机等)。,电铸加工的工艺过程,原模设计原模预处理电铸衬背和脱模,原模设计,内外棱角尽可能采用大的过渡圆角。原模长度应大于工件长度：留812mm余量脱模斜度。原模表面粗糙度小于0.40.2mm，以便顺利脱模。外形复杂不能整体脱模的零件，应选用组合式原模。,原模预处理,清洗处理钝化处理导电化处理,电铸,常用金属材料：铜、铁、镍溶液：硫酸盐氟硼酸盐特点：生产率低，加工时间长。每小时电镀金属层0.020.5mm。,衬背和脱模,衬背：一些电铸件成型以后需加衬背加固，然后再机械加工。脱模：敲打法、加热或冷却胀缩分离法等、加热熔化法、化学溶解法等。,电铸加工的应用,电铸具有极高的复制精度和良好的机械性能，已在航空、仪器仪表、精密机械、模具制造等方面发挥日益重要的作用。图7-5为刻度盘模具型腔电铸过程。其中图(a)为电铸过程中的阴极母模简图，图(b)为母模进行引导线及包扎绝缘处理图，图(c)为电铸，图(d)为电铸产品后处理图。,图7-5 刻度盘模具型腔电铸过程,电镀技术定义:电镀技术是一种用电化学方法在基体（金属或非金属）表面 沉积金属或金属化处理的技术 特点:它能使均匀溶解在溶液中的金属离子，有序地在溶液（即镀液）和基体接触表面获得电子、还原成金属原子并沉积在基体表面，形成宏观金属层-镀层基本原理:1）传质步骤:在电解液中的预镀金属的离子或它们的络离子由于 浓度差而向阴极（工件）表面或表面附近迁移；2）表面转化步骤:金属离子或其络离子在电极表面上或表面附近 的液层中发生还原反应的步骤，如络离子配位体的变换或 配位数 的降低；3）电化学步骤:金属离子或络离子在阴极得到电子，还原成 金属原子；4）新相生成步骤:即生成新相，如生成金属或合金。,电镀的应用:单金属镀层-单金属电镀多用于传统的防护、装饰、耐磨和导电等目的。如锌镀层、镍镀层、铜镀层和铬镀层等。实用镀层更多地将各种单金属镀层或同种不同性的镀层甚至是其它镀层互相巧配，形成综合性能优良的组合镀层。合金镀层-金属离子和一种或多种其它元素在阴极共沉积，可以形成合金镀层。合金镀层比单金属镀层有较高的硬度和致密性，较高的耐蚀、耐磨及耐高温性，或良好的磁性、钎焊性以及色泽丰富的美丽外观。但形成合金镀层的条件较高，必须有选择性好的配合剂、表面活性剂和良好的工艺条件。复合电镀-复合电镀就是在电解质溶液中加入一种或数种不溶性固体颗粒，在金属离子被还原的同时，将不溶性的固体颗粒均匀地夹杂到金属镀层中的过程。复合镀层是一类以基质金属（被沉积金属）为均匀连续相，以不溶性固体颗粒为分散相的金属基复合材料。复合镀层按用途可分为a)装饰防护性复合镀层，b)功能性复合镀层，c)结构材料的复合镀层。,涂镀加工（电刷镀）,电刷镀加工的特点,无需镀槽，设备轻便沉积速度快镀层种类多组织致密、结合强度高镀液稳定、对环境污染小需人工操作，劳动强度大,电刷镀技术的应用范围,修复零件磨损表面填补零件表面的划伤、凹坑、斑蚀等缺陷大型、复杂、单个小批工件的表面局部镀镍、铜、锌等防腐层，改善表面性能,电刷镀设备,直流电源：电压330V，电流30100A，快速切断保护。镀笔：阳极为石墨，外面包裹一层脱脂棉，储存镀液。镀液：金属化合物的溶液。含有电净液和活化液回转台,电刷镀加工的工艺过程,表面预加工除油、除锈电净处理活化处理：除工件上的氧化膜镀底层：用镍、碱铜预镀一薄层底层，厚度约为0.0010.002mm镀尺寸层和工作镀层镀后清洗：用自来水清洗已镀表面，涂防锈液。,