復(fù)合電化學(xué)加工(上課6)

1、電化學(xué)加工技術(shù)第五章 復(fù)合電化學(xué)加工復(fù)合電化學(xué)加工5.1電解磨削（ECG）5.2電解光整加工（EP）5.3電化學(xué)機械光整加工（ECMP）5.4超聲波-電化學(xué)復(fù)合加工5.5電解-電火花復(fù)合加工（ECDM）5.6電解輔助在線削銳磨削北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)5.1 電解磨削5.1.1 電解磨削的基本原理和特點5.1.2 影響電解磨削生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的因素5.1.3 電解磨削用電解液及其設(shè)備5.1.4 電解磨削的應(yīng)用北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)電解磨削的基本原理和特點v電解磨削（Electrochemical Grinding） 20世紀(jì)50年代初美國人研究發(fā)明的復(fù)合加工。 電解磨削是電解加工

2、的種特殊形式，利用陽極金屬電化學(xué)腐蝕作用和機械磨削作用相結(jié)合的加工方法，它是靠金屬的溶解(占95%98%)和機械磨削(占2%5%)的綜合作用來實現(xiàn)加工的 比電解加工更好的加工精度和表面質(zhì)量；比機械磨削更高的效率。北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)電解磨削的基本原理和特點v 電解磨削原理電解作用和磨削電解作用和磨削作用的交替進行作用的交替進行w 工件接直流電源的正極，導(dǎo)電砂輪接負極。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電解間隙隙（約0.020.05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

3、極膜陽極膜。這些電解產(chǎn)物不斷地被砂輪刮除刮除，在陽極工件露出新的金屬表面并被繼續(xù)溶解。北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)圖圖5-1 電解磨削加工原理圖電解磨削加工原理圖7685432191251311101直流電源；2絕緣主軸；3磨輪；4電解液噴嘴；5工件；6電解液泵；7電解液箱；8機床本體；9工作臺；10磨料；11結(jié)合劑；12電解間隙；13電解液北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)電解磨削的基本原理和特點v (1) 磨削力小，生產(chǎn)率高。這是由于電解磨削具有電解加工和機械磨削加工的優(yōu)點。v (2) 加工精度高，表面加工質(zhì)量好。因為電解磨削加工中，一方面工件尺寸或形狀是靠磨輪刮除鈍化膜得到的，故能獲得比電

4、解加工好的加工精度；另一方面，材料的去除主要靠電解加工，加工中產(chǎn)生的磨削力較小，不會產(chǎn)生磨削毛刺、裂紋等現(xiàn)象，故加工工件的表面質(zhì)量好。v (3) 設(shè)備投資較高。其原因是電解磨削機床需加電解液過濾裝置、抽風(fēng)裝置、防腐處理設(shè)備等。北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)電解磨削的基本原理和特點v 電解磨削的特點w 與機械磨削對比加工范圍廣、效率高：加工高硬度高韌性的金屬效率高。與金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金相比，工效提高工效提高35倍倍較高的加工精度和表面質(zhì)量；磨一般材料表面粗糙度可達磨一般材料表面粗糙度可達Ra0.1m，磨硬質(zhì)合金可達鏡面。，磨硬質(zhì)合金可達鏡面。砂輪磨損量小、砂輪壽命長。與金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金

5、相與金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金相比，砂輪消耗降低比，砂輪消耗降低90%，大降低砂輪成本。，大降低砂輪成本。不易達到鋒利的刃口，機床、夾具需防蝕防銹，需要附加設(shè)備。北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)電解磨削的基本原理和特點v電解磨削的特點w 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。電解加工效率比電火花加工高四倍以上，電極損耗極小，可長期使用。 北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)影響生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的因素v 影響生產(chǎn)率的主要因素w 電化學(xué)當(dāng)量w 電流密度w 磨輪的線速度。（在一定范圍內(nèi)，線速在一定范圍內(nèi)，線速度高，生產(chǎn)率高。一般為度高，生產(chǎn)率高。一般為

6、2030m/s。）w 磨輪與工件間的導(dǎo)電面積（接觸面積大，接觸面積大，生產(chǎn)率高，盡量保持較大的接觸面積。生產(chǎn)率高，盡量保持較大的接觸面積。）w 磨削壓力（磨削壓力以不產(chǎn)生火花放電磨削壓力以不產(chǎn)生火花放電又能刮除氧化膜為原則，一般為又能刮除氧化膜為原則，一般為0.10.3MP。）RUi北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)影響生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的因素v影響加工精度的因素w 電解液成分（形成鈍化膜的疏密程度） 。（電解電解液的流量隨加工方式而定；電解液濃度一般控制液的流量隨加工方式而定；電解液濃度一般控制在在10%左右。左右。）w 陰極導(dǎo)電面積和磨粒軌跡w 被加工材料的性質(zhì)（各種金屬同時溶解）w 機械因素（

7、磨輪、夾具精度，機床成形精度等）北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)影響生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的因素v影響表面粗糙度的因素w 電參數(shù)（電壓不能過低或者過高，電流密度同電壓）w 電解液（鈍化型或者半鈍化型的電解液）w 被加工材料的性質(zhì)w 機械因素（磨粒粒度、磨削壓力等）北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)電解磨削用電解液及其設(shè)備v電解液的選擇原則w 能夠使金屬生成結(jié)構(gòu)緊密、粘附力強的鈍化膜；w 導(dǎo)電性好，以獲得高生產(chǎn)率；w 不銹蝕機床和夾具；w 對人體無害；w 經(jīng)濟。電解液系統(tǒng)由電解液箱、泵、管道和噴嘴組成。電解液系統(tǒng)由電解液箱、泵、管道和噴嘴組成。 電解液噴射方式有三種：標(biāo)準(zhǔn)式用于一般加工；直接式用于大批量生產(chǎn)

8、；刮板式用于加工精度要求的工件。北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)電解磨削用電解液及其設(shè)備v電解磨削用設(shè)備w 直流電源：與電解加工設(shè)備通用。w 電解液系統(tǒng)小型離心泵，過濾、沉淀裝置等。w 電解磨床特別制造的導(dǎo)電砂輪；導(dǎo)電磨輪一般由銅粉和磨料加壓燒結(jié)而成?？捎勉~、樹脂、石墨作結(jié)合劑，以人造金剛石、氧化鋁、碳化硅為磨料制成。電解磨床也可由一般磨床改裝。北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)加工方式（表5-1）v平面磨輪磨削v外圈或表面磨削v錐型磨輪加工v成型磨輪磨削北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)電解磨削的應(yīng)用vWC的加工電極反應(yīng)： NaNO2電解磨削加工WCCo陽極反應(yīng)Co氧化 CoCo22e Co22OHC

9、o（OH）2WC氧化 2NO2N2O42e 強氧化性 2WC4N2O42WO32CO8NONO： 氧化NO2 一部分放出, 一部分溶于液中可能： H2OO2H2e（中性） 2OHO2H2O2e（堿性）北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)電解磨削的應(yīng)用Co鈍化 CoOCoO吸附 CoOCoOW鈍化 WC4OWO2O吸附CO WC4OWO3CO 堿性： WO32OHWO4H2O 或 WO22NaOHNa2WO4H2O 陰極反應(yīng) 2H2O2e2OHH2 北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)電解磨削的應(yīng)用硬質(zhì)合金刀片氧化鋁導(dǎo)電砂輪電解磨削硬質(zhì)合金車刀和銑刀 表面粗糙度可達Ra0.20.1m，刃口半徑小于0.02，

10、平直 度也較普通砂輪磨出的好。金剛石導(dǎo)電砂輪電解磨削加工精密絲杠的硬質(zhì)合金成型車刀 表面粗糙度可小于Ra0.016m，刃口非常鋒利，達到精車絲 杠的要求。 電解液：亞硝酸鈉9.6%、硝酸鈉0.3%、磷酸氫二鈉0.3%、加入少量的丙三醇（甘油），可以改善表面粗糙度。 電壓68V，加工時的電解液壓力0.1MPa。 比單純金剛石砂輪磨削時效率提高23倍，而且大大節(jié)省金剛 石砂輪，一個金剛石導(dǎo)電砂輪可用56年。北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)硬質(zhì)合金軋輥銅粉結(jié)合劑人造金剛石導(dǎo)電砂輪： 磨料粒度為601000目，外圓磨輪直徑為300，磨削型槽磨輪直徑為260。電解液：亞硝酸鈉9.6%、硝酸鈉0.3%、磷酸

11、氫二鈉0.3%、酒石酸鉀鈉0.1%、其余為水。粗磨加工參數(shù)：電壓12V，電流密度1525A/2，磨輪轉(zhuǎn)速2900r/min，工件轉(zhuǎn)速16r/min，一次進刀深度2.5。精加工參數(shù)：電壓10V，工件轉(zhuǎn)速16r/min，工作臺移動速度0.6/min。電解磨削加工軋輥，型槽精度為0.02，型槽位置精度為0.01，表面粗糙度Ra0.2m，工件表面不會產(chǎn)生微裂紋，無殘余應(yīng)力，加工效率高，磨削比為138。北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)5.2電解光整加工（EP）v加工原理：在陽極產(chǎn)生電解作用溶解金屬材料，產(chǎn)生光整作用的加工技術(shù)。v在質(zhì)傳控制的情況下，在陽極表面會產(chǎn)生一層粘滯層，在粘滯層會發(fā)生整平、光滑的作用

12、，最后產(chǎn)生一層鈍化層，鈍化層會使工件表面具有較高的抗腐蝕能力北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)影響工件材質(zhì)鈍化特性的主要因素1. 金屬的性質(zhì)金屬的性質(zhì)（鎳鈷鐵，若易鈍化金屬越多，則合金就具有較易鈍化的性質(zhì)）2. 電解液成分和電解液成分和pH值值 電解液中含有氧化劑時（碘酸鹽、鉻酸鹽、氯酸鹽、硝酸鹽）能促使金屬鈍化，氯離子和其他鹵素離子則阻止金屬鈍化或促使鈍化態(tài)的活化。pH值影響重大，鉻和鐵族金屬在堿性溶液中比較容易鈍化，鎢、鉬則相反北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)影響工件材質(zhì)鈍化特性的主要因素3.加工參數(shù)v電流密度小于臨界鈍化電流密度時，不會發(fā)生鈍化現(xiàn)象，若超過此臨界值，則超過越多，陽極轉(zhuǎn)入鈍化狀態(tài)

13、越快。v提高流速會使鈍化曲線上移（表面金屬離子更易擴散到溶液去，減小流體層的濃度和厚度，能使?jié)獠顦O化降低，陽極膜容易遭到破壞）4.溫度影響（溫度增高將增加反應(yīng)的活性，使陰極反應(yīng)速度和溶液中離子遷移速度加快 ，使得陽極極化現(xiàn)象延遲）北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)加工機制1.整平整平（當(dāng)電解發(fā)生時，處于圖5-7的ab段,隨著電壓的上升，電流跟著增大，高點的電場強度比低點高，高點的蝕除速度要比低點快很多，并且去除表面雜質(zhì)和加工變質(zhì)層，從而達到整平的效果。175頁圖5-9所示）2.平滑平滑（cd段，陽極溶解速度比生成物的擴散速度快，工件表面和電解液間會形成粘滯層。凸出部分粘滯層較薄，凸點的溶解速度比凹

14、點快，而產(chǎn)生平滑化。陽極電位要小于水電解的電位，不然會破壞粘滯層的穩(wěn)定，使得光整效果不再出現(xiàn)）3.光澤化光澤化（形成鈍化膜，膜是由高黏度的液體膜或固體膜所形成的。在膜的微觀高點產(chǎn)生很微量的去除，二低點形成保護，而使表面光滑具有光澤） 北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)加工程序1. 前處理2. 電解加工程序3. 后處理4. 檢測北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)加工程序-前處理 陽極的表面狀態(tài)、材料和潔凈狀況會影響到光整的效果，因此需前處理1. 材料表面檢查（金相組織越均勻致密，效果越好，因此需先分析材料是否適合光整加工）2. 酸堿洗凈（去除表面的雜質(zhì)和油脂）3. 超聲波洗凈（去除少量的清潔劑，熱純水配

15、合超聲波完成，減少表面的粘附的Cl離子）北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)加工程序-系統(tǒng)1. 電源：直流電源，低壓大電流且輸出穩(wěn)定的電源，電壓（0-20V），電流（0-18A/cm2），設(shè)定準(zhǔn)確度（0.05%），反應(yīng)時間碳化硼碳化硅氧化鋁）5. 研磨液種類及磨粒濃度（水、汽油、煤油等，濃度30%-50%）北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)超聲注意事項v工具材料的選用：不能選用脆性較大的材料，因為在超聲環(huán)境中，工具也受超聲的作用力。（軟鋼、彈簧鋼、琴鋼線等）v超聲加工是一種以磨粒撞擊工件表面材質(zhì)的一種成型加工方法。電壓：3-15V，電流密度：5-30A/cm2北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)應(yīng)用v加工碳化

16、鎢時，當(dāng)進給速度增加3-4倍時，工具的磨耗減少2-3倍。v在相同的參數(shù)設(shè)定下，都可獲得良好的表面質(zhì)量，但超聲-電解復(fù)合加工在能源的節(jié)省上有較佳的表現(xiàn)。北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)5.5電解-電火花復(fù)合加工（ECDM）v電解加工：良好的表面處理效果、表面完整性、高加工效率、無工具損耗v電火花：高加工精度v關(guān)鍵：加工參數(shù)的設(shè)定（重要的是臨界電壓及臨界電流密度）北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)電解-電火花復(fù)合加工機理和特點1. 電解作用陽極溶解，陰極析出氫氣2. 氫氣泡層形成3. 電子穿越氫氣泡層，瞬間放電產(chǎn)生電火花4. 金屬熔融汽化，形成高壓氣泡5. 高壓氣泡帶動電解液流動，冷卻并帶走金屬離子與碎

17、屑北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)電解-電火花復(fù)合加工-影響因素1. 加工電流對加工速度的影響2. 陰極表面積對加工速度的影響3. 工件與工具的間距4. 工作液的流速5. 若使用脈沖電流為加工電流時，必須同時考慮脈沖寬度對加工速度的影響北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)應(yīng)用1.孔加工2.型腔加工：加工半圓弧二維型面及長方形槽加工，矩形脈沖電源，頻率1315Hz，脈寬0.66ms，電火花擊穿電壓：45-50V，維持電壓：20-30V，電解液：含20%NaNO3，以間歇周期供給方式供給。3.光整加工：微秒級脈沖加工電流、低濃度電解液、小間隙及不施加外力讓電解液流動的加工條件下，可以獲得鏡面效果。北理工珠

18、海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)5.6電解輔助在線削銳磨削ELIDv電解式在線削銳磨削：在磨削加工過程中，施以電流使磨輪表面經(jīng)常保持銳利，以利磨削加工采用以金屬（一般為鑄鐵）充當(dāng)結(jié)合劑固著金剛石磨粒的磨輪作為磨削工具北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué) 磨輪削正：將磨輪進行機械性削正，以消除磨輪因制造及安裝所產(chǎn)生的誤差，讓削銳平面為一平坦面 電解削銳：磨輪接陽極，使表面開始產(chǎn)生電解作用。金屬離子析出，磨粒開始突出，產(chǎn)生削銳作用。北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué) 金屬氧化膜形成：電解析出的金屬離子隨即在磨輪表面形成致密的氧化膜。因氧化膜不導(dǎo)電，隨氧化膜增厚，電阻增加，電流下降 氧化膜消耗：隨著磨削加工的進行，磨粒

19、開始損耗，氧化膜亦會剝離磨耗，而使導(dǎo)電性再度升高。 再次電解削銳：隨導(dǎo)電性升高，電流量增加，電解作用使磨輪表面金屬離子析出，同時讓磨粒突出量保持在適當(dāng)范圍，保持削銳狀態(tài)。北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)v電解式在線削銳磨削加工法與傳統(tǒng)的電解削銳磨削加工法主要的差異來自于氧化膜的形成。v關(guān)鍵在于選擇電解液、金屬結(jié)合劑及控制氧化膜的生成v190頁的表5-2北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)加工設(shè)備-研磨機1.用一般磨床改裝即可適用，具有寬廣的適用性2.以高效研磨為目的時，機械的剛性要好，主軸動力要充足3.以鏡面研磨為目的時，因機械的振動會影響加工面的品質(zhì)，所以沒有振動且心軸回轉(zhuǎn)精度高的金屬含油軸承或油壓、氣壓等靜壓軸承較為適用北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)研磨機4.因使用2000#以上之細目磨料，所以作鏡面加工時主軸最小進刀單位應(yīng)為1um以下5.因磨輪做削正以及ELID削銳時，必須以較研磨作業(yè)時為低的磨輪轉(zhuǎn)速為作業(yè)條件，故研磨機的磨輪必須有無級變速裝置。如果是磨輪軸回轉(zhuǎn)速度為固定的研磨機時，必須加裝適當(dāng)容量的變頻器。北理工珠海學(xué)院化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)磨輪： 結(jié)合劑、磨粒 結(jié)合劑：結(jié)合劑：ELID研磨的磨輪，必須為金屬結(jié)合劑的磨輪，才能進行電解削銳。（鑄鐵纖維結(jié)合劑