特種加工技術(shù)第四章：電化學(xué)加工.ppt

1、第四章 電化學(xué)加工 Electrochemical Machining,按照電化學(xué)加工的技術(shù)原理，可以分為：,1 電解加工：基于金屬陽極的電化學(xué)溶解原理來去除多余 材料的減材制造工藝。,2 電鍍、涂鍍加工：基于金屬陽離子的陰極電沉積原理的一 種增材制造工藝。,第一節(jié) 電化學(xué)加工原理及分類,一、電化學(xué)加工的基本原理,1 電化學(xué)加工過程,2 電解質(zhì)溶液,凡是溶于水后能導(dǎo)電的物質(zhì)稱為電解質(zhì)，電解質(zhì)的水溶液 即為電解質(zhì)溶液。,酸性電解質(zhì)溶液 堿性電解質(zhì)溶液 中性電解質(zhì)溶液,3 電極電位,考慮如下兩種實驗場景,產(chǎn)生在金屬和它的鹽溶液之間的電位差稱為金屬的電極電位， 它是金屬在本身的鹽溶液的溶解和沉積相平

2、衡時的電位差，也稱 平衡電極電位，其大小與金屬的活潑性有關(guān)。,到目前為止，一種金屬和它的鹽溶液之間雙電層的電極電位 還不能直接測定，但是可以用鹽橋的辦法測出兩種不同電極 之間的電位差，生產(chǎn)實踐中規(guī)定采用一種電極作標(biāo)準(zhǔn)和其他 電極比較得出相對值，稱為標(biāo)準(zhǔn)電極電位。,通常采用標(biāo)準(zhǔn)氫電極為基準(zhǔn)，人為規(guī)定它的電極電位為零。,課本P79頁列出了多種元素的標(biāo)準(zhǔn)電極電位。即在25C時，把 金屬放在此金屬離子的有效質(zhì)量份數(shù)為1g/L的溶液中，此金屬 的電極電位與標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極電位之差，用U0表示。,結(jié)論：金屬越活潑，其標(biāo)準(zhǔn)電極電位的代數(shù)值就越小，反之， 金屬越不活潑，其標(biāo)準(zhǔn)電極電位的代數(shù)值就越大。,當(dāng)金屬離

3、子的有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時，電極電位也隨之 發(fā)生變化。,“能斯特”公式：,n: 金屬電化學(xué)反應(yīng)的化合價； a：離子的有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)；,引出問題： 金屬浸入其他任何電解液時會產(chǎn)生雙電層和電位差嗎？,考慮如下的實驗場景,4 電極的極化,在電化學(xué)過程中通常發(fā)生兩種極化現(xiàn)象：濃差極化和電化學(xué)極化,在陰極上，由于水化離子的移動速度很快，因此陰極的濃差極化 很小，在電化學(xué)加工過程中一般不予考慮。,消除濃差極化的措施： 一般說來，凡是能加速陽極表面金屬離子擴散與遷移的措施都能 在一定程度上改善濃差極化。,提高電解液的流動速度增加攪拌效果； 提高電解液的溫度；,5 金屬的鈍化和活化,在電解加工中經(jīng)常出現(xiàn)一種鈍化

4、現(xiàn)象，使得電解速度減慢。,例如，鐵在硝酸鈉溶液中電解時，如果極間間隙達(dá)到一定數(shù)值 后，鐵的溶解速度就會顯著下降，這就是鈍化。,鈍化形成的原因：金屬與溶液作用后在金屬表面形成了一層緊密 的極薄的膜，通常是由氧化物、氫氧化物或鹽組成，從而使金屬 表面失去了原來具有的活潑性質(zhì)，使其溶解過程變慢。,使金屬鈍化膜破壞的過程稱為活化。金屬活化后，新鮮的金屬 表面露出，可以進一步的參與電解過程，從而使加工速度提高。,二 電化學(xué)加工的分類,第一類 電解加工,第二類 電鍍，涂鍍和電鑄加工,第三類 電化學(xué)與其他加工方法相結(jié)合的電化學(xué)復(fù)合加工工藝， 例如 電解磨削，超聲電解等,第二節(jié) 電解加工,一 電解加工的過程及

5、特點,電解加工的特點：,1 加工范圍廣；,2 電解加工的生產(chǎn)率較高，約為電火花加工的5-10倍；,3 表面質(zhì)量良好，可以達(dá)到Ra1.25-2.5um和0.1mm的加工精度;,4 由于加工中不存在機械切削力，因此不會產(chǎn)生因切削力引起 的殘余應(yīng)力和變形，也不會存在飛邊和毛刺；,5 加工中工具陰極在理論上不會損耗，可長期使用；,電解加工的局限性：,1 不易達(dá)到較高的精度和穩(wěn)定性；,2 工具電極（陰極）的設(shè)計制造很困難，不適合單件小批量生產(chǎn)；,3 電解加工附屬設(shè)備較多，占地面積大，加工機床較貴；,4 電解產(chǎn)物需要妥善處理，否則會污染環(huán)境；,我國的一些專家提出選用電解工藝的三原則：1）適合于難加工 材料

6、；2)適合于相對復(fù)雜零件的加工；3）適合于批量較大的工件 加工；上述三原則都滿足時，電解加工工藝比較合理。,二 電解加工的電極反應(yīng),電解加工的電極反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，而且影響因素眾多。,1 電極反應(yīng) 以NaCl溶液電解加工鐵基合金為例，來講述電解加工的電極反應(yīng),陽極反應(yīng),發(fā)生氧化反應(yīng),陰極反應(yīng),2 電解加工過程的電能利用,極化電壓數(shù)值： 鐵基合金 0-1V 鎳基合金 1-3V 鈦合金 4-6V,三 電解液,電解液的主要作用：作為介質(zhì)傳導(dǎo)電流；在電場作用下進行電 化學(xué)反應(yīng)，使陽極金屬溶解能順利而有控制的進行；及時把加 工區(qū)產(chǎn)生的電解產(chǎn)物和熱量帶走，并冷卻電極表面。,1 對電解液的基本要求,1）具有足夠

7、的蝕除速度，即生產(chǎn)率要高。這就要求電解質(zhì)有 較高的溶解度和較高的濃度。,2）具有較高的加工精度和表面質(zhì)量。,3）陽極反應(yīng)的最終產(chǎn)物是不溶性的化合物。,2 電解加工常用的幾種電解液,1）NaCl電解液 該電解液導(dǎo)電能力強，適用范圍廣，價格便宜，貨源充足。其 電流效率接近100%。,2）NaNO3和NaClO3電解液 這兩種電解液通常被稱為“鈍化電解液”或“非線性電解液”。主要 因為電解加工時加工速度和電流密度不成正比。,幾點注意事項：,1 鈍化電解液的成型精度高，對機床的腐蝕小，使用安全，但其 電流效率較低，蝕除速度較慢，生產(chǎn)率也較低。,2 NaClO3電解液有較強的氧化性，使用時要注意防火。,

8、四 電解液的流速及流向,出水口布局對流場的影響,五 電解加工的基本規(guī)律*,1 金屬的電化學(xué)當(dāng)量和生產(chǎn)率的關(guān)系,電解時電極上溶解或析出的物質(zhì)的量（質(zhì)量m或體積v），與電解 電流I 和電解時間t成正比，即與電量Q成正比，其比例系數(shù)稱為電 化學(xué)當(dāng)量，這一定律即所謂的法拉第電解定律。,根據(jù)法拉第電解定律，電解溶解或析出的物質(zhì)的量只與該物質(zhì)的 電化學(xué)當(dāng)量，電解電流和電解時間有關(guān)。在理論上不受電解液濃 度，溫度，壓力，電極形狀等因素的影響，與上述諸因素?zé)o關(guān)。,因此上述公式需要修正為：,2 電流密度i和生產(chǎn)率的關(guān)系,Va是金屬陽極（工件）的蝕除速度。,3 間隙大小和蝕除速度的關(guān)系,4 端面平衡間隙,注意：端

9、面平衡間隙出現(xiàn)在陽極表面法線與陰極進給方向夾角等于 零的位置。,5 法向平衡間隙,注意上式的使用范圍,六 電解加工陰極設(shè)計方法之一cos法,七 電解加工設(shè)備,對電解加工設(shè)備的基本要求,1 機床的剛性；,2 機床進給速度要穩(wěn)定；,3 機床的防腐和絕緣；,4 安全措施：及時排除氫氣和有毒氣體；,第三節(jié) 電解磨削,一 電解磨削基本原理,二 電解磨削的特點,1 加工范圍廣，加工效率高。例如磨削硬質(zhì)合金，電解磨削是 普通金剛石砂輪磨削效率的3-5倍。,2 可以提高加工精度和表面質(zhì)量。不會產(chǎn)生毛刺、裂紋、燒傷 等普通機械磨削經(jīng)常產(chǎn)生的不利現(xiàn)象。,3 砂輪的磨損量少。例如磨削硬質(zhì)合金，普通砂輪的磨損量通常

10、是磨除硬質(zhì)合金的4-6倍，而電解磨削砂輪的磨損量只是磨除硬質(zhì) 合金量的40-60%。,不足之處：加工刀具時刃口不易磨的很鋒利；機床、夾具等需要 采取防腐措施；需要增加吸氣、排氣裝置；需要直流電源和電解 液循環(huán)和過濾裝置。,第四節(jié) 電鑄、涂鍍加工,一、電鑄的基本原理,二、電鑄的基本特點,1 能準(zhǔn)確，精密的復(fù)制復(fù)雜型面和微細(xì)紋路；,2 能獲得尺寸精度高、表面粗糙度小于Ra0.1um的復(fù)制品， 同一個原模（芯模）生產(chǎn)的電鑄件一致性極好。,三 涂鍍加工,涂鍍加工又稱為刷鍍或無槽電鍍。其基本加工原理如下,涂鍍加工的主要特點：,1 不需要鍍槽。操作簡單，機動靈活，可在現(xiàn)場就地施工。,2 可進行涂鍍的鍍液種類，可涂鍍的金屬種類多。例如金、 銀、銅、鐵、錫、鎳、鎢、鉻等。,3 涂鍍金屬與基體的結(jié)合力比槽鍍牢固。,4 因工件與鍍筆之間有相對運動，故一般需要人工操作，很難 實現(xiàn)高效率的大批量、自動化生產(chǎn)。,涂鍍技術(shù)的主要應(yīng)用范圍：,1 修復(fù)零件磨損表面、恢復(fù)幾何尺寸、實施超差補救。 2 填補零件表面的劃傷、凹坑、斑蝕、空洞等缺陷。例如機床 導(dǎo)軌、活塞液壓缸等表面的修補。 3 大型、復(fù)雜、單個小批工件的表面鍍