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1、第四章电化学加工 电化学加工 Electrochemicalmachining ECM 电解加工 电解抛光 去除金属电镀 涂覆 电铸 沉积金属 一 电化学加工基本原理 历史1834年 法拉第发现电化学作用原理20世纪30 50年代才开展大规模应用关键 法拉第定律第一定律 在镀液进行电镀时 电解 阴极上所 附积 的金属重量 或阳极所溶蚀者 与所通过的电量成正比 第二定律 在不同镀液中以相同的电量进行电镀时 其各自附积出来的重量与其化学当量成正比 上述第一定律中的 电量 即为电流强度与时间的乘积 理论单位是库仑 一 电化学加工基本原理 一 电化学加工过程以电化学反应为基础对金属进行加工的方法称为电
2、化学加工 1 正离子移向阴极得到电子还原2 负离子移向阳极失掉电子氧化 阳极金属失去电子进入溶液 一 电化学加工基本原理 二 电解质溶液凡溶于水之后能导电的物质就是电解质 电解质溶液即为电解液 NaCl NaNO3 NaClO3水是一种弱电解质 只能有很少一部分离解成 H 及 OH 水是极性分子 吸附电解质正 负离子 一 电化学加工基本原理 三 电极电位产生在金属和它的盐溶液之间的电位差 能斯特公式 平衡电极电位 溶解 沉淀平衡标准氢电极为基准 一 电化学加工基本原理 四 电极的极化 平衡电极电位 溶解 沉淀平衡电流通过 平衡状态破坏 阳极电极电位向正移 阴极电位向负移 这种现象称为极化 1
3、浓差极化 阳极2 电化学极化 阴极3 钝化极化 阳极的超电位升高 电解速度减慢 一 电化学加工基本原理 五 金属的钝化和活化 钝化 在电解加工中阳极溶解随电流的增大而突然减小以至停止的现象 成相理论 氧化物 氢氧化物或盐薄膜吸附理论 氧的吸附层 活化 破坏钝化膜的过程加热 通入还原气体 机械刮 二 电化学加工应用 利用阳极溶解电解 通过电化学反应从工件表面去除金属利用阴极上的沉积作用电镀 在工件表面沉积金属 材料表面装饰保护电铸 在阴极上沉积实现附着加工复合加工 第二节电解加工 原理阳极溶解工作液高速冲走电解腐蚀物 一 电解加工过程 一 电解加工过程 10 20V 20 1500A 2 0 1
4、 1 0 5 2MPa 5 50m s 20 NaCl30 40 二 工艺特点 优点加工范围广 只要导电 无论软 硬 脆加工过程无机械作用力 无残余应力和变形工具电极理论上无消耗 阴极 表面质量好于电火花加工Ra1 25 m Ra0 2 m 电解 Ra2 5 m Ra0 32 m 电火花精加工 加工效率高于电火花加工 5 10倍 二 工艺特点 缺点难达到较高的加工精度和加工稳定性工具电极设计和修正麻烦 难适用于单件生产存在污染 腐蚀设备投资大 二 工艺特点 采用电解加工的三原则难加工材料难加工形状有一定的批量 三 电解加工时的电极反应 反应复杂 工件材料不是纯金属 不是单一盐溶液 温度 压力
5、流速14 17 NaCl 铁 钢 Cu 三 电解加工时的电极反应 阳极反应 Fe 2e Fe2 U 0 59VFe 3e Fe3 U 0 323V 4OH 4e O2 U 0 867V 2Cl 2e Cl2 U 1 334V阳极 电极电位越负越容易失去电子 被氧化结论 阳极Fe 2e Fe2 溶解 阴极反应 2H 2e H2 U 0 42V Na e Na U 2 69V阴极 电极电位越正越容易得到电子 被还原结论 阴极2H 2e H2 析出氢气 Cu 四 电解液 基本作用 作为导电介质传递电流在阴 阳极之间进行电化学反应 使阳极溶解冷却 排屑 更新电解液 四 电解液 基本要求 生产率高导电能
6、力要强阴离子不在阳极上析出不选用钝化性电解液具有较高的加工精度和表面质量阳离子不能沉积到阴极钝化性电解液阳极反应产物应是不溶性的化合物便于处理 过滤 排放 连续使用小孔时 排屑 可溶性 四 电解液 中性 酸性 碱性常用中性盐三种 NaCl NaNO3 NaClO3 四 电解液 NaCl 优点 生产率高 强电解质 导电能力强 含有Cl 无析氧 不会生成钝化膜 表面粗糙度小 价格便宜 缺点 尺寸精度低 杂散腐蚀严重 对机床腐蚀严重 四 电解液 NaNO3 优点 精度高 尺寸易控制 杂散腐蚀小使用安全 腐蚀小 价廉钝化性电解液 缺点 电流效率低 生产率低阴极氨气析出 NaNO3被消耗 四 电解液 N
7、aClO3 优点 精度高 杂散腐蚀小 尺寸易控制 表面粗糙度小 导电能力与NaCl差不多腐蚀作用小 缺点 价格贵安全防火 强氧化剂 易燃 五 电解液参数对加工过程的影响 浓度及温度 电解液PH值 粘度 五 电解液参数对加工过程的影响 1 浓度及温度电解液浓度及温度的变化都将影响腐蚀速度及加工精度浓度 电导率 生产率 加工精度 温度 电导率 生产率 加工精度 一般不超过60 在30 40 范围内 浓度太大 杂散腐蚀严重 NaCl 20 NaNO3 NaClO3虽溶解度较高 但浓度 30 时非线性变差 NaCl 常用 20 NaClO3 15 35 电解液PH值 中性阴极H 放电析出 OH 聚集碱
8、化 PH值 铁 镍合金在碱性中容易钝化酸化 硼酸添加剂 粘度温度 粘度 氢氧化物含量增高 粘度升高 五 电解液参数对加工过程的影响 六 电解液的流速及流向 流速 10m s氢气 金属氢氧化物冲走 热量带走 流向 正向 简单 氢气 氢氧化物多 加工精度 表面粗糙度降低 反向 与正向相反横向 较浅的型腔模 六 电解液的流速及流向 七 出水口的布局 流线窄槽 孔 七 出水口的布局 电解加工实例 穿孔 电解加工实例 切断 电解加工实例 型腔 电解加工实例 其它 型面加工 电解加工整体叶轮 型面加工 电解加工整体叶轮 电解磨削 靠阳极金属的电化学溶解 占95 98 和机械磨削作用 占2 5 相结合进行的
9、复合加工 电解磨削 基本原理 电解磨削 由电解腐蚀作用和机械磨削作用相结合进行加工 电解 刮除 磨削 交替进行 电解磨削 与机械磨削比 加工范围广 各种硬 韧金属材料 工件表面粗糙度与砂轮磨粒粗细无关 砂轮的磨损量小 切削温度低 不易变形 裂纹 切削力很小 可加工刚度差的零件 加工效率高于普通磨削3 5倍 机床 刀具要有防锈措施 附属设备 工艺特点 电解磨削 与电解加工比 活化 机械 刮除 小型离心泵 形状 尺寸 砂轮相对工件成形运动来控制 工艺特点 第四节电铸 涂镀及复合镀加工 电铸 表面局部涂镀和复合镀 利用电镀液中金属正离子在电场的作用下 镀覆沉积到阴极上去的过程 电铸加工 Electr
10、oForming 电镀和电刷镀原理 直流电源 镀液 镀笔 盘子 工件 电刷镀工作原理 电镀原理 电镀和电刷镀产品 电镀和电刷镀产品 各种电化学方法的比较 三 超声加工 超声加工 UltraSonicMachining 超声波 高于16000Hz超声波在各种介质中传播 其运动轨迹都按余弦函数规律变化超声波可在气体 液体和固体介质中传播 其传播速度与频率 波长 介质密度等有关超声波可传递很强的能量超声波会产生反射 干涉和共振现象超声波在液体介质中传播时 可在界面上产生强烈的冲击和空化现象 强化了加工过程的进行 超声加工原理 超声加工是磨料悬浮液中的磨粒 在超声振动下的冲击 抛磨和空化现象综合切蚀作
11、用的结果 其中 以磨粒不断冲击为主由此可见 脆硬的材料 受冲击作用愈容易被破坏 故尤其适于超声加工 超声加工的工艺特点 适合加工各种硬脆材料玻璃 陶瓷 宝石 石英 锗 硅 石墨等不导电的非金属材料淬火钢 硬质合金 不锈钢 钛合金等硬质或耐热导电的金属材料 但加工效率较低 加工质量较好由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用 故工件表面的宏观切削力很小 切削应力 切削热更小 不会产生变形及烧伤表面粗糙度较低 可达Ra0 63 0 08um尺寸精度可达 0 03mm适于加工薄壁 窄缝 低刚度零件 超声加工的工艺特点 工具材料工具可用较软的材料 做成较复杂的形状不需要工具和工件作比较复杂的相对
12、运动 便可加工各种复杂的型腔和型面超声加工机床结构比较简单 操作 维修也比较方便 生产率较低超声加工的面积不够大 而且工具头磨损较大 故生产率较低 成形孔加工 异形孔加工 型腔加工 雕刻 切割 外螺纹 内螺纹 表面研磨和抛光 应用实例 第五章激光加工 激光 受激辐射产生的放大光特点 新的先进加工方法非接触加工 激光可视作 光刀 无 刀具 磨损 无 切削力 作用于工件可对多种金属 非金属加工 特别是高硬度 高脆性及高熔点材料与数控系统配合组成激光加工中心 实现多种加工目的激光束能量密度高 是局部加工 加工速度快 热影响区小 工件变形小 后续加工量小生产效率高 激光加工原理 激光加工原理 1 激光
13、加工的原理 利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度靠光热效应来加工各种材料 应用 打孔切割微调焊接热处理激光存储 激光的特性 强度高时间和空间都可集中 单色性好单色性 指光的波长为一个确定的数值 光谱范围 0 605 7nm 0 00047nm 10 8nm 相干性 相干时间 是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时间间隔 方向性好发散角可以小到0 1X10 3sr 激光加工原理 激光加工材料的物理过程激光加工 把激光作热源 对材料进行热加工 过程 光照 吸收 光变热 加热 气化 熔融 溅出 材料对激光能量的吸收反射折射透射导电率高的材料反射率高铜不能加工 铝难于加工 激
14、光加工原理 材料加热厚0 01 0 1 m动能增加 自由电子热运动 材料的破坏 气化和熔化 激光光点中心 1010 s温度梯度 106 m气化 熔化 爆炸性气化不同材料不一样 解聚碳化热应力碎裂 激光加工原理 激光加工的特点 几乎可以加工任何材料 精密微细加工 光斑可聚焦到微米级 非接触加工 加工装置比较简单 影响因素多 需反复试验找合理的参数 飞溅物 通风 采用激光加工必然性 激光加工 如 焊接 切割 打孔 打标 热处理和微加工等 解决了许多常规方法无法解决的难题大大提高了工作效率和加工质量 是先进加工系统必不可少的发达国家的制造业已经步入 光加工 时代 激光加工方法 功能切割可对铝 铜 镍
15、 陶瓷等材料进行切割加工出各种图形 切割深度 2 5mm打孔最小孔径 0 03mm 并可对其他金属如 铝 铜 非金属金刚石 硬质合金 陶瓷 塑料上打孔标记能在多种金属材料上做简单的文字 数字标记焊接可对铝 铜 金 银 镍等金属材料进行点焊 对焊或密封焊接 焊接熔深 2 5mm雕刻适用于多种金属 非金属材料 复杂平面艺术图形 激光切割 激光切割特色切缝窄 工件变形小非接触与计算机配合高速加工切割非金属是其它方法不可比的 激光打孔 激光打孔的特色速度快 效率高 尤其高密度群孔加工大深径比 传统不大于1 10 激光在碳钢上加工0 25mm的小孔深径比达65 1可加工硬脆软材料可在难加工材料上加工斜孔
16、 激光标记 激光标记的特色便于对原材料 半成品 在制品 产品进行分类便于使用 防止假冒激光标记特点可标记条形码 数字符号图案 激光焊接 激光焊接的优势速度快 效率高 深度大 变形小大深宽比 5 1 最大10 1可焊接难熔材料可进行微型焊接 激光雕刻 特点适用于多种金属 非金属材料复杂平面艺术图形 三维激光内雕刻 激光内雕刻在计算机控制下利用激光作为加工手段 在各种形状的透明水晶玻璃中雕刻出各种立体图案 文字 人物肖像等的设备 激光内雕技术主要用于水晶工艺品的激光内雕刻有传统的机械雕刻方法有无法比拟的优点 采用计算机控制技术和高精度 高效率的伺服控制系统 适应了现代化生产的高效率 快节奏的要求采用激光加工手段 在水晶玻璃内部雕刻出由精细明亮的点组成的精美立体图案利用激光聚焦技术 与水晶体不接触却可在水晶内雕刻出永不磨灭的立体图案激光玻璃内雕刻或标识系统可广泛应用于玻璃装饰行业 如玻璃隔墙 玻璃屏风等 玻璃制品行业 如玻璃杯 酒杯等 艺术品行业 如将人像 风景等照片刻入玻璃内 玻璃家具行业 如玻璃台桌 家具玻璃门等 防伪 如酒瓶 调味瓶等 激光雕刻的水晶作品 激光雕刻的水晶作品 激光的其它
