现代加工技术电火花加工课件

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1、电化学加工,1,Electrical Chemical MachiningECM,课程内容大纲,2,1绪论 2电火花加工 3电火花线切割加工 4电化学加工 5超声波加工 6磨料与水喷射加工 7激光加工 8快速原型制造 9电子束、离子束加工 10化学、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨,本讲内容,3,3.1电化学加工原理、特点及分类 3.2电化学加工设备 3.3电化学加工的基本规律 3.4提高电化学加工精度的途径 3.5电化学加工的应用 3.6电铸和涂镀加工 3.7电化学磨削 3.8电化学抛光 3.9电化学辅助在线削锐磨削 3.10微精电化学加工,第3章 电化学加工,4,电化学加工的最初试验是出前

2、办联人进行的。但由于当时技术水平限制，难以发展。战后，为对喷气发动机及人造卫星等所使用的，具有高硬度和高韧性的耐热钢等难加工材料进行加工，美国对电化学加工进行重新估价，研制出了最早的电化学加工机。电化学加工现己用于打孔、切槽、雕模、去毛刺等方面。是应用范围很广的加工方法。,3.1 电化学加工原理、特点及分类,5,一、电化学加工原理 利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学原理对工件进行成形加工的一种工艺方法。电解加工原理如图1-21所示。 加工时，工件接直流稳压电源正极，工具接负极，两极间保持0.11mm的间隙，具有一定压力（0.52.5Mpa）的电解液从两极间隙中高速（560m/s）流过。,一

3、、电化学加工原理,6,电化学中常用的电解液有NaCl、NaNO3和NaClO3三种溶液。下面仅介绍用10%20%的氯化钠水溶液作电解液加工低碳钢时的主要化学反应： 水溶液 H2 O H+OH- 工件阳极反应 Fe 2e Fe+,Fe+ + 2OH- Fe(OH)2,一、电化学加工原理,7,工具阴极反应 2H+ +2e H2 从以Fe+上反应可以看出，在电解加工过程中，由于外电源的作用，阳极铁不断失去电子，以Fe+的形式与水溶液中的负离子化合生成Fe(OH)2而沉淀；阴极不断得到电子，与水溶液中的H+结合而游离出氢气。在电解过程中，工件阳极和水不断消耗，而工具阴极和氯化钠并不消耗。,电化学加工1

4、分44.mp4,一、电化学加工原理,8,加工过程中，工具阴极的凸出部分与工件阳极的电极间隙最小，此处的电流密度最大，单位时间内消耗的电量最多。根据法拉第定律，金属阳极的溶解量与通过的电量成正比。因此，工件上与工具阴极凸起部位的对应处比其它部位溶解更快。,随着工具阴极不断缓慢地向工件进给，工件则不断地按工具端部的型面溶解，电解产物则不断被高速流动的电解液带走，最终工具电极的形状就“复制”在工件上。,9,电解加工7分05.mp4,两种方法,10,二、电化学加工特点,11,电化学加工的主要优点之一是它可以加工复杂的三维曲面，而不像一般的金属切削那样留下刀痕。采用不锈钢制造的阴极工具，可以把许多初步成

5、形的零件加工到具有极高的外形尺寸。其特点是：,二、电化学加工特点-优点,12,(1)无应力加工；工件不变形 (2)无毛刺加工；表面质量好 (3)工具和工件不接触，工具无磨损。 生产效率高，是电火花加工的510倍。 加工范围广，不受材料硬度的限制。,工艺特点,13,1 凡是导电材料，不论硬度、强度、韧性多高，均可加工； 2 复杂形状零件一次成型,生产率高； 3 表面质量好，不变形，无飞边毛刺，无残余 应力； 4 工具阴极原理上不消耗 ; 5 生产率、表面质量之间无相互制约的关系,二、电化学加工特点-应用场合,14,目前电化学加工主要用于： (1)复杂三维曲面的端面和外圆加工； (2)刻模，特别是

6、深窄的槽和孔； (3)靠模加工和特殊形状仿形； (4)多孔加工； (5)拉孔； (6)去毛刺； (7)磨削； (8)珩磨； (9)切断。,二、电化学加工特点-缺点,15,电化学加工的主要缺点是不能加工非导电材料以及有尖锐的内角(r0.2mm)，因为在尖点上的电流密度很大。 在实心材料上不能一步加工出盲孔(工作液流动)。 电化学加工设备的腐蚀和生锈问题。,三、电化学加工分类,16,电化学加工按其作用原理可分为三大类：,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

7、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)。,三、电化学加工分类,17,3.2 电化学加工设备,18,一、电化学加工设备的组成 电化学加工的设备主要包括三大部分。,1.机床 2.电源 3.工具、工件及电化学加工液循环系统,一、电化学加工设备的组成,19,机床电解加工机床的作用是安装夹具、工件和阴极，并实现其相对运动。要求机床有足够的刚性，以保证进给系统的稳定性，有较宽的调速范围，以适应多品种加工；配置汇流排和导液系统，以实现供电和供液；好的防腐安全措施，足够的抗干扰能力。 电源与机床配套，提供合适的额定电压和电流，足够的稳压精度和

8、抗干扰能力。 电解液系统作为导电介质，参加电化学反应，起到排除反应产物和冷却工件的作用。,二、电化学加工机床,20,10000A卧式电解加工机床（昆仑机械厂）,二、电化学加工机床,21,电化学加工机床,22,日本三菱5kA立式电解加工机床,三、工具、工件和工作液,23,1阴极工具 其形状尺寸精度直接影响到工件的加工精度，同样，工具的表面租糙度对加工后工件的表面粗糙度也有影响。 对工具材料的要求 1）导电性好减小温升和热变形； 2）力学性能好保证阴极的形状精度； 3）耐烧蚀和可焊性； 4）耐腐蚀 。 在电化学加工中，广泛使用的工具材料有铝、黄铜、青铜、紫铜、石墨、不锈钢、镍铜合金等。,1阴极工具

9、,24,上述材料的工具容易加工成需要的形状，制造这些工具的方法一般采用冷锻和电镀成型。 1）传统方法设计，试验，修改； 2）开发CAD/CAM应用软件，对复杂型面、型腔的零件发展数字化制造技术。,2阳极工件,25,工件的材料必须是良导体，其化学特性对材辑切除速率有影响。去除速度与工件材料的原子量成正比，与其原子价成反比。 装夹工件的夹具由绝缘材料制成，环氧树脂或玻璃纤维是电化学加工理想的夹具材料。在某此场合，也可用便宙材料如有机玻璃和聚氯乙烯。这些材料具有良好的热稳定性和低湿性。,3电解液系统,26,电解液的主要组成有泵、电解液槽、过滤器、管道及阀等，如图所示。,4电解液,27,(1)对电解液

10、的基本要求 1)有足够的蚀除速度。即生产率高，要求电解质在溶液中有较强的溶解度和离解度，有很高的电导率。 2)有较高的加工精度和表面质量。电解液中的金属阳离子不应在阴极上产生放电反应而沉积到阴极工具上，以免改变工具的形状尺寸。 3)阳极反应的最终产物品不溶性的化合物，这主要是便于处理，不会影响到阴极的工具尺寸。通常被加工工件的主要组成元素的氢氧化物大都难溶于中性的盐溶液。但在加工小孔时要求阳极的反应物是可溶性的。除此之外，还要求电解液具有：高的电导率：低的粘应和高的比热容，较好的化学稳定性；无腐蚀和毒性，价廉而容易得到。,4电解液,28,(2)三种常用的电解液 电解液可分为中性盐溶液、酸性溶液

11、与碱性溶液三大类，表3-2为一些常用的电解液及其特性。,3.3电化学加工的基本规律,29,一、生产率及其影响因素,4.3.3.1 基本概念 生产率：单位时间内蚀除的金属量（g/min） 法拉第电解定律： 阳极金属去蚀量M与电荷量（Q=It)成正比 理论蚀除量：M=KQ= KIt K-电化学当量 g/(Ah 电流效率：实际蚀除量与理论蚀除量之比 实际蚀除量 M: M=KQ= KIt,一、生产率及其影响因素,30,金属的电化学当量K M=KQ= KIt 电流密度I 成正比，但过高时火花放电，10100A/cm3 电极间隙 （ 双曲线关系 va= C/ ）,二、精度成型规律,31,蚀除速度与加工间隙

12、有关。实际电化学加工中，进给速度会影响到加工间隙的大小，同样影响工件尺寸和成型精度。,图4-18中，设电解加工开始的起始间隙为,则此时的蚀除速度,设阴极以恒定速度 向工件进给，则加工间隙逐渐减少，而蚀除速度相应增大。设工件足够厚，随着时间的推移，总会有工件的蚀除速度 与阴极的进给速度 相等。,1端面平衡间隙,1.端面平衡间隙,2.法向平衡间隙,b,3.侧面间隙,4.平衡间隙理论的应用,计算加工中的各种电极间隙，如端面、斜面、侧面的间隙； 设计电极时计算阴极尺寸及修正量； 分析加工精度； 选择加工参数，如电极间隙、电源电压、进给速度等。,三、表面质量,37,包括表面粗糙度和表面的物理化学性质改变

13、两方面。 （1）工件材料的合金成分、金相组织及热处理状态； （2）工艺参数，如电流密度、电解液的流速与温度等； （3）阴极的表面质量，如条纹、刻痕都会复印到工件上去。,3.4提高电化学加工精度的途径,38,目前生产中提高电化学加工精度的主要途径有： 1脉冲电流加工 1）消除加工间隙内电解液电导率的不均匀。采用脉冲电流加工可在两个脉冲间隔时间内，通过电解液的流动与冲刷，使间隙内电解液的电导率分布均匀。 2）脉冲电流加工使阴极在电化学反应中析出的氢气是断续的，呈脉冲状。它可以对电解液起搅拌作用，有利于电解产物的去除，提高电解加工精度。,2小间隙电解加工,采用小间隙加工，对提高加工精度、生产率是有利

14、的。但对液流阻力增大，电流密度大，使电解液温升快、压力高，还易发生短路。,除了前面已提到的采用钝化性电解液，如NaNO3、NaClO3等外，正进一步研究采用复合电解液，主要是在氯化钠电解液中添加其它成分，既保持NaCl电解液的高效率,又提高了加工精度。 采用低浓度电解液，加工精度可显著提高。,3改进电解液,（1）混气电解加工原理及优缺点 混气电解加工就是将一定压力的气体（主要是压缩空气或二氧化碳、氮气等）用混气装置使它与电解液混合在一起，使电解液成为包含无效气泡的气液混合物，然后送入加工区进行电解加工。,4混气电解加工,电解液中混入气体后，将会起到下述作用： 1）增加了电解液的电阻率，减少杂散

15、腐蚀，使电解液向非线性方面转化。 2）降低电解液的密度和粘度，增加流速，均匀流场。,4混气电解加工,混气电解液的主要缺点是，由于其电流密度的下降，使生产率比不混气下降了1/31/2，这适用于小功率电源加工大工件。,4混气电解加工,3.5电化学加工的应用,44,电化学加工在现代加工方法中是发展最快的一种。它在通用性方面的潜力最大，目前电化学加工大致分为如下几种形式：,电化学加工,电极进给式加工 电极静置式加工,二锥形状：打孔、套孔、切断 三维形状：型腔加工、成形加工,二维及三维形状，去毛刺、 加工空刀、加工凸起,3.5电化学加工的应用,45,1.深孔扩孔加工 2.型孔加工 3.型腔加工 4.套料

16、加工 5.叶片加工 6.电解倒棱去毛刺 7.电解刻字 8.电解抛光 9.数控展成电解加工,一、深孔扩孔加工,46,深孔扩孔加工按阴极的运动形式，可分为固定式和移动式两种。,固定式即工件和阴极之间无相对运功，其优点是：设备简单，操作方便，加工效率高。但阴极较工件长，所需电源功率较大，同时电解液在进出口处的温度、电解产物不同，容易引起粗糙度和尺寸精度不均匀现象。,47,电解加工弹膛抛壳槽剖视,抛壳槽阴极,固定式,一、深孔扩孔加工,48,移动式加工通常是将零件固定在机床上，阴极在零件内扎作袖向移动。移动式的阴极较短，精度要求较低，制造容易，可加工任意长度的零件而不受电源功率的限制。但它需要有效长度大于工件长度的机床，同时加工中加工面积的不断变化，故出现收口和喇叭口，需采用自动控制。,49,移动式,变截面深孔电解加工组合阴极,二、型孔加工,用于形状复杂、尺寸较小的异形通孔和育孔的零件加工。型孔的加工一般采用端面进给法，为避免锥度，阴极侧面要绝缘。,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。